Многоканальная вибротактильная стимуляция кожи человека для различения разнотональных звуковых стимулов.
Речевой тактильный преобразователь.
( ИСКУССТВЕННЫЙ СЛУХ )
Буров В.А., Дорофеев М.С., Елезов В.Г., Кривнова О.Ф., Миронова Э.В., Полянский В.Б., Рязанцев Г.Б., Соколов Е.Н., Хасков М.А., Черноризов А.М., Шанин А.В.

I Актуальность проблемы.
В настоящее время в мире насчитываются многие миллионы полностью или практически глухих людей. Так, в США, например, около 36.5 млн. человек страдают глухотой в той или иной степени. У 5 млн. человек потеря слуха связана с повреждением слухового нерва или внутреннего уха.
Короткое отступление о составе слухового анализатора:  Известно, что звук, попадая в ухо, давит на барабанную перепонку и через систему косточек  среднего уха давление передается на мембрану овального окна внутреннего уха, которая выгибается и вызывает перемещение заполняющей улитку жидкости (перилимфы). При этом раздражаются волосковые рецепторные клетки, настроенные на определенные звуковые частоты. Отростки этих клеток составляют слуховой нерв. Пройдя через несколько ядер, где происходит переключение импульсов с клетки на клетку, слуховая информация попадает во внутреннее коленчатое тело, а оттуда - в слуховую кору, где происходит окончательный анализ слуховых сигналов.
Следует четко различать две категории пациентов: одна - с повреждением внутреннего уха, рецепторов (но слуховой нерв еще живет, функционирует); другая - это те, у которых слуховой нерв отмирает, остаются работающими в основном проекционные зоны коры.
Пациентов первого рода значительно больше, чем второго. Принято считать, что больным с полным поражением нерва может помочь только раздражение слуховой коры. Для основного контингента больных с частичным поражением улитки и слухового нерва существуют разные приемы улучшения слуха.
Наиболее радикальный способ - применение слухового протеза со вживлением электродов в улитку и раздражением электрическим током (в который преобразованы речь и другие слуховые стимулы) участков улитки.
Но это весьма дорогостоящий метод, связанный со сложной хирургической операцией и такую помощь получают сотни, в крайнем случае немногие тысячи пациентов.
Что же касается подавляющей массы больных с частичным поражением улитки и слухового нерва, то здесь применяются в основном слуховые аппараты, так или иначе усиливающие звук. Однако, для значительной части пациентов звук, даже усиленный, не дает должного эффекта в восприятии речи и других сложных звуков.
Давно известно, что многим людям с ослабленным слухом помогает дополнительная одновременная информация о тех же звуках с других анализаторов. Так, прием звуков из слухового аппарата в сочетании с видением губ говорящего человека позволяет пациенту четче различать речь.
Но далеко не всегда можно видеть говорящего или различать движение его губ, например, слушать радио, телевизор, просто речь человека, находящегося вблизи, но без видения его лица и т.д.
Здесь может прийти на помощь информация о звуках с другого анализатора - тактильного. Применение даже одноканальной вибротактильной стимуляции кожи значительно повышает эффективность восприятия речи глухими с губ (Э.В.Миронова, Институт коррекционной педагогики).
II Обзор литературы.

