03 Avr 2023 |
article de recherche |
Les technologies pour la santé
L'effet d'occlusion : Quand les bouchons d'oreille deviennent agaçants
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Si vous vous bouchez les oreilles avec les doigts et lisez cette phrase à haute voix, vous constaterez que votre voix semble plus grave. Ce phénomène s'appelle l'effet d'occlusion, une amplification de la perception des bruits physiologiques de basses fréquences lorsque le canal auditif est occlus. L'effet d'occlusion rend les bouchons d'oreille inconfortables et peut mener à une utilisation incorrecte ou discontinue des dispositifs de protection auditive. Plusieurs modèles de l'effet d'occlusion ont été proposés dans la littérature afin d'étudier ce phénomène. Nous présentons ici le premier modèle numérique d'une tête entière dédié à l'étude de l'effet d'occlusion. Grâce à ce modèle, nous avons pu mettre en évidence l'influence des propriétés mécaniques des matériaux des tissus biologiques, qui varient d'un individu à l'autre, sur l'effet d'occlusion. Ce faisant, nous commençons à comprendre d'où provient la variabilité interindividuelle associée à l'effet d'occlusion. Mots clés : effet d'occlusion, inconfort acoustique, bouchon d'oreille, protection auditive
L'inconfort varie d'une personne à l'autre
Les personnes surexposées aux bruits utilisent généralement des dispositifs de protection auditive (casque antibruit, bouchons d'oreille) afin de prévenir la perte auditive causée par le bruit. Or, ces protections sont parfois utilisées de manière incorrecte ou discontinue en raison de leur inconfort. L'ampleur de la gêne acoustique est partiellement liée à l'effet d'occlusion. Cet effet correspond à la perception accrue des bruits physiologiques dans le corps, comme la voix, la respiration, la mastication et les battements cardiaques, qui sont transmis dans le canal auditif. Pour entendre ces sons, vous pouvez simplement vous boucher les oreilles avec vos doigts. L'effet d'occlusion est particulièrement évident en basses fréquences lors du port de protections auditives de type bouchon d'oreille. Ce phénomène peut être quantifié de manière objective par la différence de niveaux de bruit (en décibels) mesurés au tympan entre le cas où le conduit auditif est occlus et le cas où il est ouvert (i.e., non-occlus). Dans le but de mieux comprendre l'effet d'occlusion, plusieurs modèles du phénomène ont été proposés dans la littérature. Dans cet article, nous décrivons la réalisation du premier modèle numérique d'une tête humaine entière dédié à la simulation de l'effet d'occlusion objectif des bouchons d'oreille et tenant compte des voies complexes de transmission du son par conduction osseuse. Les résultats de simulations montrent à quel point les propriétés des matériaux des tissus biologiques humains influencent l'effet d'occlusion, l'une des raisons qui explique la variabilité interindividuelle de l'effet d'occlusion observée dans les expériences sur les participants humains.
Modélisation de l'effet d'occlusion
Afin de simuler l'effet d'occlusion objectif, nous avons conçu un modèle numérique de tête humaine avec son conduit auditif ouvert ou occlus par un bouchon d'oreille en mousse. Dans un premier temps, nous avons scanné la tête d'un participant adulte par imagerie médicale (voir figure 1(a)). À partir des images médicales (voir figure 1(b)), nous avons identifié différentes structures anatomiques de la tête. Dans un deuxième temps, à l'aide des logiciels de traitement d'images Materialise Mimics et 3-Matics (Louvain, Belgique), nous avons segmenté le cerveau, le liquide céphalo-rachidien, le crâne, les tissus mous (peau, graisses, muscles, etc.) et les cartilages auriculaires (voir figure 1(c)) et les avons reconstruits en 3D.
