Почему аудиограмма располагается вверх ногами?

Действительно ли чем выше – тем лучше, а чем ниже – тем хуже?

В каждом новом поколении студентов, изучающих аудиологию или оториноларингологию, обязательно находятся один-два любопытных индивидуума, которые спрашивают, почему аудиограмма расположена вверх ногами. Дело в том, что молодые люди годами читают научные книги, в которых двухмерные графики всегда изображают таким образом, что значения по вертикали возрастают по мере того, как они продвигаются от низа к верху страницы. После этого студенты сталкиваются с аудиограммами и удивляются, почему значения потери слуха в дБ возрастают вниз, а не вверх. По сути, аудиограмма расположена вверх ногами: значения по вертикали становятся меньше, а не больше, по мере того как они продвигаются от низа к верху графика.

О том, как эта «аномалия» появилась на свет, рассказывает история сотрудничества трех замечательных людей: Эдмунда Принца Фаулера, Гарвея Флетчера и Р.Л. Вегеля.

Эдмунд Принц Фаулер – отоларинголог, практиковавший в Нью-Йорке. В 1900 году он получил степень доктора медицины в колледже терапии и хирургии Колумбийского университета, затем работал в Манхэттенском госпитале офтальмологии и оториноларингологии, а потом стал профессором колледжа терапии и хирургии. Фаулера называют одним из отцов отологии первой половины XX века. Любой аудиолог знает, что это именно он открыл ФУНГ. Но его любознательная натура заставила его заниматься многими другими аспектами слуха
и его потери.

Гарвей Флетчер – физик, в 1911 году получивший в Чикагском университете докторскую степень. После этого он в течение пяти лет преподавал физику в Юте в университете имени Бригама Янга. В 1916 году Флетчер перебрался в Нью-Йорк, чтобы начать работу в Bell Telephone Laboratories. Он один из первооткрывателей науки о речи и слухе, а его книга «Речь и слух в коммуникации», вышедшая в 1953 году, стала библией для многих известных ученых-аудиологов на протяжении второй половины XX века.

Р.Л. Вегель был физиком, в 1910 году получившим степень бакалавра в колледже Рипон. С 1912 по 1913 гг. работал в лаборатории Томаса А. Эдисона, а в 1914 году перешел в конструкторский отдел Western Electric Company в Нью-Йорке. В основном он занимался разработкой телефонов, но вследствие неизлечимого тиннитуса у него возник интерес к слуху и его нарушениям. Вегель известен как соавтор С.Е. Лейна во время ранних исследований тональной маскировки.

Рождение первого аудиометра

Фаулер, Флетчер и Вегель встретились в Нью-Йорке после окончания Первой мировой войны. Их общий интерес заключался в разработке и оценке первого коммерческого аудиометра в США. Это была модель 1-А производства Western Electric, которую Флетчер и Вегель совместно разработали для Американской телефонно-телеграфной компании (AT&T), а отолог доктор Фаулер стал использовать в клинической практике.

На протяжении Первой мировой войны исследовательские ресурсы AT&T были сосредоточены на передаче подводного звука и его обнаружении. Когда война закончилась, интересы корпорации вернулись к фундаментальным исследованиям процессов слуха и речи и, косвенно, к потере слуха, так как все это представляло важность для телефонной связи. Именно поэтому AT&T заказала своему конструкторскому подразделению Western Electric Company и исследовательскому подразделению Bell Telephone Laboratories разработку инструмента для измерения степени потери слуха. Р.Л. Вегель из Western Electric и Гарвей Флетчер из Bell Telephone Laboratories взяли ответственность за решение этой задачи на себя. Когда аудиометр 1-А был готов к клинической проверке, Вегель и Флетчер нашли увлеченного соратника в лице Эдмунда Принца Фаулера, который до этого работал с Флетчером и Александром Николсоном из Western Electric над разработкой группового фонографа-аудиометра для скрининга слуха школьников.

Сага о вертикальной шкале

С точки зрения сегодняшнего дня, трудно представить то совершенно «непаханое поле», на котором приходилось трудиться тройке ученых. До того момента, как Ли де Форест в 1906 году создал вакуумную лампу, было практически невозможно контролировать и калибровать амплитуду чистого тона. Хотя камертоны и могли генерировать широкий спектр частот, но их применение для измерения степени потери слуха было ограничено либо измерением времени (как долго пациент может слышать камертон по сравнению с тем, как долго его может слышать проверяющий), либо измерением расстояния (как далеко от проверяющего должен находиться пациент, чтобы по-прежнему слышать камертон). Таким образом, с камертоном было связано огромное количество неконтролируемых переменных.

Использование такого критерия, как интенсивность (самая слабая интенсивность, при которой пациент может только-только слышать звук) никогда не было успешным до тех пор, пока в распоряжение клиник не поступили электрические аудиометры. Как подчеркивал Альберто Бехар, точное определение термина «интенсивность» в физической акустике является сложным вопросом; обычно он имеет такой распространенный общий смысл, как «сила звука». Это дало возможность генерировать через динамик телефона тональный сигнал с известным уровнем звукового давления, который можно было систематически изменять, чтобы облегчить поиск порогов слышимости отдельно для каждого уха.

Как только аудиометр 1-А производства Western Electric поступил в клиническое использование, Фаулер, Флетчер и Ведель начали бороться за стандартизацию отчетов об аудиологических измерениях. Первая попытка Фаулера и Вегеля была представлена в Вашингтоне (округ Колумбия) в 1922 году на 25-м ежегодном конгрессе Американского ларингологического, ринологического и отологического общества.  В основном поднимался вопрос о том, как отображать пороги графически.

Вопрос о том, как отражать значения по частотной шкале, практически никогда не возникал. Для горизонтальной шкалы диаграммы была выбрана широко известная музыкальная шкала, в которой октавные интервалы располагаются на одинаковом расстоянии. Но вертикальная шкала, представляющая интенсивности порогов, претерпела ряд изменений.

В публикации от 1922 года Вегель представил график «слуховой области» – зоны между порогом слуха и порогом болевого ощущения (Рис. 1). Частота была представлена по горизонтали примерно равными октавными интервалами. Интенсивность отображалась вертикально по логарифмической шкале изменениями уровня звукового давления, которые варьировались от 0,0001 до 10 000 дин/см2.


Рис. 1. Графическая схема Вегеля. Воссозданный график слуховой области, включающий порог слуха (нормальная минимальная слышимость) и порог болевого ощущения (максимальная слышимость), который был представлен в публикации Вегеля от 1922 года. Ради исторической точности на рисунке намеренно сохранена его первоначальная терминология. На каждой частоте область между двумя границами была разделена Фаулером на «единицы ощущения». Каждая единица ощущения определялась коэффициентом звукового давления 10:1.
 
Логарифмическая шкала интенсивности звука в 1920-е годы уже была широко распространена благодаря ранним исследованиям великих немецких психологов Эрнста Вебера и Густава Фехнера. Ученые договорились, что «сила ощущения» должна отображаться по логарифмической шкале. С точки зрения таких ученых, как Флетчер и Вегель, уровень звукового давления, выраженный в дин/см2, и логарифмическое возрастание от маленьких значений внизу графика к большим значениям вверху согласовывались с научной традицией.
Изучив графики, образец которых представлен на Рис. 1, Фаулер заметил следующее: когда интенсивность звука отображается в логарифмическом виде, при котором каждый последовательный шаг представляет собой изменение давления в соотношении 10:1, то чуть менее чем 7 таких шагов отделяют порог слышимости от порога максимального слухового ощущения на средних частотах (от 1000 до 3000 Гц). Фаулер описал это как диапазон «слуховых ощущений», характеризующих слуховую систему человека, и произвольно определил каждый такой шаг как «единицу ощущения».

При этом очень легко было прийти к идее о том, что потерю слуха слабослышащего человека можно представить как потерю в единицах ощущения. Если нормальный диапазон ощущений от предельной слышимости до максимальной составлял 6,7 единиц ощущения, а порог слышимости пациента на 2,1 единицы превышал нормальный порог слышимости, то можно было сказать, что человек имел потерю слуха величиной 31% единиц ощущения (2,1 разделить на 6,7). Говоря другими словами, с помощью этой арифметической операции можно было преобразовать порог слышимости любого пациента в процентную потерю слуха.

Отсюда можно продвинуться еще на шаг далее, рассудил Фаулер, вычитая процентную потерю слуха из 100 с целью получения процента нормального слуха (100% - 31% = 69%). Рис. 2 основывается на Рис. 1 из публикации Фаулера и Вегеля от 1922 года. Закрашенные квадратики показывают гипотетический аудиометрический контур человека с высокочастотной потерей слуха. Этот график, по мнению Фаулера, дает нам числа, необходимые для консультации слабослышащего человека.


Рис. 2. Графическая схема Фаулера: метод записи аудиометрических результатов, предложенный Фаулером и Вегелем в 1922 году. На каждой частоте порог слышимости пациента преобразуется в «процент нормального слуха». Для этого подсчитывается количество единиц ощущения от нормального порога слышимости до порога максимальной слышимости, делится на количество единиц ощущения от нормального порога слышимости до порога болевого ощущения, умножается на 100, и это значение вычитается из 100%. Закрашенные квадратики представляют собой проценты нормального слуха для пациента с гипотетической высокочастотной потерей слуха. Обратите внимание на то, что шкала «процент нормального слуха» соответствует традиционной научной схеме представления данных с помощью двухмерного графика. Обратите также внимание на то, что 100%-ная линия, которая впоследствии стала нулевой линией аудиограммы, впервые была соотнесена с разной величиной порога слуха в УЗД на всех частотах исследуемого диапазона.
Говоря его собственными словами: «Этот график дает, пожалуй, самый практичный и логичный ответ на вопрос, который так часто задает пациент: «Сколько слуха у меня осталось?».

Интересно, что аналогичное графическое представление предложил в 1885 году отолог А. Хартман из Берлина. Он отображал длительность слуха для каждой частоты камертона в виде процента от нормальной длительности. Данные отображались по вертикальной шкале от 100% вверху до 0% внизу.

Alea Jacta Est!

«Жребий брошен!» – Юлий Цезарь изрек эту знаменитую фразу, чтобы дать понять: после того, как войска начали переходить Рубикон, обратного пути уже нет. Однако Эдмунд Принц Фаулер мог и не знать, что, поместив линию 100%-ного нормального слуха вверху аудиограммы, он совершил точно такой же необратимый по своим последствиям поступок. Влияние Фаулера в отологическом сообществе в 1920-е годы было настолько сильным, что никто не осмеливался ему противоречить. Наоборот, коллеги приняли его идею с восторгом. Вертикальный масштаб удовлетворял требованию о том, что числа на графике должны возрастать снизу вверх.

На Рис. 2 видно, что, если следовать оригинальной концепции Фаулера, график записи аудиометрических результатов, который стали называть аудиограммой, отвечал бы стандартной научной схеме. И действительно, значения по вертикальной шкале (процент нормального слуха) движутся вверх от самых низких до самых высоких. В этот момент и был брошен жребий. Линия, которая стала называться нулевой потерей слуха в дБ, была зафиксирована наверху графика, и после этого ее положение уже никогда не менялось.

Однако Гарвей Флетчер – физик, а не врач, был категорически не согласен с подходом на основе «процент-ной потери слуха». Во время лекции и демонстрации, с которыми он выступил перед Американской Академией офтальмологии и отоларингологии в Чикаго в 1925 году, он заявил: «В документе, ранее представленном Фаулером и Вегелем Американскому ларингологическому, ринологическому и отологическому обществу «Аудиометрические методы и их применения» в мае 1922 года, была предложена слуховая шкала, которую некоторые отологи отвергли, так как она зависит от порога ощущения и от порога слышимости. Согласно этой шкале, процент потери слуха представляет собой число единиц ощущения от нормы до величины пациента, деленное на число единиц ощущения от нормы до величины человека с нормальным слухом. Несомненно, это лучший ответ на вопрос о том, какова потеря слуха в процентах, и эта шкала очень полезна для выражения общих результатов. Особую пользу она приносит при описании пациенту степени его потери слуха. Однако для точного выражения степени потери слуха желательно выражать результаты в единицах ощущения, а не в процентах потери слуха».

В 1923 году Флетчер представил аудиограммы (именно под таким названием) пациентов с типичной глухотой, у которых интенсивность была представлена как раз таким образом. Один из примеров приведен на Рис. 3. Закрашенные квадратики представляют собой данные для того же гипотетического контура, который представлен на Рис. 2. Аудиологи, имеющие дело с амплитудно-частотными характеристиками усиливающих устройств, могут оценить, насколько легче было бы в течение прошедшего полувека сравнивать характеристику поврежденного уха и характеристику слухового аппарата, если бы этот вид записи аудиограммы сохранился.

Очевидно, что физик Флетчер более комфортно чувствовал себя, работая с чисто физической шкалой интенсивности звука, чем с процентной шкалой, простирающейся в диапазоне от «еле слышного» до «максимально ощущаемого». Но когда он убеждал Фаулера отказаться от концепции «процентов нормального слуха», он не смог в точности отстоять подход, изображенный на Рис. 3. Вместо этого он переименовал вертикальную шкалу «единиц ощущений» Фаулера, в которой каждый блок представляет собой не процент-ное отношение, а изменение звукового давления с коэффициентом 10:1, но при этом оставил нулевую линию вверху, а не перенес ее вниз графика. Он просто изменил 100%-ную линию вверху графика на нулевую линию потери ощущения и перенумеровал график так, что возрастающая потеря слуха спускалась вниз по вертикальной шкале. Отныне аудиограмма была навсегда обречена спускаться сверху вниз.


Рис. 3. Графическая схема Флетчера. Пример той же самой гипотетической аудиометрической кривой для человека с высокочастотной потерей слуха, которая показана на Рис. 2, но изображенной согласно схеме, первоначально представленной Гарвеем Флетчером.

Первоначальная идея Фаулера о единицах ощущения опиралась на принцип о том, что интенсивность или потерю слуха следовало отображать относительно среднего нормального слуха, а не относительно какой-то физической базовой величины. Прямая 100%-ная линия на Рис. 2 просто представляла собой порог слышимости, выпрямленный с целью исключения того факта, что уровень звукового давления, соответствующий этому 100%-ному уровню, меняется в зависимости от частоты. Эта идея была быстро схвачена и привела к возникновению термина «потеря слуха в единицах ощущения».

В 1926 году Флетчер опубликовал аудиограммы, в которых вертикальная шкала называлась «Потеря слуха – единицы ощущения». В 1928 году Фаулер отказался от своего измерения «процент нормального слуха» и отныне изображал на аудиограммах интенсивность, возрастающую сверху вниз, от 0 до 120, которая называлась «потеря ощущения».

Введение записи в дБ

Согласно первоначальной идее единиц ощущения, чуть менее 7 единиц охватывали диапазон от слышимости до максимального ощущения в самой чувствительной зоне слуховой области. Флетчер решил, что этот диапазон слишком мал для измерения выраженных различий между разными степенями потери слуха. В аудиометре 1-А производства Western Electric они с Вегелем пересмотрели потерю слуха следующим образом:
где HL – потеря слуха, I – пороговый уровень силы звука для пациента, Io – пороговый уровень силы звука для среднего нормального уха, P – пороговый уровень звукового давления для пациента и Po – уровень звукового давления для среднего нормального уха.
 
Таким образом, они приняли то, что мы сегодня называем записью в дБ, тем самым расширив диапазон вертикального измерения от чуть менее 7 единиц ощущения до примерно 120 дБ. Под влиянием Флетчера в течение следующего десятилетия единицы ощущения и потеря ощущения постепенно уступили место потере слуха в дБ. В публикации от 1943 года сына Фаулера, Эдмунда Принца Фаулера младшего, вертикальная шкала на одном из графиков четко именовалась «Потеря слуха в дБ».
 
Несколько лет спустя, стремясь к точности, Хэллоуэл Дэвис из Центрального института для глухих в Сент-Луисе указал на то, что «потеря» может выражаться лишь относительно прежнего известного статуса пациента, а не относительно среднего нормального слуха. Поэтому для вертикальной шкалы наиболее подходящим был сочтен термин «уровень слуха в дБ». Его мы используем и сегодня.

Несколько мыслей напоследок

Какой урок мы можем извлечь из этой истории? Во-первых, совершенно очевидно, что отношение потери слуха к физическим характеристикам СА значительно бы упростилось, если бы для формата аудиограммы была принята схема Флетчера (Рис. 3). Оба набора данных основывались бы на одной и той же физической шкале на всех частотах в отличие от современной ситуации. Современная аудиограмма опирается на уровни звукового давления, которые меняются во всем частотном диапазоне в соответствии с изменениями «среднего нормального слуха», в то время как характеристики усиления основываются на одном и том же самом справочном уровне звукового давления (0,0002 дин./см2 или 20 мкПа) на всех частотах.
 
Во-вторых, запись Фаулера в виде сохранившейся сенсорной способности, которую характеризовал процент нормального слуха, определенно была неплохой идеей. На каждой тестовой частоте она давала величину в процентах, более легкую для понимания, чем величина в дБ. Она имела еще одно положительное свойство: в ней числа на вертикальной шкале при движении от низа к верху бланка записи не уменьшались, а возрастали.
 
Чувство дискомфорта у Флетчера при виде записи, основанной на пороге ощущений, возможно, было связано с мнением о том, что «ощущение» должно сильно варьироваться среди людей, имеющих и не имеющих потерю слуха. На самом же деле вариабельность порогов максимального ощущения среди молодых людей с нормальным слухом меньше, чем вариабельность порогов слышимости. Это является дополнительной характеристикой, присущей людям с разными степенями потери слуха, как кондуктивной, так и сенсоневральной, и даже людям с полной глухотой.
 
Кроме того, измерения потери, базирующиеся на диапазоне полезного слуха для каждой частоты (диапазон от еле слышимого до максимально ощущаемого звука), а не на диапазоне всех возможных УЗД выше порога слышимости, имеют определенную значимость. Тот факт, что полезный диапазон слуха варьируется на протяжении частотного диапазона, является основополагающим свойством слуховой системы, но никак не учитывается в современной аудиометрической записи.
 
Как бы то ни было, в начале 1920-х годов появились две вполне приемлемые формы записи аудиометрических порогов – схема Эдмунда Принца Фаулера, представленная на Рис. 2, и схема Гарвея Флетчера, показанная на Рис. 3. И та, и другая были бы лучше, чем современная система. Кроме того, они сохраняли научную традицию в отношении построения графиков по оси ординат.