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'Simulation und Vergleich von Sprachkodierungsstrategien in Cochlear Implantaten'

Masterarbeit: Timo Bräcker

Abgabetermin: 25.02.2008

Gutachter: Prof. Dr. Dr. Birger Kollmeier, Dr. Michael Schulte


Zusammenfassung

Einer der wichtigsten Aspekte bei der Entwicklung von Cochlea Implantaten (CI) ist die Wahl der zugrundeliegenden Kodierungsstrategie. Die Fragestellung dieser Arbeit umfasst im ersten Teil die Simulation von zwei Signalkodierungsmethoden: Zum einen die Simulation der in vielen CI etablierten "Continuous Interleaved Sampling" (CIS)- Strategie, zum anderen die Simulation einer neuartigen Strategie zur Übertragung zeitlicher Signalinformation, bei der nicht nur die Information der Einhüllenden der kanalspezifischen Signalanteile abgetastet und verarbeitet wird, sondern zusätzlich die der Feinstruktur. Es werden zudem subjektive Messungen mit normalhörenden Versuchspersonen vorgestellt, in denen das Sprachverstehen sowie die Musikwahrnehmung durch die Übertragung zeitlicher Feinstrukturinformation einerseits und durch die Übertragung ortsspezifischer Hüllkurveninformation andererseits miteinander verglichen werden. Im zweiten Teil der Arbeit wird die CIS-Strategie mit der aktuell in dem Sprachprozessor OPUS2 der Firma Med-El GmbH implementierten Feinstrukturstrategie "Fine Structure Processing" (FSP) verglichen. Möglich wurde dieser Vergleich durch Messungen mit vier CI-Trägern, die im Verlauf der Arbeit mit dem OPUS2- Prozessor umversorgt wurden und sich für die beschriebenen Vergleichsmessungen zur Sprachverständlichkeit und zur Musikwahrnehmung mit altem (TEMPO+) und neuem (OPUS2) Prozessor zur Verfügung gestellt haben. Ergänzend dazu wurden die CI-Träger mithilfe mehrerer Fragebögen nach der subjektiv empfundenen Hörwahrnehmung mit beiden Prozessoren befragt.


Die Ergebnisse der im ersten Teil durchgeführten Paarvergleichsmessungen mit normalhörenden Probanden zeigen für Signale mit übertragener Feinstrukturinformation im tieffrequenten Bereich eine subjektiv signifikante Bevorzugung in der Sprachverständlichkeit in Ruhe im Vergleich zu Signalen mit ausschließlich übertragener Hüllkurveninformation. Dieses Ergebnis ist mit Literaturdaten aus Arnoldner et al. (2007) gut vergleichbar. Die Messergebnisse zeigen zudem für die Signale mit steigender Anzahl an Frequenzkanälen mit enthaltener Feinstrukturinformation eine zunehmende Präferenz hinsichtlich der Verständlichkeit. Außerdem wurde der Klang der feinstruktur-verarbeiteten Sprachsignale im Vergleich zu den Signalen mit ausschließlich enthaltener Hüllkurveninformation zumeist als signifikant natürlicher III präferiert.


Die Ergebnisse der Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen, in denen die Sprachverständlichkeit in unterschiedlichen Nutz-Störschall- Situationen untersucht wurde, zeigen für das Sprachverstehen von Sprachsignalen mit enthaltener Feinstrukturinformation insgesamt keine signifikante Verbesserung im Vergleich zu den Sprachsignalen mit ausschließlich übertragener Amplitudeninformation. In der einzelnen Störgeräuschsituation mit stationärem Störsignal konnte allerdings ein signifikant besseres Sprachverstehen beobachtet werden. Diese positive Veränderung der Sprachverständlichkeit im Störgeräusch ist mit Daten aus der Literatur vergleichbar, wo das Sprachverstehen bei zusätzlicher Übertragung der Feinstrukturinformation in durchgeführten Sprachverständlichkeitstests großteils signifikant besser war (Arnoldner et al., 2007). In derMusikwahrnehmung zeigten sich bei der Beurteilung der CI-simulierten Klangbeispiele hinsichtlich Angenehmheit und Klangnatürlichkeit unterschiedliche Tendenzen: Wurden bei dem klassischen, monoinstrumentellen Musikstück die Versionen mit zunehmender Anzahl an verarbeiteten Feinstrukturkanälen als angenehmer und klangnatürlicher bewertet, war es im Gegensatz dazu bei der Beurteilung des latein-amerikanischen, mehrinstrumentellen Klangbeispiels die ausschließlich CISstimulierte Signalversion.


Anhand der Ergebnisse aus den Messungen mit den CI-Trägern lassen sich im zweiten Teil der Arbeit, wie bei den Messungen mit Normalhörenden, ebenfalls einige Aussagen aus bisher durchgeführten Studien zur Übertragung der Feinstrukturinformation bestätigen. Beispielsweise zeigten sich in ähnlicher Form die von Arnoldner et al. (2007) und Nobbe et al. (2006) ermittelten Ergebnisse, dass CI-Träger insgesamt den neuen OPUS2-Sprachprozessor dem Vorgängerprozessor TEMPO+ vorziehen bzw. dass das Hören mit dem neueren System in den meisten Situationen subjektiv als besser empfunden wird. Auch die CI-Träger in der hier vorgestellten Studie beurteilten den Klang mit dem neuen Sprachprozessor in vielen Situationen als natürlicher und heller bzw. klarer. Zudem lässt sich aus den Fragebogendaten die von Smith et al. (2002) beschriebene, grundlegend wichtige Funktion zeitlicher Information für das Richtungshören aus der mit dem OPUS2 als besser beurteilten Lokalisationsfähigkeit der CI-Träger ableiten. Allerdings konnten Vorteile der übertragenen Feinstrukturinformation bzgl. einer IV verbesserten Sprachverständlichkeit im Störgeräusch anhand der durchgeführten Sprachmessungen mit CI-Trägern nur begrenzt festgestellt werden. Es konnten signifikant verbesserte Verständlichkeitsschwellen im Störgeräusch nur in der Situation mit stationärem Störgeräusch gefunden werden. In Situationen mit konkurrierender Sprache als Störgeräusch lag kein signifikant besseres Sprachverstehen vor. Die Ergebnisse ähneln also insgesamt den Resultaten der Simulationsmessungen mit Normalhörenden. Bei den OLSA-Messungen mit den CI-Trägern konnte die in den Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen gefundene signifikante Verbesserung der Sprachverständlichkeit im stationären Stör-geräusch jedoch nicht festgestellt werden.


Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit aus den Simulationsmessungen mit Normalhörenden (in Teil 1) und aus den Vergleichsmessungen (alter vs. neuer Sprachprozessor) mit CI-Trägern (in Teil 2), dass eine Übertragung der Feinstrukturinformation hinsichtlich Klangnatürlichkeit eine grundsätzlich positive Auswirkung auf die Hörwahrnehmung erzielt. Zudem präferierten die Normalhörenden bei der Beurteilung der Sprachverständlichkeit ohne Störgeräusch (Paarvergleichsmessungen) die Sprachsignale desto häufiger, je breiter der Frequenzbereich zur Übertragung der Feinstrukturinformation gewählt wurde. Dagegen konnte anhand der Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen und der OLSA-Messungen insgesamt nicht gezeigt werden, dass die Übertragung zeitlicher Signalinformation einen signifikant positiven Effekt auf die Sprachverständlichkeit im Störgeräusch besitzt. Die These, die Sprachverständlichkeit würde sich aufgrund einer besseren Grundtonübertragung durch die Feinstrukturinformation im Störgeräusch verbessern, konnte sich nur teilweise in den Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen für die Situation in stationärem Störgeräusch, nicht aber generell bzw. in Situationen mit konkurrierendem Sprecher als Störsignal, bestätigen lassen.


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