Masterarbeit. Simulation und Vergleich von Sprachkodierungsstrategien in Cochlear Implantaten

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1 Carl-von-Ossietzky-Universität Oldenburg Masterstudiengang Hörtechnik und Audiologie Masterarbeit Simulation und Vergleich von Sprachkodierungsstrategien in Cochlear Implantaten vorgelegt von: Timo Bräcker geb. am 13. Februar 1975 in Oldenburg Erster Gutachter: Zweiter Gutachter: Prof. Dr. Dr. Birger Kollmeier Dr. Michael Schulte Oldenburg, 25. Februar 2008

2 Zusammenfassung: Einer der wichtigsten Aspekte bei der Entwicklung von Cochlea Implantaten (CI) ist die Wahl der zugrundeliegenden Kodierungsstrategie. Die Fragestellung dieser Arbeit umfasst im ersten Teil die Simulation von zwei Signalkodierungsmethoden: Zum einen die Simulation der in vielen CI etablierten Continuous Interleaved Sampling (CIS)- Strategie, zum anderen die Simulation einer neuartigen Strategie zur Übertragung zeitlicher Signalinformation, bei der nicht nur die Information der Einhüllenden der kanalspezifischen Signalanteile abgetastet und verarbeitet wird, sondern zusätzlich die der Feinstruktur. Es werden zudem subjektive Messungen mit normalhörenden Versuchspersonen vorgestellt, in denen das Sprachverstehen sowie die Musikwahrnehmung durch die Übertragung zeitlicher Feinstrukturinformation einerseits und durch die Übertragung ortsspezifischer Hüllkurveninformation andererseits miteinander verglichen werden. Im zweiten Teil der Arbeit wird die CIS-Strategie mit der aktuell in dem Sprachprozessor OPUS2 der Firma Med-El GmbH implementierten Feinstrukturstrategie Fine Structure Processing (FSP) verglichen. Möglich wurde dieser Vergleich durch Messungen mit vier CI-Trägern, die im Verlauf der Arbeit mit dem OPUS2- Prozessor umversorgt wurden und sich für die beschriebenen Vergleichsmessungen zur Sprachverständlichkeit und zur Musikwahrnehmung mit altem (TEMPO+) und neuem (OPUS2) Prozessor zur Verfügung gestellt haben. Ergänzend dazu wurden die CI-Träger mithilfe mehrerer Fragebögen nach der subjektiv empfundenen Hörwahrnehmung mit beiden Prozessoren befragt. Die Ergebnisse der im ersten Teil durchgeführten Paarvergleichsmessungen mit normalhörenden Probanden zeigen für Signale mit übertragener Feinstrukturinformation im tieffrequenten Bereich eine subjektiv signifikante Bevorzugung in der Sprachverständlichkeit in Ruhe im Vergleich zu Signalen mit ausschließlich übertragener Hüllkurveninformation. Dieses Ergebnis ist mit Literaturdaten aus Arnoldner et al. (2007) gut vergleichbar. Die Messergebnisse zeigen zudem für die Signale mit steigender Anzahl an Frequenzkanälen mit enthaltener Feinstrukturinformation eine zunehmende Präferenz hinsichtlich der Verständlichkeit. Außerdem wurde der Klang der feinstruktur-verarbeiteten Sprachsignale im Vergleich zu den Signalen mit ausschließlich enthaltener Hüllkurveninformation zumeist als signifikant natürlicher

3 III präferiert. Die Ergebnisse der Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen, in denen die Sprachverständlichkeit in unterschiedlichen Nutz-Störschall- Situationen untersucht wurde, zeigen für das Sprachverstehen von Sprachsignalen mit enthaltener Feinstrukturinformation insgesamt keine signifikante Verbesserung im Vergleich zu den Sprachsignalen mit ausschließlich übertragener Amplitudeninformation. In der einzelnen Störgeräuschsituation mit stationärem Störsignal konnte allerdings ein signifikant besseres Sprachverstehen beobachtet werden. Diese positive Veränderung der Sprachverständlichkeit im Störgeräusch ist mit Daten aus der Literatur vergleichbar, wo das Sprachverstehen bei zusätzlicher Übertragung der Feinstrukturinformation in durchgeführten Sprachverständlichkeitstests großteils signifikant besser war (Arnoldner et al., 2007). In der Musikwahrnehmung zeigten sich bei der Beurteilung der CI-simulierten Klangbeispiele hinsichtlich Angenehmheit und Klangnatürlichkeit unterschiedliche Tendenzen: Wurden bei dem klassischen, monoinstrumentellen Musikstück die Versionen mit zunehmender Anzahl an verarbeiteten Feinstrukturkanälen als angenehmer und klangnatürlicher bewertet, war es im Gegensatz dazu bei der Beurteilung des latein-amerikanischen, mehrinstrumentellen Klangbeispiels die ausschließlich CISstimulierte Signalversion. Anhand der Ergebnisse aus den Messungen mit den CI-Trägern lassen sich im zweiten Teil der Arbeit, wie bei den Messungen mit Normalhörenden, ebenfalls einige Aussagen aus bisher durchgeführten Studien zur Übertragung der Feinstrukturinformation bestätigen. Beispielsweise zeigten sich in ähnlicher Form die von Arnoldner et al. (2007) und Nobbe et al. (2006) ermittelten Ergebnisse, dass CI-Träger insgesamt den neuen OPUS2-Sprachprozessor dem Vorgängerprozessor TEMPO+ vorziehen bzw. dass das Hören mit dem neueren System in den meisten Situationen subjektiv als besser empfunden wird. Auch die CI-Träger in der hier vorgestellten Studie beurteilten den Klang mit dem neuen Sprachprozessor in vielen Situationen als natürlicher und heller bzw. klarer. Zudem lässt sich aus den Fragebogendaten die von Smith et al. (2002) beschriebene, grundlegend wichtige Funktion zeitlicher Information für das Richtungshören aus der mit dem OPUS2 als besser beurteilten Lokalisationsfähigkeit der CI-Träger ableiten. Allerdings konnten Vorteile der übertragenen Feinstrukturinformation bzgl. einer

