Diagnostic Pathology, 2006; 1: 6-6 (más artículos en esta revista)

Guía de onda del modelo de audífono sistema de molde

BioMed Central
Grzegorz Szwoch (greg@sound.eti.pg.gda.pl) [1], Bozena Kostek (bokostek@multimed.org) [1]
[1] Gdansk Universidad de Tecnología, Departamento de Sistemas Multimedia, Narutowicza 11/12, 80-952 Gdansk, Polonia
[2] Centro de Excelencia PROKSIM, Instituto de Fisiología y Patología de la Audiencia, Pstrowskiego 1, 01-943 Varsovia, Polonia

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Resumen
Fondo

El molde del sistema detrás de la prótesis auditiva del oído es un sistema acústico que modifica el espectro de las ondas de sonido propagadas. Inadecuada selección de molde el sistema puede producir un deterioro de la calidad del sonido y la inteligibilidad de la palabra. Computer métodos de modelado puede ser útil en el proceso de audífono apropiado, lo que permite al médico examinar molde diversas configuraciones de sistema y elegir el óptimo para el usuario de audífonos.

Métodos

En este documento, un modelo adecuado para esta tarea se propone. Este modelo se basa en el método de modelado de onda. La guía de onda modelo simula la propagación de ondas de sonido en el sistema de tubos cilíndricos. Frecuencia de respuesta de la audiencia ayuda receptor es simulada en el modelo y la influencia del canal auditivo y el tímpano en el sistema de molde se tiene en cuenta. Los parámetros del modelo son fácilmente calculada a partir de los parámetros físicos de un sistema de audífono. Función de transferencia del modelo se calcula la respuesta en frecuencia y las parcelas se obtienen utilizando el sistema de Matlab.

Resultados

La respuesta de frecuencia de las parcelas molde modelo se compararon con los de medición de parcelas de los correspondientes sistemas de molde físico. Los mismos cambios en la frecuencia respuestas causados por la modificación de la longitud o el diámetro de una sección de guía de onda seleccionadas, se observan tanto en los datos de medición de un verdadero sistema de molde y modelo computa en las respuestas.

Conclusión

Comparación de modelo de las respuestas obtenidas para diversos conjuntos de parámetros con los datos de medición demostrado que el modelo propuesto simula con precisión el verdadero sistema de molde y el modelo desarrollado se puede utilizar para construir un sistema informático ayudar al médico que realiza molde sistema de montaje.

Fondo

El número de personas con deficiencias auditivas que necesitan para utilizar audífonos está aumentando rápidamente en nuestros días. Herramientas adecuadas para la óptima colocación de audífonos son necesarios, lo que permite al médico seleccionar y ajustar la prótesis auditiva más adecuada a las necesidades del usuario en un breve espacio de tiempo. Métodos de selección de amplificación y las características de compresión con el fin de compensar la pérdida de la audición y mejorar la inteligibilidad de la palabra ya están bien desarrollados. Sin embargo, un aspecto del proceso de montaje que es a menudo subestimado es el diseño del sistema de molde de un audífono. En el caso de los audífonos miniaturizados (in-the-Ear y el in-the-Canal), este problema es de menor importancia, debido a que el sistema de molde es muy simplificado y que no afecta significativamente la calidad del sonido. Sin embargo, muchas personas todavía necesitan usar un BTE (Behind-The-Ear) audífono tipo, sobre todo cuando es de alta amplificación necesaria, que causa retroalimentación acústica en miniatura audífonos, o si el audífono usuario es menos técnicamente cualificados o de forma manual afectada. El molde sistema de audífonos BTE, la realización de ondas de sonido del receptor del audífono para el canal auditivo de las personas con deficiencias auditivas persona, es bastante compleja [1, 2]. Inadecuada selección de molde el sistema puede deteriorarse la calidad del sonido y, en consecuencia, disminuir la inteligibilidad de la palabra.

Los médicos que realizan el proceso de instalación de un audífono, a menudo se concentran sólo en la amplificación y los parámetros de compresión, descuidando la necesidad de molde adecuado el diseño del sistema. La elección de los elementos del sistema de molde se reduce a las pruebas de varios moldes y tubings y la instalación los que no producen acústico y dar retroalimentación satisfactoria la calidad del sonido, según la evaluación subjetiva de un audífono usuario. Sin embargo, existe una amplia gama de posibles molde sistema de selecciones, en diferentes tamaños físicos y materiales. Diversos sistemas de molde tienen diferentes características de frecuencia [3]. Si la herramienta está disponible que permite a los médicos diseñar el sistema de molde tener características de frecuencias que son adecuados para una persona con una determinada pérdida de la audición, se puede seleccionar el sistema óptimo de molde. De este modo, tanto electrónicos como molde parte de la audiencia ayuda sería más adaptadas a las necesidades de una persona con deficiencias auditivas [4, 5].

Aunque los métodos de modelado ordenador son ampliamente utilizados en muchas aplicaciones, sólo unos pocos informes sobre el modelado de la prótesis auditiva molde sistema se encuentran en la literatura [6, 7], y estos modelos no son actualmente utilizados en la práctica. La propuesta de modelos de molde el sistema se diseñó como una combinación de elementos y agrupa las líneas de transmisión. El principal problema con este enfoque es la correcta elección de los parámetros del modelo, que en muchos casos tiene que llevarán a cabo utilizando las mediciones del sistema de molde real. Por otra parte, la descripción matemática del modelo es bastante complejo, por lo que la aplicación práctica de este modelo es problemático.

En este documento, el modelo de guía de onda de este sistema se propone. Este modelo puede ser una parte del sistema informático que permite médico para diseñar el sistema de molde deseado tener propiedades acústicas, sobre la base de la pérdida de la audición características de la prótesis auditiva del usuario. De esta manera, sería posible llevar a cabo la primera etapa del sistema de acondicionamiento molde sin la presencia de una persona con deficiencias auditivas. La segunda etapa de montaje se iniciaría con la prueba de pre-diseñado sistema de molde. El modelo de guía de onda de la audiencia molde sistema de ayuda y los resultados de los experimentos se discuten en detalle en las siguientes partes de este documento.

Métodos
Guía de onda del modelo de sistema de molde

La simulación por computadora se ha desarrollado la técnica de Smith [8] a finales de los 80 en la Universidad de Stanford. Este método se denomina guía de onda de modelado y se ha utilizado con éxito en el modelado de instrumentos musicales, lo que permite llevar a cabo una buena síntesis de onda usando los modelos [9, 10]. El objetivo de la guía de onda de modelado digital es diseñar un tiempo discreto modelo que se comporta de manera similar a un sistema físico. Hasta la fecha, el método de modelado de onda no se ha utilizado para modelar sistema de molde de un audífono BTE. Acústicamente, el sistema de molde de la prótesis auditiva BTE es un conducto que consta de tubos, permitiendo la propagación de ondas de sonido de los audífonos receptor al canal auditivo [2]. El molde del sistema suele ser dividido en tres partes. Un earhook, hecho de plástico duro, protege micrófono y el receptor del audífono de daños físicos. Una es un tubo largo y estrecho tubo elástico, que conecta a earhook el molde. Un molde se inserta en el canal auditivo y su forma es anatómicamente instalado en la pinna y el canal auditivo del usuario de audífonos. El conducto, que consiste en earhook canal, tubería y canal de molde, podrán estar representados como un conjunto de tubos cilíndricos. Si las secciones de los conductos tienen forma cónica, una serie de secciones cilíndricas sólo se aproxima a la forma del conducto.

El modelado de la propagación de las ondas en tubos cilíndricos puede ser fácilmente realizado mediante el método de guía de onda, tal como se describe más adelante en este documento. Este método sólo modelos unidimensionales de propagación de la onda, no transversal modos pueden ocurrir en el sistema de modelado. En el tubo cilíndrico esta condición es válida siempre y cuando la frecuencia no exceda del valor crítico dado por [10]:

donde c es la velocidad de propagación de la onda y es el radio de tubo cilíndrico. En el audífono, la gama de frecuencias se limita por lo general debido a las propiedades del receptor. 1 Suponiendo que f c es igual a 11,025 kHz (que es la mitad de la tasa de muestreo utilizados en los experimentos descritos más adelante en este documento) y c = 343 m / seg, el máximo permitido Radio calcula utilizando un Eq. 1,1 es 9,111 mm. Este valor no se supera en prácticamente utilizado elementos del sistema de molde, por lo tanto, la guía de onda de modelado método puede ser aplicado a los sistema de molde de un audífono. El sistema de tubos de cumplir Eq. 1,1 se llama la guía de onda. El modelo de guía de onda de un conjunto de tubos cilíndricos se muestra en la Fig. 1 [5] [11]. Cada tubo cilíndrico se basa en como un par de líneas de demora y la longitud de cada línea de retardo es una función de la longitud del tubo cilíndrico.

Con el fin de precisión modelo de la influencia del receptor en el sistema de molde, el modelo de parte del receptor tiene que ser desarrollado y la impedancia acústica del receptor deben utilizarse para calcular la función de transferencia de la reflexión de entrada del filtro F en guía de onda en el modelo del sistema de molde. Sin embargo, el problema de diseñar el modelo exacto de un audífono receptor es bastante compleja. El audífono especializados receptores difieren en su estructura típica de audio de auriculares, por lo que los modelos desarrollados para los "grandes" receptores no pueden aplicarse directamente. Por otra parte, las especificaciones publicadas por el receptor fabricantes no ofrecen todos los datos necesarios para el diseño de este modelo. En la mayoría de las publicaciones relacionadas con el audífono de modelado, estos datos fueron obtenidos de las mediciones [6].

En el modelo se describe en este documento, el tema principal es el modelado de la prótesis auditiva sistema de molde. El modelo del receptor, es necesario principalmente para simular el paso bajo el carácter de este elemento y para tener en cuenta todas las resonancias (máximos locales) se producen en su respuesta de frecuencia. Por lo tanto, en el modelo descrito el receptor es simulada en la forma simplificada. La respuesta de frecuencia de un determinado tipo de receptor está determinada, ya sea por el receptor de medición o mediante la aproximación de la parcela de su respuesta de frecuencia. La respuesta del receptor se multiplica por la respuesta de frecuencia del modelo de sistema de molde.

Cualquier respuesta de frecuencia del receptor puede ser utilizado. En los experimentos se describe más adelante en este documento, los datos de medición de la BK1600 Knowles receptor, publicado en la literatura [12], se han utilizado. Estos datos fueron interpolados con el fin de obtener respuesta de frecuencia continua de la función del receptor. La impedancia del receptor no se utiliza en el cálculo de los parámetros del modelo y la reflexión filtro de entrada en F fue sustituido por un coeficiente constante r 0.

Canal auditivo y tímpano simulación

La salida del sistema de molde de un audífono está conectado al canal auditivo externo y el tímpano. Con el fin de simular las interacciones entre el sistema de molde y el canal del oído con tímpano, la impedancia de este último puede ser utilizado para calcular la función de transferencia de la producción reflexión filtro F en el modelo. En el modelo descrito en el presente documento, otro método se utilizó, en la que el canal auditivo y el tímpano se modelaron por separado.

La longitud y la forma del canal auditivo son únicos para cada individuo. Sin embargo, de una forma suficientemente precisa el modelo de canal auditivo válida para las frecuencias por debajo de 8 kHz es un tubo cilíndrico de 7,5 mm de longitud y 22,5 mm de diámetro [13]. El rango de frecuencia útil en audífonos rara vez supera los 8 kHz, debido principalmente a las deficiencias del receptor, a fin de que este modelo es adecuado para esta aplicación. El canal auditivo es, pues, el modelo mediante la adición de otra sección para el modelo de sistema de molde, que se describe anteriormente. La longitud y diámetro valores especificados más arriba se han utilizado en los experimentos, es, sin embargo, la posibilidad de introducir otros valores. Cabe, sin embargo, recordar que la longitud del canal auditivo debe reducirse de restar la longitud del canal de molde, que se inserta en el canal auditivo.

Con el fin de modelar las propiedades acústicas del tímpano, su impedancia acústica tiene que ser conocido. Idealmente, la impedancia deben medirse en un paciente. En los experimentos descritos en este documento, la frecuencia promedio de las características de impedancia de tímpano, obtenidos en más de 20 estudios se utilizó [14]. Es importante señalar que estos estudios fueron realizados en sujetos sanos y el tímpano de una impedancia auditiva persona puede ser diferente. El tabulados los resultados del estudio fueron interpolados con el fin de obtener continuo complejo tímpano función de la frecuencia de impedancia vs. Esta función se utiliza para calcular la función de transferencia de la producción reflexión filtro F en el modelo.

Vents de simulación

Cuando molde se coloca en el canal auditivo, que se cierra (occludes) del canal, causando aumentar la presión en el interior del canal auditivo y amplificar innecesariamente la baja frecuencia de los componentes de una buena señal. Este fenómeno se llama efecto de oclusión. Con el fin de compensar este efecto, los canales de ventilación, a menudo llamados respiraderos, se taladran en el molde, lo que permite la presión dentro y fuera del canal auditivo para igualar [1, 2].

En el modelo de guía de onda, las rejillas de ventilación puede ser modelado de la misma manera que los dedos en los agujeros de instrumentos musicales se basan en guía de onda de síntesis [14]. Una forma especial de la dispersión es necesaria la salida, los modelos que la conexión de tres tubos cilíndricos [10]. Cuando el molde con el típico sistema de ventilación paralelo sigue el modelo, uno de estos tubos es el molde del canal, en segundo lugar - canal auditivo, en tercer lugar - la salida de humos. La reflexión de la onda a la terminación de la abertura se basa en utilizar la reflexión de ventilación del filtro F v (z). La función de transferencia del filtro de salida de humos reflexión viene dada por la fórmula [15]:

donde un coeficiente está dado por:

S f es la frecuencia de muestreo, c es la velocidad de onda, l v es la longitud efectiva del tubo de igual a [16]:

L v es la longitud física de la salida de humos, r v es el diámetro del tubo de t y r es el diámetro del tubo. La reflexión de ventilación del filtro F v (z) es un filtro pasa.

Resultados y discusión

El modelo de guía de onda de la audiencia molde sistema de ayuda, incluido el receptor, canal auditivo con tímpano y, opcionalmente, las rejillas de ventilación, se llevó a cabo en un ordenador personal utilizando el sistema de MATLAB. Un conjunto de procedimientos fueron escritos por los autores en el interior de lenguaje de programación MATLAB. El sistema permite calcular para la parcela y la frecuencia de las respuestas del modelo. El sistema también permite modificar la longitud y diámetro de cada modelo de la sección y, además, la comparación de parcelas de función de transferencia para los dos conjuntos de parámetros del modelo. También se utiliza para procesar archivos de sonido diseñados utilizando la respuesta de frecuencia y examinar los resultados de esta transformación. La frecuencia de las respuestas del modelo desarrollado se calcularon y trazado de variación de diámetro y longitud de cada sección de la guía de onda. Con el fin de probar la validez del modelo, los cambios en la respuesta de frecuencia de la parcela modelo causados por el cambio de longitud o el diámetro de la sección elegida guía de onda se compararon con los datos de medición, publicado por el molde fabricantes de sistemas [3]. La hipótesis se planteó que si el modelo diseñado adecuadamente simula el sistema de molde físico, los cambios en la respuesta de frecuencia parcela debe corresponder a los cambios en los datos de medición.

El modelo de guía de onda utilizados en los experimentos consistió en cuatro secciones cilíndricas. En el modelo de referencia, que simula el molde típico del sistema, los siguientes valores fueron utilizados: earhook longitud 17 mm, earhook diámetro de 1,8 mm, longitud de la tubería 45,8 mm, diámetro de tubo de 2 mm, longitud molde canal 10 mm, diámetro molde canal de 2,4 mm, canal auditivo longitud de 22,5 mm, canal auditivo 7,5 mm de diámetro. La salida de humos no se utilizó. En lugar de la reflexión filtro de entrada en F, una constante coeficiente r 0 se utilizó. Su valor fue elegido como experimentalmente r 0 = -0,5, a fin de simular la pérdida de energía en el modelo. La función de transferencia de la salida del filtro H reflexión a cabo se ha calculado utilizando la media tímpano características de impedancia, como ya se ha expuesto. La respuesta de frecuencia del modelo se multiplicó por la interpolación de respuesta de frecuencia de un receptor típico (Knowles BK1600). La frecuencia de muestreo 22050 kHz fue elegido.

Los resultados de los experimentos se presentan en una forma de función de transferencia parcelas (magnitud expresado en decibelios vs frecuencia trazado en una escala logarítmica). Fig. 2 muestra función de transferencia de las parcelas modelo para examinar diversos molde canal de longitud. Varios resonancias (máximos locales) son visibles en la respuesta de frecuencia de las parcelas. La primera (principal) de resonancia se encuentra alrededor de 1 kHz y tiene la mayor amplitud. Hay dos más importantes resonancias: en primer lugar en el 2 - 3 kHz gama, en segundo lugar en los 3 - 4 kHz gama, ambos tienen menor amplitud que la principal resonancia. El aumento de la longitud del canal molde todos los turnos de resonancias hacia frecuencias más bajas y aumenta ligeramente la amplitud de cada una resonancia. La diferencia entre las parcelas de molde canal 2 mm de longitud y 10 mm es pequeño. Sin embargo, el aumento de molde longitud de 10 mm a 20 mm provocado un considerable amplificación a 2-4 kHz gama. Modificando el molde canal longitud no afecta la respuesta en frecuencia superior a 4 kHz (donde el receptor atenúa significativamente la señal) y por debajo de 750 Hz.

Los resultados de un experimento similar en el que el diámetro del molde canal se modificó, se presenta en la Fig. 3. Es evidente que un pequeño diámetro de molde canal (1,1 mm) reduce en gran medida la amplitud de la función de transferencia para todas las frecuencias superiores a 1 kHz. El aumento del molde de diámetro a 2,4 mm de amplificación de mejora en este rango, pero mayor aumento en el diámetro da mucho menos incremento en el nivel de amplitud. El aumento en el diámetro del canal molde está acompañado por el desplazamiento de resonancias hacia frecuencias más altas.

En otro experimento, el diámetro de la tubería se ha cambiado. Esta modificación altera la respuesta en frecuencia sólo en la gama 1-3 kHz. El aumento de diámetro de la tubería provoca aumento de la amplitud de las resonancias (más evidente para la primera resonancia) y pequeño aumento en las frecuencias de resonancia. La longitud de la tubería, no se modifica en las aplicaciones prácticas. En otro caso que fue estudiado, un único tubo cilíndrico molde para la sección del canal fue reemplazado por un conjunto de tres tubos cilíndricos de la cada vez mayor diámetro. Esta modificación provocó un pequeño aumento en amplitud por encima de 3 kHz. Sin embargo, debido a la atenuación causada por la respuesta de frecuencia del receptor, este cambio no es significativo.

La influencia de la abertura de diferente longitud y diámetro en respuesta de frecuencia del modelo fue también examinado. Los resultados de este experimento se muestra en la Fig. 4 demostrar que la inclusión de la abertura en el modelo causado, como era de esperar, importante atenuación de bajas frecuencias - el modelo se convierte en una banda de filtro pasa. La comparación de parcelas de frecuencia las respuestas del modelo con y sin salida de humos, se puede observar que una nueva resonancia se produce en torno a la menor frecuencia de corte. Disminuir el diámetro del tubo de dar lugar a cambio de la menor frecuencia de corte y resonancias (en el rango de hasta 2,5 kHz) hacia frecuencias más bajas. Asimismo, el aumento de la amplitud de la resonancia situado en la parte baja frecuencia de corte y la disminución de la amplitud del resto de las resonancias se pueden observar.

Comparación de los resultados de simulaciones por ordenador con los datos de medición, publicado por el molde sistema de fabricantes, mostró que los mismos cambios en la frecuencia respuestas causados por el cambio de longitud o el diámetro de una sección de guía de onda seleccionadas, se observan tanto en los datos de medición de un verdadero molde sistema y en las respuestas calculadas modelo. Por lo tanto, se puede concluir que el modelo computarizado desarrollado de la audiencia ayuda molde sistema simula adecuadamente el verdadero comportamiento del sistema molde, con una precisión suficiente.

Conclusión

El método de modelado de onda permite a los autores a desarrollar un modelo de la prótesis auditiva BTE sistema de molde. Es posible que representan el sistema de molde como un conjunto de tubos cilíndricos, que es fácilmente utilizando el modelo de onda método. La guía de onda elementos (principal sistema de molde y las rejillas de ventilación) se basan en utilizar las líneas de demora y dispersión de los cruces, mientras que otros factores (la respuesta del receptor, canal auditivo y el tímpano) se simulan tanto de filtros digitales en el modelo de guía de onda o por bloques separados.

El modelo computarizado desarrollado el molde del sistema se llevó a cabo utilizando el sistema informático MATLAB. Los resultados de los experimentos realizados utilizando el modelo descrito demostrado que el modelo se comporta de manera similar al sistema de molde real. Por lo tanto, se puede concluir que el método de modelado de onda, que se ha aplicado hasta ahora casi exclusivamente a la síntesis de instrumentos musicales, es una valiosa herramienta para el análisis de otros sistemas acústicos, como se describe audífono sistema de molde. La principal ventaja del método de modelado de onda, además de su fácil y eficaz aplicación en una computadora, es su simple relación entre los parámetros reales del sistema (longitud, diámetro) y los parámetros del modelo (retrasos, los coeficientes de reflexión). La principal desventaja de este método es problemático simulación de la no-lineal y la frecuencia dependen de factores que causan pérdidas de energía en el sistema acústico.

Los experimentos descritos en este documento, realizado mediante el modelo desarrollado, ayudó a los autores a proponer un sistema informático para el diseño y la evaluación del audífono sistema de molde. Un sistema de este tipo puede ser útil en el proceso de audífono apropiado. Sobre la base de las simulaciones por ordenador, se podrá comparar a la propiedades acústicas de los distintos sistemas de molde, para cambiar los parámetros del modelo frecuencia adecuada hasta que se obtienen características y, a continuación, utilizar los resultados de la simulación para crear el molde de un sistema de audífono óptimamente equipado para las necesidades de una persona con deficiencias auditivas. El sistema propuesto no pretende sustituir a los médicos, sino para optimizar su labor de proporcionar indemnización rápida y eficiente método de diseñar el molde de un sistema de audífono.

Conflicto de intereses

Los autores declaran que no tienen intereses en conflicto.

Autores de las contribuciones

Ambos autores contribuyeron igualmente a este trabajo. Ambos autores leído y aprobado el manuscrito final.

Agradecimientos

La obra está subvencionada por el Ministerio de Educación y Ciencia dentro del proyecto de investigación N º 3T11E02829. Nos gustaría dar las gracias a L. Moser de la Universidad de Wuerzburg, por sus valiosos y útiles comentarios en la primera etapa de esta investigación.