Aparaty słuchowe, cyfrowe i analogowe

Aparaty słuchowe są elektronicznymi urządzeniami stosowanymi w celu kompensacji, czyli zmniejszenia odczuwalnych skutków uszkodzeń słuchu różnego rodzaju i stopnia.  Wśród wielu skutków uszkodzeń słuchu, najistotniejszym dla osób dotkniętych nimi są utrudnienia w sferze komunikacji, czyli we wzajemnym porozumiewaniu się. Aparaty słuchowe mają zatem w pierwszej kolejności poprawić rozumienie mowy u osoby ich używającej.

Aby to osiągnąć, konstruuje się, w oparciu o dostępne w danej chwili technologie i środki techniczne, urządzenia elektroniczne, które zamieniają dźwięk na sygnał elektryczny, odpowiednio go  przetwarzają a następnie zamieniają z powrotem na dźwięk. Dostępne dziś technologie elektroniczne możemy podzielić na technologie analogowe i technologie cyfrowe. Wiele produktów elektronicznych obecnych na rynku, mających to samo przeznaczenie może być wykonanych zarówno w jednej, jak i w drugiej technologii. Mamy więc magnetofony analogowe i magnetofony cyfrowe, mamy odtwarzacze płyt analogowych (gramofony), jak i odtwarzacze płyt cyfrowych (CD), kamery wideo analogowe i cyfrowe, aparaty fotograficzne analogowe i cyfrowe, telewizję analogową i cyfrową, a wreszcie aparaty słuchowe analogowe i cyfrowe.  Pisząc o aparatach cyfrowych, w aspekcie zarówno zastosowanego rozwiązania technicznego, jak i potencjalnych korzyści wynikających z cyfrowej technologii, nie można nie odnieść się do aparatów analogowych. Ponieważ pierwszą dostępną technologią była technologia analogowa, konieczne wydaje się przedstawienie pokrótce aparatów analogowych. Aparat słuchowy analogowy składa się z mikrofonu, który zmienia dźwięki na sygnał elektryczny, wzmacniacza odpowiednio przetwarzającego sygnał elektryczny, elementów regulacyjnych, takich jak np. potencjometr głośności oraz słuchawki zamieniającej sygnały elektryczne na dźwięk. Dźwięk ze słuchawki za pomocą wkładki usznej kierowany jest do ucha pacjenta. Przetwarzanie sygnału przez wzmacniacz polega głównie na odpowiednim wzmocnieniu, które powinno zależeć  zarówno od częstotliwości jak i od poziomu dźwięku dochodzącego do aparatu tak, aby dopasować dźwięk z niego wychodzący do tzw. resztkowego pola słuchowego, wynikającego z konkretnego uszkodzenia słuchu. Sygnały o różnych częstotliwościach mogą być wzmacniane w różnym stopniu dzięki filtrom wbudowanym we wzmacniacz. Wzmocnienie zależne od poziomu dźwięku, noszące nazwę kompresji, jest realizowane przez układ zwany kompresorem. Elementy regulacji służą do indywidualnego ustawienia zarówno  wzmocnienia, filtracji jak i kompresji w odniesieniu do konkretnego uszkodzenia słuchu. Przetwarzane w aparatach analogowych sygnały elektryczne mają tzw. postać analogową czyli ciągłą:  wartość chwilowa sygnału zmienia się w sposób ciągły w czasie. Przykładem sygnału analogowego może być sygnał sinusoidalny, którego przebieg, czyli zależność zmian sygnału od czasu, ma kształt funkcji sinus.

Aparaty cyfrowe przetwarzają sygnały elektryczne na całkiem odmiennej, w stosunku do aparatów analogowych, zasadzie. Składają się one z mikrofonu, tzw. przetwornika analogowo-cyfrowego (A/C), procesora sygnałowego (DSP) oraz przetwornika cyfrowo-analogowego (C/A) i słuchawki. Dźwięk odebrany przez mikrofon i przetworzony na sygnał elektryczny analogowy jest zamieniany na tzw. sygnał cyfrowy przez  przetwornik analogowo-cyfrowy. Oznacza to, że wartość chwilowa sygnału mierzona jest w określonych odstępach czasu, np. co 125 us i następnie przekazywana do procesora sygnałowego jako ciąg określonych liczb. Procesor przetwarza sygnał cyfrowy, wykonując pewne arytmetyczne operacje na ciągu liczb. Przykładowo: aby wzmocnić sygnał 10 razy, procesor przemnaża kolejne liczby przez 10. Wykonywane przez procesor operacje arytmetyczne noszą nazwę algorytmów przetwarzania sygnału. Wykonując określone algorytmy, procesor może realizować takie same funkcje jak wzmacniacz w aparatach analogowych, a więc wzmocnienie, filtrację i kompresję. Następnie przetworzony przez procesor sygnał cyfrowy zamieniany jest na sygnał analogowy ciągły przez przetwornik cyfrowo-analogowy.  Z przetwornika sygnał elektryczny trafia na słuchawkę, gdzie zamienia się w dźwięk.

Rozwój dokonujący się obecnie w dziedzinie technologii cyfrowej powoduje, że wciąż powstają lepsze i szybsze procesory wykonujące więcej operacji na sekundę, a więc będące w stanie realizować coraz bardziej złożone algorytmy przetwarzania sygnałów. W oparciu o  nie aparaty cyfrowe mogą wykonywać te same funkcje co aparaty analogowe tj. wzmocnienie, filtrację i kompresję, ale w sposób gwarantujący lepsze, dokładniejsze i pozbawione niepożądanych zniekształceń dopasowanie dźwięku wychodzącego z aparatu do resztkowego pola słuchowego. Aparaty cyfrowe mogą również, wykonując funkcje będące poza zasięgiem aparatów analogowych,  poprawić rozumienie mowy, zarówno w ciszy jak i w hałasie, wyeliminować niepotrzebne dźwięki, w tym pochodzące od sprzężenia akustycznego. Aby było to możliwe, konieczne jest jednak opracowanie nowych algorytmów przetwarzania sygnałów. Badania naukowe nad nowymi algorytmami prowadzone są w Zakładzie Naukowo-Wdrożeniowym Techniki Medycznej i Akustyki IFiPS. Wstępna ocena rezultatów stosowania aparatów cyfrowych prowadzona w Zakładzie Rehabilitacji IFiPS wskazuje na większe możliwości technologii cyfrowej w stosunku do analogowej. Należy jednak podkreślić, że w dalszym ciągu istnieją ograniczenia wynikające głównie z potrzeby miniaturyzacji i oszczędzania źródła zasilania, nie pozwalające na pełne  wykorzystanie możliwości tkwiących w technologii cyfrowej. Rozwój, który  obecnie dokonuje się w technologii cyfrowej, manifestujący się m.in. w powstawaniu coraz szybszych i mniejszych komputerów osobistych, wskazuje, że w dziedzinie aparatów słuchowych przyszłość będzie należeć do aparatów cyfrowych.

Artur Lorens, Anna Piotrowska (autorzy są pracownikami IFiPS)