Tome IV : Vers l’oreille « bionique »

 

 

Les dispositifs connectés sont partout. Mais pas encore dans toutes les oreilles. L’équipe de la Chaire de recherche industrielle CRSNG-EERS en technologies intra-auriculaires (CRITIAS) a développé activement diverses technologies intra-auriculaires conçues pour compléter l’oreille humaine, depuis la protection auditive «intelligente» contre les bruits industriels, des systèmes de communication interindividuelle avancés, des dispositifs de surveillance de la santé auditive utilisant l’émission otoacoustique (OAE), jsuqu’aux interfaces cerveau-machin (Brain Computer Interface (BCI)) grâce à l’electroencephralographie intra-auriculaires. Des recherches plus fondamentales ont également été menées, en particulier sur la micro-récolte d’énergie électrique à l’intérieur du canal auditif pour alimenter les futurs appareils auditifs. L’état actuel de la recherche est présenté dans ce chapitre, ainsi que certains développements récents menés par la chaire de recherche industrielle CRITIAS pour tirer parti de l’oreille humaine au-delà de l’audition et proposer une véritable « oreille bionique».

 

 

 

 

• Introduction

Selon l’Organisation mondiale de la Santé (OMS), non seulement le nombre de personnes atteintes de surdité professionnelle dans le monde est en constante augmentation, passant de 120 millions en 1995 à 250 millions dans le monde en 2004 et maintenant 350 millions en 2015, mais coût personnel et sociétal associé [1]. Une grande partie de cette déficience est causée par l’exposition au bruit au travail, mais un bruit excessif est de plus en plus présent dans de nombreux aspects de la vie quotidienne. L’OMS a récemment mis en évidence la menace très sérieuse posée par l’exposition au bruit récréatif, estimant que 1,1 milliard de personnes risquent désormais de perdre leur audition [2]. Pourtant, la perte auditive due au bruit peut être évitée à 100%, à condition que des dispositifs de protection auditive, de communication et de divertissement appropriés soient disponibles. Cela représente un défi énorme à relever pour les ingénieurs. Ainsi, les deux premiers thèmes de recherche de la Chaire de recherche industrielle CRSNG-EERS, à savoir «Protection auditive numérique» et «Communication dans le bruit», portent sur la préservation de l’ouïe (auditif?) et le développement de technologies de communication et de divertissement efficaces. Le canal auditif humain est actuellement une zone largement sous-exploitée pour les technologies de détection humaine et les futurs segments de marché, qui doivent encore être développés dans les 5 à 10 prochaines années et qui sont déjà dénommés «Wearable Web» et «Healthcare 2.0» [3], sont des segments où l’oreille humaine pourrait jouer un rôle significatif une fois qu’elle est correctement instrumentée. En conséquence, le troisième thème de recherche de la chaire de recherche, intitulé «In-Ear Sensing», est de traiter l’oreille humaine comme un «sweet-spot» pour la recherche non auditive. Enfin, la déformation du canal auriculaire causée par le mouvement de la mâchoire sera considérée comme une source d’énergie pour les solutions «In-Ear Micro-Energy Harvesting» et représentera un quatrième thème de recherche complémentaire.

Cet article détaillera le programme de recherche de la Chaire de recherche industrielle CRSNG-EERS en technologies intra-auriculaires (CRITIAS) en précisant d’abord quels sont les besoins et les opportunités de recherche (section 2), puis en passant en revue certaines des activités de recherche actuelles du la chaire CRITIAS (section 3) pour conclure enfin, dans la section 4, sur la possibilité d’utiliser l’oreille humaine au-delà de l’ouïe (audition?) et de proposer une oreille véritablement «bionique».

 

• Besoins et opportunités de recherche

Les sous-sections suivantes passeront en revue les problèmes actuels et énuméreront les efforts de recherche proposés liés aux trois domaines de recherche mentionnés précédemment: protection auditive numérique, communication dans le bruit, détection intra-auriculaire et récupération de micro-énergie intra-auriculaire.