Идея использования тактильного восприятия для передачи слуховой информации глухим является далеко не новой и давно высказывалась разными авторами, но наиболее четко она была сформулирована Н. Винером в книге "Кибернетика и общество".
Существует много работ по изучению параметров стимуляции кожных рецепторов, по анализу восприятия тактильной информации во времени и пространстве, по переводу звуковых сигналов в тактильную информацию.
Коротко наиболее существенные моменты этих работ можно свести к следующему: 
1. Четкое различение 2х точек стимуляции на коже: при раздражении фаланг пальцев - 2 мм, на лбу - 20-25 мм, на спине и груди - 40-70 мм.
2. Наибольшая чувствительность тактильных рецепторов регистрируется при частоте раздражения 100-400 Гц. По данным Ньюмана и Гоулта оптимальная частота восприятия вибрации кожным анализатором лежит в диапазоне 1/8 от оптимума частоты, анализируемой слуховым анализатором.
3. Беллард и Хессингер (1964) анализировали особенности различения 3х видов тактильных сигналов: непрерывно меняющегося давления, непрерывно меняющейся частоты при постоянном давлении и дискретных ударов при постоянном давлении. Сигналы третьего рода различаются наиболее надежно.
4. Согласно данным Гелдарда и сотр. (1961,1965) с помощью вибротактильной стимуляции распознавание места раздражения надежно для 10 точек; испытуемые различают 15 градаций интенсивности, надежно - 3. На основании этих надежно различаемых характеристик вибрационного сигнала Гелдардом был создан код, основанный на 5 местоположениях датчиков, 3х уровнях интенсивности и 3х уровнях длительности сигнала. С помощью такого кода был зашифрован английский алфавит и проведена тренировка испытуемых.
Оказалось, что после 70 часов тренировки может быть достигнуто распознавание кодированных вибрационных сигналов с частотой подачи от 190 до 335 знаков в минуту. Эта скорость не является удовлетворительной для передачи речевой информации, но позволяет надеяться на выявление в дальнейшем оптимальных условий кодирования.
По данным Фоулка (1962) код, основанный на локализации, расшифровывается значительно лучше, чем код, основанный на сочетании таких двух параметров, как место и интенсивность.
В 1965 г. Гелдард и Шеррик проанализировали различение сигналов, поданных на 10 вибраторов, расположенных на не симметричных участках тела по 2 на каждой руке, 2 - на животе, по 2 на каждой ноге. Опыты показали, что при одновременном включении от 1 до 5 датчиков, испытуемые неправильно опознают комбинации в 20% случаев.
При одновременном включении от 6 до 7 датчиков количество ошибочных реакций на предложенную комбинацию увеличивается до 25%, а при включении 8 и более датчиков становится равным 50%.
   Далее работа с вибротактильными устройствами шла по нескольким направлениям.
   Одно из них - сравнение эффективности действия одно (ОВТУ) и многоканальных 
(МВТУ) вибротактильных устройств для помощи глухим
             В целом ряде случаев одноканальные устройства оказались эффективнее.
Так, в работе Carney A.E. и Beachler C.R. (1986) оказалось , что узнавание трех аспектов речи ( число слогов в слове , паттерна ударений и интонаций ) в группах нормально слышащих пациентов было гораздо лучше а случае ОВТУ, чем с 24-канальным тактильным вокодером. 
             В исследовании Еberhardt S.P. et al (1990) показано, что одноканальные ВТУ оказались эффективнее для ускорения чтения с губ, в то время как двухканальные ВТУ не принесли пользы.
             В обзоре Weisenberger T.M. et al (1991) показано, что для некоторых типов речевой идентификации, таких как ритмическая и ударная перцепция, ОВТУ оказались эффективнее. В то же время здесь отмечается, что МВТУ показывают лучшее решение задачи, в которой идентифицируется тонкая структура речевых фонем.
             Эффективность ОВТУ показана в работе Geers A.E. (1986) . Здесь с помощью аппарата Tactaid I обучали разговорному языку девочку возрастом 14 месяцев. Результаты показали, что ОВТУ может облегчить приобретение разговорного языка у глухого ребенка, который не может пользоваться слуховым аппаратом.
             В работе Cholewiak R.W., Sherrick C.E. (1986) описывается глухой пациент, который в течение 13 лет использовал ОВТУ и приобрел способность читать с губ на трех языках.
             Вместе с тем, есть работы, указывающие на большую эффективность МВТУ. Так, в работе Osberger M.J. et al. (1991) показано, что с помощью 7-ми канального ВТУ два глухих пациента лучше узнавали слова, звуки речи, чем с помощью 2-х канального ВТУ Tactaid II.
             Еще одно направление работ - сравнение эффективности ВТУ и вживленных кохлеарных имплантов. В целом ряде случаев есть указания на то, что эффективность тех и других устройств вполне сравнима ( Osberger M.J. et al.,1991,1993; Rihkanen et al.,1990; Thornton A.R.,1988; Carney A.E. et al.,1994).
             ВТУ показали также большую эффективность по сравнению с передачей слуховой информации через электрокожную стимуляцию (Summers I.R. et al., 1995).
             Целая группа работ была проведена с целью сравнения эффективности помощи глухим  слуховых аппаратов, ВТУ и их комплексов (Lynch M.P. et al.,1989,1992).
             Есть указания на то, что комплексное применение разных модальностей для помощи глухим более эффективно, чем применение их по отдельности.
             Наконец, одно из направлений работ - исследование ВТУ в зависимости от места их приложения на теле.
             Так, в работе Donahue A.M., Letowski (1985) измерялась вибротактильная  чувствительность и узнавание паттерна ударений у нетренированного нормальнослышащего испытуемого и у глухих пациентов. Вибротактильные пороги были измерены как функция частоты с двумя вибраторами при трех местах расположения на теле. Результаты показали, что запястное расположение вибраторов было менее чувствительным, чем расположение на кончиках пальцев. Чувствительность глухих пациентов была равной или более низкой по сравнению с нормально слышащими субъектами.
            В работе Ozdamar et al. (1992)  применялся вибротактильный вокодер на основе микропроцессора, действовавшего  в реальном времени для обучения глухих воспринимать речь. Живая или синтетическая речь представлялись на коже спектрально через пояс, содержащий 16 вибраторов. Речь подавалась в реальном времени , при использовании быстрого преобразования Фурье. Система была способна представлять любой пространственно-временной паттерн стимуляции на коже. Результаты показали, что такая система является потенциально эффективной для искусственного слуха.
         Стереотактильная стимуляция у глухих была применена в работе Richardson B.L.(1990). Она осуществлялась с помощью двух ВТУ. С этой системой субъекты были способны выделить сигнал (мужской голос) как из белого шума, так и тогда, когда одновременно присутствовал женский голос. Данная способность зависела от достаточного пространственного разделения цели и шума в акустическом пространстве.
        Резюмируя обзор литературы, можно заключить, что передача звуковых сигналов глухим через вибротактильные устройства перспективна, но требует углубленных дополнительных исследований.
          
