Устройство и методика формирования тестовых акустических сигналов эквивалентных камертону для оценки качества слуха

Актуальность темы

исследования обусловлена отсутствием средств электроники и вычислительной техники, методик формирования тестовых акустических сигналов, в том числе эквивалентных камертону, позволяющих провести исследование слухового анализатора человека в бытовых условиях. Она обусловлена серьёзной проблемой ухудшения слуха у населения. По данным ВОЗ на сегодняшний день нарушением слуха страдают 6% населения Земли, [1] по оценкам специалистов через 10 лет это число возрастёт на 30% и составит 8% общего населения Земли [2]. Отчасти эта проблема связана с тем что, с развитием аудио-акустических систем нагрузка на слух человека существенно увеличилась. Стоит отметить тот факт, что на данный момент оценить состояние слуха возможно лишь в специализированных медицинских центрах. Понижение слуха происходит постепенно, в силу своего психофизиологического строения человек способен заметить снижение слуха только тогда, когда это начинает доставлять ему дискомфорт и функции слухового анализатора существенно понижены.

Очевидно, что чем раньше нарушение слуха диагностировано и начато адекватное лечение, тем более вероятен успех терапии и выздоровление пациента. Существующие в арсенале врача-отоларинголога методы (исследование восприятия речи) и приборы (камертон) зачастую позволяют оценить слух только приблизительно. Вместе с тем, детальная диагностика слуха зачастую необходима для верного диагноза и позволяет предотвратить серьезные осложнения, угрожающие жизни больного и приводящие его к инвалидности. В реальной практике врач-отоларинголог, подозревающий нарушение слуха у пациента вынужден направлять его на обследование в сурдологический центр, что влечет кроме материальных затрат еще и потерю времени и может способствовать осложнению состояния больного. Оснастить дорогостоящей аудиометрической аппаратурой все кабинеты врачей-отоларингологов не представляется возможным. Таким образом, для практического здравоохранения крайне актуальным является вопрос создания недорогого портативного диагностического устройства, позволяющего провести полное исследование слуха у пациента, своевременно назначить лечение и предотвратить стойкую тугоухость и инвалидность больных.

Предложения по решению подобных проблем отображены в работах многих отечественных и зарубежных коллективов таких как: ФГУ Российский научно-практический центр аудиологии и слухопротезирования Росздрава, г. МоскваСанкт-Петербургский научно-исследовательский институт уха, горла, носа и речиСибирский Государственный Медицинский институтЕвропейская академия оториноларингологииАмериканская академия оториноларингологии.

Обеспечить всех нуждающихся аудиометрической аппаратурой не представляется возможным в виду больших экономических затрат, и необходимости организации высокотехнологичного производства. На основе работ авторов Т. В. Золотова, В. В. Березнюка, A.B. Старохи, Р. В. Кофанова, H.H. Петрова, И. А. Завалишина, О. В. Мареева, Г. И. Буренкова, Т. А. Исламова, Е. В. Герова, можно сделать вывод, что выходом из сложившейся ситуации может служить разработка методик, устройств и элементов вычислительной техники (включая программное обеспечение) для уже существующих устройств воспроизведения звука. Вместе с тем известны научные работы в области проектирования электронных устройств и элементов вычислительной техники: Кобзева A.B., Осипова Ю. М., Малышенко A.M., Шурыгина Ю. А., Замятина Н. В. которые направлены на совершенствование элементов электронной техники и систем управления.

Для достоверного исследования слуха электронное устройство должно воспроизводить сигналы заданной формы и интенсивности. Это обстоятельство делает практически невозможным создание универсального программного обеспечения для всех элементов и устройств электронной техники. Таким образом, можно сделать вывод, что разработка системы управления тестовыми акустическими сигналами должна вестись под конкретную модель вычислительного устройства, внутренняя структура вычислительного устройства должна оставаться неизменной.

Однако стоит отметить тот факт, что для верного исследования слуха устройство должно воспроизводить сигналы определённой частоты и интенсивности, этот факт делает практически невозможным создание универсального программного обеспечения для всех вычислительных средств. Таким образом, можно сделать вывод, что разработка программного обеспечения будет происходить под конкретную модель вычислительной системы, комплектация модели должны оставаться неизменной для всех устройств данной модели.

Все современные решения в области аудиометрии используют для своей работы генерацию звуков определенной частоты и интенсивности. Для этого подбирается отдельный генератор звука (либо несколько генераторов) под каждый конкретный вид исследования. Например, для реализации аудиометра 3-го класса (по ГОСТ 27 072–86) требуется четыре генератора: один для исследования воздушной проводимости, два для исследования костной проводимости и ещё один для обеспечения маскировки. Недостатки такого подхода следующие:

1. затруднительно создать автономное устройство из-за большого количества генераторов и большого потребления энергии;

2. затруднительно создать портативное устройство, удовлетворяющее широкому спектру медицинских запросов. Отсутствие портативности не позволяет проводить исследование слуха вне стен медицинского учреждения;

3. функциональность прибора привязана к конкретной реализации аппаратной части;

4. невозможно провести модернизацию имеющихся устройств для применения новых для методов исследования оценки качества слуха;

5. привязка к реализации повышает стоимость устройства как мелкосерийного. В зависимости от места использования устройства, производятся разные, непохожие друг на друга устройства, что объясняет мелкосерийность производства;

6. зависимость между функциональностью и реализацией аппаратной части не позволяет проводить модернизацию прибора, проводить опыты, отличные по своим входным параметрам от заводских предустановок.