 

• • Protection auditive numérique
    • Protection auditive numérique contre l’exposition professionnelle au bruit

 

En tant qu’organe sensoriel, l’oreille doit être protégée contre les bruits potentiellement nocifs et dangereux. La perte auditive due au bruit est la principale lésion professionnelle en Amérique du Nord. Si la réduction du bruit à la source est l’objectif ultime, la protection auditive individuelle reste, en pratique, la première ligne de défense dans l’industrie [4]. Malheureusement, la plupart des protecteurs auditifs seraient inconfortables, d’une part en raison des problèmes d’adaptation physique des protections auditives (HPD) au canal auditif de l’utilisateur, et d’autre part parce que les protecteurs auditifs créent une barrière psycho-physique solide, puisqu’ils bloquent la perception réelle de la voix et des signaux d’avertissement environnants. Non seulement cela est une source d’inconfort, mais c’est également contre-productif pour les travailleurs, car ils s’isolent de leur environnement de travail, ce qui peut également entraîner une incidence plus élevée de blessures au travail. Pour résoudre ces problèmes d’ajustement et de confort individuels d’un point de vue physique et auditif, certains fabricants, la société canadienne Sonomax Technologies Inc. étant la première vers 2000, ont commencé à proposer des HPD basés sur un bouchon d’oreille personnalisé pour une confort et intégrant un filtre acoustique passif pour un confort auditif accru: le filtre laisse passer une certaine énergie sonore, ce qui permet de surmonter le problème de surprotection, permettant au porteur de percevoir la parole et les signaux d’alerte. Bien que cette approche « d’atténuation adaptée » [5] représente une nette amélioration par rapport aux protecteurs auditifs à atténuation non sélectionnable, elle est toujours confrontée à des limitations et des problèmes pratiques, ergonomiques et conceptuels:

 

Problème #1 (pratique) : le niveau d’exposition est souvent inconnu. Le niveau d’exposition au bruit dans les lieux de travail industriels nord-américains est rarement disponible et, lorsqu’il l’est, il concerne généralement un groupe de travailleurs plutôt qu’une personne en particulier. Par exemple, avec la solution Sonomax ™ développée pendant le travail de doctorat de l’auteur, dans les cas pour lesquels l’exposition est inconnue, le filtre approprié ne peut pas être sélectionné et ainsi l’orifice acoustique du bouchon d’oreille qui reçoit normalement le filtre est simplement bloqué pour que le bouchon d’oreille offre son atténuation nominale maximale, avec le risque de « surprotéger » le porteur, l’isolant ainsi de son environnement acoustique.

 

Problème #2 (pratique) : le niveau d’exposition est une valeur moyenne. Les valeurs d’exposition au bruit correspondent à une moyenne pondérée sur 8 heures plutôt qu’à l’exposition réelle du travailleur au bruit à un moment donné. Le filtre susmentionné peut être changé manuellement, mais généralement seulement à l’occasion, par ex. lorsqu’un travailleur change d’environnement. Il ne serait pas possible de changer continuellement d’un filtre à un autre lorsque les niveaux de bruit changent.

 

Problème #3 (pratique) : le niveau d’exposition est une valeur globale. Le niveau d’exposition protégé est une valeur globale qui est calculée à partir de la différence entre l’exposition au bruit et les valeurs d’atténuation du protecteur à travers les fréquences. Cependant, dans la pratique, les fréquences d’atténuation du bruit et des bouchons d’oreille ont chacune leur propre importance: les fréquences plus élevées sont essentielles pour l’intelligibilité de la parole, mais elles sont les plus atténuées par le protecteur car la plupart des filtres acoustiques passifs présenteront les mêmes caractéristiques de filtre passe-bas [6].

 

Problème #4 (ergonomique) : le bruit n’est pas intéressant, le reste l’est. Un facteur humain imprévu a été mis en évidence dans une étude de terrain menée par l’Institut national pour la sécurité et la santé au travail (NIOSH) sur les générations précédentes de bouchons d’oreille personnalisés et filtrés Sonomax [7]: les travailleurs n’ont pas toujours besoin de communiquer dans un bruit fort et pourraient préfèrent souvent être surprotégés et coupés des sons inintéressants plutôt que d’être constamment ennuyés par eux.