III Предлагаемый проект исследования.
В настоящее время инициативная группа располагает: 1)-уникальными вибротактильными датчиками, которые  позволяют подавать четкие вибротактильные стимулы (В.Г. Елезов, Институт машиноведения); 2)-практикой использования одноканальной вибротактильной стимуляции кожи при обучении восприятия речи глухими с губ (Э.В. Миронова, Институт коррекционной педагогики); 3)-опытом научных исследований в области физиологии анализаторов человека (В.Б. Полянский, кафедра высшей нервной деятельности Биологического факультета МГУ); 4)-опытом научных исследований в области акустики и конструирования сложных акустических систем (В.А. Буров, А.В. Шанин,  кафедра акустики  Физического факультета МГУ); 5)- опытом научных исследований в области психофизиологии (Е.Н.Соколов, А.М.Черноризов, кафедра психофизиологии Психологического факультета МГУ); 6)-опытом изучения речи (О.Ф.Кривнова, кафедра теоретической и прикладной лингвистики Филологического факультета МГУ)
Идея исследований состоит в том, чтобы подавать с вибротактильных датчиков сначала сравнительно простые, а потом более сложные звуковые стимулы (например, слово). Каждый сложный звуковой стимул состоит из звуков разных частот. Можно разбить весь частотный диапазон на отдельные поддиапазоны - барки;  1)  для начала исследований - 8 поддиапазонов: 300-400 Гц; 400-550; 550-750; 750-1000; 1000-1300; 1300-1700; 1700-2200; 2200-3000 Гц. Датчики располагаются на кончиках пальцев рук. Поскольку кожные рецепторы воспринимают стимуляцию только в диапазоне до 400 Гц, то необходимо, чтобы подаваемая частота звука уменьшалась в 15 раз и трансформировалась в электрические импульсы, запускающие вибраторы.
В этом случае кожа может воспринимать звуковые колебания в диапазоне 300-3000 Гц. Этот звуковой диапазон содержит звуки, с которыми практически человек имеет дело в повседневной жизни, в том числе и речь.
2) в продолжение эксперимента провести разбиение на 16 поддиапазонов с барками соответствующими естественной физиологии восприятия звуковых стимулов человеком.
Цель исследований:  показать, что после тренировки (по специальной методике) испытуемый (сначала здоровый, а затем - с дефектами слуха) способен воспринимать звуки, сначала - простые, затем - все более сложные, и затем - слоги и целые слова.
Предшествующие работы, описанные в литературе, хоть и показали возможность передачи информации, но не достигли успехов в восприятии разговорной речи, главным образом по трем принципиальным причинам: 1)  разбиение на барки проводилось по системам не соответствующим  естественной физиологии восприятия звуковых стимулов человеком; 2) были допущены ошибки в методике обучения; 3)  уровень технического исполнения был невысок, главным образом из-за недостаточной миниатюризации и низкой экономичности.
IV Технические устройства.
1) Техническое устройство - “Речевой тактильный преобразователь-1” (РТП-1), состоит из микрофона, воспринимающего звуки, 8 фильтров, разделяющих полосу частот на 8 поддиапазонов (барки); технической системы, перекодирующей звуки в электрические сигналы (с частотой, в 15 раз меньше частоты реальных звуков); 8 миниатюрных электрических стимуляторов - для запуска вибраторов, устанавливаемых на кончики пальцев.
2) Техническое устройство - “РТП-2”, состоит из микрофона, 16 фильтров, 16 вибраторов. Барки устройства “РТП-2” соответствуют физиологии восприятия звука человеком с индивидуальной настройкой частот.
Эксперимент лучше всего вести с помощью PC-AT IBM. Машина может управлять подачей сигналов и “опрашивать” пациента - на экране - какой сигнал (из 5-10 названий) он воспринял. Сигналы подаются на участки тела с высокой тактильной чувствительностью (пальцы или кисти рук, лоб, предплечья, живот). При этом, если в опыте участвует здоровый испытуемый, звукового сигнала он слышать не должен. После того как, исследования покажут, что испытуемые с помощью указанного выше метода способны достаточно успешно различать сложные звуки и слова,  можно переходить к разработке и компоновке портативного бинаурального технического устройства для людей с тяжелыми нарушениями слуха. Это устройство может оказать существенную помощь многочисленным глухим первой категории, а самое главное, в случае реализации проекта, второй категории глухих (с полным поражением слухового нерва) которым в настоящее время медицина и техника протезирования слуха бессильны чем-либо помочь.