Использование современных методов исследования слуха требует высокого уровня квалификации испытателя, что затрудняет проведение корректного, частого и воспроизводимого эксперимента. Ярким примером этого является камертональный опыт исследования слуха. Испытатель должен уметь возбудить камертон несколько раз с одинаковой интенсивностью и правильно его зафиксировать на пациенте прежде, чем колебания камертона затухнут.

В диссертации предлагается отказаться от генерации звуков в пользу воспроизведения заранее подготовленных и сохраненных звуковых файлов. Такое решение позволит использовать одну и ту же аппаратную платформу с отличающимся, в зависимости от назначения прибора, программным обеспечением. Такой подход позволит сократить стоимость прибора, из — за перехода на массовое (по сравнению с современными решениями) производство, основанное на выпуске одной и той же аппаратной части. Такой прибор не имеет сильной связи между его функциональностью и реализацией аппаратной части, т.к. все изменения в функциональности обусловлены изменениями программного обеспечения. Это делает процесс аудиометрических исследований более гибким. У медицинских работников появляется возможность модифицировать приборы, меняя только программное обеспечение, что технически проще и дешевле чем менять весь прибор [3].

В рамках диссертации сконструирован портативный прибор для оценки качества слуха, путём проведения аудиологических тестов, основанных на костной проводимости. Принята патентная заявка на изобретение и метод использования разработанного прибора. Прибор прошёл предклинические испытания. При использовании сконструированного прибора при проведении аудиологических исследований, в частности проведение основных камертональных опытов, квалификационные требования и временные показатели существенно сокращаются. Отпадает необходимость специфического возбуждения инструмента для проведения камертональных опытов, упрощается процесс фиксации инструмента, а также существенно сокращается время проведения камертональных опытов (до 50%).

Целью диссертационной работы является создание и исследование устройства формирования акустических сигналов, эквивалентных сложным колебаниям камертона и позволяющего сократить время проведения оценки слуха и снизить квалификационные требования к специалистам.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие задачи: а) проанализировать методы исследования слухового анализатора человека, включая существующие методики, устройства и модели оценки качества слухаб) разработать методику эквивалентирования колебаний камертона и электронного устройства, основанного на использовании визуального сопоставления, коэффициента среднеквадратичного отклонения к< при ограниченности полосы пропускания в частотной области слуховым анализатором человекав) создать электронное устройство для формирования тестовых акустических сигналов, позволяющего реализовать предложенный способ оценки слухаг) провести экспериментальные исследования созданного электронного устройства и разработанной методики на соответствие диагностических характеристик предложенного способа с существующими аудиологическими тестамид) апробировать разработанную методику использования устройства формирования тестовых акустических сигналов в медицинских учреждениях.

Теоретическая и методологическая основа исследования.

Диссертация разработана на основе системного анализа существующих на настоящий момент теоретических и практических разработок по методике оценки качества слуха человека. Диссертация включает учебно-методические источники в виде данных и сведений из учебных пособий и методических разработок и материалы по вопросам, связанным с оценкой качества слуха и разработки элементов систем управления вычислительной техники.

Научная новизна заключается в новом подходе к созданию устройства формирования тестовых акустических сигналов для оценки качества слуха:

1. разработана новая методика эквивалентирования колебаний электронного устройства и камертона, включающая этапы: оценки соответствия мгновенных значений сигналов по их визуальному совпадению, минимизации коэффициента среднеквадратичного отклонения сигнала, установления соответствия спектров сигналов, экспериментальная проверка по типовым методикам.

2. предложены новые алгоритмы оценки качества слуха, реализующие новый способ диагностики слуха, основанный на пошаговом изменении уровня сигнала и его формы, изменяющихся по случайному закону в пределах акустического диапазона восприятия человеком, который позволяет расширить диапазон исследований качества слуха и определения порога чувствительности.

Практическая значимость заключается в:

1. усовершенствованной методике проведения основных камертональных опытов на основе разработанного устройства, которая, в отличие от классической методики, позволяет определять порог слышимости один раз на все требуемые измерения, и повышающей производительность измерений сигналом с фиксированными параметрами.

2. разработанных алгоритмах и программном обеспечении, позволяющих дать инженерам рекомендации по созданию электронных устройств для формирования тестовых акустических сигналов сложной формы;

3. существенном снижении временных и квалификационных показателей для проведения камертональных опытов Ринне, Вебера, Желле и Федеричи без снижения диагностических свойств методик;

4. возможности проведения тональных аудиометрических тестов и камертональных опытов самооценки слуха с использованием устройства формирования тестовых акустических сигналов в бытовых и нормальных условиях.

Положения, выносимые на защиту:

1. разработанная методика эквивалентирования колебаний электронного устройства и камертона позволяет дать основу для проектирования электронных устройств генерации тестовых акустических сигналов;

2. предложенные новые алгоритмы оценки качества слуха, реализующие новый способ диагностики позволяют автоматизировать процесс исследования с точным определением порога чувствительности человеческого уха;

3. использование созданного электронного устройства для проведения аудиометрических опытов сокращает время проведения опытов до 50%, значительно упрощает методику проведения опытов и снижает требования к квалификации испытателя.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы прошли апробацию на международных конференциях, всероссийских конференциях, научных семинарах и научно-практических конференциях, таких как:

VI Международная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления», Томск, 2010 г.;

Научная сессия ТУСУР-2010 Материалы докладов Всероссийской научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных;

Международной заочной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки», Тамбов, 2011 г.;

Выставка научных достижений молодых учёных ТУ СУ Ра, г. Томск, 2011 г.;

VII международная научно—практическая конференция «Электронные средства и системы управления», г. Томск, 2011 г.

По материалам работы был получен грант по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.») г. Томск 2010 г. и грант Томской области (Государственный контракт на выполнение работ № 441 от 04.10.2010 г. «Разработка методики и прототипа портативного устройства для измерения качества слуха, основанного на костной проводимости»).

Личный вклад автора. Все выносимые на защиту научные результаты получены соискателем лично. В совместных работах диссертант принимал участие в непосредственной разработке моделей, алгоритмов, теоретических расчётах и вычислительных экспериментах, в интерпретации результатов. Постановка задачи исследований осуществлялась научным руководителем, к-том тех. наук, Р. В. Мещеряковым.

Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 13 печатных работах, которые включают в себя три статьи в журналах, рекомендуемых ВАК РФ, семь тезисов и докладов на международных и Всероссийских конференциях, одно авторское свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ, одна заявка № 2 010 150 240/14 на патент, название «Способ диагностики слуха и устройство для его осуществления», одна монография.

Структура и объём диссертации Общий объём работы — 147 страницы, в том числе 124 страницы основного текста, 15 таблиц, 71 рисунковсписок использованной литературы, включающий 107 наименований. Структура диссертации: введение, три главы, заключение, список используемой литературы.

Первая глава «Методы и устройства оценки качества слуха» посвящена рассмотрению существующих методов исследования слуха и существующих устройств для оценки качества слуха.

Вторая глава «Эквивалентирование электронного устройства и камертона» посвящена описанию этапов предложенной методики.

Третья глава «Алгоритмы оценки качества слуха» посвящена рассмотрению нового способа диагностики слуха, основанного на пошаговом изменении уровня сигнала и его формы, изменяющихся по случайному закону в пределах акустического диапазона восприятия человеком, который позволяет расширить диапазон исследований качества слуха и определения порога чувствительности.

Результаты работы:

1) предложена новая классификация исследований слуха, позволяющая выделить возможности разработки элементов систем управления в составе вычислительных устройств;

2) предложен новый метод по реализации аудиометрических испытаний, позволяющий внедрить классическую методику проверки слуха в существующие системы управления в составе вычислительной техники;

3) разработан алгоритм управления блоком аудио данных для проведения тональных аудиометрических тестов;

4) предложена модифицированная методика проведения основных камертональных опытов (опыт Ринне, Вебера, Желле и Федеричи) позволяющая вывести исследования камертона на бытовой уровень путём снижения времени исследования и квалификации испытателя не теряя при этом диагностических характеристик;

5) подана заявка № 2 010 150 240/14 на патент, название «Способ диагностики слуха и устройство для его осуществления»;

6) Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2 011 613 730 «Программа управления портативного аудиометра „АУДИНИ“».

Так же была предложена новая классификация методов оценки слуха, помогающая выделить направление разработки аудиометрического оборудования.

Качество выполненных работ было высоко оценено на конкурсах инновационных проектов У.М.Н.И.К. (лауреат премии), конкурс студенческих бизнес идей 2010 г. (третье место), исследования велись на средства гранта Томской области, при поддержке администрации городской больницы № 3 и поликлиники № 10 города Томск.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Таким образом, цель, сформулированная как создание и исследование устройства формирования акустических сигналов, эквивалентным сложным колебаниям камертона и позволяющего сократить время проведения оценки слуха и снизить квалификационные требования к специалистам достигнута в виде разработанного устройства, усовершенствованной методики проведения камертональных опытов снижающей временные и квалификационные показатели и ряда экспериментов направленных на выявление соответствия выходных сигналов камертона и разработанного устройства, соответствие диагностических характеристик в сравнении с клиническим аудиометром, соответствие диагностических характеристик усовершенствованной методики проведения основных камертональных опытов.