Направленность и подавление шума в детском слухопротезировании
Использование автоматической направленности и цифрового подавления шума в детском слухопротезировании до сих пор остается спорным. одна из причин заключается в том, что информация для автоматического принятия решения, используемая производителем, часто является приблизительной.
Мало найдется вопросов, вызывающих такую огромную разницу во мнениях, как вопрос применения передовых алгоритмов обработки сигнала, таких как автоматическая направленность и цифровое подавление шума, в детском слухопротезировании. Диапазон мнений простирается от “никогда не применять до тех пор, пока дети не станут подростками” до “применяться всегда, даже для младенцев”.
К сожалению, по этому вопросу есть много мнений, но мало конкретных рекомендаций. Протокол детского слухопротезирования, опубликованный Американской Академией Аудиологии, утверждает, что направленность не подходит для маленьких детей, так как они не могут уверенно переключаться между всесторонним и направленным режимом в случае необходимости. Однако сегодня функция автоматической направленности все чаще встречается в слуховых аппаратах. Этот протокол также утверждает, что существует недостаточно свидетельств для того, чтобы можно было использовать цифровое подавление шума в детском протезировании. Понятно, что в отсутствие таких данных многие слухопротезисты предпочитают осторожный подход при работе с детьми.
Важно проанализировать причины, по которым специалисты соблюдают такую осторожность. Дело не в том, что адаптивные функции плохо работают: специалисты опасаются, что эти функции, которые эффективно действуют для уже имеющих развитые речевые и языковые навыки взрослых, могут препятствовать доступу к важной речевой информации, необходимой для развивающегося ребенка. Если тщательное изучение характеристик таких систем подтвердит, что они могут эффективно обеспечивать доступ к речевой информации, то опасения относительно использования их в детском слухопротезировании практически исчезнут.
Цель данной статьи — рассмотреть использование адаптивных функций слуховых аппаратов, таких как автоматическая направленность и цифровое подавление шума, в применении к особым потребностям слабослышащих детей. Вместо того, чтобы рекомендовать возраст, начиная с которого можно использовать эти функции (невыполнимая задача, учитывая ограниченные эмпирические данные и их огромный разброс), мы хотим помочь слухопротезистам, имеющим дело с этой технологией. Далее, мы ни в коем случае не утверждаем, что слуховые аппараты с усовершенствованной технологией могут заменить FM-системы в школьных классах. Мы рассмотрим потенциальные преимущества современной техники слухового аппарата, используемой в школьных классах в отсутствие FM-систем и в ситуациях за стенами школы.
Навигация по странице:
Получают ли дети пользу?
Принимая решение об использовании такой функции, как направленность или цифровое подавление шума, первым делом нужно ответить на вопрос — принесет ли это пользу ребенку. Уже имеются результаты исследований, доказывающие наличие как минимум потенциальной пользы для детей. Например, Кук обнаружил объективные и субъективные улучшения понимания речи в шуме для группы детей от 7 до 13 лет, протезированных направленными слуховыми аппаратами, по сравнению с их прежними аналоговыми аппаратами, работающими во всестороннем режиме.
Рикетс и Галстер измеряли разборчивость речи в шуме, сравнивая всесторонний и направленный режим для одного и того же слухового аппарата. Дети в течение месяца носили слуховой аппарат, действующий в направленном режиме. Объективные измерения разборчивости речи проводились в имитированных условиях школьного класса, в то время как субъективные предпочтения для детей и для родителей определялись с помощью Домашней анкеты слуховых трудностей для ребенка и анкеты, разработанной специально для данных исследований.
Результаты исследований показали, что в определенных ситуациях направленность была предпочтительной в присутствии фонового шума. И, наоборот, в ситуациях, когда целевой сигнал поступал сзади, направленность оказывает отрицательный эффект. Аналогичная тенденция проявилась и в субъективных оценках. На основании результатов, полученных в сложных слуховых ситуациях (например, когда целевой сигнал вначале звучит прямо перед ребенком, а потом смещается назад), авторы сделали вывод, что необоснованное переключение в направленный режим может принести больше вреда, чем неуместное пребывание во всенаправленном режиме. Мы пытаемся оценить, может ли современное автоматическое переключение режимов предоставить пользу и защитить от потери важной речевой информации.
Получают ли дети пользу от направленности? На основании имеющихся свидетельств можно с уверенностью сказать “да”. Дети могут получать пользу от направленности в тех же самых акустических условиях, что и взрослые, а именно:
Помимо этого, польза будет получена скорее тогда, когда ребенок уже достаточно взрослый, чтобы последовательно реагировать на интересующий его источник звука. Рикетс и Галстер представили доказательства того, что дети в возрасте 4 лет уже могут непрерывно и точно ориентироваться по звуку в условиях учебного класса.
Автоматическая направленность и процесс принятия решения
Так как дети (и многие взрослые) не способны последовательно выбирать правильный микрофонный режим в конкретной окружающей обстановке, при протезировании детей требуется подключение функции автоматического переключения. К сожалению, информация, имеющая отношение к автоматическому процессу принятия решений, используемому производителем, часто является лишь приблизительной, и многие слухопротезисты опасаются неуместных переключений. Чтобы снять покров тайны с этого вопроса, рассмотрим автоматический процесс принятия решений, используемый в некоторых слуховых аппаратах.
Процесс принятия решений, используемый во многих современных слуховых аппаратах, аналогичен тому, который используется в цифровых фотоаппаратах. Фотограф чаще всего выбирает съемку в режиме Авто. Согласно этому сценарию, пользователь предоставляет камере решать, какая настройка даст лучший снимок. После фиксации изображения, камера может сравнить, как будет выглядеть снимок, используя заданный набор параметров. После этого она использует ту комбинацию параметров, которая даст лучший результат.
Что касается автоматического принятия решения при слухопротезировании детей, здесь в первую очередь важны критерии, согласно которым слуховой аппарат делает выбор между всенаправленным и направленным режимом. Перечень возможных критериев может включать общий уровень звука, попадающий в аппарат, спектральные характеристики входного сигнала. Выбор приоритетного критерия, такого как общая громкость. И наоборот, если основная цель — комфорт, то достаточно простого критерия, такого как общая громкость. И наоборот, если основная цель — поддержание и/или улучшение разборчивости речи, то уместен более сложный критерий.
Рассмотрим следующий сценарий: ребенок носит слуховой аппарат в классе с небольшой группой детей. Он сидит за столом, а другие дети работают рядом с ним, что дает высокий уровень громкости в классе. Учитель ходит по классу, иногда останавливаясь за спиной какого-либо ученика, испытывающего трудности. Если бы общий уровень громкости был единственным критерием принятия решения об использовании направленности, то слуховой аппарат оставался бы в направленном режиме даже тогда, когда учитель обращался к владельцу аппарата сзади. То есть этот показатель нельзя выбрать в качестве критерия, если наша цель — поддержание и/или улучшение разборчивости речи.
В качестве альтернативы при определении необходимой настройки можно использовать характеристики модуляции. Если сравнивать количество модуляции, присутствующее в сигнале при всенаправленной и направленной настройке, то возможность приглушения целевого сигнала (голоса учителя), поступающего сзади, существенно снижается. Фоновый шум (включая речевые и неречевые звуки) служит для заполнения впадин в речевой огибающей, снижая степень измеряемой модуляции.
Вместо того, чтобы использовать в качестве основного критерия “четкость”, как это делается в цифровой камере, слуховой аппарат использует модуляционные характеристики. В данном случае предпочтительней окажется комбинация параметров, дающих ответ, показанный слева внизу, потому что он будет более модулированным, чем ответ, показанный справа внизу.
Анализируя то, какой режим даст сигнал с наибольшим количеством модуляции (всенаправленный или направленный), мы получаем большую уверенность в том, что основной речевой сигнал сзади не будет приглушен. Рассмотрим результат модуляционного анализа, когда учитель обращается к ученику, носящему слуховой аппарат, сзади, в описанной выше ситуации (класс с маленькой группой учеников). Если бы слуховые аппараты работали в направленном режиме, уровень громкости голоса учителя снизился бы в соответствии с окружающим фоновым шумом. Но в этом случае степень модуляции понизится, и это говорит о том, что направленность не даст предпочтительный результат (даже если общий УЗД снизится).
Выйдя за пределы базовых характеристик, таких как общий уровень громкости, можно использовать более сложный метод автоматического переключения направленности, чтобы снизить до минимума возможность неуместного приглушения целевого голоса, доносящегося сзади. Кроме того, одно из основных улучшений в характеристиках цифровых слуховых аппаратов за последние годы — скорость, с которой принимается решение. Анализ проводится непрерывно. Решение принимается за несколько миллисекунд.
Цифровое подавление шума
Цифровое подавление шумаАвтоматическое принятие решения используется и для цифрового подавления шума. Главная задача — увеличение слухового комфорта в шумной обстановке. Учитывая спектральное перекрывание между речью и фоновыми шумами, потенциальное улучшение разборчивости речи ограничено. Любое снижение фонового шума в определенном частотном регионе приведет к снижению основного речевого сигнала. Однако существуют ситуации, в которых шум в заданном частотном диапазоне преобладает над сигналом, поэтому снижение усиления хотя и не улучшает разборчивость речи, но и не ухудшит ее.
Человек может получить пользу от более комфортного сигнала. Но: агрессивное цифровое подавление шума может привести к слуховому комфорту за счет снижения доступности речевой информации. Степень подавления, подходящая для взрослого человека, поздно потерявшего слух, может оказаться неподходящей для ребенка, только овладевшего речью и языком.
Многие алгоритмы цифрового подавления шума базируются на том или ином анализе модуляции в отдельных каналах. Свою роль могут играть и дополнительные факторы, такие как общий уровень и спектральные характеристики сигнала. Относительная важность этих и других факторов в процессе принятия решения отличается для разных производителей. Следовательно, воздействие любого заданного алгоритма цифрового подавления шума на конкретный сигнал может сильно варьироваться в разных слуховых аппаратах. специалисты, протезирующие детей, должны понимать используемую ими технику, чтобы обеспечить не слишком агрессивный подход.
Теперь поговорим о фоновом шуме с речевым спектром, аналогичный тому, который используется в некоторых системах измерений в реальном ухе. В данном случае, хотя шум имеет ту же самую частотную взвешенность, что и речь (за исключение низких частот), он по своей природе является стационарным и не имеет характеристик модуляции реальной речи. Снижение усиления действует на низких частотах, так как здесь шум гораздо интенсивнее, чем реальная речь, а модуляция отсутствует.
Так как усиление для низкочастотного шума (и речи) снижено, человек может ощущать больший слуховой комфорт, хотя разборчивость речи вряд ли улучшиться от действия одного лишь цифрового подавления шума. Как и в случае подхода к направленности, этот подход к подавлению шума создан для того, чтобы пользоваться всеми преимуществами обработки сигнала, не теряя жизненно важную речевую информацию.
Системы в действии
В предыдущих разделах был описан подход к принятию решения, используемый для направленности и подавления шума в слуховых аппаратах. В данном разделе будет продемонстрирована реализация этого процесса в имитированной окружающей обстановке. Наша цель — убедиться в правильности принятия решения и доказать отсутствие снижения слышимости целевого голоса.
Условия проведения тестов. Тесты проводились в большой звуковой кабине, в центре которой был расположен манекен KEMAR. Шесть динамиков находились по азимуту 0°, 60°, 120°, 180°, 240° 300°. манекен KEMAR был снабжен парой заушных слуховых аппаратов. В процессе тестов проводились измерения в реальном ухе с использованием системы Audioscan Verifit, а в слуховых проходах манекена KEMAR проводилась цифровая запись сигнала. Презентация сигнала и анализ проводились с использованием Adobe Audition. В процессе тестов предъявлялось несколько сигналов. Речевой стимул состоял из целевых фраз теста Quick Sin. Их произносила женщина, и перерывы между фразами были удалены для имитации непрерывной беседы. Фон состоял из розового шума. Уровни интенсивности речи и шума варьировались.
Сценарий № 1. Целевой сигнал сзади. Одно из опасений, связанных с использованием направленности, заключается в том, что этот режим может быть неуместно применен, когда целевой сигнал звучит сзади слушателя. Однако, так как решение о переходе в направленный режим основывается в первую очередь на модуляционных характеристиках, возможность такого перехода снижена.
В первом сценарии речевой сигнал с уровнем 65 Дб УЗД предъявлялся прямо за манекеном, в то время как шум с интенсивностью 50 Дб УЗД предъявлялся из остальных динамиков (общий уровень шума составлял примерно 56 Дб УЗД).
Как и следовало ожидать, слуховые аппараты остались во всенаправленном режиме. Аналогичный результат был получен для более высоких уровней шума и речи.
Если бы слуховые аппараты переключились в направленный режим, то уровень поступающего сигнала сзади был бы снижен, приводя к снижению уровня интенсивности. При этом модуляционные характеристики, связанные с целевым сигналом, тоже были снижены, что привело бы к отрицательным последствиям. Следовательно, слуховые аппараты правильно остались во всенаправленном режиме. Когда речь предъявлялась сбоку, был также правильно выбран всенаправленный режим. Что касается цифрового подавления шума, то система определила смешанный речевой и шумовой сигнал (существующие варианты — только речь, речь в шуме и только шум). Так как система обнаружила речь, любое подавление шума должно быть минимальным. Как показывает функция отображения речи, активация алгоритма цифрового подавления шума не повлияла на слышимость.
Сценарий № 2. Целевой сигнал спереди. В сценарии № 2 целевой речевой сигнал предъявлялся спереди, а шум с речевым спектром — с боков и сзади. В этой ситуации направленность может оказаться выгодной, и слуховые аппараты применили направленный ответ. При умеренном уровне речи и шума (речь 65 Дб УЗД, общий уровень шума примерно 56 Дб УЗД) был использован ответ “раздельный/направленный” (split-directional).
