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Signia Nx : toutes les connectivités réunies en une même gamme d’appareils

Connectivité des aides auditives Signia : objectifs et résultats

Mikaël Menard Dr


Introduction 

La connectivité est l’un des sujets les plus importants actuellement dans le domaine des aides auditives. Quand on parle de connectivité, la première idée qui vient à l’esprit est la connexion des aides auditives aux smartphones. Ce point est effectivement important, mais quand on parle d’aides auditives, il ne faut pas oublier la notion de communication entre les appareils qui permet avant tout d’améliorer significativement les performances audiologiques. Comme nous le verrons, les dernières avancées majeures, s’agissant de la compréhension et du confort dans le bruit avec les aides auditives, sont liées aux évolutions de la communication interaurale et du traitement simultané des informations provenant de chaque appareil. Bien que moins tangibles pour le patient que l’écoute en direct de son smartphone dans ses aides auditives, ces performances audiologiques restent indispensables quand on replace l’appareillage auditif dans son contexte et rôle premier. Désormais, avec la dernière plateforme Signia Nx, ces deux aspects de la connectivité sont réunis en une même gamme d’appareils.

Dans cet article, nous développerons les technologies de communication sans fil présentes dans les dernières aides auditives, les challenges et questions qui ont abouti au choix d’aujourd’hui et les résultats que ces systèmes permettent d’atteindre.

 

Système de communication entre les appareils : e2e

En 2004, Signa – Solutions auditives Siemens a été le premier fabricant d’aides auditives à proposer un système de communication sans fil permettant un échange d’informations numériques et un fonctionnement synchronisé des appareils auditifs.

Ce système e2e (ear to ear) a été conçu pour permettre aux appareils de se synchroniser s’agissant de contrôle et de traitement de signal. Grâce à ce système, un changement de programme d’un côté est automatiquement appliqué sur l’autre côté, tout comme un changement de volume ou bien encore l’activation de tel ou tel traitement de signal, simplifiant ainsi l’utilisation des appareils et permettant un fonctionnement plus naturel lors d’un appareillage binaural.

Celui-ci a évolué au fur et à mesure des générations pour offrir plus de débit, plus de fiabilité, plus de fonctionnalités (nous détaillerons par la suite ces évolutions). Aujourd’hui, en 2018, nous proposons la 4ème version de cet e2e, ou e2e Ultra HD, avec la plateforme Signia Nx.

Techniquement, ce système de communication est basé sur une transmission NFMI (Near Field Magnetic Induction) que l’on traduirait sous le nom de transmission par induction magnétique codée numériquement. La fréquence utilisée pour le e2e se situe entre 3,144 Mhz et 3,4 MHz, une plage fréquentielle de communication qui a été réservée par l’ITU (International Télécommunication Union) pour la communication des appareils auditifs, donc moins sensible aux interférences, bruits et échanges avec d’autres systèmes de communication (figure n°1).

Figure n°1 : comparaison des normes NFMI (Near Field Magnetic Induction) et RF (Radio Fréquence) pour la communication entre les appareils.

 

Le choix de ce type de transmission et de fréquence a été motivé par plusieurs paramètres 

1. Une consommation et une taille réduites au maximum

Taille et consommation sont deux des contraintes les plus importantes dans le développement d’une aide auditive et la technologie qu’elle embarque. La capacité d’énergie disponible, liée à la pile ou à la batterie utilisée, est relativement faible par rapport à d’autres secteurs d’activités et il est primordial de minimiser les dépenses énergétiques au sein des aides auditives pour obtenir la plus grande autonomie possible. De plus, il faut tenir compte du fait que cette interface de communication doit être disponible dans tous les appareils d’une même gamme donc, d’un intra-auriculaire avec une petite pile 10, à un contour surpuissant avec une pile 675. La consommation et la taille sont donc des éléments primordiaux à considérer dans le développement d’une telle technologie.

La transmission NFMI ne nécessite que peu d’énergie pour fonctionner. La fréquence de fonctionnement relativement basse ne demande pas de puissance d’émission importante et il est possible de réaliser une transmission avec ce protocole avec moins de 1mW.

Afin de minimiser encore plus la dépense énergétique liée à l’utilisation de ce système e2e, l’interface électronique, en charge de gérer le signal provenant de l’antenne de communication NFMI, a été intégrée directement dans le processeur de nos appareils (figure n°2). Cette intégration permet de limiter la consommation générale en limitant le nombre de composants à alimenter. Cela permet également de ne pas faire de compromis sur la taille des appareils.

Figure n°2 : intégration de l’interface e2e au sein du processeur d’une puce Signia de dernière génération. Celle-ci occupe moins de 7% de la surface total du processeur.

