Алгоритм оценки слуховой опасности для человека
Алгоритм оценки слуховых рисков для человека (AHAAH) представляет собой математическую модель слуховой системы человека , которая рассчитывает риск для человеческого слуха, вызванный воздействием импульсных звуков , таких как выстрелы и срабатывание подушек безопасности. Он был разработан Исследовательской лабораторией армии США (ARL) для оценки эффективности устройств защиты органов слуха и помощи в проектировании машин и оружия, чтобы сделать их более безопасными для пользователя. [ 1 ] [ 2 ]
В 2015 году AHAAH стал одним из двух показателей, используемых Министерством обороны США для утверждения военного стандарта (MIL-STD) 1474E для регулирования максимального уровня шума от военных систем. [ 3 ] [ 4 ] Он также используется Обществом инженеров автомобильной промышленности для расчета опасности шума подушек безопасности и Силами обороны Израиля для анализа импульсного шума. [ 5 ]
Обзор
[ редактировать ]Потеря слуха, вызванная шумом (NIHL), обычно возникает, когда слуховая система испытывает повышение порогов слышимости из-за воздействия сильного шума (феномен, известный как временный сдвиг порога (TTS)) , и не возвращается к нормальным пороговым уровням. [ 6 ] Повреждения слуховой системы могут варьироваться в зависимости от типа шумового воздействия. В отличие от непрерывного фонового шума, часто встречающегося в промышленных условиях, импульсный шум, создаваемый оружием и огнестрельным оружием, демонстрирует очень высокий уровень давления в течение очень короткого периода времени, обычно около нескольких миллисекунд. В результате пиковые уровни в ближнем поле, измеренные вблизи дульного среза оружия, могут составлять от 150 дБ для ручного оружия и более 180 дБ для тяжелой артиллерии . Для сравнения, пиковые уровни шума в промышленных условиях составляли от 113 до 120 дБ. [ 7 ]
Чтобы защитить солдат от потери слуха, армия США придерживалась военного стандарта (MIL-STD) 1474 , который определял максимальные уровни шума, разрешенные для производства военными системами. [ 8 ] [ 9 ] Однако исследования на добровольцах показали, что стандарт MIL-STD-1474D, используемый с 1997 года, переоценивает опасность, связанную с воздействием импульсного шума. [ 10 ] Считалось, что последующая чрезмерная защита ушей, основанная на неточной оценке риска потери слуха, потенциально затрудняла вербальное общение между военнослужащими на поле боя и снижала ситуационную осведомленность. [ 7 ] [ 8 ] AHAAH был разработан для более точной оценки опасности импульсного шума для человеческого уха путем включения в его анализ акустических и физиологических характеристик уха, которые не учитывались в предыдущих показателях. [ 10 ] [ 11 ] Модель AHAAH и эквивалентный метод A-взвешенной энергии L Aeq100ms были включены в пересмотренный стандарт MIL-STD-1474E. [ 4 ]
Разработка
[ редактировать ]Модель AHAAH была впервые разработана в 1987 году Лабораторией человеческой инженерии армии США (HEL), которая позже стала частью Исследовательской лаборатории армии США (ARL) , для исследования сложных взаимодействий между внешним , средним и внутренним ухом и понимания процесс, вызывающий потерю слуха на уровне улитки . [ 1 ] [ 12 ] [ 13 ] Первоначально разработанный как электроакустическая модель уха, AHAAH стал результатом многочисленных экспериментов по воздействию шума, которые, в свою очередь, определили направление будущих исследований. [ 13 ] Первая версия AHAAH была смоделирована на основе ранее существовавших и доступных данных о кошачьем ухе, поскольку многие физиологические и акустические характеристики и значения кошек были более известны в то время по сравнению с человеческими и могли быть изучены более непосредственно. . Кроме того, уши млекопитающих были настолько похожи, что потребовалась лишь скромная адаптация модели для адаптации к анатомии человеческого уха. [ 11 ] К 1997 году AHAAH был преобразован в человеческую модель, учитывающую структуру человеческого уха. В последующие годы AHAAH прошел несколько проверочных испытаний, в том числе «Исследования Альбукерке», которые были одним из крупнейших ранних исследований воздействия импульсного шума на человека и привели к созданию большой систематической базы данных, в которой документировано влияние импульсного шума на людей. [ 10 ] [ 13 ] Результаты этих исследований, по словам разработчика, показали, что AHAAH был правильным в 95 процентах тестов с защитным слухом и в 96 процентах случаев для всех тестов. Напротив, метод прогнозирования опасностей MIL-STD-1474D оказался верным только в 38 процентах случаев при тестировании защищенного слуха. [ 13 ]
