Костная проводимость звука: принципы, применение и история

Введение

Проведение звука во внутреннее ухо
Костная проводимость — это передача звука во внутреннее ухо преимущественно через кости черепа, позволяющая слышащему воспринимать аудиоконтент, даже если ушной канал заблокирован. Передача звука костной проводимостью происходит постоянно, поскольку звуковые волны заставляют вибрировать кости, в частности кости черепа, хотя обычному человеку сложно различить звук, передаваемый через кость, и звук, передаваемый по воздуху через ушной канал. Намеренная передача звука через кость может использоваться у людей с нормальным слухом – например, с помощью костно-проводящих наушников – или в качестве метода лечения определенных типов нарушений слуха. Кости, как правило, более эффективно передают низкие частоты по сравнению с высокими частотами.

Обзор

Костная проводимость – одна из причин, по которой голос человека звучит иначе для него самого при записи и воспроизведении. Поскольку череп лучше, чем воздух, проводит низкие частоты, люди воспринимают свой собственный голос как более низкий и насыщенный, чем его слышат другие, а запись собственного голоса часто кажется выше, чем ожидалось (см. эффект «собственного голоса»). Музыканты могут использовать костную проводимость, применяя камертон при настройке струнных инструментов. После начала вибрации, помещение камертона в рот стеблем между задними зубами обеспечивает продолжение восприятия ноты посредством костной проводимости, освобождая обе руки для настройки. Широко распространено мнение, что Людвиг ван Бетховен использовал костную проводимость после значительной потери слуха, прикладывая один конец стержня ко рту, а другой – к краю фортепиано. Также наблюдалось, что некоторые животные способны воспринимать звуки и даже общаться, передавая и принимая вибрации через кости. Сравнение чувствительности слуха при костной проводимости и непосредственной передаче звука через слуховой канал может помочь аудиологам в диагностике патологий среднего уха – области между барабанной перепонкой и кохлеей (внутренним ухом). Если слух значительно лучше при костной проводимости, чем при передаче через слуховой канал (наличие воздушного костного зазора), можно подозревать проблемы со слуховым каналом (например, скопление серы), барабанной перепонкой или слуховыми косточками. Этот метод был впервые открыт итальянским врачом Иеронимом Капиваччи.

История

Первые слуховые аппараты с костной проводимостью были изобретены в 15 веке. Итальянский врач Джироламо Кардано обнаружил, что если поместить стержень между зубами человека и прикрепить другой конец к музыкальному инструменту, то человек мог слышать музыку, несмотря на потерю слуха. Этот метод использовал Бетховен, поскольку его слух ухудшался к концу жизни. В 1820-х годах французский врач Жан Марк Гаспар Итар усовершенствовал это устройство, прикрепив другой конец стержня не к музыкальному инструменту, а ко рту другого говорящего. Это изобретение было известно как "Стержень Итара", который он позже усовершенствовал, создав "Фонозон". Слуховые аппараты с костной проводимостью также устанавливались на очки, плотно прилегающие к голове. В 1970-х годах группа врачей в Гетеборге, в особенности Андерс Тьелльстрём, предложила имплантировать в сосцевидный отросток пластину костного вибратора с прикрепленным винтом, позволяющим присоединять внешний звуковой процессор для передачи звука. Первые три пациента были имплантированы в 1977 году. Устройство показало хорошие результаты и получило название костно-якорного слухового аппарата, или BAHA.

Кандидатура

Устройства костной проводимости подходят пациентам с проводящей или смешанной потерей слуха, при функционирующей кохлее, но наличии проблем с наружным или средним ухом, препятствующих передаче звуковых колебаний к кохлее. Это может быть вызвано такими состояниями, как атрезия, микротия, синдром Голденгара или синдром Тречера-Коллинза. Костная проводимость также является хорошим вариантом для людей, которым невозможно использовать традиционные слуховые аппараты с воздушной передачей звука.

Технология

Существует множество различных типов слуховых аппаратов с костной проводимостью, но большинство из них работают по одному и тому же принципу и состоят из необходимых компонентов, таких как микрофоны, обработка сигнала, источник питания и преобразователь, генерирующий вибрации. Микрофон слухового аппарата улавливает звуковые сигналы из окружающей среды. Затем сигнал оптимизируется и передается преобразователю, который создает вибрации. В зависимости от конкретной системы костной проводимости, вибрации передаются либо непосредственно через кость черепа, либо через кожу к внутреннему уху. В конечном итоге, внутреннее ухо воспринимает эти вибрации и передает их в слуховую кору головного мозга. Различные устройства костной проводимости обладают разными функциями. Вот основные из них.

Хирургические и нехирургические устройства для костной проводимости

Хирургические устройства костной проводимости состоят из внутреннего имплантата и внешнего аудиопроцессора, используемых для передачи звука. Для имплантации устройства требуется хирургическое вмешательство, которое обычно проводится в амбулаторных условиях под общим наркозом, однако это зависит от типа имплантируемого устройства и состояния здоровья пациента. Нехирургические устройства состоят только из внешнего аудиопроцессора. Процессор создает вибрацию, которая передается через кожу и кость к улитке. Нехирургические устройства идеально подходят для детей, которые могут быть слишком юны для хирургической имплантации или страдают от временной кондуктивной потери слуха, вызванной экссудативным отитом или ушными инфекциями. Существуют различные способы крепления нехирургических устройств костной проводимости к коже, включая оголовья, адгезивные крепления и очки для костной проводимости. Примеры таких устройств: BAHA Start от Cochlear, контактный мини или контактный форте от BHM и Ponto Softband от Oticon Medical. В отличие от устройств на оголовье или очках, адгезивные устройства не требуют прижатия к голове для передачи вибрации. Благодаря этому пользователи адгезивных устройств сообщают о более длительном времени ежедневного использования.

Хирургические изделия: пероральные и транскутанные изделия

Транскутанное устройство костной проводимости передает звуковые сигналы, электронные или механические, через кожу. Иными словами, между внешним аудиопроцессором и внутренним имплантатом находится закрытая, неповрежденная кожа. Процессор удерживается на месте над имплантатом посредством магнитного притяжения. Транскутанные устройства, представленные на рынке в настоящее время, включают BAHA Attract, Osia от Cochlear и BONEBRIDGE от MED EL. При использовании перкутанного устройства часть имплантата (известная как насадка) выступает через кожу. Затем аудиопроцессор защелкивается на насадке, обеспечивая прямое соединение с имплантатом. К перкутанным устройствам относятся BAHA Connect от Cochlear и Ponto от Oticon Medical. Перкутанные устройства связаны с кожными осложнениями, варьирующимися от легкого покраснения до образования грануляционной ткани и рецидивирующей инфекции. Наиболее серьезные осложнения могут потребовать дополнительного хирургического вмешательства или удаления насадки с последующей повторной имплантацией. Одно исследование проблем с кожей при использовании перкутанных имплантатов выявило частоту осложнений до 84%. Другое исследование, метаанализ осложнений, связанных с осмоинтегрированными слуховыми аппаратами, показало, что повторная операция требуется до 34,5% случаев. Транскутанные устройства были разработаны позднее, чтобы избежать или уменьшить частоту рецидивирующих кожных осложнений. Основными доступными устройствами активной костной проводимости являются BONEBRIDGE от MED EL. Оба являются активными транскутанными устройствами. Внешний аудиопроцессор улавливает звуковые вибрации и передает их электронным путем через кожу во внутренний имплантат, который непосредственно и активно вибрирует кость. Эти вибрации проводятся через кости черепа в кохлеу и обрабатываются обычным образом. Также к ним относятся BAHA Connect от Cochlear, Ponto от Oticon и Alpha 2 MPO от Medtronic. BAHA Connect и Ponto – это пассивные перкутанные устройства, при которых аудиопроцессор фиксируется на насадке, установленной через кожу. Аудиопроцессор вибрирует, передавая вибрации через насадку к имплантату, а затем через кость к кохлее.

A transcutaneous bone conduction device transmits sound signals, either electronic or mechanical, through the skin. In other words, there is closed, intact skin between the external audio processor and the internal implant. The processor is held in place over the implant using magnetic attraction. Transcutaneous devices currently on the market include the BAHA Attract, and Osia from Cochlear and the BONEBRIDGE from MED EL. With a percutaneous device, part of the implant (known as the abutment) protrudes through the skin. The audio processor then snaps onto the abutment, providing a direct connection to the implant. Percutaneous devices include the BAHA Connect from Cochlear and the Ponto from Oticon Medical. Percutaneous devices have been associated with skin complications, ranging from slight redness to the formation of granulation tissue and recurring infection. The most serious complications might require further surgery or abutment removal and subsequent reimplantation. One study into skin problems with percutaneous implants revealed a complication rate of up to 84%. In another study a meta analysis of complications with osseointegrated hearing aids showed that revision surgery is required in up to 34.5% of cases. Transcutaneous devices were later designed to avoid or reduce recurring skin complications. The main active bone conduction devices available are the BONEBRIDGE from MED EL Both are active transcutaneous devices. The external audio processor picks up sound vibrations and transmits them electronically through the skin to the internal implant, which directly and actively vibrates the bone. These vibrations are conducted through the skull bone to the cochlea and are processed as normal. and BAHA Connect from Cochlear, the Ponto from Oticon and the Alpha 2 MPO from Medtronic. The BAHA Connect and Ponto are passive percutaneous devices, whereby the audio processor is fixed onto an abutment placed through the skin. The audio processor vibrates, sending the vibrations via the abutment to the implant and then through the bone to the cochlea.

Примечательные применения

Устройство Google Glass использует технологию костной проводимости для передачи информации пользователю через преобразователь, расположенный рядом с ухом. Использование костной проводимости означает, что любой голосовой контент, получаемый пользователем Glass, практически неслышен для окружающих. Немецкий телеканал Sky Deutschland и рекламное агентство BBDO Germany совместно разработали рекламную кампанию с использованием костной проводимости, которая была впервые представлена в Каннах (Франция) на Международном фестивале креативности в июне 2013 года. Рекламная концепция "Говорящее окно" использует костную проводимость для передачи рекламы пассажирам общественного транспорта, прислоняющим голову к стеклам вагонов поездов. Ученые из австралийского университета Маккуори предположили, что помимо того, чтобы не касаться окон, пассажирам потребуется использовать демпфирующее устройство из материала, не передающего вибрацию от окон, чтобы не слышать звук. Команда Land Rover BAR использовала "военную" технологию костной проводимости, разработанную BAE Systems, в своих шлемах во время Кубка Америки 2017 года. Шлемы позволяли членам экипажа эффективно общаться друг с другом в условиях гонки и в сложной, шумной обстановке, сохраняя при этом ситуационную осведомленность благодаря открытым ушам. В марте 2019 года в Национальном морском музее в Лондоне британский композитор Холли Хардинг впервые представила использование наушников с костной проводимостью в рамках музыкального перформанса. Технология позволила зрителям слушать предварительно записанный музыкальный трек в наушниках, в то время как живой оркестр исполнял отдельный, но связанный с ним музыкальный фрагмент. Этот многослойный эффект позволил впервые услышать электронные и цифровые звуки в сочетании с живой музыкой без использования громкоговорителей, а источник звука мог казаться близким, далеким или окружающим слушателя. Исследования показали, что использование наушников с костной проводимостью может помочь людям различать собственный голос и голоса других людей. Эти данные могут иметь клиническое значение при лечении таких заболеваний, как шизофрения.

The Google Glass device employs bone conduction technology for the relay of information to the user through a transducer that sits beside the user's ear. The use of bone conduction means that any vocal content that is received by the Glass user is nearly inaudible to outsiders. German broadcaster Sky Deutschland and advertising agency BBDO Germany collaborated on an advertising campaign that uses bone conduction that was premiered in Cannes, France at the International Festival of Creativity in June 2013. The "Talking Window" advertising concept uses bone conduction to transmit advertising to public transport passengers who lean their heads against train glass windows. Academics from Australia's Macquarie University suggested that, apart from not touching the window, passengers would need to use a dampening device that is made of material that would not transmit the vibration from the window in order to not hear the sound. Land Rover BAR employed 'military' bone conduction technology, designed by BAE Systems, within their helmets for use within the 2017 America's Cup. The helmets allowed the crews to communicate effectively with each other under race conditions and within the harsh, noisy environment; whilst maintaining situational awareness due to their ears being uncovered. In March 2019 at The National Maritime Museum, London, British composer Hollie Harding premiered the use of Bone Conduction Headphones as part of a musical performance. The use of the technology allowed the audience to listen to a pre recorded musical track on the headsets, whilst a live orchestra performed a separate but related musical track. This multilayered effect meant that electronic and digitally edited sounds could be heard in conjunction with live music without the use of loud speakers for the first time and that the source of sounds could appear to be close to, far from, or all around the listener. Research has found that the use of bone conduction headphones can help people distinguish between their own voice and the voice of others. The findings have potential clinical relevance for conditions such as schizophrenia.