Согласно данным ВОЗ проблема нарушений слуха стоит миру 980 миллиардов долларов США в год. В эту сумму входят не только социальные пособия, но и затраты на обучение, а также амортизация сопутствующего ущерба. По той же статистике, серьёзные проблемы со слухом наблюдаются у 430 млн человек. Прогнозы экспертов ВОЗ сходятся на том, что к 2050 году каждый десятый будет иметь инвалидизирующее поражение слуха. То есть такое, при котором потеря функции лучше слышащего уха превышает 35 дБ. Снижение качества жизни, социальная изоляция и психологические изменения — лишь малая часть урона, который наносит глухота.
| Естественно, эта проблема нуждается в решении. Сегодня существует несколько подходов к протезированию слуха у человека. Все они базируются на физиологии, анатомии и биохимии. |
Глобально под слухом понимается способность к восприятию акустических колебаний среды. Мы слышим благодаря наружному, среднему и внутреннему уху. Интерпретация результатов происходит в коре головного мозга.
Человек страдает от глухоты, если его порог слышимости находится ниже 20 дБ. Для коррекции тугоухости применяют набор определённых расширений. В этой статье мы разберём слуховые аппараты и кохлеарные имплантаты — электронные звукоусилители, делающие звуки более доступными для человека. Разница, как всегда, состоит в деталях.
▎Слуховой аппарат
Все слуховые аппараты состоят из нескольких частей. Микрофон принимает звуковые колебания и преобразует их в электрический ток. Усилитель выступает посредником между микрофоном и ресивером, преобразующим ток в звуковые колебания, которые дальше будут распространяться в слуховом канале. Батарея обеспечивает питание всей электроники.
| Первые слуховые аппараты были аналоговыми. Они просто делали звук громче. Сейчас научно-инженерная парадигма отошла от механического усиления звука, ведь с таким подходом сигнал неизбежно будет зашумленным. В деле обработки звука безраздельно властвует цифра. |
Современный рынок предлагает множество конструкций слуховых аппаратов. Они бывают заушными, внутриушными, карманными, в очковой оправе и имплантируемыми.
По данным Construction Project Monitoring and Evaluation: An Integrated Approach
Технология IRC, Receiver In Channel, доступна в слуховых аппаратах нового поколения. Ресивер помещается в слуховой канал пациента. Такое решение позволяет уменьшить корпус, а звукоизлучатель, помещённый на удалении от прочей электроники, менее склонен к появлению акустической обратной связи. Суть этого явления заключается в том, что микрофон захватывает сигнал с динамика, а затем его усиливает. Оно порождает неприятный свист, ощутимо снижая качество звука.
Слуховой аппарат ReSound Match 2T 70 использует процессор Coyote 3.1, который проводит WDRC-компрессию. Два канала и две полосы позволяют обеспечить максимально точную передачу и локализацию звука. Активная система шумоподавления отсекает лишние звуковые колебания. Тем не менее это устройство подвержено акустической обратной связи. Менеджер подавления обратной связи не даёт такому эффекту развернуться в полную силу.
| Каждый слуховой аппарат нуждается в настройке. Её проводят квалифицированные специалисты под потребности конкретного пациента. В то же время человек физически не может находиться под круглосуточным наблюдением врача-сурдолога. |
Например, компания WIDEX занимается не только производством слуховых аппаратов, но и обеспечением их интеллектуальной поддержки. Приложение TONELINK позволяет динамически настраивать аппарат под конкретные требования обстановки.
Программа, доступная для iOS и Android, интуитивно понятна и раскрывает много возможностей. К ним относится быстрое изменение пресетов, регулировка громкости, отключение звука, а также смена направленности микрофонов. Команды передаются в виде закодированного звука через динамик смартфона. Здесь не используется технология Bluetooth.
Слуховые аппараты выступают своеобразным «костылём». Даже наиболее прогрессивные из них всего лишь усиливают и очищают звук. Так или иначе, акустические колебания воспринимает барабанная перепонка и структуры среднего уха. Но как быть, если патология слуха скрывается именно в этих глубоких отделах?
▎Кохлеарные имплантаты
Наружное ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода. Оно заканчивается там, где начинается среднее ухо. Границей выступает барабанная перепонка — эластичная мембрана, совершающая колебания при воздействии звуковой волны.
