ЦИФРОВАЯ БИБЛИОТЕКА

Слышать двумя ушами, а не одним. Значение двустороннего обмена аудиоданными между
слуховыми аппаратами

 

Технология Binaural VoiceStream TechnologyTM позволяет слуховым аппаратам обмениваться полными аудиоданными в реальном времени. В результате слуховые аппараты Phonak теперь предлагают по‐настоящему бинауральное решение проблем, возникающих у пользователей слуховых аппаратов в сложной акустической обстановке.

Резюме

Уже давно аудиологи осознали преимущества использования двустороннего слуха вместо одностороннего (напр., Cherry, 1953). Помимо улучшения разборчивости речи в условиях тишины, шума и реверберации, бинауральный слух повышает субъективное качество звучания и снижает слуховое напряжение. Знаменательно, что недавно разработанная технология полного обмена аудиоданными между двумя слуховыми аппаратами призвана реализовать эти преимущества применительно к людям с нарушенным слухом. В этой статье подробно описана эффективность бинауральной обработки сигнала, в частности, в сложной акустической обстановке.

Введение

Тугоухость – серьезная проблема, затрагивающая около 40% людей старше 65 лет (Yueh с соавт.,2003). Некорригированная тугоухость приводит к далеко идущим последствиям в психосоциальной, эмоциональной, физической, когнитивной и поведенческой сферах жизни (Dalton с соавт., 2003). По оценке Всемирной организации здравоохранения тугоухость – вторая по распространенности причина инвалидности в мировом масштабе. Наиболее распространенным методом реабилитации нарушений слуха является слухопротезирование в сочетании с консультированием. За последние тридцать лет накопилось достаточно данных, свидетельствующих о том, что при двустороннем нарушении слуха наиболее эффективным представляется бинауральное, а не монауральное, использование слуховых аппаратов. Исследования в этом направлении продолжаются, но многое уже стало понятным. В данной статье мы приведем основные результаты изучения т.н. "проблемы вечеринки", коротко остановимся на преимуществах
бинаурального слуха по сравнению с монауральным, а также более подробно расскажем о потенциальных преимуществах, связанных с таким техническим новшеством, как возможность беспроводной передачи аудиосигнала из одного слухового аппарата в другой.

"Проблема вечеринки"

На протяжении 50 лет ученые пытались понять, каким образом люди способны выполнять сложные слуховые задачи в акустической обстановке "коктейльной вечеринки" (Cherry, 1953). При этом слушатель избирательно фокусируется на речи единственного собеседника, голос которого смешивается с множеством фоновых разговоров (обзоры литературы приведены Bregman, 1990; Bronkhorst, 2000). Идентификация речи на фоне речевой помехи – нетривиальная задача, cвязанная с необходимостью выделения целевого звука из его смеси с другими звуками (маскерами). Сложности, возникающие при маскировке речи речевым маскером, обусловлены наличием двух различных типов маскировки. Первый тип – энергетическая маскировка (French, Steinberg, 1947), связанная с одновременным присутствием целевого сигнала и маскера в
информационном канале на уровне слуховой периферии (т.е. в улитковом фильтре или проксимальных отделах слухового нерва). Второй тип называется информационной маскировкой, к которой относят дополнительную маскировку, наблюдающуюся при одновременном присутствии разных сигналов на более высоких (центральных) уровнях обработки информации (Durlach с соавт., 2003). Проблема звуковосприятия в условиях низкого отношения сигнал\шум (далее по тексту ОСШ)  особенно актуальна для людей с тугоухостью и пожилых лиц (Pichora‐Fuller, Singh, 2006).