 

2. Un débit d’informations important

Comme nous l’avons vu précédemment, l’objectif premier de ce protocole de communication est de permettre une synchronisation du contrôle des appareils et du fonctionnement du traitement de signal.

Avec l’évolution des générations de ce protocole, de nouvelles fonctionnalités ont été ajoutées, pour toujours plus de performances et de possibilités.

La fonctionnalité majeure ajoutée à cette synchronisation binaurale est le transfert de signaux microphoniques d’un appareil à l’autre, en d’autres termes de « streamer » le signal d’un côté vers l’autre. Cette fonctionnalité a nécessité d’optimiser le protocole pour assurer un débit plus important permettant la transmission en continu d’un flux audio bidirectionnel entre les 2 appareils.

L’une des utilisations possibles de cette fonctionnalité est la réalisation de montages CROS / BiCROS sans fil entre les aides auditives. Fonctionnalité extrêmement intéressante pour les cophoses unilatérales par exemple. L’avantage étant ici de pouvoir le faire en toute discrétion. Ce transfert a également permis de connecter des accessoires supplémentaires aux appareils rendant ainsi possible la réception d’un signal sonore provenant d’autres sources (TV, musique…).

Les dernières générations d’appareils, quant à elles, utilisent ce transfert de signaux microphoniques d’un appareil à l’autre pour créer un traitement du signal amélioré basé non plus sur 2 mais 4 microphones, soit 4 points d’écoute d’une même scène auditive. Quand on sait, par exemple, que la précision d’un système microphonique dépend du nombre de points de mesures et de la distance séparant chacun d’eux, on tient alors avec cette technologie une formidable opportunité de proposer une qualité de traitement exceptionnelle. Encore faut-il avoir les capacités de calcul pour faire fonctionner des algorithmes performants permettant de tirer le meilleur parti de ces informations. C’est ce que proposent les dernières générations d’aides auditives Signia.

La mise en place d’un tel réseau de microphones nécessite un protocole de transmission de haute qualité et une latence très faible tant pour l’encodage que pour le décodage du signal tout en assurant une correction d’erreurs performante, erreurs inhérentes au transfert sans fil. De même, les perturbations électromagnétiques liées aux micros, écouteurs, batteries, sont des paramètres essentiels à considérer dans la conception du design des aides auditives.

La norme NFMI utilisée dans le e2e répond parfaitement à ces contraintes de débit et de qualité de signal.

 

3. Les contraintes d’utilisation

En fonctionnement, la communication des aides auditives se fait sur une distance d’environ 20 cm, écart séparant les 2 oreilles d’un patient.

La norme NFMI est donc particulièrement bien adaptée là aussi à cet impératif. Nul besoin de radio fréquence par exemple permettant une distance de plusieurs mètres et au prix d’une consommation très élevée (figure n°1).

De plus, la fréquence relativement basse de fonctionnement de cette norme (pour rappel 3,4 MHz à comparer aux 2,4 GHz du Bluetooth) se propage facilement autour et à travers l’obstacle que représente le corps humain. Cette facilité de propagation fait de la norme NFMI un très bon choix pour ce type de communication (figure n°1), contrairement aux RF (radio fréquences) qui elles se retrouvent bloquées par l’eau et donc par le corps humain (environ 60% d’eau).

De plus, la radio fréquence de 2,4 GHz est beaucoup plus énergivore, ne répond pas aux contraintes d’utilisation des appareils et n’apporte pas réellement de bénéfices quant au débit d’informations entre les appareils.

Le choix de la norme NFMI aux fréquences sélectionnées pour la communication entre les appareils se trouve donc être optimal, permettant une consommation très faible, des performances parfaitement adaptées, en accord avec les contraintes de port des appareils auditifs.

 

Consommation des systèmes de communication sur le marché 

La consommation d’une aide auditive est dépendante de nombreux facteurs. Les systèmes de communication jouent bien sûr, comme on l’a vu, un rôle important dans cette consommation. Nous avons comparé dans une étude, résumée sur la figure 3, la consommation des systèmes de communication sans fil de 7 aides auditives provenant de différents fabricants. Bien que tous les appareils puissent synchroniser leur fonctionnement en stéréo, seuls 3 fabricants (dont Signia) proposent un « streaming » de signal d’un appareil à l’autre et seuls 2 fabricants (dont Signia) proposent un traitement du signal intégrant cet échange de signaux microphoniques (indiqué comme bidirectional sur le graphique, à opposer à uni-directional).

Pour la mesure, nous avons activé ce transfert de signal entre les appareils (en bleu). Pour les appareils ne bénéficiant pas de cette fonctionnalité, le protocole de communication vers un accessoire a été activé (en orange).

Figure n°3 : consommation en mA de 7 appareils auditifs.

 

Nous constatons qu’en dehors du fabricant « 1 », les systèmes utlisant la norme NFMI consomment très peu, entre 0,2 et 0,3 mA. Pour le fabricant « 1 » cette consommation supplémentaire est due à une différence d’implémentation électronique de la réception NFMI, d’où son importance !

On constate également que le système RF (type bluetooth) ne serait absolument pas adapté à une utlisation prolongée et continue d’une aide auditive. La consommation, trop importante, entrainerait une baisse d’autonomie trop conséquente.

On peut conclure de cette analyse que l’utilisation d’un système NFMI type e2e est particulièrement bien adaptée à cette communication interaurale. La faible consommation mesurée valide la possibilité d’utiliser en continu ce type de communication pour un traitement avancé du signal.

Maintenant, comme on peut le voir dans la figure 4, tous les fabricants, malgré l’utilisation pour certains de la norme NFMI, ne proposent pas le même niveau de traitement de l’information binaurale.

 

Fonctionnement proposé par les systèmes de communication du marché 

Comme nous l’avons en partie vue précédemment, la technologie e2e Ultra HD proposée sur la dernière génération d’aides auditives Signia nous permet de transmettre entre les appareils de multiples informations :

Aujourd’hui, sur le marché, Signia est le seul fabricant à proposer un transfert et un traitement d’informations aussi important, avec une consommation réduite.

Figure n°4 : fonctionnalités gérées par la connectivité des appareils pour 5 fabricants dont Signia.

 

Intérêt du traitement binaural du signal 

Encore aujourd’hui et malgré les avancées technologiques, les attentes les plus fortes de la part des personnes malentendantes restent la compréhension dans les milieux bruyants et une sonorité naturelle avec leurs aides auditives.

Le traitement binaural du signal permet de proposer des solutions innovantes et plus s’agissant de traitement de signal pour répondre à ces attentes et améliorer les performances audiologiques des appareils.

Le système SuperFocus par exemple, issu de cet échange binaural entre 2 appareils (Super directivité ou Narrow Directionality), a été étudié dans plusieurs articles indépendants publiés récemment (2017). Ces études ont abouti à deux résultats.

Le premier est l’amélioration de la compréhension de la parole en environnements bruyants, pour le patient utilisant ce type de fonctionnalité par rapport aux systèmes plus conventionnels.

La figure n°5 est un graphique tiré de Littman et al en 2017 [1] montrant l’amélioration du rapport signal/bruit obtenu pour 3 modes microphoniques différents. On peut voir que le mode SuperFocus (Narrow Directionality) offre au patient le meilleur résultat avec une amélioration supérieure à 6dB par rapport à un mode omni directionnel, et supérieure à 1dB par rapport à un directionnel adaptatif, pourtant déjà très efficace. Dans ce même article le SuperFocus est également comparé à un autre système concurrent récent avec un bénéfice pour le SuperFocus supérieur à 2dB !

Figure n°5 : moyenne pour 20 patients du rapport Signal/bruit obtenu pour 50% de reconnaissance de parole pour 3 modes d’écoutes.

 

Le deuxième résultat est la réduction de l’effort d’écoute nécessaire au patient pour comprendre en milieu bruyant. L’équipe de Harvey Dillon a montré en 2017 [2] que l’utilisation du mode SuperFocus (Narrow Directionality) permettait non seulement d’améliorer la compréhension des patients dans le bruit mais en plus de limiter leur effort d’écoute et donc de réduire leur fatigue.

Sur la figure n°6, tirée de cette étude, on peut voir que pour tous les patients de cette étude (chacun symbolisé par une couleur) l’utilisation du mode Superfocus permet de rendre la tâche d’écoute plus facile et donc moins fatigante.

Ces deux résultats ont été confirmés par une autre étude de Littman et al en 2017, là aussi publiée [3].

Figure n°6 : effort d’écoute évalué par 9 patients avec et sans SuperFocus (Narrow Directionality). (0= pas d’effort, 12 = effort extrême)

 

Enfin on peut citer comme autre exemple de fonctionnalité innovante résultant de cet échange binaural, le nouvel algorithme OVPTM (Own Voice Processing) permettant de réaliser un traitement spécifique de la voix du patient afin d’éviter des effets de résonance et offrir une sonorité naturelle à la propre voix.

Une étude menée par Powers et al en 2018 [4] a montré que l’utilisation de ce système OVP permet d’accroître de manière significative la satisfaction des patients quant à la perception de leur propre voix, quel que soit le type d’adaptation choisie.

