Drähte im Ohr: Wie Cochlea-Implantate das Innenohr ersetzen können. Dr. Andreas Büchner

Transkript

1 Drähte im Ohr: Wie Cochlea-Implantate das Innenohr ersetzen können Dr. Andreas Büchner

2 Unser Ohr als Schallwellenempfänger

3 Unser Ohr als Schallwellenempfänger

4 Cochlea-Implantate

5 Cochlea-Implantate

6 Gliederung ) Das Gehör als Sinnesorgan: Das Wunderwerk Ohr. ) Der lange Weg bis zum Draht im Ohr : Das Verständnis fundamentaler Grundlagen des Hörens. ) Vom ersten mehrkanaligen Cochlea-Implantat bis zur klinischen Routine heute. ) Ein Ausblick in die Zukunft.

7 Gliederung ) Das Gehör als Sinnesorgan: Das Wunderwerk Ohr. ) Der lange Weg bis zum Draht im Ohr : Das Verständnis fundamentaler Grundlagen des Hörens. ) Vom ersten mehrkanaligen Cochlea-Implantat bis zur klinischen Routine heute. ) Ein Ausblick in die Zukunft.

8 Wahrnehmungsbereich des Ohres Frequenzbereich: Hz Dynamikbereich: db Jede Erhöhung um 20 db bedeutet eine Verzehnfachung des Schalldrucks -> Der Schalldruck bei 140 db ist zehn Millionen Mal größer als im Bereich der Hörschwelle (0 db)

9 Was leistet unser Gehör? Spracherwerbsfunktion: Sprechen lernen wir durch das Nachahmen von Gehörtem Darüber hinaus kontrollieren wir über das Hören unsere eigene Stimme. Kommunikationsfunktion: Gutes (Zu-)Hören bedeutet, andere Menschen zu verstehen, auf Gesagtes einzugehen und so soziale Kontakte zu pflegen. Emotionale Funktion: Neben den reinen Fakten erfassen wir durch den Klang des Gehörten ebenso den gefühlsmäßigen Inhalt einer Botschaft. Warnfunktion: Durch das, was wir hören, werden wir gewarnt bzw. alarmiert, beispielsweise durch das Motorengeräusch eines herankommenden Autos, laute Zurufe oder auch das Klingeln des Telefons. Orientierungsfunktion: Aus welcher Richtung ein (Warn-)Geräusch kommt, wie weit es entfernt ist oder wie groß oder klein ein Raum ist, nehmen wir auch über den Hörsinn wahr.

10 Ein Meer aus Schall Analogie zum Hören: Wellen auf dem See, von Albert Bregman

11 Ein Meer aus Schall Alex Katz, The Cocktail Party, 1965.

12 Gliederung ) Das Gehör als Sinnesorgan: Das Wunderwerk Ohr. ) Der lange Weg bis zum Draht im Ohr : Das Verständnis fundamentaler Grundlagen des Hörens. ) Vom ersten mehrkanaligen Cochlea-Implantat bis zur klinischen Routine heute. ) Ein Ausblick in die Zukunft.

13 Drähte im Ohr Jack Urban (rechts) bei Versuchen zur Stimulation des Innenohres (1970)

14 Alessandro Volta ( ) - Erfinder der Batterie. - Füllte sich die Gehörgange mit Kochsalzlösung und legte über 2 Elektroden aus seiner selbstentwickelten Batterie eine Spannung an. - Höreindruck wie kochende dicke Suppe. Alessandro Volta

15 Wever und Bray 1930 Nachweis der cochleären Mikrophonpotentiale

16 Popular Science, May 1936 Artikel in Popular Science, Mai 1936 Nachweis der cochleären Mikrophonpotentiale Wörter, die in das Ohr des Tieres gesprochen wurden, konnten über den Lautsprecher gehört werden, was beweiss das Ohren quasi Mikrofone sind, die Tonschwingungen in elektrische Impulse wandeln

17 Parallelentwicklung in der Nachrichtentechnik: Der Vocoder der Bell Laboratories (H. Dudley, 1939) Bell Labs Records, Dec. 1939

18 10 Kanal Vocoder H. Dudley 1939 Beispiel ohne Stimmgrundfrequenz Beispiel mit Stimmgrundfrequenz

19 Synthese von Sprache: Der Voder (1939) Operator des Voders Der Voder der Bell Laboratories auf der New York World Fair 1939

20 Einsatz des ersten Cochlea-Implantates im Menschen Charles Eyriès & André Djourno (1957) Der Otologe Eyriès und der Physiker Djourno hatten in Paris über eine am Stamm des Hörnervs gelegene Elektrode mit einem primitiven Sprachstimulator Höreindrücke auslösen können, wie sie etwa beim Drehen eines Roulettes entstehen. harles Eyriès André Djourno Simple Induktionsspulen Die implantierte Spule

21 Einkanalige Cochlea-Implantate Das William House Implantat, um 1970 (3M Implantat) 3M Einkanal-Implantat William House Jack Urban (rechts) Das einkanalige House-Implantat, welches in den 70er Jahren bei mehreren hundert Patienten zum Einsatz kam, erlaubte eine Unterstützung beim Lippenablesen und ein Wahrnehmen von Umweltgeräuschen. Es war das erste quasi-kommerzielle System mit tragbarem Signalprozessor und transkutaner Signalübertragung.

22 Gliederung ) Das Gehör als Sinnesorgan: Das Wunderwerk Ohr. ) Der lange Weg bis zum Draht im Ohr : Das Verständnis fundamentaler Grundlagen des Hörens. ) Vom ersten mehrkanaligen Cochlea-Implantat bis zur klinischen Routine heute. ) Ein Ausblick in die Zukunft.

