способ моделирования слухового восприятия пациентов после кохлеарной имплантации

Формула изобретения

Способ моделирования слухового восприятия пациентов после кохлеарной имплантации, включающий переработку речевого сигнала, заключающуюся в аналого-цифровом преобразовании входного сигнала, разделении преобразованного сигнала на частотные полосы, суммирование полос, цифроаналоговое преобразование суммарного сигнала и предъявление его испытуемым, при этом суммируют пять нечетных полос шириной по 50 Гц, нижняя граница первой нечетной полосы равна 200 Гц, верхняя граница последней нечетной полосы равна 6250 Гц, причем полосы разнесены на равное расстояние друг от друга, составляющее 5,2 мм по длине базилярной мембраны в соответствии с нормальной тонотопикой улитки, обработанный сигнал используют для самообучения испытуемых восприятию спектрально депривированного речевого сигнала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине, а именно к аудиологии и сурдологии, и может найти применение в процессе реабилитации имплантированных пациентов.

В последнее десятилетие в России началось внедрение метода слуховой реабилитации глухих пациентов - кохлеарной имплантации (КИ). Для имплантации используются созданные в ряде стран системы КИ, и поэтому основным вопросом программы КИ является разработка способов слуховой реабилитации пациентов после кохлеарной имплантации.

Известно, что в процессе слуховой реабилитации детей после кохлеарной имплантации значительная роль отводится родителям. Это связано с необходимостью их непосредственного участия в реабилитации своих детей, но для их эффективной работы нужно, чтобы они достаточно глубоко понимали проблему. К сожалению, в большинстве случаев представления родителей о кохлеарной имплантации очень ограничены.

Более того, имея в виду средства, вложенные в операцию, они не могут понять, почему их ребенок не может сразу заговорить и понимать обращенные к нему слова.

В том случае, когда настройка речевого процессора кохлеарного импланта проводится у 2-3 детей одновременно, родители, естественно, видят различия между детьми и также не понимают их причину. Зная об успехах некоторых ранее имплантированных пациентов, они никак не могут понять, почему у них дело обстоит иначе. Четкое физиологическое объяснение особенностей слухового восприятия имплантированных пациентов и проистекающих отсюда проблем требует начинать изложение вопроса с азов акустики и физиологии, что едва ли возможно.

Как можно наглядно продемонстрировать родителям проблемы, стоящие перед их имплантированными детьми? Необходимо смоделировать речевой сигнал, который воспринимают имплантированные пациенты, и предъявить его родственникам и всем тем, кто заинтересован проблемой КИ.

Для построения реальной программы реабилитации специфического контингента тугоухих пациентов, а именно больных, которым проведена кохлеарная имплантация, совершенно необходимо отчетливое представление о том, что и как они слышат. Известно, что их слуховое восприятие значительно отличается от восприятия человека с нормальным слухом, так и от восприятия тугоухих пациентов, пользующихся слуховыми аппаратами.

Можно привести хотя бы такой пример.

Из литературы известно, что человек с нормальным слухом может определить 600 градаций частоты, у больных нейросенсорной тугоухостью количество градаций в 10 раз меньше, имплантированный же пациент имеет возможность различать только небольшое количество частотных полос, которое ограничено количеством введенных в улитку электродов. В настоящее время оно не превышает 20.

Таким образом, отличие в восприятии только лишь по спектральному параметру огромное, и по этой причине моделирование речевого сигнала, который, насколько это, возможно, приближен к тому, который воспринимает имплантированный пациент, очень важно.

Известен способ переработки речевого сигнала, где моделируют звуковой образ, который воспринимает имплантированный пациент, путем создания ограниченного по частотному представительству речевого сигнала и оценивают разборчивость обработанной таким способом речи у людей с нормальным слухом [1].

Была использована система кохлеарной имплантации "Combi 40" австрийской фирмы "Med El", где в улитку пациента вводится цепочка из 8 электродов. Ширина спектра речевого сигнала, обрабатываемого процессором, находится в диапазоне от 300 до 5500 Гц. Процессор импланта "Combi-40" разделяет этот спектр на 8 полос. В каждой из них измеряется энергия и в соответствии с нею формируется импульс, подаваемый на соответствующий электрод. Программа, заложенная в речевой процессор, позволяет изменять граничные (и центральные) частоты этих полос в зависимости от применяемого закона переработки. В программе импланта имеются 4 закона разделения спектра: логарифмический, линейно-логарифмический, тонотопический и линейно-ниспадающий.

Далее была применена компьютерная программа спектральной переработки речевого сигнала [2]. Она дает возможность вырезать, т.е. удалять из акустического сигнала, различные, задаваемые исследователем, участки спектра. В данной работе в качестве тестовых сигналов использовались частотные полосы шириной по 50 Гц, которые располагались вокруг центральных частот полосовых фильтров речевого процессора. Остальная часть спектра удалялась.

Таким образом, после обработки речевого сигнала информативными остаются только 8 частотных полос шириной по 50 Гц. Следовательно, из всего спектра речи (300-5500 Гц), обрабатываемого речевым процессором импланта, оставляют лишь 8·50=400 Гц, то есть для оценки восприятия речи используют только 400/5200=1/13 части спектра.

После обработки речевого сигнала в соответствии с 4-мя законами разделения спектра проводилось измерение разборчивости речи. Для этого были использованы таблицы Гринберга-Зиндера, по 30 слов в каждой. Речевой сигнал с IBM PC поступает на усилитель "Амфитон" и далее на телефон TDH-39. Регуляторы тембра усилителя устанавливают в среднее положение, обеспечивая равномерное усиление всех частот речевого спектра. Испытуемый выбирает только уровень комфортной громкости речевого сигнала. До начала регистрации проводят непродолжительную тренировку (5-10 мин) для освоения нового звучания русской речи.

Измерение разборчивости речи проведено у 6 нормальнослышащих при монауральном предъявлении речевых стимулов на правое ухо. Все испытуемые показали 100% разборчивость речи во всех четырех вариантах переработки речевого сигнала. Исходя из того, что после обработки в речевом сигнале оставалось только 1/13, т.е. 7,7% спектра, можно заключить, что избыточность речи с точки зрения частотного представительства превышает 92,3%.

Исходя из полученных результатов о столь значительной избыточности речи (с точки зрения частотного представительства), становится понятно, почему имплантированные больные со столь малой частотной селективностью успешно осваивают новый русский язык.

Следует отметить, что в начале исследования все испытуемые терялись от столь необычного речевого сигнала - из первой тренировочной десятки слов (независимо от закона разделения спектра) они различали только 2-3. Однако достаточно быстро осваивались с измененной картиной речи и в дальнейшем тестирование уже не вызывало существенных затруднений. Для достижения 100% разборчивости речи достаточно было лишь непродолжительной тренировки [1]. То есть такое представление речевого сигнала можно рассматривать как модель восприятия в первом приближении, но для демонстрации она непригодна.

Известен также способ переработки речевого сигнала, где используют 4 полосы по 50 Гц в диапазоне частот 200-6250 Гц [3]. Гребенчатую фильтрацию речи проводят с помощью разработанной компьютерной программы спектральной переработки речевого сигнала [2].

После гребенчатой фильтрации речевого сигнала и условной нумерации частотных полос, полосы с нечетными номерами суммируют, и сумму этих полос используют как тестовый сигнал для измерения разборчивости речи. Нижняя граничная частота первой полосы равняется 200 Гц. Сумма ширин четной и нечетной полос составляет период гребенчатого фильтра. В проведенном исследовании ширина полос с нечетными номерами была одной и той же и равнялась 50 Гц. В первой части работы период фильтрации был величиной переменной, а во второй был использован речевой материал, обработанный только при одном значении периода, равном 2000 Гц.

Исходя из результатов, полученных на группе неопытных испытуемых в первой части работы, параметры гребенчатого фильтра были выбраны такими, при которых даже лучший из них не имел 100-процентную разборчивость речи, но опытными аудиторами при данных параметрах фильтра она достижима. А именно, ширина тестовых полос равнялась 50 Гц, период гребенчатого фильтра был равен 2000 Гц.