4 IV verbesserten Sprachverständlichkeit im Störgeräusch anhand der durchgeführten Sprachmessungen mit CI-Trägern nur begrenzt festgestellt werden. Es konnten signifikant verbesserte Verständlichkeitsschwellen im Störgeräusch nur in der Situation mit stationärem Störgeräusch gefunden werden. In Situationen mit konkurrierender Sprache als Störgeräusch lag kein signifikant besseres Sprachverstehen vor. Die Ergebnisse ähneln also insgesamt den Resultaten der Simulationsmessungen mit Normalhörenden. Bei den OLSA-Messungen mit den CI-Trägern konnte die in den Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen gefundene signifikante Verbesserung der Sprachverständlichkeit im stationären Stör-geräusch jedoch nicht festgestellt werden. Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit aus den Simulationsmessungen mit Normalhörenden (in Teil 1) und aus den Vergleichsmessungen (alter vs. neuer Sprachprozessor) mit CI-Trägern (in Teil 2), dass eine Übertragung der Feinstrukturinformation hinsichtlich Klangnatürlichkeit eine grundsätzlich positive Auswirkung auf die Hörwahrnehmung erzielt. Zudem präferierten die Normalhörenden bei der Beurteilung der Sprachverständlichkeit ohne Störgeräusch (Paarvergleichsmessungen) die Sprachsignale desto häufiger, je breiter der Frequenzbereich zur Übertragung der Feinstrukturinformation gewählt wurde. Dagegen konnte anhand der Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen und der OLSA-Messungen insgesamt nicht gezeigt werden, dass die Übertragung zeitlicher Signalinformation einen signifikant positiven Effekt auf die Sprachverständlichkeit im Störgeräusch besitzt. Die These, die Sprachverständlichkeit würde sich aufgrund einer besseren Grundtonübertragung durch die Feinstrukturinformation im Störgeräusch verbessern, konnte sich nur teilweise in den Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen für die Situation in stationärem Störgeräusch, nicht aber generell bzw. in Situationen mit konkurrierendem Sprecher als Störsignal, bestätigen lassen.

5 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Cochlear Implantate Geschichtliche Entwicklung Sprachkodierungsstrategien Klassifikation mehrkanaliger CI-Systeme Signalverarbeitungsstrategien mehrkanaliger CI-Systeme Continuous Interleaved Sampling - CIS/CIS Fine Structure Processing - FSP Simulation von Sprachkodierungsstrategien Einleitung Methoden Vorüberlegungen zur Modellentwicklung Implementierung konventioneller CI-Features Funktionsweise der CI-Simulation und Auralisation Messungen mit Normalhörenden Paarvergleichsmessungen Messungen subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen Ergebnisse Paarvergleichsmessungen Messungen subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen Diskussion Schlussfolgerung Vergleich von Sprachkodierungsstrategien Einleitung V

6 INHALTSVERZEICHNIS VI 4.2 Methoden Messungen mit CI-Trägern Oldenburger Satztest (OLSA) Messungen subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen Fragebögen Ergebnisse OLSA Messungen subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen Fragebögen Diskussion Schlussfolgerung Allgemeine Diskussion Zusammenfassung und Ausblick 119 A Messungen 124 A.1 Paarvergleichsmessungen: Testinstruktionen A.2 Messungen subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen: Testinstruktionen A.3 CI-Träger: gemittelte Ruhehörschwellen B Fragebögen 129 B.1 Alltagsfragebogen B.2 Laborfragebogen B.2.1 Klangbeispiele B.2.2 Fragebogen B.3 Fragebogen zur Hörveränderung C Messsignale 146 C.1 Paarvergleichsmessungen C.2 Messungen subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen

7 Abbildungsverzeichnis 2.1 Sprachprozessor und Implantat eines mehrkanaliger receiver-stimulator von 1978/ Entwicklung der Implantat-Modelle der Firma Nucleus Externe und interne Komponenten eines Cochlear Implantats Schema zweier ladungsausgeglichener biphasischer Einzelpulse Funktionsschema mehrkanaliger Kodierungsstrategien Prinzip der CIS-Stimulation Vergleich zwischen CIS- und CSSS-Stimulation Blockschaltbild der CI-Simulation Blockschaltbild der CI-Simulation Filterbank Einhüllende und Feinstruktur Kanalinteraktion ANL - Messaufbau Männlicher Sprecher: Sprachverstehen und Klangnatürlichkeit Weibliche Sprecherin: Sprachverstehen und Klangnatürlichkeit Klaviermusik: Klangempfinden und Klangnatürlichkeit Latein-amerikanische Musik: Klangempfinden und Klangnatürlichkeit Beispiele für die Beurteilung der Klangnatürlichkeit Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen -Normalhörende Test zur Ermittlung der subjektiven Sprachverständlichkeitsschwelle für Normalhörende Test zur Ermittlung der subjektiven Sprachverständlichkeitsschwelle mit Normalhörenden - statistische Auswertung Spektrogramme: Klavier- und Lateinamerikanische Musik VII

8 ABBILDUNGSVERZEICHNIS VIII 4.1 OLSA-Messung: Statistische Auswertung (ANOVA) OLSA-Messung mit altem L Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen: CI-Träger CI-Träger: situative Bewertung (Nutz-Störschallsituation) Test subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen - statistische Auswertung Alltagsfragebogen: SV in Ruhe Alltagsfragebogen: SV in/mit Störgeräusch Alltagsfragebogen: Geräuschwahrnehmung Alltagsfragebogen: Stimmendiskrimination Alltagsfragebogen: Wahrnehmung von Musik Alltagsfragebogen: Wahrnehmung von Rhythmus/ Melodie Laborfragebogen: sehr dumpf - sehr hell/klar Laborfragebogen: Sprach- und Musiksituationen Hörveränderung: absolute Beurteilung Hörveränderung: relative Beurteilung Hörveränderung in Störgeräuschsituationen Hörveränderung in Ruhesituationen Hörveränderung in sonstigen Situationen Vergleich subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen: NH und CI- Träger A.1 Testinstruktionen für die Paarvergleichsmessungen A.2 Testinstruktionen für die Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen A.3 gemittelte Ruhehörschwellen der CI-Träger B.1 Alltagsfragebogen: Fragen zur Person und zur Hörfähigkeit B.2 Alltagsfragebogen: Fragen zu verschiedenen Hörsituationen B.3 Alltagsfragebogen: Fragen zu verschiedenen Hörsituationen B.4 Alltagsfragebogen: Fragen zu verschiedenen Hörsituationen B.5 Laborfragebogen: Beurteilung von Klangbeispielen B.6 Laborfragebogen: Beurteilung von Klangbeispielen B.7 Laborfragebogen: Beurteilung von Klangbeispielen