V  Стоимость исследований.

Для проведения описанных выше исследований необходимо финансирование в размере 1.5 млн. руб. в год - в течение 2-3 лет.

VI  Возможные области применения технического устройства “РТП” .
Устройства может найти достаточно широкое применение в социальной реабилитации слабослышащих  и с тотальной глухотой. Ориентировочная потребность - от сотни тысяч приборов до пятисот тысяч.
Места применения: индивидуальные пациенты, детские сады, школы для глухих, сурдоцентры для помощи глухим.
VII  Предлагаемая схема реализации
Научная реализация: Научная разработка проекта проводится в Московском государственном университете на кафедре высшей нервной деятельности под руководством д. б. н. В.Б. Полянского и на кафедре акустики под руководством д. ф. -м. н. В.А. Бурова, доц.А.В.Шанина.
Техническая реализация: Технические устройства и вибраторы к ним разрабатываются и производятся под руководством к.т.н. В.Г.Елезова на базе института машиноведения РАН, акустические системы и программное обеспечение к ним разрабатываются и производятся под  руководством д.ф.-м.н. В.А. Бурова, доц. А.В.Шанина. 
 Медико-педагогическая реализация: Институт коррекционной педагогики, где  разрабатывается методика обучения  и проводится обучение глухих с  применением многоканальной вибротактильной стимуляции под руководством к.м.н. Э.В.Мироновой. Разработка и опробирование методик обучения  на здоровых проводится на кафедре высшей нервной деятельности МГУ под руководством д.б.н. В.Б.Полянского.
Организационная работа по реализации проекта возлагается на научных сотрудников Г.Б.Рязанцева и М.А.Хаскова. 

  VIII    Основные исполнители и контактные данные
Московский Государственный Университет:
Полянский Владимир Борисович                             тел  р.  939-28-37	
Буров Валентин Андреевич                                       тел    939-30-81
Шанин Андрей Владимирович                                 тел     939-30-81
Виноградов Николай Сергеевич                               тел    939-29-43
Рязанцев Георгий Борисович                                    тел   939-38-45
Кривнова Ольга Федоровна                                      тел   939-28-01
Соколов Евгений Николаевич                                  тел   203-69-82
Черноризов Александр Михайлович                        тел  203-69-82

Институт машиноведения РАН:
Елезов  Владимир  Гаврилович                               тел  р. 135-40-35;135-80-40  
                                                                                               
Институт коррекционной педагогики:
Миронова Эльза Васильевна                                    тел   р. 246-89-85;246-59-55 

Электронная почта	khaskov@mal.ru	
anis-mgu@rambler.ru