Viele Menschen, die ein Hörgerät nutzen, haben oft Schwierigkeiten, bei Hinter-grundlärm ihren Gesprächs-partner zu verstehen. Insbesondere bei sogenannten Cochlea-Implantaten (CI) liegt dies wesentlich daran, dass nicht alle Funktionen eines Ohres übernommen werden können. Um CI-Trägern räumliches Hören sowie verbessertes Sprachverstehen zu ermöglichen, arbeiten das Institut für Informationsverarbeitung (TNT) der Leibniz Universität Hannover sowie das Deutsche Hörzentrum (DHZ) im Bereich Hörforschung gemeinsam an technischen Lösungen

Hinrichs, Reemt

Ostermann, Jörn

German

Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover

L e i b n i z  U n i v e r s i t ä t  H a n n o v e rH ö r f o r s c h u n gJeder kennt es: Man trifft sich mit Freunden in einem Restau-rant und trotz der Gespräche anderer Gäste ist es uns leicht möglich uns gegenseitig zu verstehen. Dies ist der soge-nannte „Cocktailparty”-Effekt. Mit zwei gesunden Ohren ist es dem Menschen möglich, in Gesprächen seine Aufmerk-samkeit, trotz Hintergrund-lärms, auf den Gesprächspart-ner zu konzentrieren. Ermög-licht wird dies maßgeblich durch die Kombination der empfangenen Schallsignale des linken sowie des rechten Ohres. Dadurch können Un-terschiede etwa in der Laut-stärke oder in der Laufzeit zur Lenkung der Aufmerksamkeit genutzt werden. Diese Unter-schiede sind es auch, die es uns gestatten, Schallquellen im Raum zu lokalisieren, so-wie die Größe von uns umge-benden Räumen einzuschät-zen. Die letztgenannten Fähig-keiten werden als räumliches Hören bezeichnet.Was für normalhörende Men-schen selbstverständlich ist, stellt ein großes Problem für Menschen mit einem soge-nannten Cochlea-Implantat dar. Diese Geräte sind in der Lage, mittels direkter Stimula-tion der Hörnerven vielen ge-hörlosen Menschen ein Hör-empfinden zurückzugeben. Die wesentlichen Komponen-ten eines CIs, dargestellt in Abbildung 1, sind ein Mikro-phon, welches das akustische Signal aufnimmt, ein Signal-prozessor, der die Signale des Mikrophons in elektrische Ströme umwandelt, und An-regungselektronik, welche, implantiert in Ohr und Coch-lea, den eigentlichen Hörein-druck erzeugt. Während die Anregungselektronik fest in das Gehör eines CI-Trägers implantiert ist, werden sowohl das Mikrophon als auch der Signalprozessor, die neben der Übertragungsspule den äuße-ren Teil eines CIs bilden, heut-zutage hinter dem Ohr getra-gen und sind nach Belieben auf- und absetzbar. Lange Zeit wurden CIs nur unilateral eingesetzt, das heißt, dass nur in einem Ohr ein CI implantiert wurde. Mit dieser Konfiguration ist es grundsätzlich nicht möglich, die Vorteile des binauralen Hörens, also des Hörens mit zwei Ohren, zu nutzen. Des-wegen ist es unilateralen CI-Nutzern zum Beispiel nur schwer möglich, die Position von Schallquellen im Raum zu schätzen. Diese Möglichkeit 1Links und rechts verbindenRäumliches Hören mit Cochlea-ImplantatenViele Menschen, die ein  Hörgerät nutzen, haben oft Schwierigkeiten, bei Hinter-grundlärm ihren Gesprächs-partner zu verstehen.  Insbesondere bei sogenannten Cochlea-Implantaten (CI) liegt dies wesentlich daran, dass nicht alle Funktionen eines  Ohres übernommen werden können. Um CI-Trägern räumliches  Hören sowie verbessertes Sprachverstehen zu ermög-lichen, arbeiten das Institut für Informationsverarbeitung (TNT) der Leibniz Universität  Hannover sowie das Deutsche Hörzentrum (DHZ) im Bereich Hörforschung gemeinsam an technischen Lösungen.Abbildung 1Cochlea-Implantat (CI)Quelle: https://www.klinikum.uni- heidelberg.de/kopfklinik-zentrum/hals-nasen-und-ohrenklinik/ueber-uns/ci-rehabilitationszentrum/das-cochlea-implantat-ci       50L e i b n i z  U n i v e r s i t ä t  H a n n o v e rH ö r f o r s c h u n geröffnet sich Hörgeschädigten erst mit der Implantierung eines weiteren CIs in das je-weils andere Ohr, man spricht von bilateralen CIs (BiCIs). Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass die Vorteile des binauralen Hörens, welche Normalhörende haben, nicht ohne weiteres bei den BiCI-Nutzern zum Tragen kom-men. Es scheint CI-Nutzern nicht wie Normalhörenden möglich zu sein, die Informa-tionen beider Ohren zu ver-binden. Die Ursache dafür ist nicht restlos erforscht, es wer-den unter anderem Mechanis-men unterhalb der Ebene des Hirnstamms vermutet, die eine direkte Kommunikation zwischen den Ohren bewerk-stelligen, welche im Rahmen der Hörschädigung beein-trächtigt ist. Während in ruhigen Situatio-nen das Sprachverstehen mit der aktuellen CI-Generation, auch mit unilateralen CIs, pro-blemlos funktioniert und auch die (grobe) Lokalisation mit  BiCIs möglich ist, stellen auch mit heutiger Technologie Situ-ationen mit wesentlichem Hintergrundpegel, wie in einem Restaurant oder einer Feier, ein Problem dar, und das Verstehen von Sprache so-wie das räumliche Hören wird für CI-Träger schnell unmög-lich, bedeutend schneller als für Normalhörende. Dies hat einen negativen Einfluss auf die ge sell schaftliche Teilhabe und kann mitunter zu zuneh-mender Isolation der CI-Träger füh ren. Ein wesentlicher Teil der Forschung im Bereich der Cochlea-Implantate versucht genau dieses Problem zu be-heben. Im Zusammenhang mit BiCIs können sogenannte binaurale Signalverarbeitungsstrategien (BSS) angewendet werden, welche auditorische Informati-onen des CIs im linken sowie im rechten Ohr nutzen und verbinden, um das Sprachver-stehen insgesamt zu verbes-sern. Eine einfache Möglich-keit ist etwa, bestehende Asym metrien hinsichtlich der Hörleistung zwischen den Oh-ren, welche viele CI-Nutzer aufweisen, auszunutzen. Situ-ationsbedingt können dann die akustischen Signale der Ohren getauscht werden, um das besserhörende Ohr auszu-nutzen. Kompliziertere BSS bil-den wiederum Mechanismen eines intakten Gehörs nach, in welchem es Wechselwirkun-gen zwischen den Ohren gibt. Durch zusätzliche Signalverar-beitung, welche weitere Teile der Funktion der Ohren nach-bildet, kann so das Sprachver-stehen und die Lokalisations-fähigkeit verbessert werden. Unabhängig von der Komple-xität der eingesetzten BSS ist diesen gemein, dass Informa-tionen zwischen den beiden Ohren ausgetauscht werden müssen, das heißt es ist eine Datenübertragung, wie in Ab-bildung 2, zwischen den Ohren notwendig. Aus ästhetischen sowie praktischen Gründen ist dazu eine drahtlose Verbin-dung wünschenswert. Draht-los können aktuelle CIs bereits zum Beispiel mit Smartphones kommunizieren, wodurch etwa direkt das Audiosignal von Filmen an das CI ge-streamt werden kann.Insbesondere Nutzern von Smartphones wird bewusst sein, dass eine drahtlose Kom-munikation energieintensiv ist und sich vergleichsweise schnell im Akkustand be-merkbar macht. Cochlea-Im-plantate sind batteriebetriebe-ne Geräte, weswegen die zur Verfügung stehende Energie stark limitiert ist. Da der äuße-re Teil eines CIs möglichst kompakt gebaut sein soll, kön-nen keine größeren Energie-träger verwendet werden. Dies zwingt dazu, die ausge-tauschte Datenmenge der BSS möglichst klein zu halten. Dies kann erreicht werden, in dem diese Daten komprimiert werden. Zwar existieren allge-meine Datenkompressionsal-gorithmen, welche in bekann-ten Programmen wie Winzip zum Einsatz kommen, jedoch sind anwendungsspezifische Algorithmen den allgemeinen Verfahren überlegen, weswe-gen es zum Beispiel speziali-sierte Algorithmen für die Vi-deo- sowie Audiokompression gibt. Für BiCIs respektive BSS entwickelte Kompressionsal-gorithmen existierten bis dato nicht. Im Allgemeinen stehen im Be-reich der Datenkompression die drei Größen Rekonstrukti-Abbildung 2Zu sehen ist die Kommunikation zwischen bilateralen CIs welche für binaurale Signalverarbei-tungsstrategien notwendig ist.Quelle: https://soundlogicmd.com/wp-content/uploads/2016/12/ CI_Diagram.png (angepasst)2Als Codec (Silbenwort  aus englisch coder, deutsch Kodierer, und  decoder, deutsch Deko-dierer) bezeichnet man ein Algorithmenpaar oder eine Software, die Daten oder Signale digital ko-diert und dekodiert. Im Kontext der Datenkom-pression ist also damit der Verbund eines Kompres-sions- und eines Dekom-pressionsalgorithmus be-zeichnet.       51L e i b n i z  U n i v e r s i t ä t  H a n n o v e rH ö r f o r s c h u n gonsgüte, Kompressionsgrad sowie die sogenannte algo-rithmische Latenz in einer Wechselbeziehung. Eine höhe-re Rekonstruktionsgüte, ein Begriff, der den Unterschied zwischen den Originaldaten und den dekomprimierten Da-ten bezeichnet, erfordert übli-cherweise einen geringeren Kompressionsgrad oder eine höhere algorithmische Latenz. Der Kompressionsgrad be-zeichnet das Verhältnis der unkomprimierten zur kompri-mierten Datenmenge. Ein ge-ringerer Kompressionsgrad bedeutet, dass eine größere Zahl an Bits für die Darstel-lung oder Übertragung der Daten benötigt wird. Für eine drahtlose Übertragung dieser Daten ist dies gleichbedeutend mit einer höheren Bitrate. Die algorithmische Latenz be-zeichnet die einem Kompres-sionsalgorithmus intrinsische zeitliche Verzögerung, die etwa durch Warten auf eine gewisse Datenmenge auftre-ten kann. Eine höhere algo-rithmische Latenz führt somit zu einer größeren Zeitdauer, die vergeht, bis Daten kompri-miert sind und an das andere Ohr versendet werden kön-nen. Dies kann in zeitkriti-schen Anwendungen uner-wünscht sein.Konventionell würde im Kon-text der BSS das Audiosignal, welches vom Mikrophon eines CIs aufgenommen wur-de, mittels bekannter Audio-kompressionsverfahren kom-primiert werden und das komprimierte Signal an das andere CI versendet werden. Dort würde das Signal de-komprimiert und weiterverar-beitet werden. Dieses Vorge-hen ist in Abbildung 3 (a) zu  sehen.Das Deutsche Hörzentrum (DHZ) und das Institut für In-formationsverarbeitung (TNT) arbeiten im Bereich der Hör-forschung zusammen, um CI-Trägern räumliches Hören so-wie verbessertes Sprachverste-hen zu ermöglichen. Am TNT wird im Rahmen eines von der deutschen Forschungsge-sellschaft geförderten Projekts an einer auf CIs spezialisierten Kompressionstechnik („Elec-trocodec”) geforscht. Zwar kann die Wechselbeziehung zwischen Rekonstruktionsgü-te, Kompressionsgrad sowie algorithmischer Latenz nicht aufgehoben werden, jedoch durch Vernachlässigung von subjektiv nicht wahrnehmba-ren Signalbestandteilen ein besserer „Arbeitspunkt” ge-funden werden. Anders als  bei üblichen Kompressions-verfahren wird nicht das Au-diosignal, welches das Mikro-phon aufnimmt, verwendet. Stattdessen werden die Erre-gungsmuster, welche ein CI aus den Mikrophonsignalen erzeugt, komprimiert, wie in Abbildung 3 (b) dargestellt. Als Erregungsmuster wird die Ab-folge von Stromwerten, in die der Signalprozessor eines CIs die Audiosignale des Mikro-phons transformiert, bezeich-net, mit denen dann die Hör-nerven in der Cochlea erregt werden. In den Erregungs-mustern sind in kompakter Form die wesentlichen Infor-mationen des Höreindrucks enthalten und für den CI-Nut-zer irrelevante Bestandteile