 

• • • Produits audio grand public empêchant l’exposition au bruit récréatif

 

Si l’exposition au bruit en milieu de travail reste le défi le plus urgent, il a également été clairement établi ces dernières années que l’exposition au bruit récréatif est une préoccupation croissante : soit par des activités bruyantes (chasse, tir, clubbing, motoneige et même tonte de gazon) ou longues et bruyantes des périodes d’écoute de musique sur des lecteurs de musique personnels, de plus en plus de personnes à un âge de plus en plus jeune mettent irrévocablement leur audition en danger. Les produits audio personnels ont été l’un des segments du marché grand public à la croissance la plus rapide au cours des 15 dernières années. L’iPod® a été commercialisé pour la première fois en 2001 et aujourd’hui, plus de 1,2 milliard de lecteurs de musique personnels (qui incluent également un téléphone mobile avec des capacités de lecture de musique) sont utilisés quotidiennement. Des tendances similaires peuvent être observées dans le secteur des télécommunications, où les kits mains libres et les écouteurs Bluetooth® sont désormais omniprésents et affichent une croissance continue des ventes. Cette adoption massive de produits audio intra-auriculaires aura des effets dramatiques sur la santé auditive des citoyens d’aujourd’hui et des générations futures en particulier; deux questions importantes doivent être abordées pour la sécurité des futurs consommateurs intra-auriculaires de produits électroniques.

 

Problème #5 (Santé et sécurité) : L’isolation acoustique est essentielle. De nombreuses études récentes (un examen complet est disponible dans [8]) montrent clairement que trop d’utilisateurs écoutent leur lecteur de musique personnel trop fort pendant des périodes trop longues, menant à une augmentation spectaculaire de la prévalence de la perte auditive due au bruit. Plusieurs études (voir [9] pour la liste d’une liste récente) montrent une forte relation entre le bruit de fond ambiant et le niveau d’écoute: plus l’environnement est bruyant (bruit de rue, bruit de transport, etc.), plus les utilisateurs liront leur musique. Par conséquent, des écouteurs capables d’isoler l’utilisateur du bruit ambiant seraient immédiatement bénéfiques pour la très grande majorité des utilisateurs. La seule mise en garde serait que l’isolation acoustique des écouteurs intra-auriculaires nécessite une étanchéité acoustique qui ne peut être obtenue que par les Oreillettes les mieux équipées. Dans la plupart des cas, alors que les Oreillettes moulées sur mesure offriraient le meilleur ajustement, les utilisateurs pourraient recourir à un embout générique plus accessible, même si moins confortable (embouts en mousse, à bride ou à enroulement dérivés de leurs homologues industriels).

 

Problème #6 (ergonomique) : L’effet d’occlusion compte. En supposant que le problème #5 ci-dessus a été résolu avec un embout auriculaire isolant et confortable, un autre ensemble de problèmes subsiste : lorsqu’un individu porte un dispositif intra-auditif (embout auriculaire, bouchon d’oreille, dispositif intra-auriculaire, etc.), le son de sa propre voix est radicalement modifiée et le bruit corporel est amplifié. Habituellement, le porteur percevra sa propre voix et les bruits générés par le corps (pas, respiration, etc.) beaucoup plus forts à cause de son oreille occluse. La physique de cet « effet d’occlusion » est bien comprise, ainsi que ses nombreux effets néfastes. Dans la protection auditive industrielle, le niveau de voix produit par le porteur de bouchons d’oreille sera réduit en raison de sa fausse perception d’avoir une voix plus forte. Dans les applications grand public, l’effet d’occlusion provoque un tel inconfort perceptif pour le porteur d’un appareil intra-auriculaire, qu’aucun fabricant ne propose actuellement de produits de télécommunication qui obstrueraient les deux oreilles (c’est-à-dire que les Oreillettes Bluetooth sont monophoniques uniquement, les écouteurs avec un microphone ne sont pas des dispositifs intra-auriculaires, etc.).

