`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Кохлеарные импланты – процессоры возвращают слух

Статья опубликована в №3-4 (621) от 29 января

+55
голосов

Кохлеарные импланты (КИ) – ультравысокотехнологичныепротезы, которые, воздействуя непосредственно на слуховой нерв, позволяют воспринимать звуки многим глухим, ранее считавшимся неизлечимыми. Цифровое моделирование работы внутреннего уха требует инновационных технических решений и большой вычислительной мощности. Никто так не заинтересован в прогрессе подобных технологий, как пользователи КИ: каждые полтора года закон Мура приближает их еще на шаг к миру звуков.

Основные идеи, заложенные в конструкцию КИ, были сформулированы еще в 50-х годах прошлого столетия, однако необходимый для организации серийного производства этих аппаратов технологический уровень был достигнут лишь в начале восьмидесятых. С тех пор слух продолжает оставаться единственным из пяти чувств, протезирование органов которого удалось поставить на промышленную основу.

КИ выпускаются тремя основными компаниями, удовлетворяющими около 98% потребностей рынка: Cochlear Limited (Австралия), MED-EL (Австрия) и Advanced Bionics (США). Причем лидером является Cochlear, обеспечивающая более 70% всех кохлеарных систем, продаваемых в мире. И это притом, что цена у них выше, чем у продуктов идущей на второй позиции Med-El чуть ли не в полтора раза. В нашей стране устройства от Cochlear реализуются через ее эксклюзивного представителя – фирму «ВАБОС».

В настоящее время количество пользователей КИ во всем мире быстро растет и уже превышает 100 тысяч, чему способствуют следующие факторы:

  • совершенствование КИ, сопровождающееся расширением спектра диагнозов, допускающих возможность имплантирования. Особо важная категория пациентов – маленькие дети: пластичность нервной системы позволяет им быстро адаптироваться к восприятию с КИ и успешно пользоваться аппаратом для выработки речевых навыков. С другой стороны – взрослые, рожденные глухими: продолжительная невостребованность слуховых нервов и отделов головного мозга у этой категории пользователей чревата труднообратимыми патологиями (нервы могут атрофироваться, а серое вещество – приспособиться к выполнению альтернативных функций), что делает протезирование менее результативным. В 1990 г. для проведения имплантаций в США был установлен минимальный возраст – 2 года, в 1998 г. – 1,5 года, а с 2002 г. – 1 год. В Австралии же имплантируют уже с 6 месяцев, причем до этого успевают поставить диагноз «глухота» и установить, что степень потери слуха большая и аппараты не помогают или помогают мало;
  • постепенное удешевление КИ по мере развертывания их массового производства и компьютеризации методик постимплантационной реабилитации. Тут следует учесть, что процедура кохлеарного имплантирования в настоящее время сопоставима по стоимости со средним автомобилем, поэтому лишь сотые доли процента больных могут позволить себе подобный протез. Однако они становятся доступнее по мере более широкого распространения страховой медицины;
  • рост удельного количества глухих и слабослышащих, обусловлен экологическими и социальными проблемами.

Распространение практики кохлеарного имплантирования связано не только с техническими и экономическими проблемами. Сообщество пользователей КИ изобилует талантливыми авторами, в чьих текстах описываются самые неожиданные аспекты опыта симбиотического сосуществования с компьютерными технологиями. Их блоги и книги поучительны отнюдь не только для людей, имеющих проблемы со слухом.

КИ с момента своего появления оказались в центре как реальных, так и мнимых противоречий между мирами слышащих и глухих. В своей успешно продающейся книге «Реконструированный» (с подзаголовком «Как частичное превращение в компьютер сделало меня человечнее») Майкл Корос (Michael Choros) сравнивает себя и других носителей этих протезов с киборгами и сетует на Голливуд, культивирующий в отношении данного понятия неприглядные стереотипы.

Интересно, что в начале девяностых годов Национальная ассоциация глухих (США) инкриминировала производителям КИ... культурный геноцид!

Сторонники этого тяжкого обвинения подразделяются на умеренных и радикалов. За технофобской риторикой первых стоят вполне обоснованные опасения: широкое распространение КИ действительно может низвести численность носителей культуры глухих до критического уровня. А достижения этой культуры неоспоримы, и крушение ее было бы безусловной утратой для человечества. Она имеет собственный язык (в некоторых странах даже рассматривается вопрос о предоставлении ему статуса государственного), кинематограф (сохраняющий и преумножающий благородные традиции немого кино), собственные театры и учебные заведения и т. д.