9 ABBILDUNGSVERZEICHNIS IX B.8 Laborfragebogen: Beurteilung von Klangbeispielen B.9 Laborfragebogen: Beurteilung von Klangbeispielen B.10 Laborfragebogen: Beurteilung von Klangbeispielen B.11 Laborfragebogen: Beurteilung von Klangbeispielen B.12 Hörveränderung: Instruktionen 1.Termin (TEMPO+) B.13 Hörveränderung: Situationen wählen und beurteilen B.14 Hörveränderung: Instruktionen 2.Termin (OPUS2) B.15 Hörveränderung: Ausgewählte Situationen beurteilen B.16 Hörveränderung: Beurteilung der Hörveränderung C.1 Spektrum: Männlicher Sprecher C.2 Spektrum: Weibliche Sprecherin C.3 Spektrum: Klaviermusik C.4 Spektrum: Lateinamerikanische Musik C.5 Spektrum: Männlicher Sprecher C.6 Spektrum: Weibliche Sprecherin C.7 Spektrum: OLSA-Rauschen

10 Kapitel 1 Einleitung Mithilfe von Cochlea Implantaten (CI) können heutzutage Menschen mit einer hochgradigen bzw. an Taubheit grenzenden Innenohrschwerhörigkeit in den meisten Fällen Höreindrücke erstmalig oder wieder neu wahrnehmen. Der im Einzelfall erzielbare Erfolg einer CI-Versorgung (Habilitation = Neu-Erlernen von Höreigenschaften; Rehabilitation = Wieder-Erlernen von Höreigenschaften) ist dabei nicht nur von einem notwendigerweise intakten Hörnerven abhängig, sondern nach Rodeck et al. (2004) zu großen Teilen auch von patientenspezifischen Faktoren (Ertaubungszeitpunkt prä- oder postlingual, Zeit zwischen Ertaubung und Implantation, Kommunikationsfähigkeit, subjektive Zufriedenheit, soziale Kompetenz und psychosoziale Faktoren). Es werden heutzutage unter bestimmten Voraussetzungen auch prälingual ertaubte Kinder mit einem CI versorgt und somit schon früh in die hörende Welt integriert. So können wichtige Voraussetzungen für die Entwicklung von Kommunikations- und Sprachfähigkeiten der Kinder geschaffen werden (McCormick und Archbold, 2003). Zwar weicht die eigentliche Funktionsweise eines CI vom physiologischen Hörvorgang deutlich ab, aber nach Dillier (2005) gilt das CI als der erste und bisher einzige praktisch funktionierende Ersatz für ein Sinnesorgan. CI können dabei allerdings funktionell immer nur als eine Näherung an das zu ersetzende Hörsystem betrachtet werden, da sie lediglich in der Lage sind, Teilfunktionen des natürlichen Gehörs zu ersetzen (Dillier, 2005). Bei der Versorgung mit einem CI wird der physiologische Weg akustischer Signale über das äußere Ohr, das Mittelohr und das Innenohr umgangen, indem der auditorische Nerv durch elektrische Impulse direkt stimuliert wird. Nach der 1

11 KAPITEL 1. EINLEITUNG 2 Stimulation findet, wie beim natürlichen Hören, eine Weiterleitung der ausgelösten Aktionspotenziale an das zentral-auditorische System statt. Dort werden die ankommenden Reize zu Hörwahrnehmungen verarbeitet (Hamacher, 2003). Die Umwandlung von akustischen Schallsignalen in elektrische Stimulationsmuster erfolgt durch Kodierungsstrategien (vgl. Kap.2.2), die in den unterschiedlichen CI herstellerabhängig implementiert sind. Die verschiedenen Kodierungsstrategien von Cochlear Implantaten wurden in den letzten Jahren dahingehend entwickelt, dass die meisten CI-Träger mit modernen CI-Systemen in akustisch günstigen Hörsituationen in der Lage sind, Sprache gut bis sehr gut zu verstehen. Allerdings sind die entwickelten Kodierungsverfahren bisher lediglich in der Lage gewesen, spektrale bzw. ortsspezifische (tonotope) Signalinformationen durch die Einhüllende (engl.: envelope) aus den gefilterten Eingangssignalen zu übertragen (Ortskode). Die beispielsweise in Clark (2003) beschriebene physiologische Fähigkeit des Hörsystems, Schallsignale auch durch die Verarbeitung zeitlicher Signaleigenschaften kodieren zu können (Zeitkode, Ratenkode), z. B. die Grundfrequenzwahrnehmung trotz fehlender tonotoper Anregung in der Cochlea, kann von den meisten gegenwärtigen Kodierungsstrategien noch nicht umgesetzt werden. Diese Fähigkeit Normalhörender, unterschiedliche Grundfrequenzen (F0) durch die Nutzung zeitlicher Information der Signalfeinstruktur (engl.:fine structure) leichter voneinander unterscheiden zu können, beschreiben auch Qin und Oxenham (2005). Langner (2007) weist seinerseits der zeitlichen Information eine entscheidende Rolle bei der Analyse von akustischer Information zu. Demnach wird auf zentraler Ebene, unter Berücksichtigung der Signalfeinstruktur, zeitliche und spektrale Information verarbeitet, was zu einer räumlichen Repräsentation spektro-temporaler Information (Langner, 2007) führt. Der Klang eines Tones wird demnach größtenteils von seinem Frequenzspektrum, die Tonhöhe dagegen von der Periodizität seiner Wellenform charakterisiert. Beide Größen lassen sich im Hörsystem weitgehend separat voneinander verarbeiten: Während die Spektralanalyse auf cochleärer Ebene erfolgt, findet die zeitliche Analyse erst im Hirnstamm statt. Aus der Kombination beider Faktoren (Frequenz- und Periodizitätsanalyse) ergeben sich im auditorischen Mittelhirn bzw. im Hörcortex sogenannte räumlich orthogonale neuronale Karten für Klang und Tonhöhe (Langner, 2007). Die Verwendung von Kodierungsstrategien mit alleiniger Übertragung der Hüllkurveninformation, nach Smith et al. (2002) die für die Sprachverständlichkeit