entfernt. Dies macht es attrak-tiv an dieser Stelle mit einem neuen Kompressionsalgorith-mus anzusetzen. Ein erster Entwurf wurde bereits erfolg-reich am DHZ an CI-Nutzern getestet. Hierbei zeigte sich unser Verfahren einem mo-dernen Audiocodec als überle-gen. Es konnte gleiche Sprach-verständlichkeit bei geringerer algorithmischer Latenz und höherem Kompressionsgrad erreicht werden. Am DHZ wird derzeit unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Waldo Nogueira an einer neu-en BSS („BINOM”) geforscht, welche nicht nur das Sprach-3aAbbildung 3(a): Konventionell: Ein Audio-codec komprimiert das Mikro-phonsignal eines CIs, welches an-schließend drahtlos an das andere CI versendet wird. Dort wird das Signal dekomprimiert und steht für weitere Signalver arbeitung zur Verfügung. Dargestellt ist nur eine Richtung der Kommuni-kation. (b): Neu: Unser Codec („Electrocodec”) komprimiert nicht das Mikrophonsignal son-dern die Erregungsmuster des CI. Diese können anschließend draht-los an das andere CI übertragen werden und stehen für weitere Si-gnalverarbeitung zur Verfügung. Dargestellt ist nur eine Richtung der Kommunikation.3b       52L e i b n i z  U n i v e r s i t ä t  H a n n o v e rH ö r f o r s c h u n gAbbildung 4(a): Die binaurale Signalverarbei-tung („BINOM”) samt Electro-codec ist deaktiviert und das Sprachverstehen ist auf Grund ei-ner Geräuschkulisse vermindert.(b): Durch Übermittlung und Verwendung der Erregungsmus-ter des linken Ohres an das rechte kann das Sprachverstehen durch BINOM verbessert werden. Durch die Kompression des  Electrocodec ist die notwendige Energie für die drahtlosen Über-tragung minimal.Quellen: https://thenounproject.com/term/idea/147191/; https://thenoun-project.com/; search/?q=noise&i=1149483 (angepasst); https://icons8.com/icon/23221/voice; https://www.shutterstock.com/image-vector/ cybernetics-cochlear-implant-770293921Reemt Hinrichs, M. Sc.Jahrgang 1986, ist wissen-schaftlicher Mitarbeiter am  Institut für Informationsver-arbeitung. Er beschäftigt sich mit Datenkompression und des-sen Anwendungen im Bereich der Biosignalverarbeitung.  Kontakt: hinrichs@tnt.uni-hannover.deProf. Dr.-Ing. Jörn OstermannJahrgang 1962, ist Mitglied des L3S und leitet das Institut für Informationsverarbeitung. Er forscht auf dem Gebiet der  Signalverarbeitung mit Fokus auf Video-, Sequenzierungs- und Audiodaten. Kontakt:  ostermann@tnt.uni-hannover.deverstehen, sondern auch die Lokalisation von BiCI-Nut-zern insbesondere bei signifi-kantem Hintergrundrauschen verbessern soll. Dazu werden die zwei Signalprozessoren der BiCIs auf spezifische Wei-se verbunden, um Teile der Si-gnalverarbeitung zu synchro-nisieren. Der vom Institut für Informa-tionsverarbeitung entwickelte Kompressionsalgorithmus wird in naher Zukunft zu-sammen mit BINOM vom DHZ an CI-Probanden getes-4atet werden. Schematisch ist dieses Zusammenwirken in Abbildung 4 (a) und (b) zu se-hen. Durch die spezialisierte Kompression der Erregungs-muster kann BINOM das Sprachverstehen und die Lo-kalisation verbessern und gleichzeitig die Batterielauf-zeit möglichst wenig beein-trächtigt werden. Diese Ko-operation zwischen dem DHZ und dem Institut für Informa-tionsverarbeitung wird in Zu-kunft hoffentlich dazu beitra-gen, die Lebensqualität von CI-Nutzern zu verbessern. 4b       53

Links und rechts verbinden : Räumliches Hören mit Cochlea-Implantaten

https://www.repo.uni-hannover.de/bitstream/123456789/10031/1/50_Ostermann_Links%20und%20rechts%20verbinden.pdf

Links und rechts verbinden : Räumliches Hören mit Cochlea-Implantaten

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