Чтобы понять непримиримую позицию первых укажем, что в современном «политкорректном английском» слова deaf и Deaf имеют совершенно разное значение. Если первое – это болезнь, то второе – культурная идентичность, приобретшая стараниями борцов за различные права и свободы статус священной неприкосновенности в современном обществе. Ходят слухи о семейной паре глухих радикалов, которые, узнав, что их ребенок будет слышать, решили сделать аборт. В глазах такого человека, привыкшего думать о глухоте только с большой буквы «г», позитивное отношение к КИ выглядит не менее скандальным, чем призыв к возобновлению практики лечения гомосексуалистов гормональными инъекциями.

Прежде чем записывать противников КИ в ретрограды и мракобесы, попробуйте-ка предсказать собственную реакцию на появление некоего фантастического устройства, делающего своих обладателей телепатами (и таким образом устраняющего востребованность речевых навыков). Легко ли вы смиритесь с перспективой отмирания языка Шевченко, Пушкина, Шекспира и прочих, а также всех основанных на них культур? Для отрицательного ответа на этот вопрос у вас будут как минимум два повода: во-первых, сентиментальная привязанность к процессу высказывания мыслей вслух (по-старинке), а во-вторых – смутные подозрения, связанные с тем, что из телепатического взаимопонимания (как и из других целей, достигаемых безо всякого труда) улетучится значительная часть смысла.

Слух обычный и «компьютерный»

Оставив психо- и этологическую КИ-проблематику, рассмотрим как устроены эти протезы, и почему они, собственно говоря, так дорого стоят. Для этого, в свою очередь, необходимо ознакомиться с теми механизмами нормального процесса восприятия звука, которые они призваны имитировать.

Как известно из школьного курса анатомии, ключевым элементом нашего органа слуха является густо оплетенная нервами улиткообразная структура во внутреннем ухе (ее латинское название – cochlea). Численность звукочувствительных волосковых клеток, устилающих поверхность улитки человеческого уха и возбуждающих электрические импульсы в слуховых нервах, – около 15 тысяч. Некоторые из них не только улавливают звуки, но и издают их сами, являясь составной частью хитроумного механизма усиления слабых сигналов.

Будучи способными фиксировать отклонения волосков на ничтожные величины, звукочувствительные клетки очень хрупкие и не выносят грубого обращения. Наиболее распространенная причина глухоты – гибель волосковых клеток, вызываемая их механическим повреждением (в частности, при контузии или при прослушивании громкой музыки), воздействием токсичных веществ (например, некоторых антибиотиков), болезнью (менингит или воспаление среднего уха) либо генетической предрасположенностью. У 99% больных слуховые нервы остаются неповрежденными и каждый из них – потенциальный пользователь КИ. В его улитку можно ввести спираль, выполненную из гибкого силикона и снабженную линейным массивом платиновых электродов, предназначенных для искусственного возбуждения нервных импульсов, подобных тем, что в здоровом ухе поступают от волосковых клеток.

Эта спираль, похожая на щупальцы новорожденного осьминога, имеющая в длину чуть меньше полутора сантиметров и называемая стимулятором, – одна из двух частей внутреннего модуля КИ, вживляемого в голову пользователя в ходе хирургической операции. Вторая часть внутреннего модуля, традиционно называемая приемником (несмотря на то, что в последних моделях КИ она служит также для передачи телеметрических данных), выглядит как титановая таблетка размером с крупную монету. Она укрепляется в углублении, сделанном в черепной кости за ухом, и содержит свитую из золотой нити индуктивную катушку, служащую для беспроводного приема энергии от внешнего модуля и организации информационного обмена с ним, а также модем и контроллер с ЦАП для управления электродами.

Требования, предъявляемые к аппаратному и программному обеспечению внутренней части КИ, чрезвычайно высоки: случись ПО контроллера «зависнуть», оставив пару электродов в активном состоянии, и прилегающие к ним нервные волокна будут сожжены. Если же стимулятор перестанет функционировать из-за аппаратного сбоя, то замена его обернется не только очередной чреватой осложнениями операцией под общим наркозом, но и троекратным усугублением механических повреждений, причиняемых нежной оболочке улитки. Маркетинговые материалы Cochlear Limited сулят бесперебойную работу внутренних частей КИ Nucleus «в течение 70 и более лет». По-видимому, сочетание очень высокой надежности с весьма большой сложностью (обусловливаемой необходимостью моделирования сложной биологической системы) вряд ли позволит КИ в обозримом будущем существенно подешеветь.

Об успехе хирургической операции можно судить как путем визуального контроля (хирург видит, что электрод вошел в улитку), так телеметрически, что подтвердит работоспособность импланта и зарегистрирует ответы слухового нерва на стимуляцию. Косметические же ее последствия сводятся к небольшому шраму за ухом: не в пример Робокопу – из тел носителей КИ не торчит ни разъемов, ни антенн. Импланты осложняют повседневную жизнь примерно так же, как датчики сердечного ритма: ограничения, с которыми приходится сталкиваться их носителям, связаны только с металлоискателями и компьютерными томографами. Кроме того, детей с КИ предостерегают от катания с пластиковых горок: сильное электростатическое поле может вызвать программный сбой.

Внешний модуль протеза также состоит их двух частей. Одна из них («передатчик») оформлена в виде неприметной шайбы, удерживающейся на голове напротив приемника с помощью магнита, скрытой под волосами. Другая («звуковой процессор») – напоминает либо обычный заушный слуховой аппарат, либо диктофон, носимый в кармане или на шее (для младенцев недавно налажен выпуск специальных звуковых процессоров, крепящихся на детском белье).

Как это работает

Кохлеарные импланты – процессоры возвращают слух
Кохлеарные импланты – процессоры возвращают слух
Вид кохлеарного импланта снаружи и изнутри (1 – звуковой процессор; 2 – приемник; 3 – стимулятор; 4 – слуховые нервы)

Звуковой процессор последнего (четвертого) поколения КИ от Cochlear Limited имеет два встроенных микрофона – со сферической и направленной диаграммами чувствительности. Сравнение получаемых от них сигналов позволяет организовать эффективную систему шумоподавления, основанную на моделировании акустических характеристик помещения. Очищенный от шумов звук подвергается сильной компрессии, необходимость которой диктуется тем обстоятельством, что динамический диапазон чувствительности нервов к электрическим импульсам, к сожалению, в несколько раз меньше уровня, необходимого для восприятия беглой речи.

Затем звук разлагается на спектральные компоненты по числу электродов стимулятора. DSP-программисты из Cochlear Limited применяют для выполнения этой операции быстрое преобразование Фурье, а их конкуренты пропускают сигнал через массив линейных фильтров. На этом этапе в нем могут быть усилены компоненты, предположительно относящиеся к человеческой речи. Полученные данные обрабатываются одной из нескольких альтернативных психоакустических моделей (немного напоминающих те, что применяются в MP3-кодировании): опыты показали, что четкость воспринимаемых через КИ звуков повышается при отбрасывании спектральных компонентов, маскируемых здоровым слухом. Теперь, наконец, информацию можно закодировать и послать приемнику для управления электродами.

Завершающее кодирование сигнала представляет собой один из самых нетривиальных этапов его обработки. Дело в том, что субъективные ощущения носителей КИ существенно зависят не только от амплитуды электрических импульсов, используемых для возбуждения слуховых нервов, но и от их частоты и длительности. Кроме того, из-за взаимного наложения потенциалов в окрестностях контактных площадок электроды нельзя активировать одновременно. Очередность их включения также сказывается на ощущениях пользователя.

Кохлеарные импланты – процессоры возвращают слух Кохлеарные импланты – процессоры возвращают слух
Логарифмические спирали вызывали восхищение многих знаменитых художников, включая Арсена Савадова, Леонардо да Винчи, Морица Эшера и Сальвадора Дали. Так, последний писал в «Дневнике одного гения»: «Носорог не удовлетворяется только ношением самых прекрасных логарифмических кривых на оконечности своего носа; в дополнение ко всему, на теле он носит своего рода галактику логарифмических кривых в форме подсолнуха». Вероятно, изделия компаний Cochlear Limited (стимулятор кохлеарного импланта Nucleus) и B&W (акустическая система Nautilus), будь он с ними знаком, подвигли бы его на еще более смелые обобщения

Подбор оптимальной для данного пациента психоакустической модели и многочисленных параметров кодирования – задача аудиолога, руководящего постимплантационной реабилитацией, – кропотливой, но необходимой программой, без которой КИ может оказаться бесполезен. Дело в том, что вызываемые электрический стимуляцией ощущения настолько непривычны, что пользователям приходится заново учиться их интерпретировать. Одно из применяемых для этого стандартных упражнений – чтение книги, сопровождаемое прослушиванием фонограммы с записью дикторского голоса. Многие начинающие пользователи КИ не могут разобрать на слух ни единого слова на первой ее странице.