Преимущества двустороннего слуха по сравнению с односторонним

Огромную роль в преодолении "проблемы вечеринки" для всех без исключения, а в особенности для людей со сниженным слухом, играет наличие у нас двух ушей. Прежде, чем продолжить рассуждения на тему бинаурального слуха, обратимся к преимуществам двустороннего слухопротезирования.
К преимуществам двустороннего использования слуховых аппаратов относятся более высокие показатели разборчивости речи в тишине (напр., Nabelek, Pickett, 1974) и в шумной обстановке (напр., McArdle с соавт., 2012), лучшие объективные (напр., Kobler, Rosenhall, 2002) и
субъективные (напр., Noble, Gatehouse, 2006) показатели локализации, более высокое качество звучания (напр., Balfour, Hawkins, 1992), меньшее слуховое напряжение при разговоре на фоне шума (Noble, Gatehouse, 2006), менее выраженная депривация протезированного уха по
сравнению с непротезированным (напр., O’Neil, Connelly, Limb, Ryugo, 2011), бóльшая удовлетворенность пациентов (напр., Kochkin, Kuk, 1997) и более высокая собственная оценка качества жизни (напр., Kochkin, 2000). В связи с вышеперечисленным, неудивительно, что люди с двусторонним снижением слуха предпочитают бинауральное, а не монауральное слухопротезирование (напр., Boymans с соавт., 2008).

Почему важно слышать обоими ушами?

Преимущества бинаурального слуха связаны с рядом монауральных и бинауральных биологических механизмов, влияющих на разборчивость речи в шуме. А именно, основные преимущества обеспечиваются следующими факторами:
1. Эффект "лучшего уха"
2. Бинауральная направленность
3. Бинауральная суммация громкости
4. Бинауральная избыточность
5. Бинауральное сравнение

Ниже мы подробнее рассмотрим каждый из этих процессов.

Эффект "лучшего уха"

Вероятно, одним из наиболее важных биологических механизмов, используемых людьми в шумной обстановке, является монауральный феномен, известный под названием "эффект лучшего уха" (Zurek, 1993). Если источники целевого и маскирующего сигналов разнесены в пространстве, ОСШ в одном из ушей становится приоритетным. Приоритет ОСШ обусловлен акустическими причинами, а именно акустической "тенью головы" (эффект дифракции головы). Например, если источник целевого сигнала находится справа, а источник маскера – слева отслушателя, правое ухо обладает приоритетным ОСШ за счет акустической тени, отбрасываемой головой. Если же источник сигнала находится слева, а источник маскера – справа, в приоритетном положении оказывается левое ухо. Таким образом, если цель и маскер разнесены в пространстве, слушатель может сконцентрировать внимание на ухе с более высоким ОСШ, в результате чего разборчивость речи на фоне шума существенно улучшится (напр., Hornsby, Ricketts, Johnson, 2006). Решение о концентрации внимания на одном ухе принимается рефлекторно при попадании слушателя в обстановку шума или реверберации. Эффект "лучшего уха" может достигать 8 дБ (Bronkhorst, Plomp, 1988).

Бинауральная направленность

В процессе распространения звуковых волн из свободного поля к барабанной перепонке они претерпевают ряд акустических трансформаций под воздействием туловища, головы и ушных раковин. Эти трансформации способствуют локализации источников звука в пространстве (Shaw,1974). Получив информацию о месте нахождения звучащего объекта, люди, независимо от возраста, концентрируют на нем свое внимание (напр., Singh с соавт., 2008). В более ранних работах в основном изучались монауральные акустические трансформации, однако в последнее время ученые все чаще обращают внимание на интеграцию двух монауральных сигналов центральными отделами слуховой системы (напр., Sivonen, 2011). Результаты этих исследований используются производителями слуховых аппаратов при разработке алгоритмов бинауральной
обработки сигналов. При этом под бинауральной направленностью понимается преимущество, обусловленное использованием двух ушей в процессе локализации источника звука. Мотивационным фактором разработки стратегий бинауральной направленности является способность человека концентрировать свое внимание в пространственной области.

Бинауральная суммация громкости

Вторым важным преимуществом слушания двумя ушами является ощущение большей громкости сигнала, чем при слушании одним ухом. Этот феномен называется бинауральной суммацией громкости (Reynolds, Stevens, 1960). Две характеристики бинауральной суммации громкости делают ее особенно привлекательной для разработчиков слуховых аппаратов. Вначале рассмотрим величину прироста громкости, обусловленную бинауральной суммацией.
Исследованиями пороговых уровней бинаурального восприятия установлено, что такой прирост составляет около 3 дБ (Keys, 1947). Для надпороговых уровней сигнала эффект выражен в гораздо большей степени и достигает 6‐10 дБ (Haggard, Hall, 1982). Таким образом, эффект бинауральной суммации громкости может доходить до 6‐10 дБ по сравнению с монауральным прослушиванием. Второй особенностью бинауральной суммации громкости является одинаковая ее выраженность у людей с нормальным и нарушенным слухом( Hawkins с соавт., 1987) (рис. 1). Напомним, что вотношении большинства других феноменов, например пространственного высвобождения из маскировки (Best, Mason, Kidd, 2011), бинаурального снижения уровня шума (Peissig, Kollmeier, 1997), предшествующей маскировки (Oxenham, Plack, 1997), люди с тугоухостью находятся в менее выгодном положении по сравнению с нормально слышащими. Для разработчиков слуховых аппаратов это означает еще и то, что потенциальное преимущество эффекта бинауральной суммации будет сохраняться, независимо от степени снижения слуха.

 

Рис. 1: Средняя величина бинауральной суммации громкости (в дБ) для чистых тонов частотой500 Гц и 4000 Гц и для речевого шума у нормально слышащих и слабослышащих лиц. Использованы материалы Hawkins с соавт. (1987).

Бинауральная избыточность

Представьте себе человека с двусторонним нарушением зрения; при этом характер нарушения весьма различен в обоих глазах. Слева отмечается туннельное зрение с отсутствием периферического зрения (встречается при пигментном ретините). Справа полностью утрачено центральное зрение, но периферическое зрение не пострадало (встречается при макулярной дегенерации). Несмотря на значительные дефекты монокулярного зрения, бинокулярное зрение обеспечит такому человеку практически полное отображение картины окружающего мира, потому что высшие когнитивные центры интегрируют поступающие от каждого глаза сигналы, создавая менее фрагментированную общую картину. Этот пример иллюстрирует роль избыточности зрительной системы, проявляющейся в наличии двойной информации (от каждого глаза) (рис. 2). Примечательно, что аналогичные процессы происходят и в слуховой системе человека.

 Бинауральная избыточность – это преимущество, обеспечиваемое поступлением идентичной информации от двух ушей (т.е. диотическое прослушивание). При монауральном прослушивании сигнала слуховая система может почерпнуть информацию, поступающую только по одному
каналу. Иными словами, утрачивается избыточность информации, обеспечиваемая двумя ушами. Бинауральная избыточность – это процесс, позволяющий мозгу иметь по два экземпляра каждого звука (Dillon, 2001). Преимущества избыточности лучше всего проявляются в случае
несимметричной тугоухости. Представьте себе человека с высокочастотной тугоухостью в одном ухе и низкочастотной – в другом. Благодаря совместной обработке сигналов с обеих сторон, он сможет иметь представление о полном звуковом спектре.

Рис. 2: Слева: пигментный ретинит, сопровождающийся туннельным зрением (полное отсутствие периферического зрения). В центре: макулярная дегенерация (отсутствие центрального зрения с сохранностью периферического зрения). Справа: благодаря бинокулярному зрению, возможно воссоздание цельного зрительного образа.

Бинауральное сравнение

Сравнение сигналов, поступающих в оба уха, предоставляет нам дополнительные возможности. Например, если источник звука не располагается непосредственно перед слушателем или строго позади него, то звук вначале достигнет одного уха и только потом – второго (межушное временное различие, МВР). Кроме того, в ближнем к источнику звука ухе сигнал будет ощущаться громче, чем во втором ухе (межушное различие громкости, МРГ) (см. обзор Bronkhorst, 2000). МВР и МРГ играют важнейшую роль в локализации звуков и улучшают разборчивость речи в сложной акустической обстановке, в особенности при поступлении звука из непредвиденного источника (Singh, Pichora‐Fuller, Schneider, 2008). Помимо МВР и МРГ, бинауральная обработка сигналов позволяет высшим отделам сенсорной системы анализировать минимальные спектральные и временные различия целевого и маскирующего сигналов. Этот процесс называется межушной кросс‐корреляцией (МКК) (напр., Colburn с соавт., 2006; Culling, Hawley, Litovsky, 2004). Например, Akeroyd и Summerfield (2000) обнаружили, что в сложной акустической обстановке с низким ОСШ слушатели используют сравнение высоко‐коррелированных спектральных профилей сигнала, поступающего в правое и левое ухо. Важно отметить, что эффекты МВР, МРГ и МКК лучше всего изучены в относительно простой акустической обстановке, в отсутствии эха. Остается неясной их
роль в шумных условиях, характеризующихся наличием эха и одновременным поступлением речевых сигналов из разных источников. Это обусловлено, в частности, сложным взаимодействием перечисленных феноменов и отсутствием надлежащих экспериментальных методик.

Binaural VoiceStream Technology TM

Большинство крупных производителей слуховых аппаратов разработали технологии беспроводного обмена данными между аппаратами; тем не менее, важно учитывать, что именно понимается под таким обменом. В настоящее время наиболее совершенные слуховые аппараты способны посылать и принимать информацию со скоростью около 300 Кбит/с. Такая скорость позволяет аппаратам обмениваться полными аудиоданными, что открывает небывалые перспективы как для разработчиков, так и для пользователей. Более того, способность копировать, посылать, принимать и воспроизводить в реальном времени звуковые сигналы способствует внедрению инновационных решений в области бинауральной обработки сигнала.

Как уже упоминалось выше, в обстановке шума и реверберации удается существенно повысить разборчивость речи путем переключения внимания на ухо с более высоким ОСШ – феномен, известный как "эффект лучшего уха". Одним из преимуществ современных слуховых аппаратов является способность рассчитывать соотношение сигнала и окружающего шума (т.е. ОСШ) вотдельных частотных полосах. Если добавить к этому возможность передачи аудиосигнала от одного слухового аппарата к другому, появляется реальная возможность "копирования" сигнала лучшего уха в ухо с худшим ОСШ. Подобная методика уже использовалась функцией DuoPhone (см. рис. 3). При обычном разговорепо телефону со слуховыми аппаратами, в ухе, к которому поднесен телефон, ОСШ существенно выше, чем в противоположном ухе. При контралатеральной передаче сигнала из "лучшего" уха в
"худшее" пользователь начинает гораздо лучше понимать речь своего телефонного собеседника (Picou, Ricketts, 2011). Аналогичная технология может быть использована в любой ситуации, характеризующейся различным ОСШ в обоих ушах.

Технология Binaural VoiceStream Technology® в сочетании со стандартными направленными микрофонами предоставляет пользователям еще одно уникальное преимущество. В большинстве современных слуховых аппаратов направленность достигается за счет одновременной работы двух ненаправленных микрофонов. Однако, используя обмен звуковым потоком между слуховыми аппаратами, можно скоординировать работу 4 микрофонов, т.е. создать по настоящему бинауральную направленность с более высокими характеристиками, чем любая 2 микрофонная направленность. Например, технология Phonak StereoZoom позволяет получить более сфокусированный луч направленности, что существенно улучшает разборчивость речи на фоне шума (Kreikemeier с соавт., 2012).

Почему звуковосприятие улучшается при использовании аудиообмена между слуховыми аппаратами?

Аудиообмен между слуховыми аппаратами существенно улучшает звуковосприятие за счет активного использования, как минимум, трех феноменов – эффекта лучшего уха, бинауральной суммации громкости и бинауральной избыточности. Напомним, что эффект лучшего уха является основным фактором повышения разборчивости речи в случае, если целевой и маскирующий сигналы находятся в разных точках пространства (Brungart, Simpson, 2002). Копирование звукового сигнала со стороны более удачно расположенного уха и передача его в аппарат, находящийся в
условиях худшего ОСШ, создает более благоприятные условия прослушивания для пользователя. В результате сигнал, поступающий со стороны "лучшего" уха, обрабатывается и усиливается обоими слуховыми аппаратами. Как уже было отмечено, эффект бинауральной суммации достигает 6‐10 дБ и, что немаловажно, полностью сохраняется у лиц с сенсоневральной тугоухостью. Кроме того, подача сигнала в оба уха обеспечивает слуховую систему дополнительным источником звуковой информации, т.е. создает эффект бинауральной избыточности. Это приводит к дополнительному повышению ОСШ на 1‐2 дБ, в частности, у лиц с асимметричным снижением слуха. Наконец, напомним, что при распространении звуковых волн из свободного поля к барабанной перепонке они претерпевают ряд трансформаций под воздействием анатомических структур
человеческого тела. В частности, именно так создаются условия для бинауральной направленности. Функции StereoZoom и autoStereoZoom имитируют бинауральную направленность путем координированной работы двух 2‐микрофонных систем – уникальной возможности, предоставляемой технологией Binaural VoiceStream Technology®.

Выводы

• Binaural VoiceStream Technology® ‐ это полный беспроводной аудиообмен между слуховыми аппаратами, разработке которого предшествовали многолетние исследования бинауральных процессов, протекающих в слуховой системе.
• Полный беспроводной аудиообмен можно использовать в любой обстановке, характеризующейся асимметрией ОСШ в одном из частотных диапазонов.
• Технология Binaural VoiceStream Technology® использует несколько механизмов, улучшающих разборчивость речи в сложной обстановке. К ним относятся эффект лучшего уха, бинауральная суммация громкости и бинауральная избыточность.
• Сочетание Binaural VoiceStream Technology® с направленными микрофонами привело к созданию функций StereoZoom и autoStereoZoom, использующих преимущества бинауральной направленности.

Литература

Akeroyd M.A. & Summerfield A.Q. (2000). Integration of monaural and binaural evidence of vowel
formants. Journal of the Acoustical Society of America, 107(6), 3394‐3406.

Balfour P.B. & Hawkins D.B. (1992). A comparison of sound quality judgments for monaural and
binaural hearing aid processed stimuli. Ear and Hearing, 13(5), 331‐339.

Best V., Mason C.R. and Kidd G. (2011). Spatial release from masking in normally hearing and hearingimpaired
listeners as a function of the temporal overlap of competing talkers. Journal of the Acoustical
Society of America 129(3), 1616‐1625.

Boymans M., Goverts S.T., Kramer S.E., Festen J.M. & Dreschler W.A. (2008). A prospective multicentre
study of the benefits of bilateral hearing aids. Ear and Hearing, 29(6), 930‐941.

Bregman A.S. (1990). Auditory Scene Analysis. MIT Press: Cambridge, MA.
Bronkhorst A.W. (2000). The cocktail party phenomenon: A review of research on speech intelligibility
in multiple talker conditions. Acustica, 86, 117–128.

Bronkhorst A.W. & Plomp R. (1988). The effect of head‐induced interaural time and level differences on
speech intelligibility in noise. Journal of the Acoustical Society of America, 83, 1508‐1516.

Brungart D. & Simpson B. (2002). The effects of spatial separation in distance on the informational and
energetic masking of a nearby speech signal. Journal of the Acoustical Society of America 112, 664–676.

Cherry E.C. (1953). Some experiments on the recognition of speech, with one and two ears. Journal of
the Acoustical Society of America, 25, 975‐979.

Colburn H.S., Shinn‐Cunningham B., Kidd G. Jr. & Durlach N. (2006). The perceptual consequences of
binaural hearing. International Journal of Audiology, 45(Suppl 1), S34‐44.

