Российские ученые создали новую конструкцию слуховых имплантатов, минимизирующую потерю звука

Статья опубликована в журнале «Вестник ПГТУ. Радиотехнические и инфокоммуникационные системы».

Потеря слуха — одна из самых распространенных сенсорных патологий в мире. Согласно статистике Всемирной организации здравоохранения, 430 миллионов человек в мире сегодня страдают от таких нарушений и нуждаются в реабилитационной помощи. К таким заболеваниям относятся отит (инфекционное воспаление уха), отосклероз (разрастание костной ткани, блокирующее звук) и сенсоневральная тугоухость (поражение слухового нерва из-за шума или возраста).

Сегодня медицина предлагает несколько путей помощи людям с такими нарушениями. Один из них — обычные слуховые аппараты. Они улавливают звук из воздуха, усиливают его и направляют в ухо. Такие приборы помогают при легких и средних нарушениях слуха. Для тяжелых случаев существуют кохлеарные импланты. Это сложные электронные устройства, вживляемые в височную кость, которые напрямую стимулируют слуховой нерв, минуя поврежденные участки.

Существуют также слуховые аппараты костного звукопроведения. Они передают звук не через воздух, а через кости черепа. Такие аппараты незаменимы для людей, которые родились без слухового прохода, перенесли травмы или операции. Их также используют в составе бионических ушных протезов.

Однако эффективность таких аппаратов зависит от того, как именно они крепятся к кости. Раньше при проектировании врачи использовали в основном металлические переходники с шарообразными наконечниками — детали, которые соединяют наружную часть аппарата с имплантатом в черепе. Однако со временем металл изнашивался, а крепление становилось менее надежным. Кроме того, такие переходники делают типовыми, хотя у всех пациентов разная толщина кости и индивидуальное строение головы.

Другая проблема заключается в том, что шарообразная форма наконечника крепления обеспечивает лишь точечное соприкосновение с имплантатом. Это значит, что вибратор — часть аппарата, которая создает колебания для передачи звука — касается кости не всей поверхностью, а только в одной точке. В результате часть энергии рассеивается, появляются посторонние шумы и искажения, а звук доходит до внутреннего уха ослабленным и нечетким.

Ученые Пермского Политеха, ПГМУ им. академика Е.А. Вагнера и Российского университета медицины разработали новую конструкцию крепления для слуховых аппаратов костного звукопроведения. Она учитывает индивидуальные особенности каждого пациента и обеспечивает более плотное и надежное соединение.

Для проектирования новой конструкции ученые проанализировали особенности работы существующих моделей. Они выяснили, что само расположение имплантата в кости не оказывает значительного влияния на показатели — хирург может выбрать практически любое подходящее место, и на качестве звука это почти не скажется. Но если крепление неплотное или установлено неровно, он становится нечистым, поэтому ученые предложили другой способ фиксации.

Новая конструкция включает несколько элементов. Первый — титановый имплант, который хирург вкручивает в височную кость. Этот материал выбран специально, поскольку обладает свойством остеоинтеграции, то есть со временем ткань врастает в него, и протез становится единым целым с черепом.

Второй элемент — переходник. Главное отличие от старых конструкций в том, что в новой разработке вместо шарообразного наконечника исследователи сделали плоскую контактную площадку, поэтому теперь вибратор прилегает к имплантату всей поверхностью.

Кроме того, ученые добавили новый элемент — полимерное кольцо, которое гасит лишние вибрации, создающие искажения и мешающие чистоте звука. Оно делает соединение между переходником и протезом более плотным и упругим, но при этом снижает трение между металлическими деталями. Наличие в слуховом аппарате полимерного кольца позволяет продлить срок службы и сохраняет надежность аппарата годами.

Ученые также разработали программу, которая позволит моделировать переходники индивидуально для каждого человека. На этапе подготовки к операции врач сможет ввести в нее данные пациента: толщину кости, особенности строения черепа, нужную высоту и форму крепления. Инструмент автоматически построит трехмерную модель идеально подходящего переходника.

Важно, что раньше этот элемент вырезали из цельного куска металла на станке. Это было дорого из‑за большого расхода материала и необходимости делать отдельную оснастку для каждой модели. Ученые предложили использовать 3D‑печать титановым порошком. Благодаря этому материал будет расходоваться только там, где нужно, и индивидуальные переходники можно будет изготавливать быстрее и с меньшими затратами, чем раньше.

— Для проверки эффективности новой разработки мы провели эксперименты и сравнили две системы: старую — с шарообразным металлическим креплением, и новую — с плоской вибропроводящей платформой и полимерным кольцом. Мы измеряли, как эти системы передают звук на разных частотах, которые способен слышать человек. Особое внимание уделили средним показателям (от 500 до 2000 герц), поскольку именно в этом диапазоне мы воспринимаем речь. По результатам эксперимента были составлены графики, которые наглядно показывают, на каких частотах колебания проходят хорошо, а где проваливаются, — отметил Сергей Сторожев, кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматика и телемеханика» ПНИПУ.

В результате новая конструкция лучше передавала звук на всех частотах, где раньше он мог быть неестественным и сопровождаться шумом. Общее искажение сигнала снизилось более чем на 17% по сравнению с ранее известными решениями.

Прежде всего, предложенная конструкция позволяет добиться более качественного звука — он становится чистым, без искажений, а речь разборчивой даже в сложных условиях. Кроме того, она дает хирургам больше свободы и возможностей при проведении операции. Теперь же можно использовать практически любой подходящий участок височной кости, и качество звука от этого не пострадает.

В ближайшее время ученые планируют оценить, насколько стабильно система будет работать через несколько лет использования, а также продолжить работу над внедрением индивидуальных решений в клиническую практику.