12 KAPITEL 1. EINLEITUNG 3 wichtigste Funktion, führt in geräuschvollen Umgebungen bisher zu keinem guten Sprachverstehen. Auch die Übertragung von nichtsprachlichen akustischen Signaleigenschaften (z. B. Musik) wird in der Literatur grundsätzlich mit modernen CI noch als nicht zufriedenstellend beschrieben (Nie et al., 2005). Für die spezielle Übertragung von musikalischen Eigenschaften beschreiben Kong et al. (2004) und McDermott (2004) zwar, dass Rhythmen in der Musik von CI-Trägern ähnlich gut wie von Normalhörenden wahrgenommen werden können, dass aber ein Erkennen von Melodien oder Instrumenten nach wie vor als unbefriedigend gilt, insbesondere ohne zusätzliche rhythmische Signaleigenschaften. Auch eine Studie von Haumann et al. (2006b) belegt, dass die Diskrepanz zwischen CI-Trägern und Normalhörenden bezüglich der Tonhöhenwahrnehmung nach wie vor sehr groß ist. Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Hörwahrnehmung von CI-Trägern in den beschriebenen problematischen Hörsituationen kann also, neben der Übertragung spektraler Information, in der Übertragung zeitlicher Signalinformation liegen. In den letzten Jahren sind hinsichtlich der Auswirkung zeitlicher Signalinformation auf die menschliche Hörwahrnehmung unterschiedliche Untersuchungen durchgeführt worden. Beispielsweise haben Laneau et al. (2004, 2006) Studien durchgeführt, in denen die Auswirkung einer explizit mit der Grundfrequenz modulierten Signalverarbeitung (F0mod) auf die Musikwahrnehmung bei CI-Trägern getestet wurde. Die Ergebnisse zeigten deutliche Verbesserungen in den Bereichen Instrumentenunterscheidung, Melodieerkennung und Intervallunterscheidung. Um CI-Trägern zukünftig die zeitliche Signalinformation verfügbar machen zu können, stehen bei gegenwärtigen Entwicklungen von Kodierungsstrategien u. a. Überlegungen im Vordergrund, Kombinationen aus Einhüllenden- und Feinstrukturinformation zu entwickeln. In Studien mit CI-Trägern von Nobbe et al. (2006), Mitterbacher et al. (2006) und Arnoldner et al. (2007) wurde eine neuartige Kodierungsstrategie untersucht, die solch eine Kombination darstellt und die Information der Feinstruktur für CI-Nutzer für tiefe Frequenzen verfügbar macht. Nobbe et al. (2006) und Mitterbacher et al. (2006) untersuchten beispielsweise die Auswirkungen der dadurch übertragenen Feinstrukturinformation auf die Tonhöhenwahrnehmung von CI-Trägern. Ihre Ergebnisse zeigten im tieffrequenten Bereich deutliche Verbesserungen im Vergleich zu einer ausschließlich hüllkurvenverarbeitenden Kodierungsstrategie. Die Ergebnisse unterstützen die Aussage von Smith et al. (2002), dass die Feinstruktur u. a. für den Bereich der Tonhöhenwahrnehmung von größter

13 KAPITEL 1. EINLEITUNG 4 Bedeutung ist. In der Studie von Arnoldner et al. (2007) verbesserte sich durch die zusätzliche Übertragung der Feinstrukturinformation im tieffrequenten Bereich die Sprachwahrnehmung postlingual ertaubter CI-Träger bei der Durchführung des Freiburger Einsilbertests und des Hochmair-Schulz-Moser (HSM)- Satztests mit und ohne Störgeräusch. Die Verarbeitung der Feinstrukturinformation scheint durch die Übertragung feiner Tonhöhendifferenzen und Zeitunterschiede zu einer Verbesserung der Sprachwahrnehmung im Störgeräusch zu führen und die Qualität der Musikwahrnehmung zu steigern. In den Studien von Nobbe et al. (2006), Mitterbacher et al. (2006) und Arnoldner et al. (2007) war in den Sprachprozessoren der CI-Träger die Kodierungsstrategie Fine Structure Processing (FSP) implementiert, die in dieser Arbeit in Kapitel 4.2 beschrieben ist. Sie stellt einen möglichen Lösungsansatz dar, um durch die Übertragung von zeitlichen Signalinformationen die Hör- und Sprachverständnisprobleme von CI-Trägern in den o. g. Hörsituationen zu vermindern. Die hier vorgestellte Arbeit soll einen Beitrag dazu liefern, den Einfluss zeitlicher Signalinformation auf das Hören in speziellen Situationen bei CI-Trägern zu untersuchen. Dabei wird speziell die genannte FSP-Strategie zur Übertragung zeitlicher Information verwendet. Zu diesem Zweck stellten sich vier CI-Träger des Cochlea Implant Centrum (CIC) am Evangelischen Krankenhaus Oldenburg zur Verfügung, die zunächst mit dem Sprachprozessor TEMPO+ versorgt und im Verlauf der Studienarbeit mit dem Nachfolgeprozessor OPUS2 (beide Med-El GmbH) umversorgt wurden. Durch die Anwendung gleicher Messmethoden konnten ein Vergleich gezogen werden (vgl. Kapitel 4), in dem die Hörleistungsunterschiede zwischen der im neuen Prozessor implementierten FSP-Strategie und der im Vorgängermodell implementierten CIS-Strategie (CIS = Continuous Interleaved Sampling - vgl. Kapitel 2.2) untersucht wurden. Die Eingewöhnungszeit der CI-Träger mit dem neuen Prozessor betrug dabei vor dem zweiten Messtermin ca. 3 Monate. Eine Verallgemeinerung der in Kapitel 4.4 aufgeführten Untersuchungsergebnisse ist allerdings aufgrund der geringen Probandenzahl an CI-Trägern nicht beabsichtigt. Um die Auswirkung auf die Hörwahrnehmung von CI-Trägern durch eine übertragene Feinstrukturinformation im Vergleich zur Hüllkurveninformation unabhängig von anderen CI-Parametern überprüfen zu können, wurde im Rahmen

14 KAPITEL 1. EINLEITUNG 5 der vorgestellten Arbeit zudem eine neuartige Simulation eines CI realisiert (vgl. Kapitel 3). Simulationen von CI haben im Vergleich zu einem realen CI den Vorteil, dass Einstellungsparameter - je nach Fragestellung - einzeln einstellbar sind. So kann die Auswirkung eines Parameters auf die Signalverarbeitung speziell untersucht werden, während gleichzeitig andere Parameter der CI-Simulation identisch eingestellt und so für alle Versuchspersonen unverändert bleiben. Auf diese Weise können in einer CI-Simulation individuell vorhandene, teilweise gravierende Einflüsse einzelner CI-Parameter (z. B. Anzahl aktiver Elektroden, Stimulationsrate pro Elektrodenkanal, Insertionstiefe etc.) auf die Hörleistung von CI-Trägern eliminiert werden. In Bezug auf die Fragestellung, welchen Einfluss die zusätzliche Übertragung der Feinstrukturinformation auf unterschiedliche Hörsituationen von CI-Trägern haben könnte, wurden in der vorgestellten Simulation zwei Kodierungsstrategien realisiert: eine Strategie mit kanalspezifischer Einhüllendenabtastung (in Anlehnung an die CIS-Strategie) zur Gewinnung der Hüllkurveninformation eines Signals und eine, in Anlehnung an die FSP-Strategie, implementierte Verarbeitungsstrategie (vgl. Kapitel 3.2.2) zur Gewinnung der Feinstrukturinformation. Anschließend wurden mit den CI-simulierten Signalverarbeitungen Messungen mit normalhörenden Versuchspersonen durchgeführt. Der OPUS2, derzeit einziger Sprachprozessor zur Übertragung der Feinstrukturinformation, kann aus den maximal ersten drei apikal gelegenen Elektrodenkanälen die Information der Signalfeinstruktur übertragen. Aus diesem Grund wurde bei der in Kapitel 3 beschriebenen CI-Simulation die Signalinformation der Feinstruktur ebenfalls aus den tieffrequenten Kanälen gewonnen. Dass über die ersten drei Frequenzkanäle hinaus in der Simulation zur Übertragung der zeitlichen Information die positiven Signalanteile bis in den sechsten Kanal abgetastet wurden, lag an der Fragestellung, ob die Übertragung der Feinstrukturinformation zu höheren Frequenzen hin ggf. einen Einfluss auf Sprachverstehen und Musikwahrnehmung von CI-Trägern haben könnte. Bei der Untersuchung zur Auswirkung der übertragenen Feinstrukturinformation auf die Hörwahrnehmung von CI-Trägern muss generell berücksichtigt werden, dass eine CI-Simulation immer nur begrenzt die Signalverarbeitung eines realen CI

15 KAPITEL 1. EINLEITUNG 6 umsetzen kann. Somit müssen sämtliche Ergebnisse aus den Messungen mit CI- Trägern und den Simulationsmessungen mit Normalhörenden (NH) stets in dieser Relation zueinander gesehen werden. Beispielsweise entsteht bei einer CI-Simulation im Vergleich zur echten CI-Verarbeitung ein erheblicher Informationsverlust bei der Hörbarmachung (Auralisation) eines Signals für NH dadurch, dass aus einem n-kanaligen Signal eines CI ein einkanaliges Ausgangssignal synthetisiert wird. Auch direkte Vergleiche zwischen der Hörleistung von NH und von CI-Trägern können immer nur eingeschränkt gezogen werden, da sich die Hörgewohnheiten der beiden Gruppen stark voneinander unterscheiden. In der vorliegenden Arbeit - der Simulation in Kapitel 3 und dem Vergleich von Sprachkodierungsstrategien in Kapitel 4 - werden folgende Fragestellungen thematisiert: 1) In welchen Hörsituationen führt eine zusätzliche Übertragung der Feinstrukturinformation bei CI-Trägern möglicherweise zu einer Verbesserung in der Hörwahrnehmung? a. Verbessert sich durch die Übertragung der Feinstrukturinformation das Sprachverstehen im Störgeräusch allgemein oder nur in bestimmten Störgeräuschsituationen (z. B. unter Verwendung unterschiedlicher Störgeräusche)? b. Können musikalische Eigenschaften durch die Information der Signalfeinstruktur besser übertragen werden und zu einem subjektiv empfundenen Hörgewinn beitragen? c. Verbessert sich durch die übertragene Feinstrukturinformation die Grundtonwahrnehmung und damit die Sprechererkennung bzw. Sprachverständlichkeit in unterschiedlichen Störgeräuschsituationen? 2) Für welchen Frequenzbereich ist die Übertragung der zeitlichen Information der Feinstruktur von Vorteil und bringt einen subjektiven Gewinn in Bezug auf Sprachund Musikwahrnehmung? 3) Führt die Übertragung der Feinstrukturinformation in den verschiedenen Hörsituationen generell zu einem subjektiv empfundenen Hörgewinn gegenüber einer ausschließlichen Übertragung der Hüllkurveninformation? 4) Sind die Ergebnisse aus den Simulationsmessungen mit NH mit den Ergebnissen aus den Messungen mit CI-Trägern vergleichbar?

16 KAPITEL 1. EINLEITUNG 7 Der Aufbau der vorgestellten Arbeit sieht in Kapitel 2 zunächst einen Überblick über die Geschichte der Cochlear Implantate und über verschiedene Signalkodierungsstrategien vor. Die verwendeten Methoden, die wichtigsten Ergebnisse sowie eine abschließende Diskussion für die Simulationsmessungen sind in Kapitel 3 aufgeführt. Um den Zusammenhang der Übertragung von Hüllkurven- und Feinstrukturinformation unter realen Bedingungen untersuchen zu können, enthält Kapitel 4 die mit einer ausgewählten Gruppe von CI-Trägern durchgeführten Messungen und die dazugehörigen Ergebnisse, zuzüglich einer abschließenden Diskussion. Kapitel 5 beschreibt, ausgehend von den Ergebnissen der vorangegangenen Messungen, eine allgemeine Diskussion. Die Arbeit wird mit Kapitel 6, einer Kombination aus Zusammenfassung der Ergebnisse und einem damit verbundenen Ausblick auf zukünftige Untersuchungen und Weiterentwicklungen von CI, abgeschlossen.

17 Kapitel 2 Cochlear Implantate Ein Cochlear Implantat (CI) stellt eine technische Errungenschaft dar, mit der der Schallübertragungsweg bei einem nicht mehr bzw. nur noch minimal funktionierendes Innenohr überbrückt und der Hörnerv elektrisch direkt stimuliert werden kann (Clark, 2003). Die geschichtliche Entwicklung des CI von den ersten Anfängen bis heute wird in Kapitel 2.1 geschildert und anschließend die Funktionsweisen verschiedener Sprachkodierungsstrategien beschrieben (vgl. Kapitel 2.2). 2.1 Geschichtliche Entwicklung Erste akustische Wahrnehmungen nach elektrischer Stimulation der Cochlea beschrieb Volta 1800 in einem Experiment, in dem er sein mit Kochsalz gefüllten äußeren Gehörganges elektrisch stimulierte. Damit rief er eine unangenehme, klangähnliche Empfindung hervor (McCormick und Archbold, 2003), die aus heutiger Sicht jedoch als elektrophoner Effekt bei intaktem Innenohr zu erklären ist (Marangos und Laszig, 1998). Dieser Effekt tritt bei einer Übertragung eines Wechselstroms auf die Haut auf, die in der hörbaren Frequenz einer Elektrode liegt. Die daraus resultierenden auditorischen Empfindungen werden durch Luft- und Knochenleitung an die Cochlea übermittelt. Für eine elektrophonische Stimulation bei Hörgeschädigten ist diese Art der Stimulation aufgrund einer dazu notwendigerweise funktionierenden Cochlea ungeeignet (Lehnhardt, 2003). In den dreißiger und vierziger Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts wuchs die Erkenntnis einer kontrollierbaren elektrischen Stimulation der Hörbahn. Diese Erkenntnis war der Auslöser für erste Studien, die sich mit der elektrischen Anregung der Cochlea und des auditorischen Nerven auseinandersetzten. Wever und Bray demon- 8