Главная задача среднего уха состоит в том, чтобы сделать колебания воздуха колебаниями жидкой среды, заполняющей внутреннее ухо. Три кости — молоточек, наковальня и стремя принимают вибрацию барабанной перепонки, параллельно усиливая её.
| Улитка, этот сложнейший орган слуха, выглядит как спиральное образование с центральной костной колонной. Её работа состоит в преобразовании колебаний стремечка в колебания сначала жидкой среды, а потом и так называемой основной мембраны. При смещении основной мембраны происходит изгибание стереоцилий, отростков чувствительных клеток. Соответственно, в рецепторных клетках формируется разница потенциалов, обусловленная изменением мембранной проницаемости. Полученный сигнал идёт на клетки спирального ганглия в канале Розенталя. Он лежит в основании улитки и представлен костным каналом. Там расположен первый нейрон слухового тракта, который выполняет функцию распределительного узла. По волокнам слухового нерва импульс отправляется в ствол головного мозга и его кору. |
Как видно из небольшого экскурса в анатомию, глубокие отделы уха по своей принципиальной схеме соответствуют слуховому аппарату. Там есть приёмник звука, система передачи, усилитель и ресивер. Чем больше узлов находится в механизме, тем больше вероятность отказа какого-то из них.
Тотальная глухота подразумевает невозможность слышать любой звук. Она встречается при всевозможных патологиях улитки. Если у человека по какой-то причине отказали волосковые клетки, покрытые отростками-стереоцилиями, он утратит способность воспринимать звук.
Кохлеарные имплантаты служат для обхода повреждённой улитки. Они активируют нейроны, расположенные позади волосковых клеток.
▎Принцип работы
Кохлеарный имплантат — сложное инженерно-медицинское устройство. Оно состоит из наружного и внутреннего блока. Внешний компонент осуществляет сбор, анализ и кодировку информации. Алгоритмы его работы в общих чертах повторяют схему слухового аппарата. Речевой процессор подключают через 3 недели после установки внутреннего блока.
Звуковой процессор находится за ухом. Он принимает звук, очищает его и переводит в цифровой вид. Вся система питается с помощью батареи.
Звук, прошедший процедуру цифрового кодирования, отправляется на передающую катушку. Она связана с имплантированным приёмником-стимулятором через радиочастотный диапазон. Там осуществляется декодирование информации в набор электрических импульсов. Они прямо воздействуют на электроды, расположенные в улитке.
Слабые токи стимулируют нейроны спирального ганглия. Этот язык уже понятен слуховому нерву. Импульсы проходят в мозг, который воспринимает настоящий звук.
Кохлеарный имплантат повышает порог слышимости до 25 дБ. Пациент, перенесший кохлеарную имплантацию, слышит как человек с первой степенью тугоухости. К нему возвращается способность нормального восприятия речи, гудков машин, дверного звонка и музыки. Не менее важен психологический «прорыв» во вселенную, полную различных звуков.
▎Слуховой стволомозговой имплантат
При всей технологичности слуховые аппараты не корректируют отдельные виды глухоты. При наличии невриномы слухового нерва даже кохлеарные имплантаты будут бесполезными. Учёные поставили перед собой амбициозную задачу по вживлению электроники непосредственно в головной мозг.
На картинке обозначены внешние части стволомозговых слуховых имплантатов с аудиопроцессорами OPUS 2s и RONDO. Внутренняя часть изображена в левом нижнем углу. Как видно, её узлы частично повторяют устройство кохлеарного имплантата. На схеме он указан как «КИ»
Работа стволомозгового имплантата разобрана на примере ABI541 auditory brainstem implant от Cochlear Americas.
На принципиальной схеме, предоставленной Cochlear Americas, обозначены следующие узлы: 1. Микрофон; 2. Ресивер; 3. Токопроводящие элементы; 4. Электродная решетка, расположенная на стволе головного мозга.
Стволомозговой имплантат стимулирует подкорковые ядра, находящиеся в стволе головного мозга. К ним относятся «переключатели», стоящие на пути сигнала к коре. Это ядра оливы, срединные коленчатые ядра метаталамуса, а также бугры четверохолмия. Данные структуры относятся к своеобразной «материнской плате» головного мозга.
Многоэлектродная плата на силиконовой подушке вживляется в полость четвёртого желудочка вдоль ствола головного мозга. Она принимает кодированный сигнал как набор электрических импульсов и осуществляет стимуляцию нейронов соответствующих подкорковых ядер.
Компоненты устройства ABI: А — внешний блок с батареей, микрофоном, речевым процессором и трансмиттером; В — внутренний блок, включающий в себя ресивер-стимулятор, многоканальную электродную решётку и электрод заземления; С — электродная решётка на большом увеличении; D — три поколения электродных решёток, включающие изделия образца 1979, 1980 и 1992 года. Современные узлы устроены по схожему паттерну. По данным Auditory Brainstem Implants: Recent Progress and Future Perspectives.
