Перчатка, чтобы слышать

Сегодня в мире около 3% людей страдают различными формами расстройства слуха, в том числе и полной глухотой. Наиболее распространенный способ восстановления слуха — кохлеарная имплантация.

Это сложная хирургическая операция, заключающаяся в ведении специальных электродов (из биологически инертного металла) в полость улитки (часть внутреннего уха, отвечающая за преобразование механических колебаний органов слуха в электрические импульсы нервной системы), которые должны имитировать работу рецепторов слуха. Специальное внешнее устройство (речевой процессор) преобразует звуки в электрические сигналы, которые проходят обработку и затем транслируются в нервную систему пациента. Метод нашел широкое применение, хотя и имеет недостатки:

— не может применяться, если глухота вызвана поражение слухового нерва или отделов головного мозга, отвечающих за анализ слуховых ощущений;

— не эффективен в случае, если тугоухость наблюдается у человека с рождения или в течение длительного периода времени;

— противопоказан при ряде патологий улитки и органов внутреннего уха;

— после установки имплантата пациент проходит длительный курс реабилитации, в ходе которого он обучается правильно использовать прибор.

Однако существует еще один способ восстановить слух, используя способность мозга человека самостоятельно заменять утраченные органы чувств. Эта способность получила название «сенсорное замещение».

У людей, потерявших слух, обостряются другие чувства, в частности осязание. Мозг самостоятельно пытается заменить недостаток информации от одного органа чувств за счет другого. Он будто обучается «слушать» кожей. Обучение происходит подсознательно, независимо от воли человека. Это и называется сенсорным замещением.

Если говорить о возможностях сенсорного замещения, то необходимо упомянуть разработку ученых из Университета Бата (Великобритания) — очки The vOICe. Устройство преобразует визуальную информацию в звуки и может помочь людям, потерявшим зрение, справиться с недугом. The vOICe представляют собой очки с видеокамерой и наушниками. Камера получает визуальную информацию из окружающей среды, а процессор преобразует ее в различные звуковые ощущения. Уже через несколько недель ношения устройства пациенты смогли «на слух» различать довольно сложные геометрические образы. На данный момент существует специальное приложение (распространяется бесплатно), которое, используя видеокамеру смартфона, способно переводить визуальные образы в звуковые ощущения. Важно отметить, что на данном этапе технология качественно не уступает другим методам восстановления зрения, в частности имплантации электродов в сетчатку (или непосредственно в зрительные центры головного мозга).

Модель виброперчатки с основой — перчаткой для фитнеса

Мы подумали, что аналогичный принцип можно применить и для решения проблем слухопротезирования. Мы разработали виброперчатку — устройство, преобразующее звуковые колебания в воздухе в виброкомбинации тактильных модулей, которые способен воспринимать пользователь посредством рецепторов кожи.

Виброперчатка состоит из следующих элементов: микрофон, улавливающий звуковые колебания и преобразующий их в электрические сигналы; анализатор спектра (цифровой или аналоговый), который осуществляет обработку сигнала и формирует управляющие сигналы для вибромоторов; драйверы для управления вибромоторами и непосредственно модули моторов.

Для формирования тактильных ощущений в устройстве используются миниатюрные вибромоторы. Вибромотор — электродвигатель, на валу которого расположен эксцентрик (груз, центр массы которого находится не на оси вращения).

В конструкции перчатки помимо «классического» вибромотора мы пытались применить его аналог, так называемый линейный резонансный актюатор. Он состоит из катушки и магнитного сердечника — маятника. При пропускании через катушку переменного тока она индуцирует переменное магнитное поле, которое заставляет колебаться сердечник. К преимуществам линейного резонансного актюатора относится высокая чувствительность к изменению амплитуды управляющего напряжения.

Оба типа вибромоторов широко применяются в конструкциях мобильных телефонов, потому они обладают низкой стоимостью и широко распространены, продаются в качестве комплектующих и для ремонта.

Чтобы обеспечить передачу вибрации от моторов к коже человека необходимо создать механический контакт между ними. Для этого применяются модули тактильной связи — пластиковый кожух, в который помещается вибромотор, крепящийся к тканевой основе перчатке. Кожух также выполняет функцию защиты вибромотора от механических повреждений, пыли и грязи. В зависимости от типа мотора применяются различные конфигурации кожуха. Для вибромотора с открытым эксцентриком и для мотора с закрытым эксцентриком.

Важную роль в передаче вибрации играет перчатка. От материала и покроя зависит возможность располагать модули тактильной стимуляции в тех местах, где это необходимо. В качестве перчатки-основы были рассмотрены стандартные модели: перчатка для фитнеса и бандаж. Первый вариант изготавливается из мягкой эластичной ткани (тыльная сторона) и кожаного материала с подкладками (ладонная сторона). Ввиду небольших размеров перчатки имеется не так много места для размещения тактильных модулей. Их необходимо размещать на тыльной стороне, чтобы пользователь мог пользоваться рукой. Эластичная ткань с течением времени приобретает остаточные неупругие деформации, которые нарушают контакт между тактильным модулем и кожей, в результате вибрации могут передаваться некорректно.

Модель виброперчатки с основой — бандажом

Бандаж представляет собой эластичную тканевую основу, которая плотно прилегает к коже и может обеспечить ее тесный контакт с тактильным модулем. Имеет большую площадь (в сравнении с перчаткой) для размещения вибромоторов, кроме того, они могут располагаться не только на тыльной стороне ладони, но и на нижней части предплечья.

Основной частью прибора является анализатор спектра. Это прибор, который измеряет распределение энергии колебаний сигнала в полосе частот. Проще говоря, анализатор спектра позволяет определить из колебаний какой частоты состоит звук, который подается на его вход. Электронный блок управления запускает работу определенных групп тактильных модулей в зависимости от частотного состава звуков, которые улавливает перчатка, а амплитуда звуковых колебаний определяет амплитуду вибраций. Таким образом происходит преобразование звуков в тактильные ощущения.

Если говорить о технологиях, использующих принцип сенсорного замещения, и о нашей перчатке в частности, то они постепенно становятся некоторым пережитком прошлого. Современные электронные имплантаты позволяют интегрировать в нервную систему человека электроды, которые могут быть связаны непосредственно с различными участками мозга. Однако, чтобы такие технологии проникли в жизнь обычных людей, должно пройти немало времени, а до тех пор сенсорное замещение останется достойной и безопасной альтернативой хирургическим операциям по восстановлению утраченных органов чувств.