18 KAPITEL 2. COCHLEAR IMPLANTATE 9 strierten beispielsweise 1930, dass bei einer Katze nach einer elektrischen Stimulation in der Nähe des Hörnerven die aufgenommenen Signalantworten in Frequenz und Amplitude den dargebotenen akustischen Anregungen entsprachen (Clark, 2003). Eine der ersten aufgenommenen Versuche zur elektrischen Stimulation des Hörnerven beim Menschen geht auf das Jahr 1950 zurück. Dabei wurde das empfangene Signal von dem Patienten als Rauschen wahrgenommen (Gisselsson, 1950). Nachdem Erkenntnisse über die physiologischen Zusammenhänge der Signaldetektion an den Sinneszellen im Innenohr und die tonotopische Anordnung in der Cochlea gewonnen wurden, wuchs das Interesse an der Hörnervstimulation bei ausgefallener Innenohrfunktion (Marangos und Laszig, 1998). Djourno und Eyries stimulierten 1957 als erstes den Hörnerven über eine Telespule mit Strompulsen. Diese Stimulation führte zu einem Sprachverstehen bei begrenztem Wortmaterial. Es folgten zahlreiche weitere Studien, in denen Elektroden in der Nähe der Cochlea implantiert wurden (Grayden und Clark, 2006). Aufgrund der Ergebnisse dieser Studien kursierte unter Experten in den sechziger Jahren die Meinung, dass eine ausreichende Sprachwahrnehmung durch eine elektrische Stimulation der Hörnervenfasern mit einem CI nicht möglich ist und diese lediglich eine Rauschempfindung auslöse (Loizou, 1998; Clark, 2003). In den Siebziger und Achtziger Jahren wurden sowohl einkanalige als auch mehrkanalige Implantate in vielfacher Form entwickelt und implantiert, beispielsweise die einkanaligen Implantate House/3M (siebziger Jahre) und Vienna/3M (achtziger Jahre), u. a. beschrieben in Loizou (1998). Die Spanne der Hörveränderung durch eine Implantatversorgung reichte bei den Patienten von einfacher überlieferter Schallübertragung bis hin zu offener Spracherkennung. Bei vielen Patienten wurde dadurch zwar kein Gewinn in der Sprachwahrnehmung erzielt, sie berichteten aber über Verbesserungen hinsichtlich Vokalisation und Modulation ihrer eigenen Stimme (Grayden und Clark, 2006). In Forschungsprojekten mit Tieren wurden in Bezug auf die Funktionsweise von Nervenfasern und der zentralen Hörbahn entscheidende Erkenntnisse gewonnen, die zu wichtigen und voranbringenden Entscheidungen in der CI-Entwicklung führten. Beispielsweise führte die Beobachtung, dass physiologisch die Nervenfaseraktivität auf maximal 500 Pulse/s begrenzt ist, zu der Erkenntnis, dass mehrkanalige CI zur gleichzeitigen Stimulation verschiedener Frequenzbereiche in der Cochlea notwendig sind (Grayden und Clark, 2006).

19 KAPITEL 2. COCHLEAR IMPLANTATE 10 In den siebziger Jahren experimentierten verschiedene Arbeitsgruppen mit extraund intracochleärer Stimulation. Beispielsweise setzten Burian, Hochmair-Desoyer und Hochmair ein Implantat mit vier Elektrodenpaaren ein, von denen jeweils das günstigste zur Breitbandstimulation verwendet wurde. Banfai und Hortmann implantierten Ende der siebziger Jahre extracochleär auf dem Promontorium die ersten mehrkanaligen Systeme (Rosahl et al., 2004). Ebenfalls in diesem Zeitraum wurden die ersten kommerziell verfügbaren CI von Eddington et al. entwickelt. Es folgte Anfang der achtziger Jahre die Entwicklung eines von Clark et al. entwickelten CI (Mc- Cormick und Archbold, 2003). Neben Clark berichteten in der Zeit unabhängig voneinander noch Michelson und Schindler zum ersten Mal über ein Sprachverständnis, das durch cochleäre Implantation hervorgerufen wurde (Rosahl et al., 2004). Insgesamt führten in der Zeit intracochleäre, mehrkanalige CI im Vergleich zu einer einkanaligen bzw. extracochleären Versorgung vielfach zu deutlichen Verbesserungen in der Sprachwahrnehmung. Patienten, die einkanalig versorgt waren, erzielten mit einem neuimplantierten, mehrkanaligen CI verschiedengradige Verbesserungen in der Erkennung von Sprache und Umgebungsgeräuschen (McCormick und Archbold, 2003), allerdings war bis auf wenige Ausnahmen kein Verstehen von Sprache ohne Lippenlesen möglich (Marangos und Laszig, 1998). Abb. 2.1: 1978/1979: An der University of Melbourne entwickelter mehrkanaliger receiver-stimulator. links: tragbarer Sprachprozessor mit Haarband und Halteform, um die Übertragungsspule zu fixieren rechts: Implantat mit Empfängerspule und transkutaner Steckverbindung (Clark, 2003) Die Universität von Paris entwickelte Anfang der achtziger Jahre ein acht-

20 KAPITEL 2. COCHLEAR IMPLANTATE 11 bzw. zwölfkanaliges CI. Damit konnten Verbesserungen in der Vokalerkennung, der Stimmwahrnehmung und in der Erkennung geschlossener Wortlisten erzielt werden. Desweiteren konnte mit einem vierkanaligen, an der Utah-Universität entwickelten CI eine Verbesserung in der offenen Sprachwahrnehmung erreicht werden. Auch in Deutschland wurden Anfang der achtziger Jahre Patienten mit achtkanaligen CI implantiert. Ein kleiner Prozentsatz der Nutzer zeigte Anzeichen für die Entwicklung einer offenen Sprachwahrnehmung (Grayden und Clark, 2006). Abb. 2.2: Entwicklung der Implantat-Modelle der Firma Nucleus; oben links: Prototyp(1979); oben rechts: Versuchsimplantat von Nucleus(1982); unten links: Nucleus CI22 Mini(1985); unten rechts: Nucleus CI 24M (90ger Jahre) (Clark, 2003) In den achtziger Jahren wurden erstmals auch Kinder mit einem CI versorgt. In dieser Zeit wurden CI zunehmend für klinische Verwendungszwecke eingesetzt. In den neunziger Jahren wurden zwei Sprachverarbeitungsstrategien entwickelt, durch die die Sprachwahrnehmung schrittweise verbessert werden konnte : Die Continuous Interleaved Sampling (CIS) -Strategie (vgl. Kapitel 2.2) und die Strategie Spectral Peak (SPEAK)(Clark, 2003). Zudem wurde erkannt, dass der Hörnerv anhand von intracochleär platzierten Elektroden wirksamer durch elektrische Pulse stimuliert werden kann als mit extracochleären Elektroden. So können Menschen mit einer starken Innenohrschädigung Höreindrücke besser wahrnehmen und Sprache verstehen. Durch die Möglichkeit, frühertaubte bzw. taub geborene Kinder mit einem CI versorgen zu können, können diese bereits frühzeitig in die hörende Welt integriert werden (Dillier, 2005), was für die Lautwahrnehmung und den Spracher-

