Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige

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1 Technische Universität München Lehrstuhl für Mensch-Maschine-Kommunikation Prof. Dr. rer. nat. M. Lang Arbeitsgruppe Technische Akustik Prof. Dr.-Ing. H. Fastl Diplomarbeit Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige Verfasser: Betreuer: Markus Fruhmann Grünauer Allee Unterhaching Dipl. Ing. Josef Chalupper Laborzeit: 2. Juni 1998 bis 2. Dezember 1998 Abgabetermin

2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Grundlagen Das Lautheitsmodell nach Zwicker Rechnerimplementierung des DIN Modells (Modell nach DIN) Hochpass-Filter am Eingang Filterbank Frequenzabhängige Dämpfung Berechnung der Kernlautheiten Spektrale Verdeckung Modifizierte Version des DIN-Modells (Modell nach Moore) Das Würzburger Hörfeld Umrechnung von Sone nach KU Modellanpassung an Schwerhörige Berücksichtigung der veränderten Ruhehörschwelle Ein-Komponenten Ansatz Zwei-Komponenten Ansatz Der Faktor k Berechnung des Faktors k Wirkung des Faktors k Verringerte Frequenzselektivität Modifikation der Filterbank Verringerte Flankensteilheit Implementierung in das Modell nach DIN Implementierung in das modifizierte Modell nach Moore Die entstandenen Modelle Test der Modelle Schmalbandige Signale Berechnungen im Mittel für Normalhörende und Schwerhörige Berechnungen für einzelne Versuchspersonen Breitbandige Signale Grundlagen der Lautheitssummation Hörversuch zur Lautheitssummation Versuchsverfahren Testschalle

3 Inhaltsverzeichnis Die Versuchspersonen Der Versuchsaufbau Versuchsergebnisse Messdaten für Normalhörende Messdaten für Schwerhörige Vergleich mit Berechnungen der einzelnen Modelle Normalhörende im Mittel Schwerhörige im Mittel Einzelne Berechnungen Vergleich der Ergebnisse mit der Literatur Zeitabhängigkeit der Lautheitssummation nach Verhey Messungen der Lautheitssummation bei Normal- und Schwerhörenden nach Appell und Hohmann Pegelabhängigkeit der Lautheitssummation nach Zwicker und Florentine Zusammenfassung und Ausblick... 6 Literaturverzeichnis Anhang Quervergleich der Hörfeldberechnung Zeitabhängigkeit der Lautheitssummation (Dynamisches Modell) Normalhörende Schwerhörige

4 1. Einleitung 1 Einleitung Die Zahl der Menschen mit Hörschäden, ob bedingt durch Alter, Lärmeinwirkung oder ähnliches, hat in den letzten Jahren rapide zugenommen. Dies liegt nicht zuletzt daran, daß durch ein gesteigertes Medieninteresse und bessere Diagnose- und Rehabilitationsmöglichkeiten seitens der Medizin, ein wachsendes Bewußtsein für diese Erkrankungen in der Öffentlichkeit entstanden ist. Ein geschädigtes Gehör kann nur selten operativ behandelt werden. Zum einen ist nicht jeder Hörschaden reparabel, und zum anderen können derartige Operationen große Risiken für den Patienten bergen. Beispielsweise kann dabei als Folge ein Tinnitus zurückbleiben. Die psychologischen Folgen solcher Dauertöne sind nicht zu unterschätzen, betroffene Personen gelten nicht selten sogar als selbstmordgefährdet. Die gebräuchlichste Form der Rehabilitation stellen deshalb Hörgeräte dar, die in den letzten Jahren eine enorme Entwicklung durchlaufen haben. Dies wurde durch die voranschreitende Integration, immer aufwendigerer Signalprozessoren, auf immer kleinere Flächen begünstigt. Das führt dazu, daß zukünftige Hörgerätegenerationen in ihrer Hardware-Ausstattung immer ähnlicher werden und die auf deren Signalprozessoren laufende Software immer besser an die Patienten angepasst werden kann [Kollmeier 97a]. Das wiederum ermöglicht den Hörgeräteentwicklern, immer mehr Funktionen zu implementieren, die die Hörempfindung des Patienten immer weiter an die eines Normalhörenden annähern sollen. Um sinnvolle Ergänzungen der vorhandenen Algorithmen zu finden, müssen zunächst zahlreiche Hörversuche durchgeführt werden, um die Eigenschaften des gestörten menschlichen Gehörs verstehen zu können. Daraus gezogene Schlußfolgerungen und resultierende Modellvorstellungen werden im Anschluß in Rechnersimulationen nachvollzogen und auf ihre Effizienz überprüft. Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Simulation mehrerer Modelle zur Berechnung der stationären Lautheitsempfindung. Die Richtigkeit dieser Berechnungen wird sowohl für schmal- als auch für breitbandige Schalle überprüft. Dies geschieht einerseits an Hand von Daten aus der Literatur, andererseits mit Hilfe eigener Hörversuche, die zum Thema Lautheitssummation durchgeführt wurden. Für die Untersuchungen und Modellierungen dieser Arbeit lagen zwei verschiedene Lautheitsmodelle, für Normalhörende, bereits als Computer-Programme vor. Beide basieren auf dem Lautheitsmodell nach Zwicker, wie es in DIN [Zwicker 91] festgehalten wurde und verwenden die von Zwicker und Paulus [Paulus 72] verwendeten Algorithmen und Formeln. Diese Implementierungen beinhalten aber bereits einige Modifikationen. So benutzen beide Modelle, statt der vorgesehenen terzbreiten Filter, die dem Gehör mehr entsprechenden Frequenzgruppen-Filter. Zudem - 3 -

5 1. Einleitung wurde in beiden Fällen der von Zwicker [Zwicker 77] vorgeschlagene Hochpaß, zur Nachbildung der Ruhehörschwelle bei niedrigen Frequenzen, implementiert. Es lag also ein Modell vor, das sich an das Lautheitsmodell der DIN anlehnt. Das zweite, bereits existierende Modell, basiert ebenfalls auf dem Lautheitsmodell nach Zwicker, wurde jedoch bereits nach Vorschlägen von Moore bzw. Zwicker und Florentine verändert. Dabei wird die Reihenfolge, der Berechnung der Flankenverdeckung und der Transformation in die Lautheit, gegenüber dem Modell nach DIN vertauscht. Zur Anpassung, der Modelle an Schwerhörige, werden neben der Ruhehörschwelle auch die sogenannten Würzburger Hörfelder der Patienten benutzt. Dabei handelt es sich um ein Verfahren zur Lautheitsmessung, das sich aus einer Kombination, von Größenschätzung mit Hilfe von Verbalkategorien und Linienlänge, zusammensetzt. Die Versuchsperson hat dabei die Aufgabe, terzbreites Rauschen in seiner Lautheit zu beurteilen. Im Abschnitt 2.4 finden sich einige Erläuterungen zu diesem Verfahren, das eine wachsende Rolle für die Diagnostik von Hörschäden und für das Anpassen von Hörgeräten [Kollmeier 97b] spielt. Wie oben erwähnt, werden zur Anpassung der Modelle an Schwerhörige zum einen deren Ruhehörschwellen und zum anderen die Würzburger Hörfelder herangezogen. Dabei wird zunächst der Ein-Komponenten Ansatz verfolgt, bei dem nur die Ruhehörschwelle verwendet wird. Darüber hinaus erfolgt im Zwei-Komponenten Ansatz eine Aufspaltung des Hörverlustes in zwei Anteile, die einen Sensitivitäts- und einen Kompressionsverlust des Gehörs wiederspiegeln. Der für diese Aufteilung benötigte Faktor wird mit Hilfe der Hörfelder und einem iterativen Verfahren nach Levenberg und Marquardt ermittelt. Die hierfür verwendeten Grundlagen und deren Umsetzung werden im Kapitel 3 erläutert. In Kapitel 4 werden schließlich die Berechnungen der Modelle überprüft, indem Hörfelder für einzelne Versuchspersonen nachberechnet werden und mit den ursprünglich im Versuch ermittelten Werten verglichen werden. Darüber hinaus wird die Eignung der Modelle für breitbandige Schalle untersucht, da die Anpassung mit Hilfe von schmalbandigen (terz-breiten) Signalen erfolgt. Da dafür sowohl Daten über die Lautheitssummation als auch die Ruhehörschwelle und Würzburger Hörfelder der Versuchspersonen nötig sind, wurden dazu eigene Versuche durchgeführt, die sich an die Versuche von Verhey [Verhey 98] anlehnen. Die Versuchspersonen sollten bei einem Schallpaar aus Referenz und Ankerschall jeweils angeben, welchen Schall sie als lauter empfinden. Dabei hatten die verwendeten Schalle eine Bandbreite von 4 bis 64 Hz, wobei der Referenzschall eine feste Bandbreite von 4 Hz besaß. Im Anschluß wird versucht, einige Messungen und Versuchsreihen aus der Literatur nachzuvollziehen. Dabei handelt es sich um Messungen der Lautheitssummation bei Normal- und Schwerhörenden, die von Appell und Hohmann [Appell et al. 1998a und b] durchgeführt wurden. Desweiteren werden Messungen der Pegelabhängigkeit der Lautheitssummation nach Zwicker und Florentine [Florentine et al. 78] und die erwähnten Versuche von Verhey zur Zeitabhängigkeit der Lautheitssummation [Verhey 98] nachvollzogen. Abschließend erfolgt in Kapitel eine Zusammenfassung der erzielten Ergebnisse und es sollen einige Ausblicke auf weitere Arbeiten bzw. mögliche Verbesserungen der Modelle gegeben werden