Завершение терапевтической программы также не превращает имплант в полноценный заменитель здорового слуха (невозможность этого очевидна хотя бы потому, что количество электродов стимулятора на три порядка уступает численности волосковых клеток). Общаясь с незнакомцами, некоторым носителям КИ приходится приспосабливаться к особенностям их произношения и читать текст по губам; звучание человеческой речи приобретает неестественный металлический оттенок (по страницам форумов пользователей КИ кочует зловещий образ «робота, страдающего хроническим ларингитом»). Из-за неадекватного восприятия высоты звуков некоторые из них могут улавливать лишь те мелодии, с которыми они успели познакомиться до наступления глухоты, и испытывать затруднения с распознаванием восточных тональных языков.

Кохлеарные импланты – процессоры возвращают слух
Экспериментальная платформа, используемая для лабораторных исследований в Cochlear Limited, связывает ПК с внутренним модулем кохлеарного импланта Nucleus. Она построена на базе мощного DSP, способного в реальном времени исполнять создаваемый в среде MATLAB код

Впрочем, следует учитывать, что процессор создавался, в первую очередь, для понимания речи, поэтому обычно сознательно отсекаются тихие звуки и придавливаются очень громкие. Для достижения максимальной разборчивости применяются в основном звуки речевого диапазона, а музыка и прочие акустические колебания, имеющие одновременно и тихие, и громкие компоненты, передаются очень искаженно. Процессоры современных КИ имеют переключатели программ интерпретации звуков (их можно сравнить с селекторами режимов съемки у современных фотокамер). Программы, меньше компрессирующие звук, лучше подходят для прослушивания музыки, но разборчивость речи при их использовании существенно снижается.

Примерно раз в два года поставщики КИ предлагают своим клиентам переход на очередную версию ПО, созданную с учетом последних достижений аудиологии и смежных с нею наук, а то и смену морально устаревшего внешнего модуля на более производительный. Не приходится сомневаться, что это чревато для них куда большим стрессом, нежели, к примеру, миграция с Windows Vista на Mac OS.

Отдаленное представление о том, каким является мир звуков для пользователей КИ можно получить, прослушав записи, размещенные на страничке utdallas.edu/~loizou/cimplants/cdemos.htm.

Последнее поколение внешних модулей КИ от Cochlear Limited оснащено четырьмя фирменными DSP-процессорами (параллельная архитектура позволяет снизить энергопотребление) с суммарной вычислительной мощностью 180 MIPS. Предполагается, что ее хватит для алгоритмов, появление которых ожидается в обозримом будущем.

Перспективы

На нынешнем этапе развития КИ их совершенствование связывается в основном со следующими направлениями:

  • разработка методов моделирования распространения стимулирующего потенциала на поверхности улитки, позволяющих одновременно задействовать несколько электродов для улучшения спектрального разрешения воспринимаемого звука. Специалисты из Coclear Limited заявляют, что 22 интракохлеарных электрода КИ Nucleus Freedom способны обеспечивать 43-канальную стимуляцию (21-й виртуальный электрод формируется за счет параллельной активации соседних пар реальных электродов). В свою очередь Advanced Bionics продвигает сходную технологию под названием current steering и заявляет о 120 каналах, из которых только 16 – «реальные»;
  • разработка алгоритмов, помогающих игнорировать шумы и локализовать источники звука пользователям билатеральных КИ (т. е. имеющим по импланту в каждом ухе). Билатеральные протезы получают все большее распространение, поскольку показано, что они несколько улучшают уровень разборчивости речи и позволяют воспринимать базовые стереофонические эффекты (даже несмотря на свою текущую «алгоритмическую взаимонезависимость»);
  • компьютеризация постимплантационной терапии. Внедрение интернет-технологий для удаленного консультирования пользователей может повысить доступность КИ, а совершенствование интерфейса звуковых процессоров (сопровождаемое эволюцией их дизайна от диктофона к КПК) сделает терапию более быстрой и эффективной. В частности, разработчики Cochlear Limited изучают вопросы построения интерфейса в стиле методов генетического программирования, предоставляющего пациентам возможность осуществлять искусственный отбор массивов удачных настроек, «размножающихся» в соответствии с принципами мутационной изменчивости.