• • Communication dans le bruit

Trouver l’équilibre entre une bonne protection auditive et une communication dans des environnements bruyants a été une tâche difficile. Il ne fait aucun doute que les travailleurs dans des environnements bruyants doivent être protégés pour éviter la perte auditive due au bruit. Cependant, la communication reste une préoccupation majeure pour les personnes équipées de dispositifs de protection auditive (HPD). L’utilisation de la communication radio personnelle dans des environnements bruyants est une solution pratique et abordable permettant la communication entre les personnes atteintes de HPD. La parole conduite osseuse et tissulaire, telle que celle capturée avec un microphone placé dans le canal auditif occlus, sous le HPD, a été utilisée dans des environnements bruyants pour fournir un signal de rapport signal sur bruit relativement élevé.

Problème #7 (ergonomique) : faible qualité du signal du microphone intra-auriculaire. La bande passante limitée de la parole conduite par les os et les tissus dégrade la qualité du signal vocal. De plus, dans des conditions très bruyantes, l’extension de la bande passante de la parole conduite par les os et les tissus devient problématique, car un bruit résiduel peut encore être présent sous le HPD et sera amplifié par des techniques d’extension de bande passante.

Problème #8 (Santé et sécurité) : Manque de récepteur désigné pour les radios personnelles. Un inconvénient qui a toujours existé en ce qui concerne les radios personnelles est qu’on ne peut pas désigner de récepteurs: tous ceux qui portent une radio personnelle (talkie-walkie, etc.) sont soumis au signal diffusé indépendamment du fait qu’ils soient ou non les auditeurs visés. Recevoir des communications non pertinentes est ennuyeux et contribue à la dose de bruit accumulée quotidiennement.

 

• • Détection intra-auriculaire

Le canal auditif humain est actuellement une zone largement sous-exploitée, alors qu’il représente définitivement un « sweet-spot » pour la mesure du biosignal et offre donc une opportunité unique pour les technologies portables innovantes.

 

Opportunité #1: un « sweet-spot » pour la surveillance physiologique

En plus de faire partie du système auditif, le canal auditif est un environnement dynamique où plusieurs combinaisons de signaux biologiques peuvent être facilement mesurées. Par exemple, la lecture de la température du corps humain est généralement effectuée à l’intérieur du canal auditif à l’aide d’un thermomètre infrarouge. De même, les tissus cutanés du canal auditif contiennent des glandes sudoripares, l’humidité du canal auditif, tout comme sa conductivité cutanée peut évoluer avec le temps, en fonction de l’activité humaine, des niveaux de stress et d’autres facteurs physiologiques. De toute évidence, les capteurs inertiels placés à l’intérieur du canal auditif peuvent mesurer de manière pratique la position de la tête, la vitesse et l’accélération.

 

Opportunité #2: Le bruit physiologique est bien plus que du bruit

Lorsque leur canal auditif est occlus dans un environnement silencieux, de nombreuses personnes peuvent entendre leur respiration et leurs battements cardiaques. Ce bruit physiologique est toujours présent et peut être capturé par les microphones intra-auriculaires et analysé plus avant pour mesurer la fréquence respiratoire et la fréquence cardiaque. D’autres bruits non verbaux peuvent également être captés, tels que la toux, la déglutition, les éternuements, le grincement des dents, le ronflement, etc. Leurs signatures sonores uniques permettent une segmentation et un suivi automatisés de tels événements pour la surveillance de la santé, de la forme physique et du bien-être. Enfin, les émissions otoacoustiques (OAE) sont des sons évoqués auditifs qui sont produits par une Cochlée saine en réponse à des stimuli audio, tels que des sons purs dans le cas des mesures d’émission otoacoustique du produit de distorsion (DPOAE). Ces émissions très faibles sont présentes sous le HPD et bien qu’elles émergent à peine du bruit physiologique, leur présence ou absence est un indicateur très précoce de fatigue auditive et de NIHL en attente et est donc un outil très utile pour le suivi de la santé auditive.

 

Problème #9: les électrodes ne sont pas correctement positionnées pour l’enregistrement électrophysiologique intra-auriculaire.