En troisième lieu, nous avons importé les modèles géométriques des structures anatomiques dans un logiciel d'analyse, de résolution et de simulation par éléments finis (COMSOL Multiphysics v.5.5, COMSOL AB, Suède) afin de créer le modèle numérique de transmission du son par conduction osseuse dans la tête humaine (voir figure 2(a)) et, finalement, de simuler l'effet d'occlusion objectif. Dans le cas de l'oreille occluse, nous avons modélisé le conduit auditif (voir figure 2(b)) avec un bouchon d'oreille à géométrie simplifiée (figure 2(c)). Les tissus biologiques et le bouchon d'oreille ont été définis d'après les propriétés des matériaux recensées dans la littérature scientifique. Différents ensembles de propriétés ont été proposés pour les tissus biologiques selon les données de la littérature et sont utilisés ici afin d'évaluer leur influence sur l'effet d'occlusion. La tête était « immergée » dans l'air. Pour simuler une excitation communiquée par conduction osseuse, généralement transmise par transducteur (sorte de vibrateur à usage clinique), nous avons appliqué une force dynamique normale par unité de surface sur une zone des tissus mous recouvrant la mastoïde et correspondant à l'emplacement du transducteur. Nous avons effectué les calculs dans une gamme de fréquences variant entre 125 Hz et 1000 Hz par bandes de tiers d'octave.Définition : Les bandes de tiers d'octave sont communément utilisées en génie acoustique pour faciliter l'analyse. La fréquence supérieure de chaque bande de tiers d'octave correspond à la fréquence de la bande inférieure multipliée par la racine cubique de deux.
Comparaison entre simulations et résultats expérimentaux
La figure 3 montre les effets d'occlusion simulés correspondant aux diverses propriétés des tissus biologiques (fines lignes grises continues). Les résultats de la simulation s'accordent avec les données expérimentales obtenues sur des groupes de participants dans la littérature (ligne pointillée bleue et ligne pointillée violette). Ils mettent en évidence la variabilité de l'effet d'occlusion causée par les changements de propriétés des tissus biologiques. En d'autres termes, différentes personnes ressentent différents niveaux d'effet d'occlusion en pratique, ce qui s'explique partiellement par les différentes propriétés de leurs tissus biologiques. On peut également observer que la variabilité des résultats de simulation est inférieure à celle des données expérimentales. Cela peut s'expliquer par le fait que, lors des mesures expérimentales sur des sujets humains, la géométrie de la tête (oreille), l'emplacement du transducteur à conduction osseuse et la position où le niveau de bruit est mesuré dans le conduit auditif ne peuvent être entièrement maîtrisés. Au contraire, lors des simulations, les facteurs autres que les propriétés des tissus sont considérées comme invariables.
Perspectives
Dans la suite du projet, nous avons fabriqué une tête artificielle (figure 4) à partir de la même géométrie que le modèle numérique afin de mesurer l'effet d'occlusion des bouchons d'oreille dans la pratique. Il nous faut encore travailler sur les matériaux utilisés dans la fabrication de cette tête artificielle afin d'obtenir une meilleure prédiction de l'effet d'occlusion. À long terme, notre groupe de recherche espère disposer de testeurs virtuels et physiques robustes pour évaluer l'effet d'occlusion des protections auditives.
Complément d'information
Pour plus d'informations concernant le modèle numérique de la tête humaine, veuillez consulter l'article suivant :
Xu, H., Sgard, F., Carillo, K., Wagnac, É., & de Guise, J. (2021). Simulation of the objective occlusion effect induced by bone-conducted stimulation using a three-dimensional finite-element model of a human head. The Journal of the Acoustical Society of America, 150(5), 4018-4030.
Pour l'évolution de l'effet d'occlusion de sa découverte à nos jours, veuillez consulter l'article suivant :
Huiyang Xu
Huiyang Xu est doctorante au Département d'ingénierie des systèmes de l'ÉTS. Elle étudie l'effet d'occlusion en proposant des testeurs virtuels et physiques.
Programme : Génie des opérations et de la logistique
Laboratoires de recherche : GRAM-Groupe de Recherche en Acoustique à Montréal
Franck Sgard
Franck Sgard est chercheur principal à l'IRSST et professeur associé au Département de génie mécanique de l'ÉTS.
Kévin Carillo
Kévin Carillo est doctorant au Département de Génie mécanique de l'ÉTS. Son projet de recherche porte sur l'étude de l'effet d'occlusion et vise à proposer et développer à terme des bouchons d'oreille.
Programme : Génie mécanique
Laboratoires de recherche : GRAM-Groupe de Recherche en Acoustique à Montréal
Éric Wagnac
Éric Wagnac est professeur au département de génie mécanique de l'ÉTS. Ses recherches portent sur la biomécanique, la conception par ordinateur, la simulation par éléments finis, les dispositifs de protection et les outils chirurgicaux.
Programme : Génie mécanique
Laboratoires de recherche : LIO – Laboratoire de recherche en imagerie et orthopédie
Jacques De Guise
Jacques de Guise est professeur au Département de génie de la production automatisée à l'ÉTS et professeur associé au Département de chirurgie de la Faculté de médecine de l'Université de Montréal.
Programme : Génie de la production automatisée