Culling J.F., Hawley M.L. & Litovsky R.Y. (2004). The role of head‐induced interaural time and level
differences in the speech reception threshold for multiple interfering sound sources. Journal of the
Acoustical Society of America, 116, 1057‐1065.

Dalton D.S., Cruickshanks K.J., Klein B.E.K, Klein R., Wiley T.L., et al. (2003). The impact of hearing loss
on quality of life in older adults. The Gerontologist, 43(5), 661‐668.

Day G., Browning G. & Gatehouse S. (1988). Benefit from binaural hearing aids in individuals with a
severe hearing impairment. British Journal of Audiology, 23, 273–277.

Dillon A. (2001). Beyond usability: process, outcome and affect in human‐computer interactions.
Canadian Journal of Library and Information Science, 26(4), 57‐69.

Duquesnoy A.J. (1983). The intelligibility of sentences in quiet and in noise in aged listeners. Journal of
the Acoustical Society of America, 74, 1136‐1144.

Durlach N.I., Mason C.R., Kidd G. Jr., Arbogast T.L., Colburn H.S. & Shinn‐Cunningham B.G. (2003).
Note on informational masking. Journal of the Acoustical Society of America, 113, 2984‐2987.

French N.R. & Steinberg J.C. (1947). Factors governing the intelligibility of speech sounds. Journal of the
Acoustical Society of America, 19, 90–119.

Haggard M. & Hall J. (1982). Forms of binaural summation and the implications of individual variability
for binaural hearing aids. Scandanavian Audiology Supplementum (15), 47‐63.

Hawkins D.B., Walden B.E., Montgomery A. & Prosek R.A. (1987). Description and validation of an LDL
procedure designed to select SSPL90. Ear and Hearing, 8(3), 162‐169.

Hornsby B.W., Ricketts T. A. & Johnson E. E. (2006). The effects of speech and speechlike maskers on
unaided and aided speech recognition in persons with hearing loss. Journal of the American Academy of
Audiology, 17, 432‐447.

Keys J.W. (1947). Binaural versus monaural hearing. The Journal of the Acoustical Society of America,
19(4), 629‐631.

Kobler S. & Rosenhall U. (2002). Horizontal localization and speech intelligibility with bilateral and
unilateral hearing aid amplification. International Journal of Audiology, 41, 395‐400.

Kochkin S. & Kuk F. (1997). The binaural advantage: evidence from subjective benefits and customer
satisfaction data. The Hearing Review, 4(4), 29‐32.

Kochkin S. (2000). MarkeTrak V: Consumer Satisfaction Revisited. The Hearing Journal, 53(1), 38‐55.

Kreikemeier S., Margolf‐Hackl S., Raether J., Fichtl E. & Kiessling J. (2012). Vergleichende Evaluation
unterschiedlicher Hörgeräte‐Richtmikrofontechnologien bei hochgradig Schwerhörigen. Zeitschrift für
Audiologie, Supplement zur 15. Jahrestagung der deutschen Gesellschaft für Audiologie.
McArdle R., Killion M., Mennite M. & Chisolm T. (2012). Are two ears not better than one? Journal of
the American Academy of Audiology, 23, 171‐181.

Nabelek A.K. & Pickett J.M. (1974). Reception of consonants in a classroom as affected by monaural
and binaural listening, noise, reverberation, and hearing aids. Journal of the Acoustical Society of
America, 56, 628–639.

Noble W. & Gatehouse S. (2006). Effects of bilateral versus unilateral hearing aid fitting on abilities
measured by the Speech, Spatial, and Qualities of Hearing Scale (SSQ). International Journal of
Audiology, 45, 172‐181.

Nyffler M. (2010). DuoPhone. Field Study News, February.
O’Neil J.N., Connelly C.J., Limb C.J. & Ryugo D.K. (2011). Synaptic morphology and the influence of
auditory experience. Hearing Research, 279(102), 118‐130.

назад