6 2. Grundlagen 2 Grundlagen 2.1 Das Lautheitsmodell nach Zwicker Beim Verfahren zur Lautheitsbestimmung nach Zwicker, das 1991 in DIN festgehalten wurde, handelt es sich ursprünglich um eine graphische Methode. Eine Beschreibung dieses Verfahrens findet sich in [Zwicker 91] und [Zwicker et al. 9, S ]. Abbildung 2.1: Norm-Schablonen-Diagramm nach Zwicker. Die eingetragenen Grenzfrequenzen auf der Abszisse gelten für Terzfilter. An der Ordinate kann auf der rechten Seite die Lautheit in Sone abgelesen werden Es werden mit einem Schallpegelmesser nach DIN IEC 61 oder einem integrierenden mittelwertbildenden Schallpegelmesser nach DIN IEC 84 in Verbindung mit Terzfiltern nach DIN 4 62 [Zwicker 91] die Terzpegel bestimmt. Diese werden in ein Schablonen-Diagramm, wie es in Abbildung 2.1 dargestellt ist, in - -

7 2. Grundlagen der entsprechenden Terz als waagerechte Linie eingetragen. Dabei ist in jeder Terz die Skalierung der Ordinate unterschiedlich, weshalb im Diagramm jeweils einige Pegelwerte angegeben sind. Diese unterschiedliche Skalierung ergibt sich aus dem Verlauf der Ruhehörschwelle und der Kurven gleicher Lautheit. Ist der Pegel im nächsthöheren Frequenzbereich größer als im aktuellen, so wird dieser durch eine senkrechte Linie mit dem bis dahin entstandenen Kurvenzug verbunden. Ist der Pegel dagegen geringer, wird die Verbindung durch eine abfallende Linie hergestellt, die parallel zu den gestrichelt gezeichneten, fallenden Linien des Diagramms verläuft [Zwicker 91]. Die fallende Linie endet beim Schnitt mit einem der folgenden Terzpegel. Die so entstehende Kurve wird als spezifisches Lautheits- Tonheitsmuster bezeichnet. Die Fläche, die von dieser Kurve, den Endordinaten und der Abszisse des Diagramms eingeschlossen wird, ist ein direktes Maß für die Lautheit des Schalls. Aus der Höhe des Rechtecks, mit, zur Fläche des spezifischen Lautheits-Tonheitsmusters, äquivalenter Fläche, kann man an der rechten Skala des Diagramms die resultierende Lautheit in Sone ablesen. Desweiteren sind zwei Skalen zum Ablesen des Lautstärkepegels in Phon vorhanden

8 2. Grundlagen 2.2 Rechnerimplementierung des DIN Modells (Modell nach DIN) Abbildung 2.2: Blockschaltbild der Rechnerumsetzung des Modells zur Lautheitsbestimmung nach Zwicker Eine Variante, des unter 2.1 beschriebenen Modells, stand für diese Arbeit bereits als Rechner-Programm zur Verfügung. Der Unterschied liegt dabei in der verwendeten Filterbank, bei der in DIN Terzfilter vorgesehen sind. Aus psychoakustischen Gesichtspunkten sollten aber, wie dies im Rahmen dieser Arbeit geschieht, Frequenzgruppenfilter verwendet werden. In Abbildung 2.2 sind die einzelnen Funktionsblöcke der Rechnerimplementierung des Modells in ihrer Abfolge skizziert. Dieses Modell wird im Folgenden als DIN Modell bezeichnet, was sich auf Grund seines Ursprungs anbietet, es handelt sich dabei aber um keine exakte Implementierung der Norm. Nachstehend folgt nun eine Beschreibung der einzelnen Bestandteile des Modells Hochpass-Filter am Eingang Wie von Zwicker [Zwicker 77] vorgeschlagen, wird das Eingangssignal zunächst mit Hilfe eines Hochpasses gefiltert. Diese Filterung bewirkt eine Nachbildung der menschlichen Ruhehörschwelle bei niedrigen Frequenzen, die mit einer einfachen Dämpfung der untersten Frequenzgruppen nicht nachvollzogen werden könnte. Da die unterste Frequenzgruppe bereits eine Breite von 1 Hz besitzt, könnte eine pauschale Dämpfung dieser Frequenzgruppe den Verlauf der Ruhehörschwelle nur unzureichend - 7 -

9 2. Grundlagen nachbilden. Das hätte falsche Pegel, und daraus resultierend, falsche Werte für die Lautheitsberechnung in diesem Bereich zur Folge. Dieses Verhalten wurde auch von Zobl [Zobl 98, S ] festgestellt, der in seiner Arbeit dieselbe Umsetzung des Modells nach Zwicker zur Lautheitsbestimmung verwendete. Diese Nachbildung der Ruhehörschwelle bei niedrigen Frequenzen erfolgt beim Originalmodell nach DIN beim Zusammenfassen der Terzen zu angenäherten Frequenzgruppen. Beim verwendeten Filter handelt es sich um ein Butterworth-Hochpass-Filter. Die Grenzfrequenz beträgt 1 Hz und die Flankensteilheit hat einen Wert von 12 db / Oktave. Diese Werte wurden durch empirische Vergleiche mit den Meßergebnissen diverser kommerziell erhältlicher Lautheitsmeßgeräte gefunden. Die dafür herangezogenen Daten finden sich in [Fastl et al. 97] Filterbank Wie in [Zwicker et al. 9, S ] beschrieben, erfolgt die Verarbeitung von Schallen im menschlichen Gehör mit Hilfe von 24 spektralen Kanälen, den sogenannten Frequenzgruppen. In DIN werden dagegen terzbreite Filter verwendet, die zu angenäherten Frequenzgruppen zusammengefaßt werden. Die Ursache dafür liegt in der Tatsache, daß Frequenzgruppen-Filter im Gegensatz zu Terzfiltern nicht kommerziell erhältlich sind. Im verwendeten Modell durchläuft das hochpass-gefilterte Signal, im Anschluß an das Eingangsfilter, eine Filterbank aus frequenzgruppenbreiten Filtern. Bei den dabei verwendeten Filtern handelt es sich um Tschebyscheff Filter mit einer Flankensteilheit von mindestens 27 db Bark, wobei im Durchlaßbereich eine Abweichung (Ripple)von, db zugelassen ist. In der vorliegenden Implementierung bildet diese Filterbank die Frequenzgruppen für Normalhörende von 1 bis 24 Bark nach, wie sie in [Zwicker et al. 9, S. 142] mit ihren Grenzfrequenzen verzeichnet sind. Das zeitliche Auflösungsvermögen des menschlichen Gehörs wird durch eine Fensterlänge von T w = 1ms und eine Überlappungsdauer von T ü = 7, ms nachgebildet. Dadurch ergibt sich für das Analyseintervall eine Dauer von T r = 2, ms, was in etwa dem, im Lautheitsmodell von Zwicker verwendeten, 2ms Tiefpaß entspricht. Als Resultat dieser Filterbank erhält man die sogenannten Frequenzgruppenpegel L G. Eine Anpassung dieser Filterbank an die veränderte Frequenzgruppenbreite bei Schwerhörigen wird später erläutert Frequenzabhängige Dämpfung Im nächsten Block wird die Übertragungsfunktion des Außen- und Mittelohrs nachgebildet, indem die Frequenzgruppenpegel um den Wert des Übertragungsmaßes a in der Mitte der jeweiligen Frequenzgruppe gedämpft werden. L G - 8 -

10 2. Grundlagen Diese Dämpfung entspricht bei hohen Frequenzen der Ruhehörschwelle des Menschen und beinhaltet auch die erhöhte Empfindlichkeit im sprachrelevanten Bereich von 3 bis khz auf Grund der λ 4 -Resonanz des Gehörgangs. Abbildung 2.3: Dämpfungsmaß a als Funktion der Tonheit z (aus [Paulus 72]) Berechnung der Kernlautheiten Die Berechnung der Kernlautheiten in den einzelnen Frequenzgruppen erfolgt nach [Paulus 72] mit der Formel N' =,2LEHS,1, ( LE LEHS ),2 sone 1 Bark G, (2.1) wobei LEHS der der Ruhehörschwelle entsprechende Erregungspegel ist und LE der aktuelle Erregungspegel, der durch den Schall verursacht wird. Die Kernlautheit wird in der Einheit sone G Bark ausgegeben. In diesem Block findet also die Transformation vom Pegelbereich in den Lautheitsbereich statt. Dabei errechnet sich der Erregungspegel L E als Differenz des Frequenzgruppenpegels und dem Dämpfungsmaß a zu LG L E = L. (2.2) G a Eine Unterscheidung zwischen ebenem und diffusem Schallfeld findet im Rahmen dieser Arbeit nicht statt. Statt Dessen wird in den verwendeten Modellen immer von einer Freifelddarbietung, also dem ebenen Schallfeld, ausgegangen Spektrale Verdeckung Schalle, die spektral nahe genug an einem anderen, lauteren Schall, liegen, können durch diesen, den sogenannten Maskierer, verdeckt werden, so daß sie nicht mehr wahrnehmbar sind. Dieser Effekt, als spektrale Verdeckung bezeichnet, wird im, an die Berechnung der Kernlautheiten anschießenden Block, berücksichtigt. Dazu werden an die Kernlautheiten die Verdeckungsflanken angehängt

11 2. Grundlagen Eine Verdeckung spektral benachbarter Schalle findet sowohl zu höheren Frequenzen, als auch zu niedrigeren Frequenzen hin statt. Da die untere Flanke, also diejenige zu niedrigeren Frequenzen hin, sehr steil verläuft, wird diese nicht berücksichtigt und für die verwendete Näherung nur die obere Flanke verwendet Die Steilheit dieser Flanke ist sowohl frequenz- als auch pegelabhängig und wird beim Lautheitsmodell nach Zwicker an Hand dieser beiden Größen aus einer Tabelle ausgelesen. Diese wurde in DIN [Zwicker 91] festgehalten

12 2. Grundlagen 2.3 Modifizierte Version des DIN-Modells (Modell nach Moore) Das Lautheitsmodell, wie es unter 2.2 beschrieben wurde, wurde von Zwicker und Florentine sowie Moore modifiziert. Die hierbei verfolgten Ansätze sind in einem modifizierten Modell festgehalten. Im folgenden Abschnitt werden die hier implementierten Veränderungen gegenüber dem ursprünglichen Berechnungsverfahren geschildert. Dieses Modell entspricht in den ersten drei Blöcken dem oben geschilderten Modell nach DIN, die beiden letzten Teile sind aber, nach einer Modifikation von Moore bzw. Florentine und Zwicker in umgekehrter Reihenfolge realisiert. Abbildung 2.4: Blockschaltbild der Rechnerumsetzung des modifizierten Modells zur Lautheitsbestimmung nach Zwicker und Florentine bzw. Moore. Die Blöcke zur Berechnung der Flankenverdeckung und der Lautheit sind gegenüber dem Modell nach DIN vertauscht Der wesentliche Unterschied zum ursprünglichen Modell besteht darin, daß die Berechnung der Flankenverdeckung noch im Pegelbereich stattfindet und erst daran anschließend eine Transformation in die Lautheit erfolgt. Zur Berechnung der Flankensteilheit wird außerdem keine Tabelle verwendet, vielmehr wird die Steilheit der oberen Flanke mit Hilfe der von Terhardt [Terhardt 79] vorgeschlagenen Formel

13 2. Grundlagen s o,23 LE db f E db = 24 +, 2 (2.3) Bark berechnet. Dabei ist LE der jeweilige Erregungspegel und f E die zugehörige Frequenz. Um die damit errechneten Ergebnisse an DIN anzupassen, wird noch ein Faktor L E 82 db eingefügt, der in der entstehenden Formel im Betrag verwendet wird. s o,23 LE LE db 24,2 f E db = + (2.4) 82dB Bark Die untere Flanke wird in diesem Modell mit einer pegel- und frequenzunabhängigen Steigung von s u = 27 db Bark angenähert. Dieses Modell wird im weiteren Verlauf, auf Grund der Modifikationen, als Modell nach Moore bezeichnet. Es handelt sich aber um kein eigenständiges, von Moore entwickeltes Lautheitsmodell, sondern das Modell nach DIN wurde nur in einigen Punkten verändert

14 2. Grundlagen 2.4 Das Würzburger Hörfeld Das Würzburger Hörfeld stellt eine Meßmethode der Hörfeldaudiometrie dar. Es wird also ein Zusammenhang zwischen dem Schallpegel und der dabei empfundenen Lautheit hergestellt. Das Ergebnis ist also eine Pegel-Lautheitsfunktion für einen speziellen Schall. Es wurde von Heller [Heller 8] als Kategorien- Unterteilungsverfahren entwickelt und gehört zur Methode der kategorialen Lautheitsskalierung. Eine Beschreibung der Begriffe Kategoriallautheit und Hörfeldaudiometrie findet sich in [Hellbrück 93]. Bei der kategorialen Lautheitsskalierung wird davon ausgegangen, daß die Versuchspersonen den verfügbaren Hörbereich in verbale Kategorien unterteilen können [Kollmeier 97b]. Das heißt, daß die Versuchsperson die Lautheit eines Schalls mit Hilfe von Adjektiven wie zu laut, mittellaut oder ähnlichen beschreiben kann. Bei der Bestimmung des Würzburger Hörfeldes werden die fünf Hauptkategorien sehr leise, leise, mittellaut, laut und sehr laut verwendet. Zusätzlich gibt es die beiden Begrenzungskategorien nicht gehört und zu laut. Abbildung 2.: Schematische Darstellung des Tabletts zur Messung des Würzburger Hörfeldes. Die Versuchsperson drückt auf den schwarzen Balken um die Lautheit des gehörten Schalls zu skalieren. Bei der Bestimmung des Würzburger Hörfeldes werden die, von der Versuchsperson abgegebenen, Urteile über ein Tablett erfasst, auf dem neben einem Balken die Grob-Kategorien verzeichnet sind. Eine schematische Darstellung dieses Tabletts liefert Abbildung 2.. Die Versuchsperson hat die Aufgabe, an der Stelle auf den Balken zu drücken, die, ihrer Meinung nach, der empfundenen Lautheit entspricht. Es handelt sich hierbei also um eine Mischform der Skalierung mit Hilfe der Balkenlänge und mit Hilfe von Verbalkategorien. Die Balkenlänge wird vom Rechner

15 2. Grundlagen erfasst und auf eine maximale Skale von bis umgerechnet. Die so entstehende Zahl beziffert das entstandene Maß für die empfundene Lautheit in der Einheit Kategoriale Untereinheiten (KU, engl.: categorical units, CU). Als Testschalle werden terzbreite Rauschen verwendet, deren Pegel in db Schritten bis auf 9 db SPL erhöht wird. In Abbildung 2.6 ist das Ergebnis einer solchen Messung für eine Versuchsperson mit, zu hohen Frequenzen deutlich steigendem Hörverlust, dargestellt, so wie es der Versuchsleiter am Rechner erhält. Im Beispiel wurde bei Mittenfrequenzen von, 1, 2 und 4 Hz gemessen. Das Hörfeld eines Normalhörenden ist jeweils schraffiert eingetragen. Abbildung 2.6: Ergebnis der Hörfeldmessung eines Schwerhörigen bei den Frequenzen, 2, 1 und 4 Hz (von links oben nach rechts unten). Die Kreise stellen die einzelnen Meßpunkte dar, die durchgezogene Linie ist eine Näherung mittels Geraden. Das Hörfeld eines Normalhörenden ist jeweils als durchgezogene Linie mit Schattierung dargestellt Bei tiefen Frequenzen ist der Unterschied zum Hörfeld eines Normalhörenden noch sehr gering, diese Differenz wächst aber mit der Zunahme des Hörverlusts zu höheren Frequenzen hin. Sehr gut zu erkennen ist das bei Schwerhörigen auftretende Recruitment -Phänomen, das eine Versteilerung der Lautheitsfunktion, gegenüber Normalhörenden, zur Folge hat. Bei hohen Pegeln wird nahezu der selbe Lautheitswert in KU erreicht, wie bei Normalhörenden, jedoch beginnt die Lautheitsfunktion erst bei wesentlich höheren Pegeln. Der Schnittpunkt der Lautheitsfunktion mit der x-achse, also der Pegel für eine Lautheit von KU, repräsentiert die Ruhehörschwelle der Versuchsperson

16 2. Grundlagen Prinzipbedingt erhält man hier, wenn nur eine einzelne Messung durchgeführt wird, Messwerte, die um die reale Pegel-Lautheitsfunktion herum stark schwanken können. Im Bild äußert sich dies beispielsweise durch höhere KU Werte bei niedrigeren Pegeln, die vereinzelt beobachtet werden können. Bei Normalhörenden ist, auf Grund der Ruhehörschwelle, ebenfalls eine leichte Frequenzabhängigkeit des Würzburger Hörfeldes zu beobachten. Diese ist bei den verwendeten Mittenfrequenzen aber nicht sehr stark ausgeprägt, weshalb die, im nächsten Abschnitt geschilderte Umrechnung von Sone nach KU, keine Frequenzsbhängigkeit beinhaltet. 2. Umrechnung von Sone nach KU Da zur Anpassung und späteren Überprüfung der Modelle das Würzburger Hörfeld herangezogen wird, ist es notwendig, die von den Modellen berechneten Werte für die Lautheit, die in Sone ausgegeben werden, in die, beim Würzburger Hörfeld, verwendete Einheit KU umzurechnen. Dazu wurde zunächst die von Hohmann [Hohmann 93] vorgeschlagene Formel CU = 17,6 log( 2, N ) (2.) verwendet. Dabei ist N die ermittelte Lautheit in Sone. CU ist der Wert für die Lautheit in Kategorialen Untereinheiten. Diese Formel geht davon aus, daß keine Abhängigkeit der Umrechnung von Sone nach KU von den verwendeten Schallen, also deren spektraler Zusammensetzung, vorhanden ist. Da mit dieser Formel die am Lehrstuhl vorhandenen Daten nur unzureichend nachvollzogen werden konnten, wurde mit Hilfe des Programms Table-Curve eine Formel ähnlicher Struktur aber mit mehreren Parametern ermittelt. Dazu wurde über die vorhandenen Daten gemittelt und eine bestmögliche Näherung zur Umrechnung gesucht. Die dabei entstandene Formel hat die Form CU =,31 N + 12, log( 11, 6 N ) (2.6) und besitzt, wie Abbildung 2.7 zeigt, eine größere Steigung, als die Formel nach Hohmann

17 2. Grundlagen 4 Lautheit / KU Lautheit / Sone Formel nach Hohmann ermittelte Formel Abbildung 2.7: Umrechnung der Lautheit in Sone nach Kategorialen Untereinheiten KU Die Differenz bei der Umrechnung ergibt sich möglicherweise durch das unterschiedliche verwendete Datenmaterial. Die Daten, aus denen die Formel von Hohmann entstanden ist, lagen für diese Arbeit nicht vor

18 3. Modellanpassung 3 Modellanpassung an Schwerhörige Eine Anpassung, der im vorherigen Abschnitt beschriebenen, Lautheitsmodelle kann nun an mehreren Stellen geschehen. Im folgenden Abschnitt werden die, im Rahmen dieser Arbeit implementierten, Veränderungen und die ihnen zugrundeliegenden Überlegungen erläutert. 3.1 Berücksichtigung der veränderten Ruhehörschwelle Die offensichtlichste Störung bei einem Schwerhörigen ist sicherlich die veränderte Ruhehörschwelle. In den verwendeten Modellen tritt die Ruhehörschwelle an zwei Stellen in Erscheinung, da sie sich aus den beiden Komponenten Dämpfungsmaß des Außenohrs ( ) und Erregungspegel an der Ruhehörschwelle ( ) zusammensetzen läßt. L EHS a 4 3 Pegel / db 2 1 Dämpfungsmaß Erregungspegel Normal RHS Tonheit / Bark Abbildung 3.1: Normal-Ruhehörschwelle als Summe des Dämpfungsmasses a und des Erregungspegels an der Ruhehörschwelle L EHS

19 3. Modellanpassung Bei den Modellen, die mit Hilfe des Ein-Komponenten Ansatzes erstellt wurden, geht der Hörverlust als Verringerung der Kompressivität des Gehörs ein. Dazu wird er zum Erregungspegel an der Ruhehörschwelle L EHS addiert. Im Zwei-Komponenten Ansatz teilt ein Faktor (Vektor) k, der später näher beschrieben wird, den Hörverlust der Versuchsperson in zwei Anteile auf. Die eine Komponente spiegelt den Kompressionsverlust des Gehörs wieder und wird wie im Ein- Komponenten Ansatz zum Erregungspegel an der Ruhehörschwelle addiert. Der zweite Teil, der durch die Aufteilung entsteht, stellt einen Sensitivitätsverlust dar und wird zum Dämpfungsmaß des Außenohrs a addiert. Physiologisch gesehen lassen sich diese beiden Anteile als Schädigung innerer Haarzellen (Sensitivitätsverlust) und als Schädigung äußerer Haarzellen (Kompressionsverlust), auf der Basilarmembran, interpretieren. Wie sich diese Schäden auf die Auslenkung der Basilarmembran auswirken ist in Abbildung 3.2 dargestellt. Abbildung 3.2: Auslenkung der Basilarmembran in Abhängigkeit des Eingangspegels. Die durchgezogene Linie zeigt die Funktion bei Normalhörenden. Die unterbrochenen Linien zeigen die möglichen Änderungen für unterschiedliche Kombinationen der Haarzellen-Schädigung (aus [Kollmeier 97c]). Die durchgezogene Linie stellt die Erregung im Normalfall dar. Eine Schädigung innerer Haarzellen hat nun eine Verschiebung dieser Kurve nach rechts zur Folge, was einem reinen Sensitivitätsverlust des Gehörs entspricht. Bei einer vollständigen Schädigung der äußeren Haarzellen geht die nichtlineare Funktion in eine Funktion mit konstanter Steigung über, da hier die aktiven Mechanismen des Gehörs verloren gehen, die, unter Anderem, eine Anhebung niedriger Pegel bewirken. Es entsteht also ein Kompressions- und Sensitivitätsverlust. Sind sowohl innere als auch äußere Haarzellen betroffen, so geht einerseits die Kompression verloren und es tritt zusätzlich eine Verschiebung nach rechts ein Ein-Komponenten Ansatz Im Ein-Komponenten Ansatz wird aus der, für einen Probanden gemessenen, Ruhehörschwelle RHS, der Hörverlust HL (HL von englisch Hearing Loss ) als Differenz zur Norm-Ruhehörschwelle zu

20 3. Modellanpassung HL = RHS (3.1) RHS NORM berechnet. Dabei berechnet sich die Norm-Ruhehörschwelle RHS NORM zu RHS = a + (3.2) NORM L EHS als Summe des Dämpfungsmasses a und dem Erregungspegel an der Ruhehörschwelle L EHS. Der Hörverlust wird dann bei der Berechnung der Kernlautheiten, bzw. im modifizierten Modell nach Moore bzw. Florentine und Zwicker bei der Berechnung der Lautheit, zum Erregungspegel an der Ruhehörschwelle addiert: L = L EHS, sh EHS + HL (3.3) und geht so in die Berechnung der Lautheit als verringerte Kompressivität des Gehörs ein Zwei-Komponenten Ansatz Im Zwei-Komponenten Ansatz wird der Hörverlust des Probanden in zwei Anteile aufgespalten. Davon wird ein Teil als zusätzliche Dämpfung zum Übertragungsmaß des Außenohrs addiert, der zweite Teil wird, analog zum Ein- Komponenten Ansatz, zum Erregungspegel an der Ruhehörschwelle addiert. Derjenige Anteil, der zu a addiert wird, entspricht einem Sensitivitätsverlust bzw. einer Schädigung der inneren Haarzellen der Basilarmembran. Die Veränderung des Erregungspegels spiegelt einen Verlust der Kompressivität des menschlichen Gehörs wieder, was medizinisch einer Schädigung äußerer Haarzellen entspricht. Die beiden so entstehenden Anteile werden in Anlehnung an Moore [Moore 9] als HLihc (innere Haarzellen = inner hair cells) und HLohc (äußere Haarzellen = outer hair cells) bezeichnet. Diese Deutung der Aufspaltung in zwei Anteile hat aber keinesfalls den Anspruch, eine Aussage über die reale Schädigung der inneren bzw. äußeren Haarzellen zu treffen. Die Werte ergeben sich rein durch eine Anpassung der Modelle an die gemessenen Hörfelder. Deshalb sei die Deutung als Schädigung der Haarzellen hier nur am Rande erwähnt Der Faktor k Zur Aufspaltung des Hörverlusts in Sensitivitäts- und Kompressionsverlust wird ein Faktor, im Folgenden k genannt, eingeführt. Bei diesem Faktor handelt es sich um einen Vektor, der für jede Frequenzgruppe einen Wert zur Aufteilung des gemessenen Hörverlustes enthält. Da die Zahl der Frequenzgruppen bei Schwerhörigen, von der bei Normalhörenden, auf Grund einer verringerten Frequenzselektivität, abweichen kann, wird der Vektor k zunächst mit

21 3. Modellanpassung Elementen, also für jede Frequenzgruppe eines Normalhörenden, bestimmt. Daraus werden dann die Werte, die beim entsprechenden Schwerhörigen benötigt werden, durch Interpolation bestimmt. Der Wertebereich für die einzelnen Komponenten wurde auf [..1] beschränkt, da sich sonst für einen der beiden Hörverlustanteile negative Werte ergeben könnten, was praktisch einer Verstärkung gleich käme. Durch diesen Faktor k ergibt sich also folgende Aufteilung des Hörverlustes: HL ohc = k HL und = ( 1 v k) HL, (3.4), (3.) HL ihc wobei sich der gesamte Hörverlust der Versuchsperson aus der Summe der beiden einzelnen Komponenten zu HL = HL ohc + HL ihc (3.6) ergibt. Dabei bezeichnet wiederum HL ohc den Anteil, der als Verlust der Kompressivität bzw. als Schädigung äußerer Haarzellen auf der Basilarmembran interpretiert werden kann und steht für die Schädigung innerer Haarzellen bzw. HL ihc den Sensitivitätsverlust des Gehörs. Die einzelnen Komponenten von nach Moore, auf einen maximalen Wert von HL () i db beschränkt. ohc, max = HL ohc werden, Berechnung des Faktors k Die Anpassung der Modelle an die einzelnen Versuchspersonen erfolgt im Zwei-Komponenten Ansatz mit Hilfe der entsprechenden Würzburger Hörfelder. Dabei werden nach einem Algorithmus von Levenberg und Marquardt [Marquardt 64] die einzelnen Komponenten des Vektors k so lange adaptiv verändert, bis eine bestmögliche Anpassung des verwendeten Lautheitsmodells an den Probanden eintritt. Dieser Anpassungsalgorithmus war bereits als Programm vorhanden und mußte nur noch in die Modelle integriert werden. Zur Berechnung des Faktors k waren, im Rahmen dieser Arbeit, Hörfelder vorhanden, die jeweils an vier verschiedenen Frequenzen mit Terz-breiten Rauschen ermittelt wurden. Die Hörfelder lagen entweder für die Frequenzen, 1, 2 und 4 Hz oder, 16, 4, 63 Hz vor, je nachdem, bei welcher Versuchsreihe sie im Vorfeld der Arbeit bestimmt wurden. Als Startwerte für den Anpassungsalgorithmus wurde nach Appell [Appell et al. 98b] eine Aufteilung zu HL ohc =, 8 HL und =, 2 HL (3.7), (3.8) HL ihc gewählt. Es wurden also zunächst alle Komponenten des Vektors k auf,8 als Anfangswerte für die Iteration gesetzt. Bei der Anpassung an die Hörfelder werden dann wiederum alle Elemente gleich behandelt. Es entsteht also für eine bestimmte Frequenz ein bestimmter Wert für alle Komponenten von k. Dieser Wert wird im endgültigen k-vektor an der Stelle - 2 -

22 3. Modellanpassung verwendet, die der Mittenfrequenz, des für die entsprechende Hörfeldbestimmung verwendeten Schalls, entspricht. Ist dieses Verfahren an den bekannten Stellen durchgeführt, so erhält man, bei der hier vorliegenden Zahl an Hörfeldern, jeweils vier Elemente des endgültigen k-vektors. Die restlichen Elemente werden linear interpoliert bzw. in den Randgebieten mit dem jeweiligen Eckwert aufgefüllt Wirkung des Faktors k In Abbildung 3.3 ist die Pegel-Lautheitsfunktion für Normalhörende (schwarz) dargestellt. Beispielhaft sind solche Funktionen zusätzlich für einen fiktiven Probanden eingetragen, der einen Hörverlust von ca. 4 db besitzt. Der Vektor k wurde in allen Elementen auf die Werte,, und 1 gleich gesetzt. 1, 1, Lautheit / Sone 1,, Normalhörender Schwerhörender, k=1 Schwerhörender, k=, Schwerhörender, k=,1, Pegel des Testschalls / db Abbildung 3.3: Simulation der Pegel-Lautheitsfunktion eines Normalhörenden und eines Schwerhörigen mit einem Hörverlust von ca. 4 db und einem konstantem k bei,, und 1. Stimulus ist ein terz-breites Rauschen bei einer Mittenfrequenz von 2 Hz Für k= wird die Lautheitsfunktion des Normalhörenden lediglich nach rechts verschoben, da in diesem Fall der gesamte Hörverlust des Patienten als Verlust der Sensitivität des Gehörs interpretiert wird und wie in 3.1 beschrieben, zu a addiert wird. Für den Fall k=1 erkennt man, daß die Lautheitsfunktion steiler verläuft und sich für hohe Pegel der Lautheitsfunktion des Normalhörenden annähert. Der gesamte Hörverlust wird in diesem Fall als Kompressionsverlust ausgelegt und zu L EHS addiert. In den Modellen des zwei Komponenten-Ansatzes erfolgt für Werte von k=1 ein Übergang zum Ein-Komponenten Ansatz, da nun der Hörverlust nur noch auf den Erregungspegel an der Ruhehörschwelle addiert wird, wie das im Ein-Komponenten Ansatz ebenfalls geschieht. Für Werte von k, die zwischen den Extremen und 1 liegen (in der Graphik beispielhaft,) setzt sich die Pegel-Lautheitsfunktion aus einer Kombination von

23 3. Modellanpassung Sensitivitäts- und Kompressionsverlust zusammen. Sie verläuft steiler als die Funktion für k=, nähert sich aber der Originalfunktion nicht so stark an wie im Fall k= Verringerte Frequenzselektivität Neben der gestörten Ruhehörschwelle wird davon ausgegangen, daß bei Schwerhörigen eine verringerte Frequenzselektivität vorhanden ist. Das heißt, die Erregungsmuster von schmalbandigen Schallen sind bei Schwerhörigen breiter als bei Normalhörenden. Eine Modellierung dieser Eigenschaft erhält man durch eine Verbreiterung der verwendeten Frequenzgruppenfilter. Das entspricht einer Modifikation der Filterbank, indem hier die verwendeten Grenzfrequenzen verändert werden. Die alleinige Verbreiterung der Frequenzgruppen hätte zunächst zur Folge, daß die berechnete Lautheit größer wird, wenn man die veränderte Ruhehörschwelle unberücksichtigt ließe, da die Fläche, die unter dem spezifischen Lautheits-Tonheitsmuster entsteht, größer wird. Um nun diese Anpassung vorzunehmen finden die Ergebnisse von Moore [Moore 9] Verwendung, der einen Faktor B für die Verbreiterung der Frequenzgruppen, in Abhängigkeit vom ermittelten Hörverlust, folgendermaßen ermittelte:,1348( HL 22 B = 1 TOTAL ). (3.9) HL TOTAL entspricht hierbei dem gesamten Hörverlust der in der betrachteten Frequenzgruppe als Differenz aus Norm-Ruhehörschwelle und gemessener, gestörter Ruhehörschwelle entsteht. Bei der Modellierung nach Moore findet eine Verbreiterung der Frequenzgruppen überhaupt erst bei einem Hörverlust von mehr als 22 db in der entsprechenden Frequenzgruppe statt. Im Bereich von 22 bis 6 db berechnet sich die Verbreiterung nach obenstehender Formel. Bei noch größeren Hörverlusten wird ein fester Wert von 3,8 für die Verbreiterung angenommen. Zusätzlich wird im Frequenzbereich unterhalb von 1 khz der Faktor ( HL TOTAL 22) im Exponenten der Formel durch den Ausdruck ( 1,3log1 F) dividiert. Die in diesem Bereich eingesetzte Formel lautet also ( HL TOTAL 22),1348 ( 1,3log F = 1 ). (3.1) B 1 Dabei ist F die Mittenfrequenz der betreffenden Frequenzgruppe in khz. Diese Formeln wurden rein empirisch an Hand von Versuchsergebnissen ermittelt und können deshalb die individuellen Bedingungen bei einzelnen Versuchspersonen nur unzureichend beschreiben. Deshalb sind auch hier die veränderten Annahmen für die Schwerhörigen reine Modellvorstellungen. Die tatsächliche Breite der Frequenzgruppen bei einem individuellen Probanden läßt sich

24 3. Modellanpassung nur durch entsprechende Versuche ermitteln, da die Veränderung stark von der Art des Gehörschadens abhängig ist Modifikation der Filterbank Das vorliegende Modell war in seiner ursprünglichen Form auf 21 feste Frequenzgruppenfilter ausgelegt. Die Frequenzgruppen-Filterbank wurde also zunächst auf 24 Frequenzgruppen erweitert und schließlich an eine variable Zahl von Frequenzgruppen angepasst. Um nun die neuen Grenzfrequenzen der Frequenzgruppenfilter zu ermitteln, lesen die Modelle zunächst die, zum Patienten gehörende, Ruhehörschwelle ein und berechnen den daraus resultierenden Hörverlust, wie oben bereits beschrieben, als Differenz zur Normal-Ruhehörschwelle. Mit dessen Hilfe wiederum werden die Grenzfrequenzen der Frequenzgruppen bestimmt, indem, beginnend mit der ersten Frequenzgruppe, immer die Breite der aktuellen Frequenzgruppe berechnet wird und die nächste Frequenzgruppe nach oben anschließend angehängt wird. Grundlage hierfür sind die oben beschriebenen Formeln nach Moore. Da sich durch die Verbreiterung der Frequenzgruppen eine geringere Zahl als die 24 Frequenzgruppen der Normalhörenden ergeben kann, sind auch alle nachfolgenden Berechnungen so ausgelegt, daß sie mit einem Eingangsvektor variabler Länge operieren können Verringerte Flankensteilheit Zusätzlich zur Verbreiterung der Frequenzgruppen sind bei Schwerhörigen die Flanken der Verdeckungsmuster flacher. Die untere Flanke, also jene, die von der Kernlautheit aus, zu niedrigeren Frequenzen reicht, verläuft sehr steil, weshalb hier von keiner Veränderung ausgegangen wird. Diese bleibt also im Modell nach DIN gänzlich unberücksichtigt und im Modell nach Moore wird sie mit konstanter Steigung aproximiert. Da die Steigung der oberen Flanke in den beiden Ausgangsmodelle auf verschiedene Weise ermittelt wird, findet die Implementierung der flacheren oberen Flanke je nach Modell unterschiedlich statt Implementierung in das Modell nach DIN Beim DIN-Modell wird die obere Flanke an Hand von Pegel und aktueller Frequenzgruppe aus der erwähnten Tabelle ausgelesen. Da die oberen Flanken der Verdeckungsmuster bei niedrigen Frequenzen flacher verlaufen als bei hohen Frequenzen findet hier automatisch eine Anpassung an die veränderten Gegebenheiten bei Schwerhörigen statt. Die sich, bei einer bestimmten Frequenz, ergebende obere Flanke wird hier automatisch flacher, wenn man sich, auf Grund der verringerten Frequenzselektivität und der daraus resultierenden größeren Frequenzgruppenbreite, bei einer bestimmten Frequenz in einer niedrigeren Frequenzgruppe befindet. Durch die Berücksichtigung der Ruhehörschwelle erhält man

25 3. Modellanpassung zudem flachere Flanken, da der Erregungspegel um den Hörverlust gedämpft wird und so eine geringere Flankensteilheit aus der Tabelle ausgelesen wird. Aus diesem Grund findet hier keine spezielle Anpassung an die veränderten Bedingungen bei Schwerhörigen statt, die Steigung der oberen Flanke wird weiterhin der Nummer der Frequenzgruppe entsprechend aus dieser Tabelle ausgelesen Implementierung in das modifizierte Modell nach Moore Das Modell nach Moore benutzt zur Berechnung der Flankensteilheit, wie in Abschnitt 2.3 erwähnt, die von Terhardt vorgeschlagene Formel. Die errechnete Steigung wird nun um den selben Faktor verändert, wie er sich mit der Formel nach Moore für die Frequenzgruppenverbreiterung ergibt. Es entsteht also folgende Formel für die Flankensteilheit in diesem Modell: s o 1,23 LE ( z, i) LE ( z, i) db = B 24 +,2 f E ( z) db, (3.11) 82dB Bark wobei sich B mit der Formel nach Moore wie in Abschnitt 3.2 berechnet

26 3. Modellanpassung 3.3 Die entstandenen Modelle Durch unterschiedliche Kombination der Modifikationsmöglichkeiten der ursprünglichen Lautheitsmodelle entstanden insgesamt sechs Modelle. Jeweils drei davon im Ein-Komponenten Ansatz und drei im Zwei-Komponenten Ansatz. Einen Überblick über diese Modelle gibt Tabelle 3.1. DIN ONE DIN ONE VERB MOORE ONE Ein-Komponenten Ansatz Modell nach DIN Berücksichtigung der Ruhehörschwelle Modell nach DIN Berücksichtigung der Ruhehörschwelle Implementierung verbreiterter Frequenzgruppen Modifiziertes Modell nach Zwicker, Florentine und Moore Berücksichtigung der Ruhehörschwelle Implementierung verbreiterter Frequenzgruppen DIN TWO DIN TWO VERB MOORE TWO Zwei-Komponenten Ansatz Modell nach DIN Berücksichtigung der Ruhehörschwelle Aufspaltung des Hörverlusts in Sensitivitäts- und Kompressionsverlust Modell nach DIN Berücksichtigung der Ruhehörschwelle Implementierung verbreiterter Frequenzgruppen Aufspaltung des Hörverlusts in Sensitivitäts- und Kompressionsverlust Modifiziertes Modell nach Zwicker, Florentine und Moore Berücksichtigung der Ruhehörschwelle Implementierung verbreiterter Frequenzgruppen Aufspaltung des Hörverlusts in Sensitivitäts- und Kompressionsverlust Tabelle 3.1: Übersicht über die erstellten Lautheitsmodelle, mit den entsprechenden Modellbezeichnungen und den realisierten Anpassungsmöglichkeiten

27 4. Test der Modelle 4 Test der Modelle Die erstellten Modelle sollen selbstverständlich sowohl für Normal- als auch für Schwerhörende funktionieren, da ein Normalhörender ja den Spezialfall eines Schwerhörenden mit Hörverlust darstellt. Um die Qualität der erstellten Modelle zu testen wurden zunächst Hörfeldberechnungen durchgeführt, bei denen die Würzburger Hörfelder der einzelnen Versuchspersonen nachvollzogen werden sollten. Dies ist also ein Test, ob die Lautheitsvorhersage für schmalbandige Schalle, wie sie die verwendeten, Terz-breiten Rauschen darstellen, zuverlässig ist. Darüber hinaus sollte das Verhalten der Modelle bei breitbandigen Signalen untersucht werden. Dafür werden für einzelne Probanden sowohl die Würzburger Hörfelder, als auch die Ruhehörschwelle und Werte über die Lautheitsempfindungen, bei den entsprechend unterschiedlich breitbandigen Schallen, benötigt. Deshalb wurden dazu eigene Hörversuche, in Anlehnung an die Versuche von Verhey [Verhey 98], durchgeführt. Dabei sollten die Versuchspersonen Schalle unterschiedlicher Bandbreite in ihrer Lautheit beurteilen, bis der Pegel gefunden wurde, bei dem ein gleicher Lautheitseindruck entsteht. 4.1 Schmalbandige Signale Als Test der Modelle für ihre Eignung bei schmalbandigen Schallen wurden zur Überprüfung ihrer Effizienz die für die Patienten ermittelten Hörfelder nachberechnet. Als Maß für die Qualität der Berechnung wird der folgende Nichtlineare Korrelationskoeffizient nach Schach und Schäfer verwendet B nl i n = 1 n i= 1 ( y yˆ ) i = 1, (4.1) ( y y) i i 2 2 den auch Launer [Launer 9] zu diesem Zweck angewandt hat. Dabei ist n die Anzahl der Meßwerte, yi ist der aktuelle Meßwert, ŷi bezeichnet den aktuell vom Modell berechneten Wert und y ist der Mittelwert der Meßwerte aus dem Versuch. Dieser Koeffizient nimmt für optimale Anpassung den Wert = 1 an. Der Wert B nl = wird erreicht, wenn man für die berechneten Werte jeweils den B nl

28 4. Test der Modelle Mittelwert der Meßpunkte y einsetzt. Negative Werte B nl < dagegen bedeuten, daß eine Näherung der gemessenen Daten nur mit Hilfe des Mittelwerts der Messung besser gewesen wäre, als die Modellberechnung. Für diese Berechnungen standen die Daten von 8 Normalhörende und 1 Schwerhörige zur Verfügung Berechnungen im Mittel für Normalhörende und Schwerhörige Betrachtet man die Gütekoeffizienten mehrerer Versuchspersonen und bildet für die einzelnen Modelle die Mittelwerte darüber, wie sie in Abbildung 4.1 dargestellt sind, so stellt man fest, daß die Berechnungen gerade im Zwei-Komponenten Ansatz sehr nahe am Idealwert von 1 liegen. Dies aber nur im Fall der Schwerhörigen. 1,,9,8,7 Gütekoeffizient,6,,4,3,2,1,,63,66,63,71,62,4,63,89,63,88,62,9 DIN ONE DIN ONE VERB MOORE ONE DIN TWO DIN TWO VERB MOORE TWO Normalhörende Schwerhörende Abbildung 4.1: Qualität der Hörfelberechnungen der 6 unterschiedlichen Modelle. Links die drei Modelle des 1-Komponenten Ansatzes, rechts die Modelle des 2-Komponenten Ansatzes. Dargestellt ist jeweils der Medianwert und die Interquartilbereiche des nichtlinearen Gütekoeffizienten für 8 Normalhörende und 1 Schwerhörige B nl Der Grund dafür liegt darin, daß in diesem Fall der Vorteil des Zwei- Komponenten Ansatzes zum Tragen kommt, nämlich die Aufteilung des Hörverlustes um eine Anpassung des Modells zu Erzielen. Da bei Normalhörenden der errechnete Hörverlust nur äußerst gering ist, kann hier die Aufspaltung auch keinen entsprechenden Vorteil bieten

29 4. Test der Modelle Die Qualität der unterschiedlichen Modelle liegt insgesamt sehr dicht beieinander, bei Normalhörenden ist die Güte der Hörfeldberechnungen praktisch bei allen Modellen identisch. Bei den Schwerhörigen fällt das Modell MOORE ONE deutlich ab. Auch die Interquartilbereiche sind bei Normalhörenden nahezu identisch. Bei den Schwerhörigen zeigt die deutliche Verkleinerung der Differenz aus erstem und drittem Quartil im Zwei-Komponenten Ansatz, daß bei diesen Berechnungen die Streuung der Güte stark zurückgeht. Die Zuverlässigkeit der Hörfeldberechnungen steigt für Schwerhörige also deutlich. Bei Normalhörenden schwankt die Güte der Berechnungen sehr stark. Dementsprechend beobachtet man hier einen sehr großen Interquartilbereich. Die Ursache dafür ist wohl in einer stark von der einzelnen Versuchsperson abhängigen Lautheitsempfindung zu suchen. Diese kann bei Schwerhörigen durch die Anpassung im Zwei-Komponenten Ansatz aufgefangen werden. Bei Normalhörenden bleibt diese Anpassung aber wirkungslos. Die Tatsache, daß im Ein-Komponenten Ansatz bei den Normalhörenden, die Interquartilbereiche deutlich größer sind als bei Schwerhörigen, ist vermutlich auf die verwendeten Versuchsdaten zurückzuführen. Bei den Schwerhörigen ist im Ein-Komponenten Ansatz das Modell nach DIN mit verbreiterten Frequenzgruppen minimal besser, als das Modell ohne diese Modifikation. Im Fall des Zwei-Komponenten Ansatzes sind die Gütekoeffizienten für Schwerhörige bei allen drei Modellen nahezu identisch. Den deutlichsten Qualitätssprung, beim Übergang vom Ein- zum Zwei-Komponenten Ansatz, erfährt das Modell nach Moore. Dieser in seinen Algorithmen aber komplizierteste Ansatz liefert keine wesentlich besseren Ergebnisse als die einfacheren Modelle, die auf dem Modell nach DIN basieren Berechnungen für einzelne Versuchspersonen Bei den Berechnungen für einzelne Personen soll hier beispielhaft auf eine Versuchsperson eingegangen werden und hierbei die Berechnungen im Ein- und im Zwei Komponenten Ansatz nach den Modellen DIN ONE und DIN TWO verglichen werden

30 4. Test der Modelle Mittenfrequenz Hz Mittenfrequenz 16 Hz Lautheit / KU 3 2 Lautheit / KU Pegel / db Pegel / db Mittenfrequenz 4 Hz Mittenfrequenz 63 Hz Lautheit / KU 3 2 Lautheit / KU Pegel / db Pegel / db Abbildung 4.2: Hörfeldberechnungen für VP 21 mit dem Modell DIN ONE. In der oberen Reihe bei einer Mittenfrequenz von und 16 Hz, in der unteren Reihe bei 4 und 63 Hz. Testschalle sind terzbreite Rauschen. Oben links ist jeweils der nichtlineare Gütekoeffizient B nl eingetragen. Die Berechnungen im Ein-Komponenten Ansatz sind bei niedrigen Frequenzen ( Hz) sehr gut. Der Gütekoeffizient B nl für die Hörfeldberechnung nimmt hier Werte von ca.,8 an. Zu hohen Frequenzen hin wird die Berechnung zunehmend schlechter und nimmt sogar negative Werte an. Die Vorhersage des Modells ist also schlechter als eine Näherung rein durch den Mittelwert der Daten

31 4. Test der Modelle Mittenfrequenz Hz Mittenfrequenz 16 Hz Lautheit / KU 3 2 Lautheit / KU Pegel / db Pegel / db Mittenfrequenz 4 Hz Mittenfrequenz 63 Hz Lautheit / KU 3 2 Lautheit / KU Pegel / db Pegel / db Abbildung 4.3: Hörfeldberechnungen für VP 21 mit dem Modell DIN TWO. In der oberen Reihe bei einer Mittenfrequenz von und 16 Hz, in der unteren Reihe bei 4 und 63 Hz. Testschalle sind terzbreite Rauschen. Oben links ist jeweils der nichtlineare Gütekoeffizient B nl eingetragen. Im Zwei Komponenten Ansatz sind die Berechnungen bei niedrigen Frequenzen ebenfalls sehr gut. Der Gütekoeffizient B nl nimmt hier nahezu den selben Wert an wie im Ein-Komponenten Ansatz, im Beispiel liegt er sogar minimal darüber. Das liegt daran, daß in diesem Frequenzbereich noch kein wesentlicher Hörverlust vorhanden ist, so daß zwischen den Modellen des Ein- und des Zwei-Komponenten Ansatzes hier kein Unterschied besteht. Zu höheren Frequenzen hin wird die Berechnung aber wesentlich besser als im Ein-Komponenten Ansatz. Lediglich bei einer Mittenfrequenz von 63 Hz ist die Berechnung ebenfalls schlechter, als bei reiner Verwendung des Mittelwerts. Der Wert des Gütekoeffizienten ist aber wesentlich größer, als im Ein-Komponenten Ansatz, was durchaus als Qualitätsverbesserung zu interpretzieren ist. Zudem ist hier eine Anpassung äußerst schwierig, da nur zwei Meßwerte vorhanden sind

32 4. Test der Modelle 4.2 Breitbandige Signale Die Anpassung der Modelle mit Hilfe der Würzburger Hörfelder entspricht einer Anpassung für schmalbandige Schalle. Als allgemeingültige Lautheitsmodelle sind sie aber nur sinnvoll anwendbar, wenn sie auch für Schalle mit beliebiger Bandbreite verlässliche Ergebnisse liefern. Außerdem sollen die verwendeten Algorithmen möglicherweise in zukünftigen Hörgerätegenerationen Anwendung finden, was diesen Anspruch noch unterstreicht, da die Geräuschkulisse in der Praxis selbstverständlich sowohl aus breitbandigen, als auch aus schmalbandigen Schallen besteht. Hier soll natürlich für alle eintretenden Schallereignisse eine korrekte Berechnung der Lautheit stattfinden bzw. die Verstärkung des eintreffenden Schalls den Bedürfnissen des Patienten entsprechend erfolgen. Im folgenden Abschnitt wird nun diese Eignung der Modelle überprüft. Die Daten dafür werden zum Teil aus der Literatur, zum Teil auch aus eigenen Hörversuchen, die die Lautheitssummation sowohl für Normal- als auch für Schwerhörende untersuchen, gewonnen Grundlagen der Lautheitssummation Bei der Lautheitssummation handelt es sich um einen spektralen Effekt, der bewirkt, daß Schalle größerer Bandbreite bei gleichem physikalischem Pegel als lauter wahrgenommen werden, als Schalle mit geringerer Bandbreite. Diese Eigenschaft des menschlichen Gehörs wird unter anderem auf die Frequenzselektivität und die kompressiven Eigenschaften des peripheren auditorischen Systems zurückgeführt [Verhey 98]. Die Lautheitssummation spielt gerade im Bereich der Hörgeräteanpassung eine große Rolle, da die Einstellung der Hörgeräteparameter entweder für schmalbandige Schalle oder breitbandige Geräusche (ähnlich dem Sprachsignal) stattfindet. Wird nun die Lautheitssummation durch die verwendeten Algorithmen nur unzureichend nachvollzogen, so kann es bei schmalbandiger Anpassung vorkommen, daß breitbandige Geräusche zu laut werden [Kollmeier 97a]. Diese Probleme treten vor allem bei Hörgeräten auf, die eine zu geringe Zahl an Kanälen zur Verfügung stellen. Da die hier verwendeten Modelle alle mit je einem Kanal pro Frequenzgruppe arbeiten, sollte die Lautheitssummation gut nachvollzogen werden können Hörversuch zur Lautheitssummation Da zur Überprüfung der Modelle für breitbandige Schalle sowohl die Ruhehörschwelle als auch das Würzburger Hörfeld und Daten über die Lautheitssummation für die jeweiligen Versuchspersonen vorhanden sein müssen, wurden zu diesem Thema Hörversuche durchgeführt. Diese fanden in Anlehnung an die Versuche von Verhey [Verhey 98] statt. Dadurch sollten außerdem die von Verhey erzielten Ergebnisse nachvollzogen werden. Neben der Lautheitssummation bei stationären Schallen wurde zudem die Abhängigkeit dieses Effektes von der Schalldauer untersucht

33 4. Test der Modelle Versuchsverfahren Die Aufgabe für die Versuchsteilnehmer bestand in einem Lautheitsvergleich zweier Schalle mit Hilfe eines adaptiven 2-AFC Verfahrens. Dazu war über eine Tastatur einzugeben, welcher von zwei Schallen als lauter empfunden wurde. Eine Entscheidung, daß beide Schalle gleich laut sind war nicht möglich (2-AFC). Auf diese Weise wurde der Pegel des Testschalls adaptiv mit einem 1-Schritt Verfahren auf den Pegel eingeregelt, bei dem er die gleiche Lautheitsempfindung bei der Versuchsperson hervorruft, wie der Referenzschall. Das heißt, wird das Testsignal als lauter empfunden, so wird dessen Pegel beim nächsten Vergleich erniedrigt, im umgekehrten Fall erhöht. Der Pegel des Referenzschalls bleibt während des gesamten Versuchs konstant. Der Testschallpegel wird, je nach Urteil des Probanden, um die aktuelle Schrittweite erhöht oder abgesenkt. Diese Schrittweite beträgt bei Versuchsbeginn 8 db und wird bei jedem Umkehrpunkt halbiert, bis die minimale Schrittweite von 2 db erreicht wird. Ein Umkehrpunkt ist dabei durch einen Wechsel von Verstärkung zu Dämpfung definiert, bzw. durch einen Wechsel der Entscheidung, welcher der beiden Schalle als lauter empfunden wurde. Als Versuchsergebnis dient der Medianwert über die Pegelwerte des Testschalls an den folgenden vier Umkehrpunkten. Es wurden zwei getrennte Versuche mit unterschiedlichen Schalldauern durchgeführt. Im ersten Versuch beträgt die Schalldauer 1 s, im zweiten Versuch nur noch 1 ms. Jeder dieser Versuche wurde von den Probanden vier mal durchgeführt. Der Schallpegel des Referenzschalls entspricht in beiden Versuchen einer Lautheit von 1 oder 3 KU. Ist für ein Schallpaar die Messung abgeschlossen, so wird dieses nicht mehr weiter dargeboten. Dies war ursprünglich zwar vorgesehen, wurde aber nicht praktiziert, da dadurch die Versuchsdauer über dem den Versuchspersonen zumutbaren Maß liegen würde. Die Darbietung der Testschallpaare erfolgte mit einem interleaved -Verfahren. Dabei werden innerhalb eines Versuchs alle möglichen Paare aus Referenz- und Testschallen in zufälliger Reihenfolge dargeboten, wobei zusätzlich die Reihenfolge von Test- und Referenzsignal zufällig war. Der Testschall eines solchen Paares aus Referenz- und Testschall, hatte jeweils zu Versuchsbeginn eine zufällige Pegeldifferenz zum Referenzschall, die einem Lautheitsunterschied von +/- oder KU entspricht. Im Laufe der Versuchsdurchführung wurde zusätzlich, zur Entscheidungsmöglichkeit für einen der beiden Schalle, noch die Option eingefügt, daß die Versuchsperson möglicherweise nur einen Schall wahrgenommen hat. Dies kann passieren, wenn der Testschall mit einer Lautheitsdifferenz von KU zum Referenzschall dargeboten wird. Er sollte dann zwar immer noch eine Lautheitsempfindung von 1 KU, im Falle eines Schallpaares mit einer Lautheit von 1 KU, hervorrufen, falls aber die Interpolation des Hörfeldes in diesem Bereich nicht ausreichend mit der Realität übereinstimmt, kann diese Dämpfung bei einem Schwerhörigen zur Unhörbarkeit führen