В более отдаленной перспективе производители КИ, вероятно, обратятся к углубленным исследованиям принципов функционирования улитки, ведущимся в настоящее время в институте Джона Хопкинса. Его сотрудники концентрируются на химических процессах, происходящих в волосковых клетках в момент посылки нервного импульса. Переход с помощью некоей гипотетической нанотехнологии к использованию веществ-медиаторов вместо электрической стимуляции, позволил бы радикально улучшить спектральное разрешение воспринимаемого звука.

В заключение отметим, что хотя сегодня КИ не имеют альтернатив в качестве средств частичного возвращения слуха больным с утраченными волосковыми клетками, – в будущем ситуация может измениться: последние 20 лет отологи получают все более обнадеживающие доказательства способности этих клеток к самовосстановлению.

+55
голосов

Напечатать Отправить другу

Читайте также

...а почему природа придала внутреннему уху в точности ту же улиткообразную форму, что мы видим на фото колонки "Наутилус"?

Одна из трудностей, стоящих перед разработчиками колонок, - борьба с искажениями звуков, длина волны которых кратна глубине колонки (точнее, расстоянию между диффузором динамика и задней стенкой корпуса). Такие звуковые волны накладываются на собственное эхо, в результате чего их выходная амплитуда оказывается существенно отличной от запланированной звукорежиссером. Иными словами, в графике АЧХ акустической системы появляются неравномерности (чем глубже ее корпус - тем больше они смещаются в область низких частот). Динамики, вмонтированные в проделанные во внешней стене комнаты отверстия, зучали бы отлично: звуковые волны, возбуждаемые обратным ходом их диффузоров, рассеивались бы в окружающем пространстве, не внося в график АЧХ никаких отклонений. Однако такой способ решения проблемы чреват многими неприятностями (в частности, недовольством соседей и нарушением теплоизоляции помещения); так что разработчикам акустических систем приходится покрывать задние стенки корпусов звукопоглощающими материалами. Но идеального звукопоглощающего материала в природе не существует, и потому в не терпящем компромиссов мире hi-end-аппаратуры было найдено эффективное техническое решение, состоящее в замене задней стенки корпуса широким концом полого конуса. Попадая в него, звук теряется: энергия высокочастотных компонент звука поглощается его близлежащими стенками, а низкочастотные колебания затухают, достигая более отдаленного узкого конца.

Найдя способ регистрировать энергию, поглощаемую поверхностью различных участков конуса, мы смогли бы использовать его в качестве спектрального анализатора.

Рассмотрим костяной конус, заполненный вместо воздуха солевым раствором. Роль диффузора, расположенного в его широком конце, играет встроенная в так называемое овальное окно так называемая стременная пластинка (механически связанная с барабанной перепонкой), а внутренняя поверхность конуса выложена тонкой кожицей, покрытой тысячами чутких волосков, колеблющихся в звуковых волнах, подобно листьям водорослей. Это - строение внутреннего уха птиц, улавливающего звуки в сравнительно скромном диапазоне, верхняя граница которого составляет, как правило, 4-5 кГц. Для сипухи - обладательницы самого утонченного слуха среди пернатых - этот показатель доходит до 11 кГц.

За счет чего млекопитающим, некоторые морские виды которых способны воспринимать 200-килогерцовые вибрации, удается достигать почти 20-кратного превосходства над птицами? Расширение диапазона спектра поглощаемого звука требует увеличения длины конуса, делающей конструкцию неприемлемо громоздкой: внутреннее ухо с очень длинным конусом плохо уместится внутри черепа, а звуковая система - не впишется дизайн гостиной. Разработчики hi-end-аппаратуры обходят это затруднение, сворачивая конус в спираль, - повторяя тем самым конструкторское решение природы, создавшей млекопитающих.

Конечно, эту техническую аналогию не стоит воспринимать слишком буквально: ушная улитка ГОРАЗДО сложнее колонки и очень многое в ее устройстве остается неясным.

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT