Тонкое кодирование: почему импланты MED-EL способны передавать нюансы мелодий

Естественное кодирование звуков

При естественном слухе звуки кодируются двумя способами: кодирование «по месту» и кодирование «по времени». Кодирование по месту — это тонотопическое кодирование, при котором разные частоты звуков обрабатываются в разных частях улитки: высокочастотные звуки кодируются в нижнем повороте улитки, а низкочастотные — ближе к ее вершине (в апикальной части).

Однако начиная со второго витка улитки в дополнение к кодированию «по месту» появляется кодирование «по времени». В верхней части улитки чувствительные клетки и нейроны, принимающие от них сигнал, запускают электрические сигналы не случайным образом, а синхронно с частотой приходящего звука. То есть если приходит звуковой сигнал частотой 100 Гц, то и нейроны будут пускать электрические импульсы с частотой 100 импульсов в секунду. В ответ на звук с частотой 220 Гц чувствительные клетки и нейроны будут запускать по 220 сигналов в секунду и так далее.

Считается, что временное кодирование низкочастотных звуков играет важную роль в передаче «тонкой структуры» звука.

Что такое тонкая структура?

У звукового сигнала можно выделить два компонента: «огибающая» и «тонкая структура». Очень упрощая, огибающая показывает, как меняется амплитуда (громкость) звука. А «тонкая структура» показывает частотные колебания звуковой волны. Чтобы разобраться, рассмотрим изображения звуковых волн.

На рисунке черная линия показывает огибающую, а синяя — тонкую структуру, это, можно сказать, «узор звука».  На рисунке также видно, что чем выше звук, тем сложнее разглядеть узор тонкой структуры. Напротив, чем ниже частота звука — тем заметнее тонкая структура: сравните, как выглядит узор синей линии у волны с частой 4803 Гц и как — у волны с частотой 364 Гц.

Из-за того, что узор тонкой структуры звуков с высокой частотой такой мелкий, им можно пренебречь, и ограничиться передачей только огибающей — то есть только громкости.

Но на низких частотах узор тонкой структуры звукового сигнала уже очень заметен и важен. Именно он обеспечивает восприятие нюансов звука — музыкальность, тембр, тон, информацию об источнике звука. Поэтому на верхних четырех электродах, кодирующих низкие частоты, важно передавать и информацию об огибающей, и информацию про тонкую структуру звуковой волны.

MED-EL — единственный производитель кохлеарных имплантов, который разработал стратегии кодирования звука, способные передавать тонкую структуру — FS4 и FS4-p стратегии. Как это происходит?

Кодирование тонкой структуры в кохлеарном импланте

Длинный электрод обеспечивает стимуляцию правильной частотой в правильном месте улитки. Но из-за того, как устроено кодирование тонкой структуры в верхней (апикальной) части улитки, для естественного звучания появляется и третье требование — стимуляция должна происходить с правильным ритмом.

Чтобы выбрать правильный ритм, процессоры MED-EL все время сверяются с тем, как сейчас выглядит звуковая волна. Этот процесс называется sampling, буквально «взятие проб» со звука. Чем чаще брать пробы — тем точнее получится картина узора тонкой структуры. Поэтому на электродах низких частот, где тонкая структура важна, снятие проб происходит несколько раз чаще, чем на электродах, отвечающих за высокие частоты. Когда звуковая волна проходит ноль (красные точки на рисунке), на электрод подается стимул. Это создает имитацию временного кодирования в естественном слухе, ведь ритм электрического импульса электрода четко синхронизирован с частотой волны приходящего звука.

Разница между FS4 и FS4-p в том, что в FS4 стратегии кодирование тонкой структуры происходит на одном из четырех «верхних» электродов. А при FS4-p временное кодирование возможно на нескольких из четырех электродов параллельно.

Польза FS4 и FS4-p стратегий

Использование тонкоструктурного кодирования имеет множество преимуществ:

• обеспечивает лучшую разборчивость речи в шуме;
• наиболее естественное звучание КИ — пациенты с односторонней глухотой, которые могут сравнить звучание импланта со звучанием естественно слышащего уха, сообщают, что качество звука очень похоже на естественное;
• улучшает восприятие музыки;
• стратегия FS4-p позволяет распознавать межушное временное различие — пациенты способны заметить небольшую разницу во времени, с которым звук достигает правого и левого уха. Именно восприятие этого временного различия обеспечивает возникновение бинауральных эффектов у людей с двусторонней КИ: обнаружение источника звука или возможность концентрироваться на речи собеседника в шуме («эффект коктейльной вечеринки»).

Пожалуй, главным плюсом FS4 и FS4-p стратегий является возможность наслаждаться музыкой. Ведь это не только повышает качество жизни пользователя КИ, но и влияет на успех реабилитации:

• прослушивание музыки улучшает восприятие речи в условиях шума;
• способствует развитию эмоционального интеллекта и социальных навыков у детей.