34 4. Test der Modelle Abbildung 4.4: Versuchsablauf für ein Schallpaar. Grün: der konstatnte Pegel des Referenzschalls, Rot: Pegelverlauf des Testschalls. Blau gestrichelt: Pegel des Testschalls, der die gleiche Lautheitsempfindung hervorruft, wie der Referenzschall In Abbildung 4.4 ist der Versuchsablauf für ein Schallpaar graphisch dargestellt. Der Pegel des Referenzsignals besitzt einen konstanten Wert. Im Beispiel ist der Testschallpegel zu Versuchsbeginn höher als der Referenzpegel. Bei den beiden ersten Versuchsdurchgängen beurteilt die Versuchsperson den Testschall als lauter, als den Referenzschall. Der Testschallpegel wird also bei der jeweils nächsten Darbietung um 8 db abgesenkt. Im dritten Durchlauf wird nun der Referenzschall als lauter empfunden. Hier liegt also ein Umkehrpunkt vor und die Schrittweite wird halbiert. Im folgenden wird also der Testschall um 4 db verstärkt. Bei Darbietung acht wird die minimale Schrittweite von 2 db erreicht. Die folgenden vier Umkehrpunkte (Darbietung Nummer 8, 1, 12 und 14) werden als Meßwerte erfaßt. Falls diese Meßwerte um mehr als 4 db von einanderer abweichen, so wird in Schritt 16 eine weitere Messung vorgenommen. Der Pegel gleicher Lautheit entsteht als Median dieser vier Werte und wird als Versuchsergebnis gespeichert Testschalle Bei den verwendeten Testschallen handelt es sich um Rauschsignale verschiedener Bandbreite, die mit Hilfe von Liniensynthese erstellt wurden, wobei der Abstand der einzelnen Spektrallinien 1 Hz beträgt. Die Bandbreite f betrug beim Referenzschall 4 Hz und bei den Testschallen 4, 8, 16, 32 und 64 Hz, wobei die geometrische Mittenfrequenz jeweils bei 2 Hz lag. also aus f m Die obere Grenzfrequenz f und die untere Grenzfrequenz f ergeben sich go gu f m = f go f gu und f = f go f gu (4.2), (4.3) bei den bekannten Bandbreiten, über eine quadratische Gleichung, zu

35 4. Test der Modelle f go 2 4 m 2 f + f + f = und f gu = f go f. (4.4), (4.) 2 Die sich somit ergebenden Werte für die Grenzfrequenzen sind in Tabelle 4.1 aufgeführt. f / Hz: f gu / Hz: f go / Hz: Tabelle 4.1: Bandbreite und Grenzfrequenzen der im Hörversuch verwendeten Schalle. Die Dauer der Signale betrug 1 ms bzw. 1 Sekunde, wodurch sich 2 Versuchsreihen ergaben. Dadurch lassen die Versuche, über die Lautheitssummation bei stationären Schallen (1s Schalldauer) hinaus, auch Schlüsse auf die Zeitabhängigkeit der Lautheitssummation zu. Der Pegel der Schalle wurde so gewählt, daß die Lautheitsempfindung bei Normal- und Schwerhörigen gleich ist. Als Darbietungslautheit des Referenzschalls wurden 1 bzw 3 KU gewählt. Dies entspricht bei Normalhörenden einem Darbietungspegel von 4 bzw. 7 db. Der Pegel für die Darbietung bei schwerhörigen Versuchspersonen wurde mit Hilfe des Würzburger Hörfeldes der entsprechenden Versuchsperson bestimmt. Der zur bereits oben erwähnten Lautheitsdifferenz, zwischen Test- und Referenzschall, zu Beginn des Versuchs, gehörende Pegelunterschied wurde ebenfalls aus den Hörfeldern der Patienten ermittelt, damit dieser einer Lautheitsdifferenz von oder +/- KU entspricht. Bei einem Normalhörenden hat diese Differenz einen Wert von 1 db. Würde man diesen Wert auch bei schwerhörigen Versuchspersonen verwenden, so wäre wegen des Recruitments, also der Versteilerung, der Pegel- Lautheits-Funktion, ein Testschall mit einem relativen Pegel von +1 db gegenüber dem Referenzschall unter Umständen bereits über der Unbehaglichkeitsschwelle. Die Anfangsschrittweite beträgt bei allen Versuchen und Versuchspersonen 8 db. Eine solche Verstärkung des Testschalls kann aber dazu führen, daß er, aus oben bereits erwähnten Gründen über der Unbehaglichkeitsschwelle liegt. Deshalb wird der so entstehende maximale Pegel von der Versuchssteuerung überprüft und der Testschallpegel gegebenenfalls auf einen Pegel gedämpft, der einer Lautheit von 3 KU entspricht. Im Fall des Anfangspegels entsprechend KU könnte eine Absenkung um 1 db, wie sie bei Normalhörenden vorgenommen wird, ebenfalls zu extrem sein. In diesem Fall könnte dies dazu führen, daß der Testschall für einen Schwerhörigen gar nicht mehr hörbar ist, weshalb in der Versuchssteuerung die Möglichkeit eingebaut wurde, daß die Versuchsperson angeben kann, sie hätte nur einen Schall wahrgenommen

36 4. Test der Modelle Die Versuchspersonen Bei den Versuchspersonen handelte es sich um 8 Normalhörende und 7 Schwerhörige. Die Normalhörenden waren ausschließlich Lehrstuhlangehörige, wobei drei davon als geschulte Versuchspersonen anzusehen sind. Die Restlichen hatten mit Hörversuchen bislang weniger Erfahrung. Aus diesem Grund wurden die Versuchspersonen vor den Versuchen ausdrücklich darauf hingewiesen, darauf zu achten, lediglich die Lautheit der Signale zu beurteilen und sich nicht durch andere Schalleigenschaften ablenken zu lassen. Dies war nötig, da die Schalle, vor allem der schmalbandige Referenzschall, ausgeprägte tonale Komponenten enthielten. Diese beeinflussen unter Umständen andere Empfindungen, wie beispielsweise die Lästigkeit, und könnten so die Aufmerksamkeit der Versuchsperson von ihrer eigentlichen Aufgabe ablenken. Die Erkrankungen der Schwerhörigen waren von sehr unterschiedlicher Art. Es waren sowohl angeborene Innenohrschäden als auch Lärm- und Altersschwerhörigkeit vorhanden. Wie stark im einzelnen Fall der Hörverlust auf eine Schädigung des Innenohrs zurückzuführen ist, ist nicht genau bekannt, da die Diagnosemöglichkeiten hierfür sehr ungenau sind. Das Alter der Schwerhörigen überdeckte einen Bereich von Jahren, die Normalhörenden waren 24 bis 3 Jahre alt. Die Ruhehörschwellen sämtlicher Versuchspersonen wurden, falls sie noch nicht bekannt waren, mit der Methode des Bekesy-Tracking bestimmt. Bei den schwerhörigen Versuchspersonen wurden darüber hinaus die Würzburger Hörfelder, mit dem Audiometer der Firma Westra electronic, ermittelt Der Versuchsaufbau Die Hörversuche wurden in einer schallisolierten Versuchskabine durchgeführt, wobei die Schalldarbietung über einen, am Lehrstuhl üblichen, Beyer DT-48 Kopfhörer erfolgte. Die Versuchspersonen sahen durch ein Sichtfenster einen Monitor, auf dem die Versuchsanleitung und die Eingabeaufforderung für die Versuchspersonen erschienen. Ihr Urteil gaben die Probanden über eine Tastatur in den Rechner ein. Der Kopfhörer war über einen Freifeldentzerrer, eine Eichleitung und einen Verstärker an die Analogausgänge eines DAT-Rekorders angeschlossen. Dieser diente der Digital / Analog Wandlung der Testsignale, die direkt aus dem Rechner über eine Digitalkarte wiedergegeben wurden. Mit Hilfe der Eichleitung wurde der Pegel eingestellt, der ja bei Schwerhörigen an deren Hörfeld angepasst werden mußte. Die Kontrolle des Wiedergabepegels erfolgte mit einem Röhrenvoltmeter, das am Ausgang der Eichleitung parallel zum Freifeldentzerrer angeschlossen war

37 4. Test der Modelle Abbildung 4.: Versuchsaufbau Versuchsergebnisse Messdaten für Normalhörende Hz 8 Hz 16 Hz 32 Hz 64 Hz Hz 8 Hz 16 Hz 32 Hz 64 Hz -2-2 Bandreite des Testschalls / Hz Bandreite des Testschalls / Hz Abbildung 4.6: Lautheitssummation bei Normalhörenden. Links bei einer Schalldauer von 1 ms, rechts Schalldauer 1 s. Blau: 1 KU, Rot: 3 KU Lautheit. Dargestellt sind die Medianwerte und Interquartilbereiche über 8 Versuchspersonen. Die beiden Diagramme in Abbildung 4.6 zeigen die Lautheitssummation bei Normalhörenden für eine Schalldauer von 1 ms (Links) und 1 s (Rechts). Dargestellt ist die jeweilige Pegeldifferenz Zwischen Test- und Referenzschall, die für eine gleiche Lautheitsempfindung dieser beiden Schalle bei der Testperson nötig ist. Dabei bedeutet eine negative Pegeldifferenz, daß der Testschall gedämpft werden muß, um die gleiche Lautheitsempfindung wie der Referenzschall, hervorzurufen. Während im stationären Fall (1 s Schalldauer) die Lautheitssummation für die verwendeten Schalle, bei einer Lautheit von 3 KU, einen maximalen Wert von ca. 1 db annimmt, beträgt das Maximum hier bei einer Schalldauer von 1 ms ca. 2 db. Bei einer Lautheit von 1 KU sind die erhaltenen Werte dagegen nahezu identisch. Bei den