L’EEG est un outil précieux pour étudier la fonction du cerveau et a été largement utilisé pour les diagnostics médicaux et la recherche neuroscientifique. Les systèmes EEG conventionnels mesurent l’activité électrique du cerveau en utilisant des bouchons qui placent des électrodes sur le cuir chevelu (scalp-EEG) et des fils transmettant les signaux à des amplificateurs différentiels connectés à un ordinateur. Malgré le développement récent d’un petit système EEG sans fil et léger, les capuchons EEG sont toujours inconfortables à porter et ne conviennent pas aux situations de la vie quotidienne. Un système d’acquisition EEG basé sur l’oreille avec des électrodes miniaturisées est une nouvelle approche complémentaire avec des caractéristiques conviviales [10]: le canal auditif est normalement sans poils et géométriquement asymétrique. Ces deux caractéristiques améliorent significativement le contact électrique / mécanique entre la peau et l’électrode et améliorent la répétabilité des expériences. De plus, l’ajustement serré d’un écouteur à l’intérieur du canal auditif applique une pression sur les électrodes, assurant des positions d’électrode fixes et une réduction spectaculaire des artéfacts de mouvement qui obscurcissent typiquement la qualité du signal dans les EEG conventionnels. Dans tous les travaux cités, des électrodes miniaturisées ont été placées à l’intérieur du canal auditif, soit dans le cadre d’un écouteur personnalisé, soit sur un écouteur générique. Malheureusement, la localisation de ces électrodes n’a pas été soigneusement étudiée, ce qui a entraîné des emplacements sous-optimaux, c’est-à-dire que le contact entre les électrodes et le canal auditif peut être altéré par les mouvements de la mâchoire, affectant ainsi la qualité des signaux enregistrés en direct et environnements dynamiques.

 

Problème #10: les électrodes humides traditionnelles sont mal adaptées pour l’enregistrement intra-auriculaire. Les préparations traditionnelles d’électrodes humides Ag / AgCl réduisent l’impédance de l’interface peau-électrode par abrasion du Stratum Corneum (SC) et par l’utilisation de gel électrolytique. L’exigence d’abrasion cutanée, l’utilisation de gel et le risque de court-circuit sont des limitations connues [11]. Il est donc nécessaire de développer une technologie d’électrodes sèches compatible avec le canal auditif humain.

 

 

 

Figure 1: Plateforme de recherche auditive (ARP V2.0) développée pour le traitement du signal audio en temps réel: conception globale (à gauche); écouteurs instrumentés (a), composants électroacoustiques (b) et schéma équivalent (c) (à droite)

 

• • Récolte de micro-énergie intra-auriculaire

Chaque semaine, des centaines de millions d’utilisateurs dans le monde doivent remplacer les piles bouton de leurs aides auditives. Malheureusement, les batteries sont une source de gaspillage environnemental, une charge financière et un peu de temps et nécessitent une bonne dextérité pour changer. Et si les aides auditives pouvaient être auto-alimentées?

 

Opportunité #3: Utilisation du mouvement de l’articulation de la mâchoire comme source d’énergie mécanique. Comme mentionné précédemment, le mouvement articulaire de la mâchoire provoqué par les activités quotidiennes telles que manger, mâcher, parler, etc. crée des déformations de la forme du canal auditif. L’un des axes de recherche complémentaires de la chaire de recherche CRITIAS vise à développer un récupérateur d’énergie pour tous types d’appareils intra-auriculaires utilisant la puissance mécanique du mouvement de la mâchoire. Les défis de la proposition de recherche stratégique sont d’abord de trouver des moyens de capter une quantité suffisante d’énergie des mouvements à basse fréquence et de faible amplitude des parois de l’oreille, deuxièmement pour stocker l’énergie capturée intermittente dans un dispositif de stockage d’énergie approprié pour fournir une alimentation continue au dispositif intra-auriculaire, et troisièmement pour intégrer les composants du système dans le dispositif intra-auriculaire en tant que système intégré sans créer de gêne pour le porteur ni interférer avec les fonctions de l’appareil.

