From Actuator to Microphone: Acoustic Characterization of the Floating Mass Transducer in Bidirectional Use

सुनना बाहरी दुनिया और अंदर की नसों के बीच एक नाजुक संवाद है। सुनने की क्षमता की कमी वाले लाखों लोगों के लिए, यह संवाद टूट जाता है, और डॉक्टर अक्सर मदद के लिए आगे आते हैं। एक शक्तिशाली उपकरण 'एक्टिव मिडिल ईयर इम्प्लांट' (active middle ear implant) है, जो कान के क्षतिग्रस्त हिस्सों को दरकिनार करते हुए उन सूक्ष्म हड्डियों को कंपन कराता है जो ध्वनि को ले जाती हैं। ये उपकरण एक छोटे घटक का उपयोग करते हैं जिसे 'फ्लोटिंग मास ट्रांसड्यूसर' (floating mass transducer) कहा जाता है, जो एक मोटर की तरह कार्य करता है, और विद्युत संकेतों को भौतिक कंपनों में बदल देता है जिसे आंतरिक कान समझ सके। लेकिन ध्वनि दो दिशाओं में काम करती है। जिस तरह एक स्पीकर बिजली को ध्वनि में बदलता है, उसी तरह एक माइक्रोफोन ध्वनि को वापस बिजली में बदलता है। शोधकर्ता लंबे समय से यह सवाल पूछ रहे थे कि क्या यही छोटा सा मोटर सुन भी सकता है। यदि वह उपकरण जो कान की हड्डियों को धकेलता है, उनकी गति को महसूस भी कर सके और उसे वापस एक विद्युत संकेत में बदल सके, तो यह एक पूरी तरह से स्व-निहित श्रवण उपकरण बन सकता है, जो पूरी तरह से शरीर के भीतर छिपा होगा, जिसमें पहनने या छिपाने के लिए कोई बाहरी हिस्सा नहीं होगा।

यूनिवर्सिटी हॉस्पिटल वुर्ज़बर्ग के शोधकर्ताओं की एक टीम ने प्रयोगशाला में इस विचार का परीक्षण करने का निर्णय लिया। उन्होंने फ्लोटिंग मास ट्रांसड्यूसर पर ध्यान केंद्रित किया, जो एक छोटा बेलनाकार उपकरण है जिसमें एक चुंबक और तार की कुंडलियाँ होती हैं। एक मानक श्रवण उपकरण के भीतर, बिजली इन कुंडलियों से होकर बहती है, जिससे एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न होता है जो चुंबक को धकेलता और खींचता है, जिससे पूरा यूनिट कान की हड्डियों के विरुद्ध कंपन करता है। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि क्या यह प्रक्रिया विपरीत दिशा में भी चल सकती है। यदि ध्वनि तरंगें कान की हड्डियों से टकराती हैं और उन्हें कंपन कराती हैं, तो क्या वह गति उपकरण के भीतर चुंबक को धकेलेगी और एक वोल्टेज उत्पन्न करेगी? यह जानने के लिए, उन्होंने उपकरण के साथ केवल एक स्पीकर की तरह ही नहीं, बल्कि एक श्रोता की तरह भी व्यवहार किया। उन्होंने ट्रांसड्यूसर्स को एक मॉडल में रखा जो मानव कान की नली के आकार और आकार की नकल करता था, जिसमें पतले कागज से बना एक कृत्रिम कान का पर्दा भी शामिल था। इसके बाद उन्होंने एक निरंतर बढ़ती हुई ध्वनि बजाई, जो एक धीमी गड़गड़ाहट से लेकर एक उच्च स्वर तक जाती थी, और मापा कि उपकरण ने उस पर कैसी प्रतिक्रिया दी।

अध्ययन ने उपकरण के तीन अलग-अलग संस्करणों की तुलना की। एक मानक मॉडल था जो वर्तमान में रोगियों में कान की हड्डियों को संचालित करने के लिए उपयोग किया जाता है। अन्य दो नए डिज़ाइन थे, जिन्हें निर्माता द्वारा ध्वनि को बेहतर ढंग से पकड़ने के लिए विशेष रूप से सुधारा गया था। शोधकर्ताओं ने पहले यह मापा कि प्रत्येक उपकरण ने कान की हड्डी के मॉडल को कंपन कराने के लिए एक स्पीकर के रूप में कितनी अच्छी तरह कार्य किया। फिर, उन्होंने भूमिकाएँ बदल दीं। उन्होंने मॉडल में वही ध्वनियाँ बजाईं और उपकरणों द्वारा उत्पन्न सूक्ष्म विद्युत संकेतों को रिकॉर्ड किया। उन्होंने पाया कि उपकरण वास्तव में माइक्रोफोन के रूप में कार्य कर रहे थे। उन्होंने जो ध्वनियाँ सुनीं, उनका पैटर्न उन ध्वनियों के पैटर्न से मेल खाता था जिन्हें वे उत्पन्न कर सकते थे। जब कोई उपकरण एक निश्चित पिच को कंपन कराने में अच्छा था, तो वह उसी पिच को महसूस करने में भी अच्छा था। नए डिज़ाइन, जिनमें अधिक तार की कुंडलियाँ और थोड़े अलग आकार थे, मानक मॉडल की तुलना में और भी बेहतर प्रदर्शन कर रहे थे। उन्होंने आवृत्तियों (frequencies) की एक विस्तृत श्रृंखला को पकड़ा और अधिक शक्तिशाली विद्युत संकेत उत्पन्न किए।

माइक्रोफोन के लिए सिग्नल की ताकत अत्यंत महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह निर्धारित करती है कि उपकरण पृष्ठभूमि के शोर के बीच भाषण को कितनी स्पष्टता से सुन सकता है। मानक उपकरण ने प्रति पास्कल ध्वनि दबाव के लिए अधिकतम 0.16 मिलीवोल्ट का सिग्नल उत्पन्न किया। नए डिज़ाइनों ने इसमें काफी सुधार किया, जिसमें एक ने 0.22 मिलीवोल्ट तक की वृद्धि की। यह वृद्धि महत्वपूर्ण है क्योंकि एक मजबूत सिग्नल को प्रोसेस करना आसान होता है और इसके शोर (static) में खो जाने की संभावना कम होती है। शोधकर्ताओं ने 'सिग्नल-टू-नॉइज़ रेशियो' (signal-to-noise ratio) को भी मापा, जो वांछित ध्वनि की तुलना उपकरण की अपनी शांत गुनगुनाहट से करता है। नए डिज़ाइनों ने 68.9 डेसिबल तक का अनुपात प्राप्त किया, और मानव भाषण की सीमा में औसत 52.4 डेसिबल रहा। यह प्रदर्शन उन अन्य विशिष्ट माइक्रोफोनों के तुलनीय है, और कुछ मामलों में उनसे बेहतर है जिनका इम्प्लांटेशन के लिए परीक्षण किया गया है। परिणाम बताते हैं कि जिस भौतिकी के कारण यह उपकरण कान की हड्डियों को धकेल पाता है, वही इसे सुनने में भी सक्षम बनाती है, जिससे यह प्रभावी रूप से एक 'एक्चुएटर' को 'सेंसर' में बदल देता है।

हालाँकि, शोधकर्ता सावधानी बरतते हुए यह स्पष्ट करते हैं कि यह एक लंबी यात्रा का एक चरण है। परीक्षण एक सरल प्लास्टिक मॉडल में किए गए थे, न कि जीवित मनुष्य में। एक वास्तविक कान का आकार जटिल होता है, जिसमें वक्र और ऊतक होते हैं जो ध्वनि को उन तरीकों से आकार देते हैं जैसा कि एक प्लास्टिक ट्यूब नहीं कर सकती। शोधकर्ता स्वीकार करते हैं कि उपकरण को वास्तविक मानव हड्डियों पर परीक्षण करने की आवश्यकता है ताकि देखा जा सके कि यह एक वास्तविक वातावरण में कैसा प्रदर्शन करता है। वे यह भी बताते हैं कि हालांकि उपकरण सुन सकता है, लेकिन अंतिम परीक्षण यह है कि क्या यह स्पष्ट भाषण को पकड़ सकता है। अगले चरण में बोले गए शब्दों को रिकॉर्ड करना और मानक रिकॉर्डिंग के साथ उनकी तुलना करना शामिल होगा ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि गुणवत्ता इतनी उच्च है कि व्यक्ति बातचीत को समझ सके। जबकि अध्ययन पुष्टि करता है कि फ्लोटिंग मास ट्रांसड्यूसर एक माइक्रोफोन के रूप में कार्य कर सकता है, एक पूर्णतः प्रत्यारोपित (implantable) श्रवण प्रणाली जो इस दोहरे कार्य पर निर्भर करती है, उसे अभी भी अधिक वास्तविक सेटिंग्स में और अधिक सत्यापन की आवश्यकता है। इसकी क्षमता स्पष्ट है, लेकिन काम अभी समाप्त नहीं हुआ है।