21 KAPITEL 2. COCHLEAR IMPLANTATE 12 werb im frühen Kindesalter eine notwendige Voraussetzung darstellt. Einzelne Bestandteile konventioneller CI-Systeme, die bei der Signalaufnahme, -kodierung, und -übertragung aktiv sind, sind in Abbildung 2.3 dargestellt. Abb. 2.3: externe und interne Komponenten eines Cochlear Implantats ( 01.Oktober2007) Die Größe des Sprachprozessors (links in Abb. 2.3) ist mittlerweile so miniaturisiert worden, dass er in den meisten Fällen als Hinter-dem-Ohr-Gerät getragen wird. Bei Kleinkindern wird häufig ein an der Kleidung anzubringendes Gehäuse gewählt, da sonst ein Loslösen des hinter dem Ohr platzierten Sprachprozessors durch Bewegungen der Kinder leicht möglich wäre. Über ein in das Prozessorgehäuse integriertes Mikrofon mit Richtcharakteristik werden Schallsignale aufgenommen und dem Sprachprozessor zugeführt. Hier werden die Signale analysiert und in ein elektrisches Stimulationsmuster umgewandelt. Anschließend werden diese Muster an die Sendespule geleitet und von dort über induktive Kopplung auf das Implantat mit seiner Empfangsspule (rechts in Abb. 2.3) übermittelt. Im Anschluss daran wird das elektrische Signal über die in der Cochlea plazierten Stimulationselektroden auf den Hörnerven übertragen und ein Höreindruck ausgelöst (Dillier, 2005). Nachdem mittlerweile die meisten CI-Träger mit modernen CI in der Lage sind, ein gutes bis sehr gutes Sprachverstehen in ruhiger Umgebung zu erzielen, steht seit einigen Jahren ein weiterer Entwicklungsschwerpunkt im Mittelpunkt: die adäquate Übertragung von nichtsprachlichen Geräuschen, insbesondere Musik. Mit konventionellen Sprachprozessoren ist es vielfach mit aktuellen Verarbeitungsstrategien noch nicht möglich, Musik zufriedenstellend zu übertragen (McDermott, 2004; Nie et al., 2005). Die Entwicklungs- und Verbesserungsmöglichkeiten für CI sind demnach bis heute noch längst nicht ausgeschöpft. In den nächsten Jahren werden aufgrund des rapiden Fortschritts auf dem Gebiet der CI-Forschung und aufgrund

22 KAPITEL 2. COCHLEAR IMPLANTATE 13 zukünftiger technischer Möglichkeiten und neuer Erkenntnisse voraussichtlich viele aktuelle Entwicklungen im CI-Bereich modifiziert und optimiert. 2.2 Sprachkodierungsstrategien Einer der wohl wichtigsten Unterschiede zwischen modernen CI liegt in der jeweils verwendeten Signalverarbeitungsstrategie, mit der Schallsignale in elektrische Pulse umgewandelt werden. Es sind in den letzten drei Jahrzenten viele unterschiedliche Verarbeitungsstrategien in ein- und mehrkanaligen CI entwickelt worden, wobei es grundsätzlich um das Ziel ging, durch elektrische Stimulation ausreichende Informationen an den auditorischen Kortex zu übermitteln, um unter Mitwirkung von kognitiven Prozessen eine Spracherkennung zu ermöglichen (Marangos und Laszig, 1998). So wurden mit der Zeit zunehmend mehrkanalige und intracochleäre Stimulationsmuster im Vergleich zu einkanaligen und extracochleären Systemen in CI realisiert (Wesarg, 2004). An dieser Stelle soll dementsprechend auf Verarbeitungsstrategien einkanaliger CI bzw. auf extracochleäre Stimulation nicht näher eingegangen werden Klassifikation mehrkanaliger CI-Systeme Mehrkanalige CI verwenden intracochleär einen Elektrodenträger mit mehreren Elektroden, um tonotopisch unterschiedliche Frequenzbereiche der Cochlea stimulieren zu können. Welche Orte in der Cochlea dabei stimuliert werden, hängt von der Frequenz des Eingangssignals, den aktiven Frequenzkanälen und der zugrundeliegenden Kodierungsstrategie ab. Nach Wesarg (2004) lassen sich mehrkanalige CI- Systeme anhand ihrer zugrundeliegenden Kodierungsstrategie unterteilen: Sprachkodierungsstrategien mit pulsatil-sequentieller bzw. mit quasianalog-simultaner Stimulation. Der Unterschied zwischen den Strategien liegt in der Art und Weise begründet, Informationen aus einem Sprachsignal zu extrahieren und an die Elektroden weiterzuleiten. Sprachkodierungsstrategien mit pulsatil-sequentieller Stimulation kodieren aus den Sprachsignalen entweder die Grundfrequenz- und die Formanten (F0F1F2-Strategie, Multi-Peak (MPEAK)-Strategie), die Intensität der höchsten spektralen Komponenten (Spectral Peak (SPEAK)-Strategie, Advanced Combination Encoders (ACE)-