Операция
[ редактировать ]Модель AHAAH оценивает слуховую опасность импульсивных звуков путем моделирования их передачи с использованием одномерной электроакустической модели наружного, среднего и внутреннего уха. В этом анализе волнового движения применяется метод волновой динамики Венцеля-Крамерса-Бриллюэна (WKB) . Оценивается движение подножки стремени, и для оценки движений базилярной мембраны используется приближение WKB, предполагающее линейную модель сети улитки. Результатом модели AHAAH являются единицы слухового риска (ARU), которые связаны с суммированием смещений вверх базилярной мембраны в 23 различных местах. ARU для любого сигнала будет указан как максимальное ARU в любом из 23 местоположений. По словам разработчиков, рекомендуемый предел ежедневного профессионального воздействия составляет 200 ARU, в то время как любая доза, превышающая 500 ARU, прогнозируется, приведет к необратимой потере слуха. [ 2 ] [ 14 ]
Модель AHAAH состояла из набора проверенных алгоритмов, которые учитывали различные условия воздействия, влияющие на риск постоянного порогового риска, такие как затухание шума, вызванное устройствами защиты органов слуха, и рефлекторные сокращения мышц среднего уха (MEM) , которые происходят перед начало получаемого стимула, которые уменьшают повреждение уха при подготовке звука. [ 3 ] [ 15 ] В отличие от предыдущих моделей повреждений, основанных на энергии, AHAAH также может точно предсказать масштаб ущерба, анализируя зависимость звуковой волны от давления и времени . С помощью этого метода модель смогла определить, почему низкий уровень энергии на входе в ушной канал был гораздо более опасным, чем более высокий уровень энергии на входе в ушной канал уха, защищенного наушниками . Модель обнаружила, что первая имеет другую зависимость давления от времени, чем вторая, что позволяет более эффективно передавать энергию через среднее ухо. [ 16 ] МЕМС не распространены среди людей с нормальным слухом: распространенность составляет 95% с доверительным интервалом 95%. [ 17 ] [ 18 ] Ранняя активация MEMC произошла у 2 из 50 участников исследования с обратным отсчетом. [ 19 ]
В зависимости от наличия средств защиты слуха, от того, раздался ли звук неожиданно и где он возник — в свободном поле, у входа в ушной канал или в месте расположения барабанной перепонки — модель AHAAH могла предсказать смещения во внутреннем ухе, потому что оно соответствовало строению человеческого уха. [ 15 ] Для свободного поля модель предполагала, что звук поступает прямо в слуховой проход, и рассчитывала историю давления на барабанную перепонку, принимая энергию, передаваемую к стремечку, в качестве входного сигнала для внутреннего уха. Для волн, записанных у входа в ушной канал или на барабанной перепонке, модель учитывала правильную точку происхождения звука на принципиальной схеме. Смещение базилярной мембраны рассчитывается по смещению стремени, а затем определяется AHU путем измерения общего смещения волн в 23 различных местах кортиева органа внутреннего уха. [ 20 ] Эффект импульсного звука можно отобразить для создания визуального представления процесса повреждения по мере его возникновения. [ 1 ] [ 2 ]
Исследования Альбукерке
[ редактировать ]Исследования в Альбукерке , проведенные в 1990-х годах при финансовой поддержке Командования медицинских исследований и материально-технического обеспечения армии США , представляли собой серию исследований на добровольцах, целью которых было установить новые пределы приемлемого уровня воздействия импульсного шума, создаваемого тяжелым вооружением. Исследования проводились на базе ВВС Киркланд в Альбукерке, штат Нью-Мексико, где участники подвергались четырем различным сигнатурам давления и времени на семи различных уровнях интенсивности и в различных последовательностях. Данные, собранные в ходе этих исследований, сформировали большую базу данных, используемую для оценки эффективности модели AHAAH. [ 7 ] [ 21 ] Эксперимент заключался в воздействии импульсных волн в свободном поле, создаваемых зарядами взрывчатого вещества, на расстоянии 5, 3 и 1 метра при ношении средств защиты органов слуха. Воздействие на расстоянии 5 м осуществлялось с голым зарядом, подвешенным над землей, и испытуемые носили неизмененные наушники, повернув левое ухо в сторону заряда. Воздействие на расстоянии 5 м было повторено с модифицированным наушником, который включал ряд небольших трубок, вставленных через подушечку наушника, чтобы имитировать плохо подогнанный наушник. При облучении на расстоянии 3 м и 1 м использовались модифицированные наушники, а заряды взрывались у основания трубы, направленной вертикально. Левые