Функция Раздельная Направленность (split-directional) означает, что когда слуховой аппарат остается во двунаправленном режиме на низких частотах (менее 1000 Гц), но переключается в направленный режим на более высоких частотах. Этот тип обработки сигнала имеет несколько преимуществ. Когда направленность действует на всех частотах, снижается низкочастотное усиление для звуков, поступающих как спереди, так и сбоку. Это снижение низкочастотного усиления может оказать негативное влияние на качество звука, а у детей с низкочастотной потерей слуха может привести к ухудшению слышимости речевых звуков, поступающих спереди.
Сохраняя всенаправленный режим на низких частотах, этой проблемы можно избежать без существенного ухудшения пользы, получаемой от направленности. Более распространенный метод борьбы с этим снижением усиления предусматривает выравнивание или компенсацию низкочастотного ответа при работе слухового аппарата в направленном режиме. Хотя этот способ улучшает слышимость низкочастотных звуков, он может увеличить уровень шума схемы, так что направленность будет включаться только при более высоких уровнях фонового шума. Так как для функции Раздельная Направленность шум схемы не представляет проблемы, то в этом случае направленность может быть использована и при низких уровнях фонового шума.
Однако, по мере возрастания уровня фонового шума и целевого голоса, проблема низкочастотной слышимости и шума схемы становится все более очевидной. В данном случае можно использовать полностью направленный режим (направленность на всех частотах).
Полностью направленный режим выбирается при возрастании уровня шума и речи. Возможность выбора между всенаправленным режимом, раздельной и полной направленностью позволяет слуховым аппаратам разумно использовать направленность, снижая до минимума возможные негативные последствия, такие, как ухудшение низкочастотной слышимости и/или качества звучания.
В сценарии № 2 направленный режим был выбран по двум причинам. Во-первых, если сравнивать ВУЗД для всенаправленного и направленного режима, то ВУЗД будет ниже при направленном режиме, так как сигналы, поступающие сзади и с боков, приглушаются. Однако одного этого критерия недостаточно для использования направленности. В данной ситуации улучшаются и модуляционные характеристики, так она содержит меньше фонового шума, который сможет заполнять впадины основной речевой огибающей. Так как ВУЗД снижается и модуляционные характеристики улучшаются, то выбирается направленный режим.
Сценарий № 3. Высокий уровень неречевого шума. В сценарии № 3 шум с речевым спектром был заменен розовым шумом. Речь предъявлялась с уровнем 75 Дб УЗД. И вновь, так как модуляционные характеристики речи улучшились в направленном режиме, был выбран режим “речь в шуме”, что привело к небольшому снижению усиления и сохранению слышимости.
Обратите внимание на изменения характеристики речевой огибающей при включении направленности и цифрового подавления шума. Примерно через 5 секунд на огибающей появляется большая степень модуляции, так как становится очевидным влияние понижения шума с боков и сзади. Этот свидетельствует о том, что автоматическая обработка сигнала в данных слуховых аппаратах по своей природе ориентирована на речь. При выборе направленности происходит не только снижение общего уровня сигнала, но и улучшаются модуляционные характеристики. Еще одно преимущество подхода — значительно меньшая вероятность того, что направленность будет использована в случае речевого сигнала поступающего сбоку или сзади. Приведенные результаты исследований свидетельствуют о том, что процесс принятия решений отдает приоритет речи по сравнению с комфортом. Однако в лабораторных условиях невозможно воссоздать каждую ситуацию, с которой ребенок может встретиться в жизни.
Настроечная программа Inspire фирмы Starkey содержит несколько рабочих инструментов, которые слухопротезисты могут использовать для определения того, есть ли смысл иметь дело с этим процессом принятия решений:
Так когда же должны активироваться эти функции?
К сожалению, нет конкретных рекомендаций, с какого возраста можно использовать функции направленности и подавления шума. В случае направленности, важно, чтобы ребенок постоянно поворачивался к источнику сигнала, не дожидаясь побуждения, в большинстве коммуникационных ситуаций.
Можно провести оценку потребностей для определения ситуаций, в которых направленность и/или подавление шума могут принести пользу, используя специальные детские анкеты CHILD, COW и т.д. Ситуации, в которых следует ожидать улучшения, будут такими же, как и для взрослых (шум, преимущественно с боков и сзади, и небольшая реверберация).
Однако, в конечном счете, слухопротезисты должны быть уверены по отношению к процессу принятия решений, используемому в слуховом аппарате. Ни один алгоритм не отличается 100%-ной правильностью. Будущие исследования должны изучить уместность автоматического внедрения передовых функций в условиях реальной жизни.
Добавить комментарий