Tools and methods dedicated to the design and selection of earplugs that are adapted to the user' earcanal morphology and physically comfortable

Poissenot-Arrigoni, Bastien (2023). Tools and methods dedicated to the design and selection of earplugs that are adapted to the user' earcanal morphology and physically comfortable. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Disposable and reusable earplugs are widely used to prevent hearing loss in the workplace. To effectively protect users, earplugs must provide adequate sound attenuation and be worn consistently. The attenuation of earplugs depends on many factors, including the morphology of the user's earcanal and the physical characteristics of the earplug, which must be able to fit the earcanal and create an acoustic seal. Even if a proper fit is feasible, discomforts experienced by the wearer can make him/her deteriorate intentionally the fit quality or remove the protector which causes a drastic reduction in protection. Acoustical test fixtures (ATFs), dedicated to earplugs attenuation testing, are equipped with straight cylindrical earcanals of a single size and are therefore unable to assess how well earplugs can fit different earcanal morphologies. An ATF intended to test how earplugs can fit different users (in the designing phase of the earplug for example) should allow for a variety of earcanals shapes. There is thus, a need for more realistic artificial ears available in a variety of sizes and shapes and morphologically representative of targeted populations. In addition, disposable and reusable earplugs are available in a wide variety of shapes and materials, but there is no consensus on a simple and straightforward selection method that will ensure sufficient attenuation for a given worker (field attenuation estimation systems exist but are not widely deployed in the field). It is not known which model and size of earplug is best suited for each unique earcanal, and the packaging of earplugs gives little indication on the subject. Thus, there is a need for methods to select earplugs using simple field-specific tools. Finally, even if an earplug provides the right amount of attenuation to the user when properly fitted, its effectiveness decreases significantly if worn intermittently. One of the main causes of misuse or non-use of earplugs is the discomfort they induce to the user. Discomfort results from interactions between various characteristics of the earplug (e.g., shape or softness), users (e.g., earcanal morphology), and the work environment (e.g., temperature, duration of work shift), which form the triad concept. Knowledge of the relationship between triad characteristics and comfort could help in the design of more comfortable earplugs. This thesis addresses the challenges of (i) designing dedicated tools (artificial ears) for testing and designing earplugs that provide good fit and attenuation to the widest range of earcanal morphologies, (ii) selecting earplugs that fit users' earcanal morphologies using earcanal sizing tools easily accessible in the field, and (iii), understanding the physical discomfort of earplugs by identifying the triad characteristics related to the main attributes of this comfort dimension and assessed in the field. Three papers successively address these challenges. In the first paper, a methodology to cluster earcanals according to their morphology in order to design artificial ears dedicated to the measurement of sound attenuation was developed and applied to a sample of earcanals from Canadian workers. Morphological indicators of earcanals that correlate with the attenuations of six commercial earplug models were first identified. Three clusters of earcanals were then generated using statistical analysis and an artificial intelligence-based algorithm. The clusters differ in the length of the earcanal and in the area and ovality of the cross-section of the first bend. The group with small earcanals and round first bend cross-section shows significantly higher earplug-induced attenuation than the cluster with larger, more oval first bend crosssection. In the second paper, the morphological database constructed in the first paper is compared to earcanal size assessed using the 3MTM Eargage earcanal sizing tool (EST) (which is a simple and inexpensive tool that can be deployed in the field to assess earcanal size). Relationships between the attenuation measured on participants for 6 different earplugs and the earcanal size assessed with the EST are established using box plots and comparison tests. The results show that the EST can help in the selection of earplugs by detecting people with extra-large earcanals who are most likely to be under-protected. In the third paper, the comfort of 7 different models of disposable and reusable earplugs was evaluated in the field with 173 participants exposed daily to noise at their workplace using questionnaires. The characteristics of the triad (person/earplug/environment) were assessed both by questionnaires and in the laboratory by objective measurements. Linear mixed-effects modeling showed that high radial force and friction coefficient of the earplugs promote physical discomfort. In addition, workers found their earplugs less physically uncomfortable if they were accustomed to wearing them before participating in the study. Workers with a large circular earcanal entrance cross-section found their earplugs more physically annoying and painful. Overall, this thesis provides design and selection tools for designing and selecting more physically comfortable earplugs and that are adapted to the user's morphology.

Titre traduit

Outils et méthodes dédiés à la conception et à la sélection de bouchons d'oreilles adaptés à la morphologie du conduit auditif de l'utilisateur et physiquement confortables