уши испытуемых располагались на расстоянии 1–3 м от края трубки и на 1 дюйм (2,54 см) или 3 дюйма (7,62 см) над верхним краем трубки. Четвертым условием воздействия была реверберирующая среда, в которой участники сидели на конце трехметровой стальной трубы, ведущей в бетонный бункер. Заряженное взрывчатое вещество взорвалось за пределами конца трехметровой трубы. Учитывались различные условия, такие как расстояние уха участника от трубки, акустика окружающей среды, уровень защиты слуха и количество импульсов, создавая матрицу возможных воздействий. Ан аудиограмма использовалась до и после каждого воздействия для измерения порога и результирующего сдвига порога. Характеристики давления и времени измерялись с использованием голых манометров для всех условий воздействия. [ 7 ] Согласно анализу исследований Альбукерке, проведенному разработчиком AHAAH, модель AHAAH правильно предсказывала акустическую опасность в 95 процентах случаев, в то время как MIL-STD-1474D был верен только в 38 процентах случаев, а метод A-взвешенной энергии оказался верным только в 25 процентах случаев. При различном выборе пределов воздействия эквивалентная энергия, взвешенная по шкале А, может обеспечить одинаковую точность. [ 22 ] Для всех трех подходов ошибки в основном были связаны с методами, которые завышали прогноз опасности. [ 14 ]
Споры
[ редактировать ]AHAAH является предметом споров в отношении его использования для оценки акустической опасности. [ 3 ] В 2003 году исследование НАТО по импульсному шуму показало, что AHAAH дал неудовлетворительные результаты для нескольких условий воздействия, а заключительный отчет содержал противоречивые мнения нескольких экспертов. [ 23 ] Обзор 2010 года, проведенный Американским институтом биологических наук (AIBS), также пришел к выводу, что, хотя модель AHAAH была шагом в правильном направлении с точки зрения включения в ее анализ таких факторов, как сокращения мышц среднего уха, она еще не была полностью разработана и проверено. По данным AIBS, были опасения относительно того, способна ли модель AHAAH моделировать акустическую опасность сложной военной среды с непрерывным шумом от различных машин и вооружений, производимых одновременно. [ 24 ] В 2012 году в обзоре Национального института безопасности и гигиены труда (NIOSH) утверждалось, что сокращения MEM, которые использовались AHAAH для оправдания повышения рекомендуемых максимальных уровней шума, не присутствовали у достаточного количества людей, чтобы их можно было применять в качестве действительной формы анализ. В отчете также отмечается, что AHAAH не учел должным образом эффекты вторичного воздействия, например, от соседних стрелков и сотрудников службы безопасности на полигоне. [ 22 ] [ 25 ] По состоянию на 2015 год модель AHAAH не была принята сообществом НАТО. [ 7 ]
И NIOSH, и Лаборатории аэромедицинских исследований армии США финансировали исследования по изучению классической обусловленности, которая была неотъемлемой частью модели AHAAH. В режиме предупреждения предполагается, что мышцы среднего уха уже сокращены. В режиме без предупреждения мышцы среднего уха сокращаются после того, как громкий звук превышает пороговое значение пикового уровня звукового давления около 134 дБ. Несколько исследований, проведенных в период с 2014 по 2020 год, изучали распространенность и надежность MEMC. По данным общенационального репрезентативного опроса более 15 000 человек, распространенность акустического рефлекса, измеренная у людей в возрасте от 18 до 30 лет, составила менее 90%. [ 17 ] Последующее исследование, в котором тщательно оценивались 285 человек с нормальным слухом, пришло к выводу, что «акустические рефлексы не являются всеобъемлющими и не должны быть включены в критерии риска повреждения и оценки здоровья на предмет импульсивного шума». [ 18 ] Упреждающее сокращение, являющееся частью предупрежденной реакции, ненадежно у людей с нормальным слухом. [ 26 ] [ 19 ] Завершение исследования USAARL по воздействию боевого огня показало, что ранняя активация MEMC не наблюдалась у 18 из 19 испытуемых во время испытаний с винтовкой M4 с использованием боевых патронов. У опытных стрелков по гипотезе разработчиков AHAAH должно наблюдаться раннее сокращение, предшествующее нажатию на спусковой крючок. Предупрежденная гипотеза оказалась недостаточно распространенной, чтобы можно было включить MEMC в последующие критерии риска ущерба. [ 27 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с «Алгоритм оценки слуховой опасности для человека (AHAAH)» . Армейская исследовательская лаборатория CCDC . 24 сентября 2015 года . Проверено 6 января 2020 г.