Принципиальная схема данных устройств использует те же решения, что и кохлеарные имплантаты. Отличие заключено в том, что цифровой код передаётся на катушку. Она закреплена над стволом при помощи магнитов, где расположено само бионическое устройство. По статистике, пациенты с нейроимплантатами возвращают способность к восприятию речи в 31% процентов случаев. Уверенно говорят по телефону — 11%.
▎Перспективы технологии
Следует понимать тот факт, что современная бионика направлена на восстановление утраченных функций организма. Структуры человеческого тела развивались на протяжении миллионов лет в ходе эволюции. Инженерные и программные технологии, получившие бурный рост в последние годы, пока не способны полноценно компенсировать утрату конкретного органа.
Каждый вид слуховых аппаратов эффективен в границах своей функциональности. Они возвращают слух, однако его восприятие будет не таким чистым, как от сигнала с «родного» уха.
| Слуховые аппараты доступны в свободной продаже. Ими никого не удивить. Кохлеарные имплантаты неплохо показывают себя для тех, у кого сохранились слуховые нервы. |
Стволомозговая бионика пока относится к перспективным технологиям. Ими занимаются клиники в US, Великобритании, Австралии, Германии и Бельгии. В каждом случае стоимость операции оценивается индивидуально, однако она всегда кусается.
Голова — сложнейший органокомплекс. Сегодня физиологи знают основные принципы работы головного мозга. В то же время мозг подвержен масштабным явлениям индивидуальной изменчивости. Невозможно сказать с ходу, в какой степени развиты нейронные поля у конкретного пациента.
Лучше всего стволомозговые аппараты раскрывают свой потенциал у детей. Маленькие пациенты могут похвастаться пластичностью нервной системы. Их мозг способен адаптироваться к пониманию многих сигналов. Если они будут. Люди, долгое время жившие в условиях тотальной глухоты, принимают помощь бионики с куда меньшей отдачей.
| Подобные вмешательства требуют очень серьёзной квалификации персонала. В этом случае нейрохирурги, сурдологи, реабилитологи и кодеры работают на достижение одной цели. |
Классический слуховой аппарат функционирует по принципу телефона. В случае с кохлеарными и стволомозговыми имплантатами сложность операции возрастает на порядки. Важно не только техническое исполнение процедуры, но и верный «перевод» звука на язык, понятный нейронам.
Ствол мозга — одна из наиболее сложных анатомических структур. В нём залегают нервные узлы, отвечающие за поддержание жизненно важных функций. Он продолжается в спинной мозг, обеспечивая коммуникацию головы с телом.
В стволе мозга расположены ядра, ответственные за кодирование многих жизнеподдерживающих функций. Электродная система на силиконовой подушке всегда воспринимается организмом как чужеродный агент. Вероятные осложнения включают в себя многие патологии, начиная с нарушений оттока ликвора и гидроцефалии, менингита и прочих воспалительных процессов.
Ещё одна проблема заключена в магнитных свойствах имплантатов. При выполнении МРТ используются электромагнитные поля высокой напряжённости. Они могут смещать металлические компоненты, приводя к повреждениям биологических структур.
Из этого следует, что любая перспективная технология должна развиваться в плотной связке со всеми сопутствующими науками. Привлечение инвестиций, а также появление новых компаний могут многократно ускорить прогресс в разработке новых имплантатов.
На данный момент слуховые аппараты протезируют слух на уровне внешнего, среднего и внутреннего уха. Стволомозговые имплантаты открывают путь к тому, чтобы «помирить» мозг с электроникой. В то же время наука не решила ещё один вопрос.
Черепно-мозговые травмы, инсульты и онкологические процессы иногда повреждают кору головного мозга, а ведь слуховой аппарат функционирует ради неё. Какой смысл в звуке, если отделы, ответственные за его восприятие, уже разрушены болезнью?
Здесь кроется намёк на совершенно новую область бионики. Возможно, в будущем человек научится не только подключать мозг к искусственным органам, но и создавать его структуры искусственным путём.
Ещё сто лет назад бионика выглядела чем-то из разряда научной фантастики. Сейчас мы освоили протезирование рук, ног, ушей и глаз. Кто знает, каких успехов добьются учёные через век? Этот процесс медленный, однако неостановимый.
Источники
1. Все изображения взяты из открытых источников.
2. Статистика от сайта Всемирной организации здравоохранения www.who.int/ru
3. https://resound.com/
4. https://www.cochlear.com/us/en/home
Автор Никита Игнатенко
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
— 15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS
