Акустика в оценке слуха: когда технологии встречаются с окружающей средой

Согласно исследованию, опубликованному в PubMed, фоновый шум, типичный для помещений без звукоизоляции, увеличивает погрешность оценки порогов слуха, особенно на низких и высоких частотах. Такие искажения могут привести к ошибочной диагностике, неадекватному лечению или ненужным повторным обследованиям. Риск возрастает, если не учитывать акустику помещения.

Даже самые передовые слуховые аппараты и системы обработки сигналов с машинным обучением не могут полностью восстановить чёткость звука в условиях плохой тестовой среды. Технология основана на чистых входных сигналах; когда они искажены фоновым шумом, отражениями или маскированием, производительность системы снижается.

 

Понимание искажений восприятия, вызванных плохой акустической средой

 

Прежде чем рассматривать конкретные искажения, важно отметить, что помещения, в которых проводятся исследования слуха, играют решающую роль в формировании результатов. Если уровень окружающего шума слишком высок, стены и поверхности чрезмерно отражают звук или оборудование плохо изолировано, то даже самые точные технологии дают неточные результаты. Значительная часть ошибок восприятия в аудиологии возникает не из-за неисправного оборудования, а из-за окружающей среды, искажающей оцениваемые сигналы.

Фоновый шум и маскировка

Маскировка возникает, когда фоновый шум заглушает или конкурирует с тестовыми сигналами, затрудняя обнаружение тихих звуков. Например, слабый гул системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха может маскировать едва различимые согласные звуки во время тональной аудиометрии.

Исследования показывают, что уровень окружающего шума свыше 30 dBА значительно повышает пороги слышимости в промышленных условиях и снижает точность тестирования. Если уровень шума превышает этот уровень даже на несколько децибел, результаты тестирования становятся недостоверными, поскольку сообщаемые пороги слышимости превышают реальную чувствительность слуха испытуемого.

Реверберация, эхо и отражения

Реверберация и эхо возникают, когда звук отражается от поверхностей и возвращается к слушателю после исходного сигнала. Эти отражения могут влиять на восприятие и обработку тестовых тонов или речевых сигналов. В результате может наблюдаться задержка начала, размытость звука или маскировка более тихих звуков, что искажает результаты оценки слуха. Понимание того, как возникают эти искажения, помогает в разработке более эффективных условий для тестирования и обеспечении точности.

В исследовании «Влияет ли акустика помещения на амплитуду устойчивых слуховых реакций звукового поля?», проведённом Валентиной Сапатой-Родригес, Сёреном Лаугесеном, Чхол-Хо Чонгом, Йонасом Брунскогом и Джеймсом Харте (2021), изучались устойчивые слуховые реакции звукового поля (ASSR) в помещениях с различными условиями. Они обнаружили, что уровень ASSR значительно снижался в помещениях с более высокой реверберацией по сравнению с безэховыми референтными помещениями.

Это снижение особенно влияет на модуляцию стимула, что, в свою очередь, снижает четкость ответа и требует более длительного времени измерения для точного определения порога.

В помещениях с реверберацией также наблюдалось более значительное снижение показателей обнаружения высших гармоник. Эти результаты свидетельствуют о том, что отражения и реверберация снижают соотношение сигнал/шум при проведении ключевых слуховых тестов, что затрудняет точную оценку порогов слышимости пациентов.

 

 

Специфические перцептивные эффекты и клинические последствия:

• Реверберация размывает тестовые тоны, в результате чего резкий, дискретный звук становится удлиненным и накладывается на собственные отражения, из-за чего пациентам становится трудно определить точное начало или конец тона.
• В помещениях с более длительным начальным временем затухания и выраженной реверберацией более высокие частотные диапазоны (2 кГц, 4 кГц) страдают сильнее; тестовые тоны на этих частотах теряют четкость, поэтому врачи могут переоценивать потерю слуха в диапазоне высоких частот.
• Пороги эха (задержка, при которой отражения воспринимаются как отдельные эхо) увеличиваются у людей с нарушениями слуха; им требуется больше времени, чтобы отличить прямой звук от отражений. Это задерживает ответы и увеличивает сложность теста.

Эти результаты подчеркивают важность контроля реверберации в помещениях для проведения аудиологических исследований. Правильная отделка стен, поглощение отраженного звука, планировка помещения с ограничением количества твердых поверхностей и использование защитных экранов помогают уменьшить эти искажения. При контроле отражений результаты становятся более достоверными, пороги — более точными, а планы лечения — более адекватными.

Частотно-специфические эффекты

Искажения при проверке слуха редко бывают равномерными на всех частотах. Низкочастотный шум , например, грохот машин, как правило, сильнее всего маскирует низкочастотные тестовые сигналы. Высокочастотные отражения от твёрдых поверхностей мешают восприятию речевых сигналов и энергии в более высоких диапазонах.

Например, тесты порогов восприятия речи (SRT) показывают, что в шумных реверберирующих помещениях значения ухудшаются сильнее на определенных частотах; компрессия динамического диапазона в слуховых аппаратах также ведет себя по-разному в зависимости от того, какие частоты преобладают в профиле шума или отражения — низкие или высокие.

 

Что могут сделать обработка сигналов и машинное обучение, и каковы их ограничения

 

Современная оценка слуха опирается не только на акустику. Инструменты обработки сигналов и алгоритмы машинного обучения (МО) всё чаще интегрируются в слуховые аппараты, аудиологическое программное обеспечение и платформы для удалённого тестирования. Эти технологии повышают эффективность работы в шумной обстановке и предоставляют врачам более эффективные инструменты для интерпретации. Однако их возможности имеют чёткие ограничения, особенно когда акустическая среда далека от оптимальной.

Ключевые инструменты обработки сигналов

Несколько хорошо зарекомендовавших себя инструментов помогают оценить слух. Функция компрессии динамического диапазона регулирует громкость так, чтобы тихие звуки были слышны, а громкие не становились слишком громкими, помогая пациентам воспринимать более широкий спектр входных сигналов. Алгоритмы шумоподавления анализируют звуковые волны для выявления постоянного фонового шума, например, шума вентилятора, и снижают его относительно речевых сигналов.

Направленные микрофоны улучшают соотношение сигнал/шум, концентрируясь на звуках с одного направления, обычно перед слушателем, одновременно снижая помехи с других направлений.

Недавние достижения в области машинного обучения открыли новые мощные возможности. Например, системы фильтрации шума на основе глубокого обучения могут транслировать аудио с шумоподавлением со смартфонов на слуховые аппараты. В одном исследовании такой подход улучшил разборчивость речи примерно на 1,6 dB в тестах порога восприятия речи (SRT) и повысил удовлетворенность пользователей на 40%.

Эти результаты показывают, как искусственный интеллект может повысить эффективность слуховых аппаратов, особенно в условиях постоянного фонового шума.

Ограничения обработки в плохих акустических условиях

Несмотря на эти инновации, одни только технологии не способны решить все акустические проблемы. Когда источники шума очень громкие, внезапные или имеют высокую отражательную способность, инструменты обработки сигнала испытывают трудности. Например, алгоритмы сжатия могут вносить искажения при быстром изменении уровня нескольких звуков, что приводит к неестественному качеству звука.

Аналогичным образом, алгоритмы шумоподавления могут ошибочно подавлять части речи вместе с фоновыми звуками, что снижает точность тестирования. Исследования сжатия динамического диапазона подтверждают, что искажения становятся реальной проблемой при наложении речи и шума, что подчёркивает тот факт, что плохая акустика ограничивает возможности технологий.

Удаленное тестирование и мониторинг окружающего шума

Дистанционная аудиометрия получила значительное развитие, позволяя пациентам проходить тесты дома, используя приложения и калиброванные гарнитуры. Исследования показывают, что эти системы обеспечивают надежность результатов при повторном тестировании в пределах 5 dB, даже при наличии некоторого фонового шума. Однако, как только уровень шума превышает определённые пороговые значения, точность начинает снижаться.

Это подчёркивает важность мониторинга акустической среды во время испытаний. Многие платформы теперь интегрируют мониторинг шума или автоматическую калибровку, которая приостанавливает или корректирует испытание, если условия неподходящие.

 

 

Как акустическая среда дополняет технологию для повышения точности

 

Использование обработки сигналов и передовых технологий распознавания звука в условиях акустического контроля значительно повышает их эффективность. Без контроля окружающего шума, эха и утечек даже самые лучшие алгоритмы неэффективны. Акустическая среда служит основой, на которой технологии строят свою работу.

Акустические кабины и кожухи

Акустические кабины и кожухи снижают уровень окружающего шума и отражений до уровня, обеспечивающего оптимальную работу инструментов обработки сигналов и машинного обучения. Кожухи изолируют источник теста от фонового шума, поддерживают стабильную акустику и снижают реверберацию. Стандарты для аудиометрических кабин устанавливают максимально допустимые уровни окружающего шума во всех частотных диапазонах.

Например, тестирование, проводимое с использованием накладных наушников, обычно требует окружающего шума на уровне или ниже 21–37 dB SPL для частот от 500 Гц до 8000 Гц, в зависимости от условий тестирования; кабины, которые соответствуют этим пороговым значениям, обеспечивают более надежные, повторяемые измерения.

Исследования, сравнивающие условия в кабине и вне ее, показывают, что при контроле окружающего шума и отражений пороговые ошибки значительно снижаются, а результаты, полученные пациентами, больше соответствуют истинной чувствительности слуха.

Гибридные подходы

Реальные улучшения часто достигаются при сочетании умеренной акустической обработки с передовыми технологиями обработки. Небольшие изменения в помещениях, такие как добавление панелей, заделка щелей или использование ковров, дополняют обработку сигнала и обеспечивают экономически эффективное повышение точности.

Вот примеры успеха:

• В клиниках, где использовались портативные устройства в тихих комнатах, а также наушники, наблюдалась дисперсия результатов повторного тестирования в пределах 5 dB, даже без заполненных кабин, при условии, что уровень окружающего шума оставался в пределах норм.
• Аудиологи, использующие пенопластовые панели и герметизирующие дверные щели, отметили улучшение порогов восприятия речи (SRT) при использовании слуховых аппаратов с питанием от машинного обучения.

Эти гибридные системы опираются как на окружающую среду, так и на технологии, а не только на что-то одно. Когда оба фактора согласованы, оценки становятся более последовательными, результаты — более достоверными, а результаты лечения пациентов — более достоверными.

 

Планирование взаимодействия между технологиями и акустикой: что должны делать менеджеры

 

Для обеспечения точности оценки слуха и полной реализации потенциала технологий обработки сигналов необходимо систематически оценивать и контролировать акустическую среду. Этот процесс планирования помогает руководителям объектов и производственным руководителям принимать обоснованные решения об оборудовании, тестах и модернизации помещений.

Для начала начните с оценки окружающего шума и составления акустического профиля. Используйте калиброванные шумомеры с октавными или третьоктавными полосовыми фильтрами для измерения окружающего шума в испытательном помещении в типичных рабочих условиях. Сравните измеренные уровни с максимально допустимыми уровнями окружающего шума (ПДУОШ), установленными такими стандартами, как ANSI S3.1-1999(R2018) и ISO 8253-1:2010, чтобы убедиться, что окружающая среда соответствует требуемым нормам для различных частот. Если показания превышают ПДУОШ, определите доминирующие источники шума и диапазоны частот, чтобы определить целевые параметры.

 

 

Выбирайте технологии, соответствующие особенностям помещения с точки зрения их возможностей и ограничений. Если в помещении повышен уровень окружающего шума в определённых низкочастотных диапазонах, отдавайте предпочтение слуховым аппаратам или аудиометрам с регулируемой обработкой сигнала, например, с понижением частоты, направленными микрофонами или улучшенным шумоподавлением, а не системам с более слабыми возможностями обработки. Убедитесь, что оборудование поддерживает мониторинг окружающего шума или имеет встроенные адаптивные функции для реагирования на ухудшение условий.

После определения проблемных частот следует применять акустическую обработку, основанную на спектре или частоте. Например, установка поглощающих панелей, направленных на средние и высокие частоты, улучшит разборчивость речи, что часто является целью оценки слуха.

Если обнаружено маскирование низких частот, установите басовые ловушки или тяжёлые, плотные экраны в этих частотных диапазонах. Заделайте щели и стыки и добавьте звукопоглощающие материалы для ограничения путей распространения вибрации там, где это необходимо. Эти частотные методы помогают контролировать маскирование или искажения в нужных диапазонах, вместо того чтобы применять шаблонные решения, которые могут привести к напрасной трате средств без устранения серьёзных ошибок.

 

Обеспечение высокой точности оценки слуха

 

Акустическая среда и обработка сигнала вместе прокладывают путь к аудиологической точности. Даже самые передовые технологии слуха работают лучше всего, когда окружающий шум контролируется, а отражения минимизированы.

Например, аудиометрические кабины премиум-класса обычно обеспечивают ослабление звука на 50–60 и более {#1–0#} на средних и высоких частотах, делая внешние звуки практически неслышимыми и позволяя проводить обследования с соблюдением строгих порогов внешнего шума. Такой уровень производительности защищает от ложноположительных результатов, обеспечивает надежные пороги и укрепляет уверенность врачей в результатах обследований.

DECIBEL находится на стыке науки и практического применения. Наши аудиологическиe кабины обеспечивают превосходную звукоизоляцию, комфорт для пользователя, регулируемую вентиляцию и освещение, а также специализированную конструкцию, избавляя специалистов от необходимости выбирать между технологическими возможностями и качеством звука. Мы предлагаем решения, интегрируемые со слуховыми аппаратами, системами тестирования и машинным обучением, для повышения клинической точности и качества обслуживания пациентов.  

Мы предлагаем акустическую оценку, модернизацию существующих помещений, индивидуальное проектирование стендов и консультации по сочетанию технологий обработки сигналов с акустически подходящей средой.

Если ваша клиника или учреждение стремится повысить надежность оценки слуха, снизить вариабельность и способствовать улучшению результатов лечения, свяжитесь с нами .