La figure n°7, tirée de cet article, montre l’accroissement de satisfaction obtenue en utilisant cette technologie OVP. Les 21 patients testés ont, en moyenne, indiqué une amélioration de leur perception de leur propre voix, passant d’un avis neutre sans OVP à satisfait avec ce sytème.

Figure n°7 : moyenne de la satisfaction sur la qualité de la perception de leur propre voix obtenue pour 21 patients avec et sans OVP. (1=très insatisfait, 4=neutre, 7= très satisfait)

 

Ces exemples illustrent et démontrent bien l’intérêt de ces algorithmes de traitement binaural, basés sur un échange des signaux microphoniques entre les aides auditives. Tout comme le cerveau gère l’information sonore en binaural, les appareils auditifs eux aussi gèrent l’environnement sonore du patient en synergie (et non comme 2 mono adaptations) pour un traitement optimal. Les performances audiologiques optimales des dernières générations d’appareils (comme Signia Nx) sont conditionnées par la présence de ce système e2e. Celui-ci s’avère aujourd’hui indispensable pour obtenir les meilleures performances s’agissant de la compréhension et du confort.

 

Système de communication avec l’environnement des appareils : le Bluetooth

La communication entre les appareils auditifs avec la norme e2e est, comme nous l’avons vu, parfaitement adaptée aux besoins et objectifs définis. Mais pour la communication avec l’environnement du patient, malheureusement, aucun autre système externe n’utilise cette norme e2e.

A l’inverse, la norme RF (radio fréquence), utilisée pour le Bluetooth, se retrouve dans de nombreux systèmes électroniques utilisés par le patient, mais n’est pas adaptée à la communication entre deux aides auditives.

En tenant compte des avantages et désavantages de chacun de ces systèmes, l’idéal serait de proposer une plateforme offrant le meilleur de ces 2 systèmes et donc une double connexion : NFMI, entre les appareils, et Bluetooth, pour l’environnement.

C’est ce que proposent aujourd’hui les appareils de la gamme Signia Nx ! La consommation réduite du système e2e nous permet d’associer dans cette plateforme Signia Nx, la connectivité Bluetooth (RF) et le traitement interaural e2e (NFMI).

Associer deux technologies de connexion sans fil dans un aussi petit dispositif a été un vrai challenge pour les ingénieurs. Générer un signal de communication sans fil produit des perturbations et des harmoniques qui peuvent altérer les autres communications, et ce même si celles-ci utilisent des fréquences différentes. Cette problématique est accrue dans le cas d’une aide auditive puisque l’espace séparant ces antennes ne peut être que très réduit.

Figure n°8 : implémentation de l’antenne Bluetooth, en jaune, sur le module interne d’un appareil Pure Charge&Go Nx. Cette antenne est imprimée sur le module par un procédé laser permettant une flexiblité optimale pour le design de cette antenne.

 

Le développement d’une aide auditive nécessite la synergie des compétences en R&D de nombreuses et diverses équipes. On peut citer par exemple les équipes qui travaillent sur le design mécanique des appareils, sur les composants électro-acoustiques, le codage logiciel… Dans ce développement, toutes les équipes ont dû travailler conjointement pour aboutir à un signal de transmission le plus « propre » possible, créant le moins de perturbations possibles (Figure 8). Dr. Bernd Matschkal, membre de l’équipe en charge du développement de ces systèmes : « C’est un cercle vertueux. Plus le signal transmis est de qualité, moins il perturbe les autres systèmes, plus on peut réduire sa puissance, moins il perturbe… et moins il consomme »

 

 

Aujourd’hui Signia est le seul fabricant d’aides auditives à proposer dans une même gamme d’appareils un traitement binaural du signal très avancé pour des performances audiologiques de référence, associé à la connectivité Bluetooth (voir figure n°4) pour une écoute de la TV ou du smartphone directement dans les aides auditives.

 

[1] Mejia J, Carter L, Dillon H, Littman V. Listening Effort, Speech Intelligibility, and Narrow Directionality. Hearing Review. 2017;24(1):22.

[2] Littman V, Høydal EH. Comparison Study of Speech Recognition Using Binaural Beamforming Narrow Directionality. Hearing Review. 2017 ;05

[3] Littmann V, Wu YH, Froehlich M, Powers TA. Multi-center evidence of reduced listening effort using new hearing aid technology. Hearing Review. 2017;24(2):32-34.

[4] Powers T, Froehlich M, Branda E, Weber J. Clinical study shows significant benefit of own voice processing. Hearing Review. 2018;25(2):30-34.