 

• Activités de recherche en cours

Répondre à toutes les problématiques présentées dans la section précédente est le premier objectif de la chaire de recherche CRITIAS. Pour ce faire, le programme de recherche se concentrera sur deux thèmes de recherche interconnectés, « Protection auditive numérique » (présentée dans la section 3.1) et « Communication dans le bruit » (présentée dans la section 3.2), dans le but de développer les connaissances et la technologie requises pour un dispositif intra-auriculaire unique alliant protection auditive et fonctions de communication. Profitant de la surveillance physiologique et de la récupération d’énergie qui sont possibles dans le canal auditif humain, le troisième objectif de la chaise proposée est de développer la technologie requise pour la « détection intra-auriculaire » continue (présentée dans la section 3.3) permettant des applications allant du simple suivi physiologique des travailleurs à des outils de recherche plus avancés pour les neurosciences cognitives auditives ou même au développement d’une interface cerveau-ordinateur (BCI) audio-capable intégrée et le quatrième objectif est de développer des capteurs d’énergie intra-auriculaires (section 3.4).

 

La possibilité de fabriquer instantanément un écouteur personnalisé équipé de composants électroacoustiques et d’électronique intégrée est cruciale pour le programme de recherche proposé. L’écouteur personnalisé auto-ajusté développé par Sonomax Technologies Inc., utilisant le procédé propriétaire SonoFit ™, et désormais disponible via le partenaire industriel EERS, constitue une excellente plateforme, baptisée Auditory Research Platform (ARP). Il est illustré sur la Fig.1 dans sa configuration actuelle adaptée aux dispositifs de protection auditive et de communication, mais est en cours de développement, comme ARP V3.0 pour utiliser le canal auditif humain pour des applications de détection intra-auriculaire.

 

Cette section détaille les recherches menées au cours des dernières années au sein de l’ancienne Chaire de recherche industrielle Sonomax-ÉTS en technologies intra-auriculaires qui ont conduit au développement de plusieurs prototypes de protecteurs auditifs numériques capables de protéger leurs porteurs tout en permettant une communication normale dans des environnements bruyants. Il détaille également les efforts de recherche en cours au sein de la chaire de recherche industrielle.

 

• • Protection auditive numérique

Au cours des dernières années, plusieurs algorithmes de traitement audio innovants ont déjà été développés, à savoir pour détecter l’activité vocale dans des rapports signal / bruit faibles [12–14], concevoir des détecteurs de signaux d’alarme et d’avertissement [15] et utiliser une bande de modulation filtrage pour éliminer le bruit lors de la transmission de la parole et des signaux d’avertissement [16]. D’autres algorithmes de protection auditive « intelligente » ont également été développés, comme ceux pour les musiciens professionnels, avec contrôle actif du bruit de l’effet d’occlusion [17, 18], ou pour les sujets hypersensibles [19]. Bien que prometteuses, ces technologies nécessitent maintenant une optimisation supplémentaire et une mise en œuvre effective du processeur de signal numérique ARP, de sorte que leurs avantages réels puissent être évalués. Plusieurs autres algorithmes de traitement audio doivent également être étudiés, tels que le test d’ajustement continu intégré d’un dispositif intra-auriculaire basé sur les développements antérieurs des mesures d’atténuation terrain [20-22], la dosimétrie intra-auriculaire [23-27] , une atténuation uniforme basée sur le volume, une atténuation en fonction du niveau et des algorithmes de traitement audio spécialisés capables de combiner prothèse auditive et protection auditive pour résoudre le problème de la protection des travailleurs malentendants [28].

 

 

 

 

 

• • Communication dans le bruit

Les travailleurs doivent pouvoir communiquer dans le bruit. Lorsque le signal de parole acoustique est trop perturbé, un microphone intra-auriculaire peut être utilisé [29], le signal de parole peut être débruité avec un traitement adaptatif du signal et son intelligibilité améliorée en utilisant des techniques d’extension spectrale [30–33] puis transmis utilisant des systèmes de radiocommunication personnels. Des systèmes de communication bidirectionnels naturels et robustes ont été proposés [34, 35] et par un codage de l’effort vocal du locuteur et un modèle de la distance de communication prévue, appelés environnements virtuels radio-acoustiques (RAVE) [36] sont actuellement envisagées. Des recherches supplémentaires sont désormais nécessaires pour mieux comprendre les processus auditifs impliqués dans la production de la parole sous des protecteurs auditifs dans le bruit et construire le modèle psychoacoustique correspondant, afin de valider les systèmes RAVE dans des situations du monde réel pour des applications industrielles et tactiques.