Résumé traduit

Les bouchons d'oreille jetables et réutilisables sont largement utilisés pour prévenir la perte d'audition sur le lieu de travail. Pour protéger efficacement les utilisateurs, les bouchons d'oreilles doivent fournir une atténuation sonore adéquate et être portés de manière constante. L'atténuation des bouchons d'oreille dépend de nombreux facteurs, notamment de la morphologie du conduit auditif de l'utilisateur et des caractéristiques physiques du bouchon d'oreille, qui doit pouvoir s'adapter au conduit auditif et créer un joint acoustique. Même s’il est possible d’obtenir un fit correct, l’inconfort subit par le l’utilisateur peuvent l'amener à détériorer intentionnellement la qualité de l'ajustement ou à retirer le bouchon, ce qui entraîne une réduction drastique de la protection. Les têtes artificielles, dédiées à la mesure d'atténuation des bouchons d'oreille, sont équipées de conduits cylindriques droits de taille unique et sont donc incapables d'évaluer dans quelle mesure les bouchons d'oreille peuvent s'adapter à différentes morphologies de conduits auditifs. Une tête artificielle destinée à tester la façon dont les bouchons d'oreille peuvent s'adapter à différents utilisateurs (dans la phase de conception du bouchon d'oreille par exemple) devraient permettre une variété de formes de conduits auditifs. Il est donc nécessaire de disposer d'oreilles artificielles plus réalistes, disponibles dans une variété de tailles et de formes et morphologiquement représentatives des populations ciblées. En outre, les bouchons d'oreilles jetables et réutilisables sont disponibles dans une grande variété de formes et de matériaux, mais il n'existe pas de consensus sur une méthode de sélection simple et directe qui garantirait une atténuation suffisante pour un travailleur donné (il existe des systèmes d'estimation de l'atténuation sur le terrain, mais ils ne sont pas largement déployés sur le terrain). On ne sait pas quel modèle et quelle taille de bouchon d'oreille convient le mieux à chaque conduit auditif, et l'emballage des bouchons d'oreilles donne peu d'indications à ce sujet. Il est donc nécessaire de mettre au point des méthodes de sélection des bouchons à l'aide d'outils simples et adaptés au terrain. Enfin, même si un bouchon d'oreille fournit à l'utilisateur la bonne atténuation lorsqu'il est bien ajusté, son efficacité diminue considérablement s'il est porté de manière intermittente. L'une des principales causes de la mauvaise utilisation ou de la non-utilisation des bouchons d'oreilles est l’inconfort qu'ils provoquent chez l'utilisateur. L’inconfort résulte d'interactions entre diverses caractéristiques du bouchon (par exemple, sa forme ou sa souplesse), l’utilisateur (par exemple, la morphologie du conduit auditif) et l'environnement de travail (par exemple, la température, la durée du temps de travail), qui forment le concept de la triade. La connaissance de la relation entre les caractéristiques de la triade et le confort pourrait aider à la conception de bouchons d'oreille plus confortables. Cette thèse adresse les défis suivants : (i) concevoir des outils dédiés (oreilles artificielles) pour tester et concevoir des bouchons d'oreille qui offrent une bonne adaptation et une bonne atténuation à la plus large gamme de morphologies de l'oreille, (ii) sélectionner des bouchons d'oreilles adaptés aux morphologies des utilisateurs en utilisant des outils de dimensionnement du conduit auditif facilement accessibles sur le terrain, et (iii) comprendre l'inconfort physique des bouchons en identifiant les caractéristiques de la triade liées aux principaux attributs de cette dimension du confort et évaluées sur le terrain. Trois articles abordent successivement ces défis. Dans le premier article, une méthodologie permettant de regrouper les conduits auditifs en fonction de leur morphologie afin de concevoir des oreilles artificielles dédiées à la mesure de l'atténuation sonore a été développée et appliquée à un échantillon de conduits auditifs de travailleurs canadiens. Les indicateurs morphologiques des conduits auditifs qui sont en corrélation avec les atténuations de six modèles de bouchons d'oreille commerciaux ont d'abord été identifiés. Trois clusters de conduits auditifs ont ensuite été générés à l'aide d'une analyse statistique et d'un algorithme basé sur l'intelligence artificielle. Les clusters diffèrent par la longueur du conduit auditif et par la surface et l'ovalité de la section transversale du premier coude. Le cluster avec de petits conduits auditifs et une section transversale de la première courbure ronde présente une atténuation induite par le bouchon d'oreille significativement plus élevée que le cluster avec une section transversale du premier coude plus large et plus ovale. Dans le second article, la base de données morphologiques construite dans le premier article est comparée à la taille des conduits auditifs évaluée à l'aide de l'outil 3MTM Eargage earcanal sizing tool (EST) (dimensionnement de conduit auditif) (qui est un outil simple et peu coûteux pouvant être déployé sur le terrain pour évaluer la taille des conduits auditifs). Les relations entre l'atténuation mesurée sur les participants pour 6 bouchons d'oreille différents et la taille du conduit auditif évaluée avec l'EST sont établies à l'aide de diagrammes en boîte et de tests de comparaison. Les résultats montrent que l'EST peut aider à sélectionner les bouchons d'oreilles en détectant les personnes dont les conduits auditifs sont très larges et qui sont le plus susceptibles d'être sous-protégées. Dans le troisième article, le confort de 7 modèles différents de bouchons jetables et réutilisables a été évalué sur le terrain avec 173 participants exposés quotidiennement au bruit sur leur lieu de travail à l'aide de questionnaires. Les caractéristiques de la triade (personne/bouchon/environnement) ont été évaluées à la fois par des questionnaires et en laboratoire par des mesures objectives. Des analyses à mesures répétées ont montré que la force radiale et le coefficient de frottement élevés des bouchons favorisent l'inconfort physique. En outre, les travailleurs ont trouvé leurs bouchons moins inconfortables physiquement s'ils avaient l'habitude de les porter avant de participer à l'étude. Les travailleurs dont la section d'entrée du conduit auditif est large et circulaire ont trouvé leurs bouchons d'oreille plus gênants et douloureux. Dans l'ensemble, cette thèse fournit des outils de conception et de sélection pour concevoir et sélectionner des bouchons d'oreille plus confortables physiquement et adaptés à la morphologie de l'utilisateur.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 151-158).
Mots-clés libres:	bouchons d’oreilles, confort physique, morphologie, atténuation, sélection de bouchons
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Doutres, Olivier
Codirecteur:	Codirecteur Sgard, Franck
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	20 sept. 2023 14:09
Dernière modification:	20 sept. 2023 14:09
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3278

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