Das Künstliche Ohr (Silicon Cochlea) Prof. Dr. Rojas
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- Dagmar Pfeiffer
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1 Seminar Der künstliche Mensch Das Künstliche Ohr (Silicon Cochlea) Prof. Dr. Rojas Freie Universität Berlin, Institut für Informatik Jörg Diedrich 1 Andreas Kalender kalender@inf.fu-berlin.de
2 Overview Das menschliche Ohr Aufbau Funktionsweise Silicon Cochlea Komponenten Funktionsweise Kodierungsstrategien (Sprachprozessor) Ausblick und Entwicklung Quellen Jörg Diedrich 2 Andreas Kalender kalender@inf.fu-berlin.de
3 Das menschliche Ohr Das menschliche Ohr Ohrmuschel (1) Gehörgang (2) Trommelfell (3) Mittelohr (4) Hammer (5) Amboss (6) Steigbügel (7) Gleichgewichtsapparat (8) Schnecke (Cochlea) (9) Hörnerv (10) Jörg Diedrich 3 Andreas Kalender kalender@inf.fu-berlin.de
4 Das menschliche Ohr Das äußere Ohr Besteht aus Ohrmuschel (1) und Gehörgang (2) Durchschnittliche Länge 23 mm Durchschnittlicher Durchmesser 6-8 mm Im äußeren Drittel befinden sich Ceruminaldrüsen (geändert vom Autor) Jörg Diedrich 4 Andreas Kalender kalender@inf.fu-berlin.de
5 Das menschliche Ohr Das Mittelohr Trommelfell (3) befindet sich zwischen Gehörgang und Mittelohr Trommelfell Durchmesser ca. 10 mm Trommelfell ist Empfänger der Schallwellen Hammer (5), Amboss (6) und Steigbügel (7) sind Knochen und dienen zur Übertragung der Schallwellen zum Innenohr Die Fußplatte des Steigbügels ist mit der Cochlea (9) verbunden Mittelohr und Rachenraum sind durch die Eustachischen Röhre verbunden, sie dient zum permanenten Druckausgleich (geändert vom Autor) Jörg Diedrich 5 Andreas Kalender kalender@inf.fu-berlin.de
6 Das menschliche Ohr Das Innenohr Cochlea (1) Cochlea ist eine 32 mm lange, spiralförmig gewundene Röhre Cochlea wird durch zwei Membrane in drei Schläuche unterteilt Schläuche sind mit zwei unterschiedlichen Flüssigkeiten gefüllt Zwischen den Flüssigkeiten besteht eine elektrische Spannung, die als Energielieferant für die Reizaufnahme und -weiterleitung genutzt wird (geändert vom Autor) (geändert vom Autor) Jörg Diedrich 6 Andreas Kalender kalender@inf.fu-berlin.de
7 Das menschliche Ohr Cortische Organ Befindet sich in der Mitte der Cochlea auf dem Basilarmembran Es besteht aus ca Haarzellen, die in einer inneren und drei äußeren Reihen angeordnet und in 24 Gruppen unterteilt sind Jede dieser Gruppen ist für einen bestimmten Frequenzbereich zuständig Töne hoher Frequenz werden im vorderen Teil und Töne tiefer Frequenz im hinteren Teil der Cochlea wahrgenommen Die Haarzellen Wandeln mechanische Impulse in bioelektrische Impulse um Sehr empfindliches Organ (geändert vom Autor) Jörg Diedrich 7 Andreas Kalender kalender@inf.fu-berlin.de
8 Das menschliche Ohr Der Hörnerv Nervenbahn bestehend aus ca Fasern Direkt verbunden mit dem Hörzentrum im Gehirn Transportiert die Signale der Haarzellen Der Gleichgewichtsapparat Besteht aus zwei Bläschen (Sacculus & Utriculus) und drei Bögen Sacculus und Utriculus beinhalten winzige Kalksteinchen, deren Position sich mit der Lage des Kopfes verändert (Schwerkraft) Bogengänge registrieren Flüssigkeitsbewegungen, die durch Drehbewegungen des Kopfes ausgelöst werden (geändert vom Autor) Jörg Diedrich 8 Andreas Kalender kalender@inf.fu-berlin.de
9 Silicon Cochlea - Komponenten Mikrofon Sprachprozessor Sendeeinheit Implantat mit Elektrodenträger Jörg Diedrich diedrich@inf.fu-berlin.de 9 Andreas Kalender kalender@inf.fu-berlin.de
10 Silicon Cochlea Funktionsweise (1) Mikrofon Nimmt Schallwellen auf und leitet diese zum Sprachprozessor Sprachprozessor Verstärkt und filtert die Schallwellen Aufbereitete Schallwellen werden in elektrische Impulse umgewandelt Elektrische Impulse werden an Sendeeinheit weitergeleitet Sendeeinheit Spule, die elektromagnetische Hochfrequenzimpulse sendet (Rundfunk) Dauer (ca. 25 µs) und Abfolge der Impulse enthält Daten (geändert vom Autor) Jörg Diedrich 10 Andreas Kalender
11 Silicon Cochlea Funktionsweise (2) Implantat Wertet die eingehenden Signale auf Richtigkeit aus Korrekte Signale werden an Elektrodenträger weitergeleitet (zeitlicher Abstand: ca. 1 ms) Elektrodenträger Elektroden müssen vollständig in der Cochlea sein Probleme Verknöcherung der Cochlea Lösungen Kleine Löcher, durch die die Elektroden Tonotopie gemäß angeordnet werden können Zur Reizung der Hörnervfasern wird eine Spannung an einer bestimmten Elektrode angelegt Leitende Flüssigkeit der Cochlea stimmuliert an dieser Stelle die Hörnervfasern Hörnerv leitet eigene elektrische Signale ans Gehirn (geändert vom Autor) Jörg Diedrich diedrich@inf.fu-berlin.de 11 Andreas Kalender kalender@inf.fu-berlin.de
12 Silicon Cochlea Funktionsweise (3) & Probleme Elektroden Es werden in der Praxis 6-22 Elektroden eingesetzt Höhrwahrnehmung hängt von dieser Anzahl ab Problem Zu viele Elektroden -> Gefahr des Übersprechens Lösungsvorschläge Zu jedem Zeitpunkt wird nur eine Elektrode angesprochen (sequentielle Stimulation) (geändert vom Autor) Jörg Diedrich 12 Andreas Kalender
13 Silicon Cochlea Der Sprachprozessor Umwandeln von akustischen Signalen in Elektrische Kodierung nach Intensität Frequenz spektrale Maxima... (viele weitere) Eigenschaften hängen vom Individuum ab nicht vorher absehbar sehr unterschiedlich Hören muss neu gelernt werden Funktioniert meist nicht bei Erwachsenen, die von Geburt an Taub sind (fehlen synaptischer Verbindungen im Gehirn) Personen, die ertaubt sind, bevor sie sprechen konnten Jörg Diedrich 13 Andreas Kalender
14 Stimulation Stimulation findet durch elektrische Felder statt Felder können jedoch leicht wechselwirken Mindestabstand erforderlich Beschränkte Dichte der Pole verschiedene Stimulationsmodi Bipolare Stimulation Stimulation über zwei Pole Stimulation am entsprechenden Ort (Ortskodiert) Ein Elektrodenpol als Referenz Je weiter Referenz entfernt ist, desto geringer Hör- und Unbehaglichkeitsschwelle geringer Auflösung Jörg Diedrich 14 Andreas Kalender
15 Stimulation Monopolare Stimulation Nur ein Pol nötig geringer Energieverbrauch Niedrige Hörschwellen Cochlea wird komplett stimuliert Scharfe Kanaltrennung nicht möglich Common-Ground-Modus Immer nur eine Elektrode aktiv Restlichen Elektroden dienen als Referenz (Ground) Niedriger Energieverbrauch Leichtes Erkennen von Defekten Polen Leichtes Einstellen der Schwellen Jörg Diedrich 15 Andreas Kalender
16 Kodierungsstrategien Analoge Kodierung Direkte lineare Umwandlung der Signale Kein Verstehen von Gesprochenem möglich außer mit Hilfe von Lippenlesen und in wenigen Ausnahmen Compressed Analogue (CA) Weiterentwicklung der Analogen Kodierung Zerlegt Eingangssignal in Frequenzbänder Zeitliche Strukturen werden mit hoher Auflösung weitergegeben Signal wird simultan an allen Elektroden ausgegeben Jörg Diedrich 16 Andreas Kalender
17 Kodierungsstrategien Fast Fourier Transformation Zerlegung in 64 Frequenzbänder von je 122 Hz im Bereich Hz Hohe Auflösung der Frequenzen Sequentielle proportionale Umsetzung Feature Extraction Extrahiert nur relevante / gesprochene Information Wiedergabe nach Ortskodierung Grundfrequenz bestimmt Reizfolge Zweite Oberwelle bestimmt Elektrodenwahl Gesamtamplitude bestimmt Stromstärke Jörg Diedrich diedrich@inf.fu-berlin.de 17 Andreas Kalender kalender@inf.fu-berlin.de
18 Kodierungsstrategien Continuous Interleaved Sampler (CIS)* Zerlegt Eingangssignal in Frequenzbänder Anzahl Frequenzbänder = Anzahl Elektrodenpole Zwei Pole bilden einen Kanal Kanäle werden nicht-simultan stimuliert Keine Kanalinteraktion möglich Frequenzen werden einzeln, proportional zum Eingangsignal auf einen Kanal gelegt Hohe Stimulationsfrequenz Niedrige Auflösung der Frequenzen CIS+ Benutzt Hilbert-Transformation Langsam aber hohe Auflösung Einfache und günstige Hardware Jörg Diedrich diedrich@inf.fu-berlin.de 18 Andreas Kalender kalender@inf.fu-berlin.de
19 Kodierungsstrategien Paired Pulsatile Sampler (PPS)* Weiterentwicklung von CIS Teilsimultan Zwei nicht benachbarte Kanäle werden parallel angesteuert Somit weiterhin keine Kanalinteraktion Höhere Stimulationsfrequenz Quadruple Pulsatile Sampler (QPS) Weiterentwicklung von PPS Jörg Diedrich 19 Andreas Kalender
20 Kodierungsstrategien Spektrale Maxima (SPEAK)* Analyse der Spektralen Maxima Auswahl von 8 Maxima aus 20 Frequenzbändern Gute Spracherkennung Wenig Einfluss von Störgeräuschen Hohe Frequenzauflösung Geringe Stimulationsfrequenz Advanced Combination Encoders (ACE)* Kombination aus SPEAK und CIS Hohe Frequenzauflösung Hohe Stimulationsfrequenz Jörg Diedrich diedrich@inf.fu-berlin.de 20 Andreas Kalender kalender@inf.fu-berlin.de
21 Kodierungsstrategien Fast-Rate-Stimulation (FRS) Analyse durch digitale Filter 2ter Ordnung Einteilung in 5 Frequenzbänder Nur 5 (von 15) Elektropole werden gleichzeitig angesteuert Multi-Rate-Stimulation (MRS) Analyse und Stimulation wie bei FRS Frequenz der Stimulation Frequenzabhängig Elektroden an der äußeren Schnecke 1 khz Elektroden an der inneren Schnecke 250 Hz HiResolution-Sound (HiRes -Sound)* Hohe Pulsraten Versuch auch Musik hörbar zu machen geringe Störrgeräusche * Aktuell verbreitete Kodierungsstrategien Jörg Diedrich diedrich@inf.fu-berlin.de 21 Andreas Kalender kalender@inf.fu-berlin.de
22 Ausblick und Entwicklung Vollständiges Implantat Ein Sprachprozessor für zwei Implantate Minimierung des Strombedarf Minimierung des Aufbaus Integriertes Mikrofon und Prozessor Tiefere Einpflanzung Verbesserung der Elektroden Stimulation durch ca. 20 Elektroden muss zig-tausende natürliche Neuronen ersetzen Präziseres Setzen der Stimulatoren Bessere Schirmung der elektrischen Felder Interaktion der Felder kann Signale stören Anwachsen an Bindegewebe So wächst der Stimulator an die Nervenzelle an Jörg Diedrich 22 Andreas Kalender
23 Verbesserung des Sprachprozessors weitere Minimierung höhere Stimulationsfrequenzen bessere Filter für Störgeräusche geringere Druckempfindlichkeit Jörg Diedrich 23 Andreas Kalender
24 Quellen Improved Implementation Of The Silicon Cochlea Watts A Bidirectional analog VLSI Cochlea Model Watts Cochlear Mechanics Watts A Statistical Approach To Automatic Speech Recognition Using The Atomic Speech Units Constructed From Overlapping Articulatory Features X. Sun Non Stationary Hidden Markov Models For Speech Recognition X. Sun Energy-Efficient Adaptive Signal Decomposition the Silicon And Biological Cochlea Sarpeshkar Improved Silicon Cochlea using Compatible Lateral Bipolar Transistors van Schaik Choclea Implantat Systeme MDS Brain-Computer-Interfaces Prof. Dr. M.C. Hepp-Reymond Univ.-HNO-Klinik Heidelberg Prof. Dr. med. P.K. Plinkert Jörg Diedrich diedrich@inf.fu-berlin.de 24 Andreas Kalender kalender@inf.fu-berlin.de
25 Danke! Jörg Diedrich 25 Andreas Kalender
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