Мир вокруг нас является набором разнообразных сигналов, которые воспринимаются органами чувств и обрабатываются для построения общей картины окружающей среды. Крайне тяжело определить градацию важности органов чувств, однако очевидно, что нарушение работы одного из них уже достаточно, чтобы существенно усложнить жизнь любому человеку. Частичная потеря слуха (или тугоухость) является заболеванием, которое поддается лечению различными методами, в числе которых и корректирующие операции, а также применение специальных имплантируемых устройств. Данные методы эффективны, но инвазивны, т. е. требуют хирургического вмешательства, что ведет за собой ряд потенциальных угроз для здоровья. Ученые из университета Уэйк-Форест (Уинстон-Сейлем, США) разработали неинвазивное устройство, генерирующее вибрации на коже за ухом с помощью микроэпидермальных приводов. Как именно работает данное устройство, и насколько оно эффективно по сравнению с инвазивными методами? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Кондуктивная тугоухость (CHL от conductive hearing loss) препятствует передаче звуков через наружное и среднее ухо в улитку. Инфекция среднего уха, средний отит, обычно является временной формой CHL, которую можно лечить антибиотиками. Врожденная CHL, такая как стеноз канала, атрезия и дисфункция евстахиевой трубы, является постоянной и ее гораздо сложнее устранить. Слуховой проход можно реконструировать с помощью корректирующих операций. Постоянную CHL также можно устранить с помощью слуховых остеоинтегрированных имплантатов (AOI от auditory osseointegrated implant), которые требуют хирургической процедуры для имплантации опоры в череп для передачи колебаний в улитку через кость. Корректирующие операции и AOI являются высокоинвазивными для пациентов детского возраста. Кроме того, нехирургические кондуктивные слуховые аппараты требуют оголовья или фиксатора для фиксации механического преобразователя на черепе, который может быть нестабильным на черепе и вызывать кожную реакцию у младенцев.
Гибкие кондуктивные слуховые аппараты предлагают неинвазивное решение для лечения детской CHL. Эти устройства используют преобразователь для создания вибраций на эпидермальном слое кожи, которые передаются через кость черепа в улитку, обеспечивая восприятие звука. Толщина гибкого слухового аппарата не может вместить обычные электромагнитные преобразователи. Ключевой проблемой при разработке гибких слуховых аппаратов является проектирование тонкого, компактного и маломощного преобразователя, который может генерировать сильный уровень вибраций.
Титанат свинца-циркония (PZT-5H) имеет высокую пьезоэлектрическую постоянную и может использоваться для создания приводов, которые генерируют большие смещения и высокий уровень выходной силы. Уменьшая толщину преобразователей PZT, их можно адаптировать для интеграции в гибкие слуховые аппараты. Однако уровни вибрации, создаваемые пьезоэлектрическим (PZT от piezoelectric) приводом, ограничиваются такими факторами, как доступное напряжение устройства, размер привода и структура. Кроме того, ослабление вибраций мягкими тканями и гибкими субстратами еще больше снижает силу их передачи на кость, поэтому преобразователи должны генерировать достаточно вибраций, чтобы преодолеть затухание и вызвать вибрацию базилярной мембраны улитки.
Увеличение количества преобразователей для создания массива является многообещающим решением для повышения силы колебаний гибкого слухового аппарата. Для оптимального усиления результирующих колебаний вибрационные волны от преобразователей должны конструктивно интерферировать. Такие факторы, как фазовая синхронизация, частота и свойства среды распространения, значительно влияют на эффективность этой интерференции. Для повышения уровней вибрации на черепе и улитке необходимо оптимизировать фазу напряжений, прикладываемых к каждому преобразователю, конфигурацию массива и расстояние между преобразователями. Кроме того, существующие слуховые аппараты используют направленные микрофоны для снижения фонового шума и локализации источника звуков. Однако у них отсутствует механизм управления направленностью усиленных колебаний на черепе. Уникальной особенностью гибкого слухового аппарата с массивом преобразователей является управление направлением колебаний от одного уха к противоположной улитке, что позволяет решать проблему односторонней и двусторонней кондуктивной потери слуха. Фазовый контроль позволяет усиливать вибрации и направлять их к дальней и ближней улитке.
Изображение №1
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают массив приводов PZT, встроенный в полидиметилсилоксановый (PDMS от polydimethylsiloxane) субстрат, называемый микроэпидермальными приводами (MEA от micro-epidermal actuator), для увеличения передачи вибраций от привода к улитке и управления направлением вибраций на черепе. Ученые спроектировали, изготовили и охарактеризовали две конфигурации для массива: горизонтальную и вертикальную, как показано выше. Анализ конечных элементов (FEA от finite element analysis) и экспериментальные результаты показали, что уровень вибраций от массивов PZT улучшается по сравнению с одиночным MEA. Кроме того, исследование на людях показало, что гибкие слуховые аппараты с массивом приводов PZT улучшают порог слышимости более эффективно, чем аппарат с одним преобразователем.
Результаты исследования
Механизм костной проводимости с массивами MEA показан на 1a. На этом рисунке два преобразователя размещены на коже пациента с ушной атрезией. Преобразователи производят две отдельные вибрации (красные и синие на рисунке), которые обходят начальные слои мягких тканей и передаются в кость черепа. Синфазные вибрации конструктивно интерферируют в более сильный сигнал (фиолетовый), что увеличивает силу колебаний в кости и улитке пациента. Вибрация от массива повышается относительно одного MEA, что приводит к более сильным слуховым сигналам. Массив MEA позволит усилить максимальную силу вибрации, производимой кондуктивным слуховым аппаратом, и позволит пациентам воспринимать звуки. Слуховой аппарат выигрывает от системы управления фазой для регулировки фазы сигналов на MEA и улучшения силы результирующих колебаний.
На 1b показаны две конфигурации массивов MEA: горизонтальные и вертикальные массивы. Массивы состоят из двух MEA, изготовленных из круглого титаната свинца-циркония (PZT-5H), встроенных в мягкую эластомерную подложку. Горизонтальные и вертикальные массивы имеют размеры 20 × 20 × 4 мм и 50 × 20 × 1 мм соответственно. На 1c представлена снимки вертикального массива, прикрепленного к схеме слухового аппарата, которая преобразует звуки окружающей среды в электрические сигналы и усиливает сигналы, подаваемые на массивы MEA. Эта схема имеет микрофон микроэлектромеханической системы (MEMS от microelectromechanical system) -38 дБ и 100 k усиление через 2 этапа активной фильтрации на тонкой гибкой полиимидной подложке толщиной 100 мкм.
На 1d показаны массивы MEA, размещенные на коже за ухом человека. Потребляемая мощность массива MEA увеличивается по сравнению с одним MEA. Результаты показывают, что схема в слуховом аппарате потребляет больше энергии, чем MEA; поэтому добавление второго MEA увеличило среднюю мощность аппарата примерно на 15%. На 1e показан FEA одного MEA и массивов MEA на круглом костном диске на частоте 7 кГц. Режим колебаний для вертикальных массивов, в которых PZT вертикально встроены в подложку PDMS, идентичен режиму от одного MEA. Оба диска показали концентрические моды, исходящие из центра диска и MEA, где происходят максимальные вибрации. Режим колебаний для горизонтального массива, в котором MEA размещены бок о бок, показал два пика под дисками PZT.
Изображение №2
Массив с двумя MEA генерирует две точки колебаний, которые распространяются и взаимодействуют друг с другом. Колебания, которые передаются кости, можно охарактеризовать волновым уравнением и суперпозицией волн. Теория суперпозиции гласит, что когда y1 и y2 являются решениями волнового уравнения, их сумма y также является решением. На 2a показаны колебания от одного MEA и массивов MEA на сферической оболочке. Один MEA показывает, что максимальная вибрация произошла под PZT на частоте 6 кГц. Однако конструктивные помехи для вертикального и горизонтального массива показывают два пика на стороне массива на сферической оболочке. Ученые провели анализ конструктивной и деструктивной интерференции вибраций от массивов на костном диске на частоте 250 Гц. Результаты показывают, что максимальные вибрации на кости можно увеличивать и уменьшать, регулируя фазу приложенных напряжений Δφ на актуаторах.
Интерференция вибраций была проанализирована на модели человеческого черепа с неровными поверхностями и выступами. На 2b показаны вибрации на черепе от одного преобразователя и массивов MEA на частоте 600 Гц. Разность фаз электрических сигналов на MEA была равна нулю (Δφ = 0°) для массивов. Вибрации сосредоточены на небольшой области височной кости под приводом PZT и на нижней челюсти черепа для одного MEA. Вибрации от вертикального массива больше распределены по правой стороне черепа на частоте 600 Гц. Для горизонтального массива вибрации распределены по черепу и более выражены на нижней челюсти на частоте 600 Гц. Ученые также проанализировали вибрации на черепе на частотах 2 кГц и 8.2 кГц. Результаты показывают, что формы колебаний зависят от частоты, конфигурации решетки и геометрии базового объекта.
На 2c сравниваются конструктивные (вверху) и деструктивные (внизу) моды для горизонтального массива на частоте 250 Гц. Вибрации были распределены по правой стороне черепа, где был размещен массив, а также по задней части черепа при Δφ = 345°. Максимальная вибрация наблюдалась под массивом MEA и на нижней челюсти. Когда разность фаз приложенного напряжения была установлена на Δφ = 165°, вибрация на нижней челюсти была деструктивной, и вибрации были распределены только по правой и задней сторонам черепа. Мода вибрации была распространена на верхнюю сторону черепа, и максимальные вибрации наблюдались под горизонтальным массивом на частоте 1.25 кГц и разности фаз Δφ = 105°. При 4 кГц и Δφ = 225° мода вибрации показывает несколько максимумов на височной, теменной и нижнечелюстной костях.
Режим колебаний от вертикального массива менее чувствителен к изменению фазы. Это объясняется вертикальным выравниванием двух приводов PZT, которые разделены всего 3 мм. MEA на вертикальном массиве генерируют волны, близкие к синфазным, которые с большей вероятностью будут конструктивно интерферировать при Δφ = 0° и увеличивать силу колебаний по всему черепу. Форма режима вертикального массива была похожа на режим одиночного MEA на плоской кости (1e). Форма режима вертикального массива отличалась от одиночного MEA на черепе на частоте 600 Гц, в то время как режим колебаний был похож на частоте 8.2 кГц.
Кожа и мягкие ткани головы человека ослабляют вибрации и влияют на их передачу на кости черепа. На 2d показана разница между массивами на черепе с кожей или без нее, на спинномозговой жидкости и мозговой ткани на частоте 7 кГц. Затухание вибраций наблюдалось для обоих массивов из-за наличия мягких тканей. Форма моды не изменилась для вертикального массива с мягкой тканью и без нее. Однако добавление мягкой ткани к модели черепа изменило моду колебаний для горизонтального массива. Максимальная вибрация на нижней челюсти была значительно снижена с мягкой тканью в модели. Ученые проанализировали передачу вибрации на геометрические формы, такие как диск и сферическая оболочка с мягкими тканями. Результаты показывают, что наличие мягких тканей изменило моду и величину колебаний.
Изображение №3
Ученые протестировали вертикальные и горизонтальные массивы на геометрических формах, чтобы получить глубокое представление о взаимодействии вибраций от MEA в массивах. На 3a показана экспериментальная установка горизонтального массива, установленного в центре алюминиевого фундамента толщиной 1 мм. Фундамент был закреплен пенопластами для изоляции вибраций. Для измерения вибраций в задней части фундамента использовался лазерный доплеровский виброметр (LDV от laser Doppler vibrometer). На 3b показаны вибрации, генерируемые на алюминиевом фундаменте вертикальным актуатором. Средняя скорость 127 дБ (0 дБ составляет 1 нм/с) была создана верхним MEA и 130.5 дБ от нижнего MEA. Вибрации от верхнего MEA ниже на фундаментах, поскольку они передаются через слой PDMS и нижний MEA. Когда оба актуатора питаются одновременно, средняя вибрация увеличивается до 133.6 дБ. Это показывает, что оба привода в массиве внесли вклад в общую вибрацию, и уровень вибраций был увеличен на 6.6 дБ по сравнению с верхним приводом. Интерференция вибраций не чувствительна к расстоянию от центра вертикального массива, как показано на 3c. Вибрации от каждого MEA в вертикальном массиве находятся в фазе на фундаменте из-за выравнивания и небольшого расстояния между MEA в массиве. Таким образом, конструктивная интерференция была на 0°, а деструктивная интерференция на 180° в различных местах на фундаменте.
На 3d показан уровень вибрации горизонтального массива. Каждый отдельный привод создавал схожую величину вибрации (131.4 и 131.1 дБ) в центре массива. Питание обоих MEA в массиве увеличило среднюю вибрацию до 136.5 дБ. На 3e показана фазовая характеристика горизонтального массива. Скорость вибрации показала конструктивную интерференцию при 300° и деструктивную интерференцию при 120° для 3 и 6 кГц. Интерференция вибраций от MEA в горизонтальном массиве чувствительна к расстоянию. На 3f показано, что конструктивная интерференция вибраций сместилась с 300° в центре массива до 180° и 90° на расстоянии 3 см от центра для 3 и 6 кГц. Это требует управления фазой для горизонтального массива, чтобы увеличить уровень вибрации в различных местах и частотах. На 3g показана скорость колебаний для горизонтального массива при фазе 0° по сравнению с настроенной фазой по всему спектру 10 кГц. Управление фазой увеличило скорость максимум на 12.8 дБ на частотах ниже 6 кГц. Минимальная вибрация была увеличена со 120.8 дБ до 130.1 дБ за счет настройки фазы.
Массив разнородных MEA позволяет проектировать полосу пропускания результирующих колебаний. На 3h показана частотная характеристика отдельных MEA с диаметром 20 и 27 мм, а также частотная характеристика массива, когда оба MEA включены. 20-мм MEA имел два резонансных пика на 7 кГц и 9 кГц, в то время как 27-мм MEA имел один резонансный пик на 5 кГц. Отклик для массива содержал все три резонансных пика на 5, 7 и 9 кГц. На расстоянии 3 см от центра разнородного массива фазовый контроль использовался для увеличения уровня вибраций на различных частотах. Более того, фазовый контроль массива позволяет изменять направленность вибраций. На 3i показано, как фазовая регулировка сместила точку максимальной вибрации. При увеличении фазы горизонтального массива резонансный пик сместился по линии на алюминиевом основании. Кроме того, ученые испытали массивы на сферической оболочке с радиусом 15 см для изучения передачи вибрации. Данные показали, что фазовый отклик горизонтального массива также был чувствителен к местоположению на сфере.
Изображение №4
Исследование с участием людей было проведено для оценки эффективности массивов на пороге слышимости (HT от hearing threshold) участников. Кроме того, ученые измерили минимальное напряжение, необходимое для подачи на MEA в массиве для проведения колебаний от эпидермиса к улитке. В исследовании приняли участие десять человек в возрасте от 19 до 39 лет. Каждому испытуемому были выданы беруши и наушники для имитации кондуктивной потери слуха (SCHL от simulated conductive hearing loss). Эксперименты проводились в тихой комнате, которая была акустически изолирована. Массивы были подключены к схеме слухового аппарата, показанной на 1c. Устройства размещались за правым ухом испытуемых и закреплялись медицинской лентой.
На 4a сравнивается HT людей с одним MEA и вертикальным массивом с двумя MEA при фазе 0°. Вертикальный массив улучшил средний HT участников на 12.1 дБ при 250 Гц и 13.8 дБ при 500 Гц по сравнению с одним MEA. Средний HT увеличился на 6.71 дБ в диапазоне 0.25–8 кГц. По сравнению с HT испытуемых без устройства массив улучшил HT на 30.5 дБ при 1 кГц и 20.41 дБ в диапазоне 0.25–8 кГц. Все участники сообщили, что качество звуков от массива было намного четче, чем от одного привода. Восемьдесят процентов участников с SCHL отметили, что слуховой аппарат с массивом MEA помог им слышать тихие звуки в комнате (например, набор текста на клавиатуре, поток воздуха от кондиционера). На 4b показано минимальное напряжение, необходимое для управления MEA в фазе 0°, чтобы участники с SCHL могли слышать звуки от MEA. Горизонтальные и вертикальные массивы снижали пороговое напряжение до 84% по сравнению с минимальным напряжением, необходимым для одного MEA, чтобы улучшить слух в диапазоне 0.25–8 кГц. Общее среднее снижение в той же полосе частот составило 71%.
Кроме того, ученые оценили влияние фазы горизонтального массива на пороговое напряжение. На 4c показана фазовая характеристика порогового напряжения, позволяющая участникам слышать звуки на частотах 0.5 и 4 кГц. Данные показали, что фазу можно регулировать для снижения порогового напряжения. Шестьдесят процентов участников сообщили, что они слышат звуки из правого уха, к которому была прикреплена решетка, на различных фазах и частотах. Однако 40% участников сообщили, что регулировка фазы может изменить направленность воспринимаемых звуков. Они отметили, что они слышали звуки, исходящие из массива с правой стороны, в левом ухе (4d). Три участника сообщили, что звуки исходили из затылка в фазах между самыми высокими и самыми низкими звуками. Это может быть связано с формой кости, плотностью кости, толщиной кожи и распределением тканей, которые влияют на передачу вибрации и помехи.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые рассказали о созданном ими слуховом аппарате, который стал реализацией нового подхода к борьбе с кондуктивной потери слуха. Данное устройство не требует инвазивного вмешательства и может быть прикреплено к коже за ухом человека.
Кондуктивная потеря слуха, которая чаще всего случается в детстве, возникает, когда звуки не достигают внутреннего уха. Звуковые волны блокируются во внешнем или среднем ухе из-за ушных инфекций, закупорок или структурных аномалий. К классическим методам лечения относятся корректирующая операция и имплантация специального устройства.
Альтернативой могут быть гибкие носимые устройства. Разработанный учеными в данном труде аппарат использует микроэпидермальные приводы для создания вибраций на коже за ухом, которые затем передаются непосредственно во внутреннее ухо, минуя слуховой проход. Дополнительно силу и качество вибраций от устройства удалось увеличить за счет складывания нескольких приводов в массив.
Практические опыты, в которых приняли участие реальные люди, показали разительное улучшение слуха. Данная разработка является важным шагом на пути борьбы с тугоухостью без применения инвазивных методов, которые ведут за собой свои специфические риски. В будущем ученые намерены расширить свое исследование, провести более объемные практические испытания, чтобы повысить эффективность устройства.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Автор: Dmytro_Kikot