Во второй части работы сравнили два способа обучения нормальнослышащих людей восприятию спектрально депривированного речевого сигнала. Испытуемые были разделены на 2 подгруппы по 5 человек. Обработанные слова подавали монаурально на правое ухо. По инструкции испытуемый устанавливал комфортный уровень громкости речевого сигнала и повторял услышанные слова.

Испытуемым первой подгруппы последовательно предъявляли таблицы слов, регистрируя правильные ответы. Первую таблицу использовали для тренировки и самообучения и результаты, полученные при ее предъявлении, не учитывали.

Испытуемым второй подгруппы также последовательно предъявляли таблицы слов, но первую таблицу они прослушивали с целью обучения при одновременном чтении тех же слов с листа. Причем им следовало сначала прочесть слово, а затем прослушать его.

Далее каждому испытуемому предъявляли, без учета первой тренировочной, 4 тестовых таблицы по 30 слов. Было обнаружено, что некоторые нормальнослышащие из первой группы испытуемых не смогли опознать ни одного из предъявленных им 120 слов. Однако после обучения восприятию обработанной речи при зрительном сопровождении оказалось, что, во-первых, все испытуемые второй группы начали понимать некоторые слова и, во-вторых, в сравнении с результатами первой группы разборчивость речи после обучения достоверно увеличилась.

На основании результатов, полученных вышеуказанными способами, представляется возможным провести параллели между восприятием речи, обработанной гребенчатым фильтром, нормальнослышащими и восприятием речи имплантированными пациентами и на основании этого провести моделирование слухового восприятия пациентов после кохлеарной имплантации.

Следует отметить, что в способе переработки речевого сигнала [1] результат не демонстративен, поскольку не представляет труда освоить восприятие обработанной таким образом речи, а в способе [3] задание оказалось слишком сложным. Однако результаты второго способа доказывают, что восприятию столь бедной по спектральному содержанию речи можно обучиться. Следовательно, для создания работающей модели необходимо выбрать соответствующие параметры гребенчатого фильтра.

Известен также наиболее близкий способ переработки речевого сигнала, включающий аналого-цифровое преобразование входного сигнала, затем разделение преобразованного сигнала с помощью полосовых фильтров на частотные полосы, которые суммируют и после цифроаналогового преобразования подают на выходное устройство [4].

Недостатком указанного способа является то, что при таком преобразовании речевого сигнала исключается спектральное представление речевого сигнала, т.е. полностью отсутствует реальный спектр речевого сигнала. Речь представлена набором синусоид, которые не содержатся в исходном речевом сигнале.

Техническим результатом настоящего изобретения является моделирование речевого восприятия имплантированных пациентов путем получения ограниченного по частотному представительству речевого сигнала, благодаря чему появляется возможность продемонстрировать родственникам имплантированных пациентов сложность проблемы слуховой реабилитации их детей и на собственном опыте убедиться в возможности ее решения.

Этот результат достигается тем, что в способе моделирования слухового восприятия пациентов после кохлеарной имплантации, включающем переработку речевого сигнала, заключающуюся в аналого-цифровом преобразовании входного сигнала, разделении преобразованного сигнала на частотные полосы, суммировании полос, цифроаналоговом преобразовании суммарного сигнала и предъявлении его испытуемым с нормальным слухом, согласно изобретению суммируют 5 нечетных полос шириной по 50 Гц, где нижняя граница первой нечетной полосы равна 200 Гц, верхняя граница последней нечетной полосы равна 6250 Гц, причем полосы разнесены на равное расстояние друг от друга, составляющее 5,2 мм по длине базилярной мембраны в соответствии с нормальной тонотопикой улитки. Обработанный сигнал используют для самообучения испытуемых восприятию спектрально депривированного речевого сигнала.

Наличие отличительных признаков, а именно суммирование 5 полос шириной по 50 Гц, где первая полоса имеет границы 200 Гц, а пятая полоса расположена в границах 6250 Гц, разнесение полос на равное расстояние друг от друга, составляющее 5,2 мм по длине базилярной мембраны, при соответствии координаты точки на базилярной мембране и воспринимаемой в этой точке центральной частоты полосы, использование полученного сигнала для измерения разборчивости речи, свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности “новизна”.

Указанный способ основан на исследованиях, проведенных в Санкт-Петербургском НИИ ЛОР при участии 7-ми материй имплантированных пациентов. В основе проведенного исследования лежит вывод о возникновении ощущения полосы частот при стимуляции слухового нерва электрическими импульсами [5] и на данных о возможности обучения восприятию спектрально депривированного речевого сигнала [3].

Речевой сигнал подают через аналого-цифровой преобразователь на IBM PC, преобразованный сигнал разделяют на четные и нечетные полосы. При этом нижняя граница первой нечетной полосы равна 200 Гц, а верхняя граница последней полосы равна 6250 Гц.

Нечетные полосы имеют ширину 50 Гц и в соответствии с нормальной тонотопикой улитки они расположены на равном расстоянии друг от друга (5,2 мм) по длине базилярной мембраны, а именно при соответствии координаты по оси улитки и воспринимаемой частоты. Эти расчеты были проведены в соответствии с формулой Hartmann W. о зависимости характеристической частоты нейрона от координаты точки на базилярной мембране [6]. Сигналы пяти нечетных полос суммируют и далее через цифроаналоговый преобразователь выводят на выходное устройство.

В качестве характеристики полосовых фильтров использовали ширину полосы пропускания фильтра на уровне I=-20 дБ, т.е. ширину тестовых полос частот на уровне интенсивности на 20 дБ ниже максимального значения интенсивности в этой полосе. Полоса пропускания всех фильтров была равна 170-200 Гц, т.е. используемая компьютерная программа обеспечивала крутизну спада фронтов полосового фильтра, равную 0,3-0,35 дБ/Гц, как в сторону высоких, так и низких частот.

В качестве иллюстрации на чертеже представлен спектр речевого сигнала, использованного в работе и обработанного гребенчатым фильтром. На чертеже: ось абсцисс - частота в Гц, ось ординат - уровень интенсивности в дБ затухания.

В результате проведенных исследований было обнаружено, что при последовательных предъявлениях двух речевых таблиц (60 слов) происходит самообучение восприятию спектрально депривированной речи, представленной пятью спектральными полосами шириной по 50 Гц в диапазоне частот 200-6250 Гц, что отражается в нарастании разборчивости преобразованного речевого сигнала до уровня насыщения. Все испытуемые на 7-9-й день обследований по результатам измерений разборчивости речи достигали своего максимума разборчивости (уровень плато).

В самом начале тестирования родители обучались процедуре обследования при полном спектре речи. У них не возникало никаких проблем. Услышав, при первом предъявлении, речевой сигнал, обработанный гребенчатым фильтром, и, зная из инструкции, что звучат слова, они сами говорят, что в это трудно поверить. Наиболее частая оценка качества звучания, которую они самостоятельно дают при первом обследовании: "Ужасно". С учетом предварительного объяснения сути исследования они отчетливее оценивают задачи, стоящие перед их детьми и приходят к выводу, что их требования к слуховому восприятию детей, предъявленные сразу после первого включения импланта были завышенными.

Необходимо отметить, что нарастание разборчивости речи происходило до уровня плато, причем различного у разных мам (от 63 до 93%). 100-процентная разборчивость не была достигнута ни одной из мам. Разные окончательные (уровень плато) результаты измерений разборчивости речи у родителей служат для них яркой демонстрацией разных способностей людей понимать спектрально преобразованную речь и на основании аналогии с кохлеарной имплантацией дают возможность аудиологу объяснить родителям различия в результатах реабилитации их детей.

Отсутствие 100-процентной разборчивости речи у всех обследуемых дает возможность объяснить матерям, что для более полного освоения новых звуковых картин необходимо использовать специальные подходы. Здесь следует подчеркнуть, что в проводимой работе рассматривалось только лишь самообучение без применения дополнительных сурдопедагогических приемов и поэтому для успешной реабилитации их детей необходимы специальные занятия и непосредственное участие родителей в процессе реабилитации.

Особо следует отметить, что в конце исследования все испытуемые изменяют свою первоначальную оценку качества звучания речевого материала и не высказывают отрицательных суждений о восприятии обработанной речи. Более того, они сами удивляются, почему было так трудно понимать слова в начале обследования. И здесь вновь можно провести параллели с имплантированными постлингвальными пациентами, т.е. такими больными, которые потеряли слух после овладения речью. После первого включения импланта им трудно поверить, что эту непонятную звуковую картину впоследствии они будут воспринимать как речь. По мере приобретения слухового опыта они испытывают все меньше затруднений при общении. По окончании настройки процессора большинство постлингвальных пациентов на вопрос: "Как вы сейчас слышите?" отвечают: "Как раньше". Т.е. они реставрируют необычную (значительно искаженную!) звуковую картину, до похожей на ту, которая была у них раньше. Сами пациенты полагают, что они воспринимают речь как прежде, в чем они убеждаются благодаря своей способности общаться по телефону.

Об успешном освоении восприятия новой звуковой картины речи свидетельствует результат, полученный в последний день эксперимента. При однократном предъявлении третьей, контрольной, таблицы, обработанной гребенчатым фильтром с теми же параметрами, как и таблицы для обучения, не обнаружено достоверных различий между контрольным результатом и окончательным, полученным при предъявлении неоднократно повторяемых двух таблиц (р<0,05).

Следует отметить, что после нескольких дней обследования некоторые родители уже отдают себе отчет, что проводимое исследование не совсем похоже на восприятие их детей, поскольку дети, глухие от рождения, не знают, что они слышат. Нельзя не согласиться с родителями имплантированных детей, что данное обследование это далеко не полная аналогия слухового восприятия их детей. Действительно, их дети находятся, возможно, в более трудном положении - у них, в отличие от родителей, нет никаких опорных пунктов для достройки или перестройки впервые слышимых картин. Но, во-первых, такие вопросы и рассуждения родителей уже свидетельствуют о начале здравого понимания проблемы и, во-вторых, это позволяет объяснить и подчеркнуть трудности, с которыми сталкивается их ребенок. И родители уже с большим пониманием воспринимают объяснение проблем имплантированных пациентов.

В первых тестах некоторые родители отмечают, что для анализа и опознания некоторых слов (по-видимому, тех, спектральная картина которых недостаточно отражена в оставшихся спектральных полосах) им не хватает времени. Временной интервал между словами составлял 5 секунд. По мере протекания эксперимента процедура опознания слов для них упрощается. И вновь, опираясь на аналогии с кохлеарной имплантацией, можно объяснить родителям, что их детям также трудно, а возможно и труднее воспринимать все слова и поэтому не удивительно, что они не сразу полностью понимают обращенную к ним речь и часто переспрашивают.

Следует отметить, что по мере протекания эксперимента родители все больше и больше проникаются проблемой кохлеарной имплантации и задаваемые ими вопросы свидетельствуют о все более полноценном понимании этой проблемы. Матери имплантированных детей, принимавшие участие в эксперименте, положительно оценивают смоделированную им ситуацию и сами рекомендуют проводить такое обследование всем матерям. Другие матери, услышав от обследованных родителей про подобное исследование, сами изъявляют желание в нем участвовать.

Предлагаемый способ осуществлен в отделе патофизиологии уха Санкт-Петербургского научно-исследовательского института уха, горла, носа и речи.

Использование предлагаемого способа переработки речевого сигнала позволяет получить следующий технический результат:

1. Результаты исследования свидетельствуют о наличии параллелей между восприятием спектрально депривированного речевого сигнала испытуемыми с нормальным слухом и восприятием речи имплантированными пациентами и на этом основании позволяют проводить моделирование слухового восприятия имплантированных пациентов с помощью разработанной программы.

2. Участие родителей имплантированных детей в экспериментах по восприятию обработанной речи служит для них яркой демонстрацией того, как обучается восприятию речи, обработанной процессором кохлеарного импланта, их ребенок и чего он может достичь.

Из вышесказанного следует, что введенные отличительные признаки совместно с известными признаками являются причиной достижения указанного технического результата, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности “изобретательский уровень”.

Сущность способа поясняется примером.

Речевой сигнал был записан на винчестер и обработан по разработанной программе. В соответствии с формулой Hartmann W. (Z=7,24 ln(1+F/165)) о зависимости характеристической частоты нейрона от координаты точки на базилярной мембране были выбраны 5 частот, которые расположены на равном расстоянии друг от друга (5,2 мм) по длине базилярной мембраны в диапазоне частот от 200 до 6250 Гц. Вокруг этих частот были выделены 5 нечетных полос шириной по 50 Гц. Так первая полоса имела границы 200-250 Гц, а пятая 6200-6250 Гц. Сумма пяти спектральных полос была использована для обследования испытуемой К.

После объяснения сути обследования и проведения тренировки при полном спектре речевого сигнала начиналось исследование разборчивости речи, обработанной по нашей программе. В первый день испытуемая правильно опознала 20 из 60 слов (33%), но по ее словам звучание речи было ужасное. В последующие дни при предъявлении тех же 60 слов разборчивость речи постепенно увеличивалась. Причем необходимо отметить, что в последовательных тестах от 90 до 100% слов, воспринятых в предыдущей серии, испытуемая опознавала в следующем обследовании. Если так можно сказать, то от теста к тесту у испытуемой происходило "накопление" словарного запаса.

При 7, 8 и 9 обследовании результаты измерений разборчивости речи различались на одно слово, т.е. испытуемая достигла своего максимума разборчивости. При предъявлении еще одной (контрольной) таблицы, обработанной гребенчатым фильтром с теми же параметрами, испытуемая опознала 83% слов. Контрольный (83%) и результат самообучения (87%) не различались. Отсутствие различий позволило испытуемой убедиться в том, что она не просто запомнила повторяемые слова, а приобрела новое умение. И это вновь дает возможность пациентам понять проблему освоения восприятия речи их имплантированными детьми. Особо следует отметить, что в конце исследования испытуемая кардинально изменила свою первоначальную оценку качества звучания речевого материала и не имела отрицательных суждений о восприятии обработанной речи. Более того, она сама была удивлена, почему в начале исследования было так трудно понимать слова. И здесь вновь можно провести параллели с имплантированными пациентами.

По данной схеме обследовано 7 родителей имплантированных детей. В результате исследования было обнаружено достоверное повышение разборчивости речи (р<0,05) при предъявлении обработанного предлагаемым способом речевого сигнала в среднем по группе от 28 до 83%.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №01-04-49800).

Предлагаемый способ обеспечивает технический результат и может быть осуществлен с помощью известных в технике средств. Из вышесказанного следует, что заявляемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности “промышленная применимость”.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ланцов А.А., Петров С.М., Пудов В.И. К вопросу о моделировании слухового восприятия имплантированных пациентов // Вести, оторинолар. - 1999. - N6. - С.21-23.

2. Петров С.М. Способ переработки речевого сигнала // Патент N2121242. - 1999.

3. Петров С.М. Восприятие спектрально депривированного речевого сигнала // Физиология человека. - 2003. - 1. - С.72-74.

4. Loizou S., Dorman M. and Tu Z. On the number of channels needed to understand speech // J. Acoust. Soc. Amer. - 1999. - Vol.106, N 4. - P.2097-2103.

5. Eddington O.K., Dobelle W.H., Blackman D.E. e.a. Auditory prosthesis with multiple channel intracochlear stimulation// Ann-Otol-Rhinol-Laryngol. - 1978. - Vol.87, N6. - Part 2. Suppl.53. - P.l-39.

6. Hartmann W. Pitch, periodicity and auditory organisation // J. Acoust. Soc. Amer. - 1996. - Vol. 100, N6. - P.3491-3502.