- ^ Jump up to: а б с Феделе, Пол; Бинсил, Мэри; Калб, Джоэл; Прайс, Дж. Ричард (декабрь 2013 г.). «Использование алгоритма оценки слуховой опасности для человека (AHAAH) с программным обеспечением для защиты слуха, версия MIL-STD-1474E» . Армейская исследовательская лаборатория . АРЛ-ТР-6748. Архивировано из оригинала 1 июня 2022 г. - через Центр технической информации Министерства обороны.
- ^ Jump up to: а б с Накашима, Энн (ноябрь 2015 г.). «Сравнение показателей воздействия импульсного шума» (PDF) . Оборонные исследования и разработки Канады . DRDC-RDDC-2015-R243.
- ^ Jump up to: а б Амрейн, Брюс (май 2016 г.). Военный стандарт 1474E: Критерии проектирования пределов шума в зависимости от эксплуатационной эффективности . Материалы совещаний по акустике. Том. 25. с. 040005. doi : 10.1121/2.0000207 – через ResearchGate.
- ^ Прайс, Дж. Ричард; Калб, Джоэл (2015). «Разработка алгоритма оценки слуховой опасности для модели человека по точности и мощности при анализе слуха MIL-STD-1474E». Журнал Акустического общества Америки . 138 (1774): 1774. Бибкод : 2015ASAJ..138.1774P . дои : 10.1121/1.4933615 .
- ^ Райан, Аллен; Куджава, Шарон; Хэммилл, Таниша; Ле Прель, Коллин; Кил, Джонатан (сентябрь 2016 г.). «Временные и постоянные сдвиги порогов, вызванные шумом: обзор фундаментальных и клинических наблюдений» . Отология и невротология . 37 (8): e271–e275. дои : 10.1097/МАО.0000000000001071 . ПМЦ 4988324 . ПМИД 27518135 .
- ^ Jump up to: а б с д и Накашима, Энн; Фариначчо, Рокко (апрель 2015 г.). «Обзор измерения шума оружия и критериев риска повреждения: соображения по защите слуха и эффективности» . Военная медицина . 180 (4): 402–408. doi : 10.7205/MILMED-D-14-00204 . ПМИД 25826345 .
- ^ Jump up to: а б Амрейн, Брюс; Летовский, Томаш (январь 2012 г.). «Пределы военного шума: насколько это слишком много?» . Internoise 2012 : 3981–3992 – через ResearchGate.
- ^ Амрейн, Брюс (15 декабря 2019 г.). «Пределы шума для боевых действий» . Синергист . Проверено 7 января 2020 г.
- ^ Jump up to: а б с Паттерсон, Джеймс; Арун, Уильям (декабрь 2004 г.). «Оценка модели слухового риска с использованием данных исследований добровольцев» . Лаборатория аэромедицинских исследований армии США . 2005-01. Архивировано из оригинала 1 июня 2022 г. - через Центр технической информации Министерства обороны.
- ^ Jump up to: а б Прайс, Дж. Ричард (июль 2011 г.). «Алгоритм оценки слуховой опасности для человека (AHAAH): оценка опасности интенсивных звуков» (PDF) . Армейская исследовательская лаборатория . АРЛ-ТР-5587. Архивировано (PDF) из оригинала 26 марта 2020 г.
- ^ Калб, Джоэл; Прайс, Дж. Ричард (апрель 2015 г.). «Математическая модель реакции уха на импульсы оружия» (PDF) . Армейская исследовательская лаборатория . АРЛ-РП-0521. Архивировано (PDF) из оригинала 25 марта 2020 г. - через Центр технической информации Министерства обороны.
- ^ Jump up to: а б с д Прайс, Дж. Ричард (1 сентября 2010 г.). «Резюме разработки и проверки AHAAH» . Армейская исследовательская лаборатория CCDC . Проверено 7 января 2020 г.
- ^ Jump up to: а б Де Паолис, Анналиса; Биксон, Маром; Нельсон, Джереми; де Ру, Дж. Александер; Пакер, Марк; Кардозо, Луис (июнь 2017 г.). «Аналитическое и численное моделирование слуховой системы: достижения в оценке повреждений слуха» . Исследование слуха . 349 : 111–128. дои : 10.1016/j.heares.2017.01.015 . ПМК 7000179 . ПМИД 28161584 .
- ^ Jump up to: а б Амрейн, Брюс; Летовский, Томаш (январь 2011 г.). «Прогнозирование и смягчение воздействия очень интенсивных звуков на ухо: алгоритм оценки слуховой опасности для человека (AHAAH)» . НАТО . РТО-МП-ХФМ-207.
- ^ Феделе, Пол; Калб, Джоэл (апрель 2015 г.). «Зависимая от уровня нелинейная модель средства защиты органов слуха в алгоритме оценки слуховой опасности для человека» . Армейская исследовательская лаборатория . АРЛ-ТР-7271. Архивировано из оригинала 1 июня 2022 г. - через Центр технической информации Министерства обороны.
- ^ Jump up to: а б Фламме, Грегори А.; Дейтерс, Кристи К.; Таско, Стивен М.; Арун, Уильям А. (21 ноября 2016 г.). «Акустические рефлексы распространены, но не повсеместны: данные Национального исследования здоровья и питания, 1999–2012 гг.». Международный журнал аудиологии . 56 (суп1): 52–62. дои : 10.1080/14992027.2016.1257164 . ПМИД 27869511 . S2CID 26258703 .
- ^ Jump up to: а б МакГрегор, Кара Д.; Фламме, Грегори А.; Таско, Стивен М.; Дейтерс, Кристи К.; Арун, Уильям А.; Теманн, Криста Л.; Мерфи, Уильям Дж. (19 декабря 2017 г.). «Акустические рефлексы распространены, но не всеобъемлющи: данные с использованием диагностического анализатора среднего уха» . Международный журнал аудиологии . 57 (sup1): S42–S50. дои : 10.1080/14992027.2017.1416189 . ПМК 6719315 . ПМИД 29256642 .
- ^ Jump up to: а б Джонс, Хит Дж.; Грин, Натаниэль Т.; Арун, Уильям А. (июль 2019 г.). «Мышцы среднего уха человека редко сокращаются в ожидании акустических импульсов: значение для оценки риска для слуха». Исследование слуха . 378 : 53–62. дои : 10.1016/j.heares.2018.11.006 . ПМИД 30538053 . S2CID 54445405 .
- ^ «Функциональное описание режима АХААХ» . Армейская исследовательская лаборатория CCDC . 1 сентября 2010 года . Проверено 7 января 2020 г.
- ^ Прайс, Дж. Ричард (1 сентября 2010 г.). «Уникальность набора данных Альбукерке и «Оценка критериев импульсного шума с использованием данных добровольцев» » . Армейская исследовательская лаборатория CCDC . Проверено 7 января 2020 г.
- ^ Jump up to: а б Мерфи, Уильям; Хан, Амир; Шоу, Питер (3 декабря 2009 г.). «Анализ данных исследования избыточного давления взрыва со сравнением трех критериев воздействия» (PDF) . Министерство здравоохранения и социальных служб США . ЕПХБ 209-05х.
- ^ «Переосмысление воздействия импульсного шума». НАТО . Апрель 2003 г. CiteSeerX 10.1.1.214.6990 . ISBN 92-837-1105-Х . ТР-017.
- ^ Американский институт биологических наук (9 ноября 2010 г.). «Экспертный обзор моделей травматизма в области задач исследований по предотвращению и снижению травматизма» (PDF) . Армейская исследовательская лаборатория .
- ^ Мерфи, Уильям; Кардус, Чукри (10 января 2012 г.). «Обоснование использования A-взвешенной эквивалентной энергии в качестве критерия риска ущерба» (PDF) . CDC Безопасность и здоровье на рабочем месте .
- ^ Дейтерс, Кристи К.; Фламме, Грегори А.; Таско, Стивен М.; Мерфи, Уильям Дж.; Грин, Натаниэль Т.; Джонс, Хит Дж.; Арун, Уильям А. (ноябрь 2019 г.). «Обобщаемость клинически измеренных акустических рефлексов на краткие звуки» . Журнал Акустического общества Америки . 146 (5): 3993–4006. Бибкод : 2019ASAJ..146.3993D . дои : 10.1121/1.5132705 . ПМК 7043895 . ПМИД 31795698 .
- ^ Грегори А. Фламм, Кристи К. Дейтерс, Стивен М. Таско, Мэдлин В. Смит, Хит Г. Джонс, Уильям Дж. Мерфи, Натаниэль Т. Грин, Уильям А. Арун Технический отчет SASRAC № 1909_0 Распространенность раннего среднего уха Мышечное сокращение (SASRAC, Лавленд, Огайо)