23 Mehrkanalige Cochlea-Implantate

24 Mehrkanalige Cochlea-Implantate tief hoch implantierte Elektrode Hörnerv

25 Mehrkanalige Cochlea-Implantate Das Graham Clark Implantat, 1978 Graham Clark (rechts) Das erste Mehrkanalimplantat

26 Mehrkanalimplantate Clark Feature Extraction 1978

27 Mehrkanalige Cochlea-Implantate Der erste sprachverarbeitende Prozessor für das mehrkanalige Cochlea-Implantat System

28 Sprachverarbeitungsstrategien Clark Feature Extraction Vokal a im Zeitbereich Vokal a im Frequenzbereich Grundfrequenzdetektion (F0) (Tiefpass 300 Hz & Nullstellendetektor) Detektion der Formanten (Bandpass & Nullstellendetektor)

29 Sprachverarbeitungsstrategien F0F2 (1982) F0: Grundfrequenz Hz (Wiederholrate) F2: 2. Formant Hz (Stimulationsort)

30 Problem der Feature Extraction Störanfälligkeit n ruhiger Umgebung: akzeptable Ergebnisse n belebter Umgebung: kein Sprachverstehen möglich Der erste Taschenprozessor für das mehrkanalige Nucleus Implantat

31 Verbesserung der Hörleistung durch bessere Sprachverarbeitung Satztestergebnisse bei verschiedenen Sprachverarbeitungsstrategien % korrekt fache Steigerung der Ergebnisse F0F2 (1981) F0F1F2 (1984) MPEAK (1989) SPEAK (1994) ACE (1999)

32 Sprachverarbeitung mit einem CI tief hoch Lautstärke Frequen [Hz]

33 Anpassung eines CI-Systems

34 Tonbeispiele: CI-Simulator Ist das Flugzeug gestartet? Er hat heute einen Arzttermin. F0F2 ACE

35 Gliederung ) Das Gehör als Sinnesorgan: Das Wunderwerk Ohr. ) Der lange Weg bis zum Draht im Ohr: Das Verständnis fundamentaler Grundlagen des Hörens. ) Vom ersten mehrkanaligen Cochlea-Implantat bis zur klinischen Routine heute. ) Ein Ausblick in die Zukunft.

36 Problem der niedrigen Bandbreite bei Cochlea-Implantat Systemen 700 kbit Audio-Signal Elektrode / Nerv Schnittstelle?? auditorisches System Cochlea-Implantat System : kbit/s

37 Eine mögliche Lösung: Gehörrelevante Datenreduktion udio-signal Relevante Signalkomponenten Elektrode / Nerv Schnittstelle auditorisches System Redundant

38 Motivation für den Einsatz eines psychoakustischen Maskierungsmodells n der Unterhaltungselektronik werden psychoakustische Modelle eit mehreren Jahren sehr erfolgreich eingesetzt Reduktion des Datenvolumens auf 1/10! MP3 Player Apple s ipod

39 Psychoakustisches Modell mp3 Original 5 MB data volume Datenreduktion durch Herabsetzen der Abtastrate 500 KB data volume Datenreduktion mittels psychoakustischer Maskierung 500 KB data volume

40 Psychoakustik (Simultaner Maskierungeffekt) imultane Maskierung: Während einer akustischen Erregung ird die Hörschwelle abhängig vom Spektrum des Signals ngehoben. lle Signalkomponenten unterhalb dieser Schwelle werden nicht ahrgenommen. ie simultane Maskierung ist der mächtigste Verdeckungseffekt.

41 Weitere mögliche Vorteile - Die Stimulationsrate bei alten Cochlea-Implantat Systemen ist immer noch sehr niedrig (Beispiel: Mini22: 250 Hz) Durch das Weglassen redundanter Signalkomponenten kann die Stimulationsrate auf den stimulierten Kanälen erhöht werden. - Bedarf für Mini-HDO Prozessoren oder gar vollimplantierbare Systeme implizieren Strategien mit geringem Stromverbrauch Das Weglassen überflüssiger Signalkomponenten sollte das Sprachverstehen nicht negativ beeinflussen, spart jedoch Energie

42 Was sonst? Mehr spektrale Auflösung! Sinneszellen vs. 22 Elektrodenkontakte - verbesserte Hörqualität - besseres Sprachverstehen im Störgeräusch - Musikhören!

43 The benefit of current steering current electrode array 10 CU auditory nerve

44 The benefit of current steering current electrode array 10 CU auditory nerve

45 The benefit of current steering current electrode array 10 CU auditory nerve

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49 The benefit of current steering current electrode array 10 CU auditory nerve

50 The benefit of current steering current electrode array 10 CU auditory nerve

51 The benefit of current steering current electrode array 10 CU auditory nerve

52 The benefit of current steering current electrode array 10 CU auditory nerve

53 The benefit of current steering current electrode array 10 CU auditory nerve

54 The benefit of current steering current electrode array 10 CU auditory nerve

55 Current Steering Grundlagen 6 Elektroden Kontakte 15 current steering Felder Diskrete Zahl an Kanälen Unbegrenzte Anzahl an Kanälen Der Stimulationsstrom kann beliebig zwischen den Kontakten verschoben werden

56 Tonbeispiele: Die Current Steering Technik Suzanne Vega Suzanne Vega Suzanne Vega Original 16 Kanäle 64 Kanäle

57 Danke für Ihre Aufmerksamkeit!