 

• • Détection intra-auriculaire

Les « technologies portables » sont une expression générique et à la mode qui comprend plus d’une douzaine de segments de marché, avec les « montres intelligentes », les « lunettes intelligentes » et les appareils « fitness et suivi d’activité » en tête de liste. En 2015, le marché mondial des technologies portables était estimé à 22,7 milliards de dollars, soit 2,3% à peine du potentiel de marché de 1 billion de dollars [37]. De nombreux experts, dont l’auteur [38, 39], estiment que le canal auditif humain est un endroit idéal pour collecter plusieurs types de signaux biologiques de haute qualité. En utilisant les capteurs discrets de l’ARP, des instruments utilisés pour des applications de surveillance physique et physiologique seront développés, allant de la détection de l’homme à terre et de la détection du regard à l’aide de l’unité inertielle à 9 axes, à la surveillance de la température corporelle et de l’humidité du canal auditif à l’aide de capteurs miniaturisés intégrés ad hoc, à la mesure de la conductivité galvanique à l’aide d’électrodes intra-auriculaires. Les biosignaux tels que le rythme cardiaque et la fréquence respiratoire seront extraits du signal du microphone intra-auriculaire en utilisant une analyse temps-fréquence couplée au filtrage adaptatif précédemment proposé [40, 41] pour les applications à bruit faible à moyen. Des algorithmes ont récemment été proposés par l’auteur [42–44] pour mesurer les émissions otoacoustiques (OAE) et peuvent être utilisés pour surveiller en continu la fatigue auditive d’un travailleur dans des environnements à bruit moyen à élevé.

 

• • Récolte de micro-énergie intra-auriculaire

Plus de 300 millions d’utilisateurs changent les piles de leurs aides auditives chaque semaine. Non seulement cela est peu pratique et coûteux, mais l’élimination de la batterie a un impact négatif sur l’environnement. Il existe plusieurs technologies de piles rechargeables, mais leur faible efficacité et leur faible puissance nécessitent des aides auditives de plus grande taille ou des recharges plus fréquentes. Idéalement, les aides auditives devraient être autonomes et collecter l’énergie de leur environnement. Des études menées au sein du CRITIAS depuis 2010, montrent que l’énergie mécanique du mouvement articulaire de la mâchoire pourrait être récupérée pour alimenter de tels dispositifs intra-auriculaires électroniques. Étant donné que la forme et la géométrie des conduits auditifs ainsi que leurs déformations attribuées sont uniques aux individus, une configuration de test a ensuite été développée pour mesurer sur un groupe de sujets de test l’extrême de leurs déformations du canal auditif, la capacité énergétique du canal auditif basée sur les changements de pression dans un bouchon d’oreille gonflable rempli d’eau. Les résultats des tests ont montré que le mouvement dynamique du canal auditif est capable d’alimenter les aides auditives actuelles pendant plus de 2 heures en moyenne [45]. Cette durée serait évidemment allongée si davantage de mouvements articulaires de la mâchoire étaient envisagés, tels que ceux résultant de la parole ou du chewing-gum, ou pour des appareils auditifs plus économes en énergie.

Les résultats prometteurs pour la capacité énergétique des déformations du canal auditif ont conduit au développement de deux prototypes de récupération d’énergie, électromagnétique et piézoélectrique, qui ont ensuite été conçus, fabriqués et testés [46, 47]. Les résultats ont prouvé avec succès le concept de récupération d’énergie intra-auriculaire et ont démontré la capacité du canal auditif à être considéré comme une source durable d’énergie cinétique dans le corps. Néanmoins, la conception de collecteurs d’énergie intra-auriculaires optimisés reste très difficile, car la déformation exacte du canal auditif humain est encore mal comprise et que des données de groupe inadéquates sont disponibles sur les déformations du canal auditif chez les individus.

 

En outre, la petite taille et la géométrie très unique de chaque canal auriculaire rendent difficile la conception d’un récupérateur d’énergie générique, comme récemment souligné dans les travaux les plus récents de la chaire [48, 49]. De plus, le choix de la conversion d’énergie entre piézoélectrique, électromagnétique, électrostatique et triboélectrique reste incertain.

 

En plus des mouvements dynamiques du canal auditif, d’autres sources d’énergie cinétique dans la région de la tête ont déjà été étudiées dans le groupe de recherche CRITAS: des mouvements de la mâchoire à l’aide d’une jugulaire piézoélectrique [50], du mouvement de la tête à l’aide d’un dispositif combiné piézoélectrique et magnétique installé sur une lunette [51], ou même à partir d’un flux d’air respirable, à l’aide d’un dispositif de récupération d’énergie électromagnétique qui pourrait alimenter l’indicateur de fin de vie des cartouches de respirateurs [52]. On pense au sein du groupe de recherche CRITIAS que les dispositifs portables du futur, que ce soit des lunettes de réalité augmentée, des oreilles bioniques, etc. seront auto-alimentés et qu’il y a un réel besoin de développer un capteur de micro-énergie intra-auriculaire miniaturisé qui utilise le mouvement articulaire de la mâchoire résultant des activités d’alimentation et de parole, pour fournir de l’énergie électrique à toutes sortes d’appareils portables intra-auriculaires électroniques, tels que des prothèses auditives, des protecteurs auditifs numériques, mais aussi de nouveaux appareils auditifs en cours de développement dans le cadre de la recherche industrielle CRSNG-EERS Chaire en technologies intra-auriculaires.

 

• Conclusions

Si les technologies portables sont partout, elles n’ont pas (encore) été configurées pour l’oreille. Selon l’OMS, plus de 1,1 milliard de personnes mettent quotidiennement leur audition en danger, que ce soit au travail ou pendant les loisirs. La Chaire de recherche industrielle CRSNG-EERS en technologies intra-auriculaires (CRITIAS) relèvera ce défi en développant une technologie de pointe combinant des plates-formes matérielles instrumentées intra-auriculaires avec des algorithmes de traitement du signal audio et d’extraction de biosignaux pour permettre à son partenaire industriel canadien, EERS Technologies Inc., pour commercialiser des dispositifs portables intra-auriculaires pour la protection auditive, les aides auditives, la communication bidirectionnelle et les interfaces cerveau-ordinateur pour les marchés industriels, militaires, de consommation et médicaux. Le premier objectif de la chaire sera de développer une plate-forme matérielle intra-auriculaire polyvalente avec l’équipe d’EERS, en utilisant sa technologie de moulage sur mesure instantanée propriétaire SonoFit. La plate-forme intra-auriculaire envisagée, appelée plate-forme de recherche auditive (ARP), sera instrumentée avec plusieurs capteurs discrets, des transducteurs électroacoustiques, des circuits électroniques et un processeur de signal numérique. Le processeur exécutera des algorithmes de traitement du signal audio et du biosignal qui seront développés dans le cadre du programme de recherche proposé. Les principales activités de recherche comprendront 4 domaines d’expertise: a) protection auditive numérique, b) communication dans le bruit, c) détection intra-auriculaire, et d) récupération d’énergie intra-auriculaire. Les activités de cette chaire de recherche renforceront et soutiendront davantage cette fructueuse collaboration industrielle-universitaire de 15 ans et créeront un écosystème innovateur capable de conserver cette expertise unique sur le sol canadien.

 

• Remerciements

L’auteur remercie le Conseil national canadien de recherches en sciences et en génie (CRSNG) par le biais de son programme de chaires de recherche industrielle (CRI) et EERS Technologies Inc. pour le soutien financier de la Chaire de recherche industrielle CRSNG-EERS en technologies intra-auriculaires (CRITIAS). Il tient également à saluer les efforts inlassables de ses collaborateurs et étudiants diplômés dans cette quête d’une véritable « oreille bionique ».

 

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