23 KAPITEL 2. COCHLEAR IMPLANTATE 14 Strategie, n-of-m-strategie) oder die Intensität aller spektralen Komponenten (Continuous Interleaved Sampling (CIS)-Strategie). Bei der MPEAK-Strategie wird beispielsweise im Vergleich zur F0F1F2-Strategie die Repräsentation des zweiten Formanten (F2) verstärkt, der nach Loizou (1998) und Marangos und Laszig (1998) für die Konsonantenwahrnehmung wichtig ist. Die SPEAK-Strategie verwendet dagegen möglichst viele Elektrodenkanäle (mind. 20), um das Ortsprinzip, Frequenzen lokal als Stimulationsmuster wiederzugeben, gut umsetzen zu können. Die Frequenzbänder mit den höchsten Schallanteilen werden dabei zur Stimulation ausgewählt. Die Kodierungsstrategie ACE stellt eine Kombination aus SPEAK und CIS dar, indem die Elektrodenkanäle frequenzspezifisch, je nach auftretenden Schallmaxima, dynamisch zur Stimulation ausgewählt werden und die Kanalanzahl variieren kann. Nach individuellem Unterscheidungsvermögen können so beide Prinzipien der Tonhöhenerkennung, Ortsprinzip 1 und Periodizitätsprinzip 2 angesprochen werden (Fricke und Coninx, 2001a). Die CIS-Strategie (vgl. Kapitel 2.2.3) wird nach Hamacher (2003) in nahezu allen modernen Sprachprozessoren angeboten, wobei sich die Anzahl der Kanäle, die Phasendauern und die Stimulationsraten herstellerabhängig unterscheiden. Grundsätzlich folgen bei einer pulsatilen Stimulation die einzelnen Stimulationspulse streng sequentiell, d. h. zu jedem Abtastzeitpunkt existiert maximal ein Stimulationspuls. Dadurch können Kanalinteraktionen vermieden werden (Wesarg, 2004). Als Anregung von n aktiven Kanälen werden dafür zumeist biphasisch ladungsausgeglichene Strompulse verwendet. In Abbildung 2.4 sind zwei aufeinanderfolgende biphasische Pulse abgebildet. Neben biphasischen Pulsen werden z. T. aber auch triphasische Pulse in CI verwendet, um auftretende störende Kanalinteraktionen zu vermindern (MED-EL, 2007). Bei Sprachkodierungsstrategien mit quasianalog-simultaner Stimulation erfolgt dagegen eine gleichzeitige Ansteuerung n aktiver Elektrodenkanäle, wobei die Stimulationsdauer eines Zyklus der Dauer der Abtastperiode in den Analysekanälen entspricht. Allerdings wird diese Art der Stimulation in konventionellen CI le- 1 Ortsprinzip: Breitbandige Verteilung der Elektroden in der Cochlea zur tonotopen (basal bzw. apikal) Anregung des Hörnerven (Becker, 2006) 2 Periodizitätsprinzip: Analyse und Erkennung zeitlich wiederkehrender Frequenzanteile bzw. zeitlicher Muster eines Signals (Tonhöhe, Klangfarbe) (Becker, 2006)

24 KAPITEL 2. COCHLEAR IMPLANTATE 15 diglich von einer Kodierungsstrategie (Simultaneous Analog Stimulation (SAS)- Strategie) umgesetzt. Dabei erfolgt weder eine Merkmalsextraktion noch eine Detektion der Einhüllenden in den einzelnen Frequenzbändern. Durch die simultane Ansteuerung der Elektroden wird bei der Verarbeitung von Sprachsignalen eine hohe Zeitauflösung der Signalinformationen möglich, die der besseren Übertragung der frequenzbandspezifischen zeitlichen Feinstruktur von Sprachsignalen dient. Allerdings benötigt die Verwirklichung dieser Verarbeitungsstrategie mehrere Stromquellen in einem Implantat (Wesarg, 2004). Eine Kombination aus sequentieller und simultaner Anregung stellt die Kodierungsstrategie Paired-Pulsatile-Sampler (PPS)-Strategie dar, bei der immer zwei Kanäle gleichzeitig stimuliert werden. Um dabei auftretende Kanalinteraktionen zu minimieren, werden vorwiegend räumlich getrennt voneinander liegende Elektroden zur Stimulation ausgewählt (Hamacher, 2003). Abb. 2.4: Schema zweier ladungsausgeglichener biphasischer Einzelpulse, bestehend aus positiver und negativer Phase mit gleicher Pulsweite und gleichem Betrag der Amplitude zur Vermeidung von Gleichstromkomponenten, die in das Elektrolyt Gleichgewicht der Cochlea eingreifen würden; die gegensinnigen Phasen eines Pulses sind von einer festen 50 µs langen Pause getrennt; der Abstand zweier Pulse, das Interpuls-Intervall, hängt von der Träger-Rate ab. (Plotz, 2001)

25 KAPITEL 2. COCHLEAR IMPLANTATE Signalverarbeitungsstrategien mehrkanaliger CI- Systeme Die wichtigste Funktion der Kodierungsstrategien liegt nach Wesarg (2004) in der Transformation von akustischen Sprachsignalen in elektrische Signale in den aktiven Stimulationskanälen (Elektroden). Kodierungsstrategien in heutigen CI-Systemen basieren dabei zumeist auf der von Wilson et al. (1991) entwickelten Continous Interleaved Sampling (CIS)-Strategie. In Tabelle 2.1 sind verschiedene kommerzielle CI-Systeme in einer Übersicht dargestellt. Neben der Sprachkodierungsstrategie sind zusätzlich die Hersteller (Advanced Bionics Corp., Cochlear GmbH, Med-El GmbH) und die maximal mögliche Anzahl aktiver Elektrodenkanäle aufgeführt. Implantat Hersteller Sprachkodierungsstrategie max. Anzahl aktiver Kanäle HiRes90K1J/ HiRes90K Helix Nucleus Freedom SONATA TI 100 Advanced Bionics Corp. CIS/HiRes 16 Cochlear GmbH SPEAK/ACE/CIS/ 22 PLCIS Med-El GmbH CIS+/HDCIS/ 12 FSP Tab. 2.1: Übersicht über konventionelle Kodierungsstrategien in Cochlea Implantaten der Hersteller Advanced Bionics Corp., Cochlear GmbH und Med-El GmbH Sprachkodierungsstrategien mehrkanaliger CI-Systeme beinhalten drei große Signalverarbeitungsblöcke: die Signaldetektion, die Signalanalyse und die Signalkodierung (Wesarg, 2004). In einem vereinfachten Funktionsschema in Abbildung 2.5 wird der Zusammenhang dieser drei Bestandteile dargestellt.

26 KAPITEL 2. COCHLEAR IMPLANTATE 17 Abb. 2.5: Vereinfachtes Funktionsschema mehrkanaliger Kodierungsstrategien mit pulsatiler oder quasianaloger Stimulation in n aktiven Kanälen (KA): Die Signaldetektion umfasst die Verstärkung, die Höhenanhebung und die Analog-Digital (A/D)- Wandlung aufgenommener Schallsignale. Die Signalanalyse beinhaltet die Ermittlung der in den Eingangssignalen enthaltenen Informationen, die für das Sprachverständnis und/ oder die Musikwahrnehmung primär wichtig sind, während die Signalkodierung, entsprechend der jeweiligen Kodierungsstrategie, für die Umwandlung dieser Informationen in ein elektrisches Anregungssignal und die Aktivierung der entsprechenden intracochleären Elektroden zuständig ist. (Wesarg, 2004) Sprachkodierungsstrategien in CI beinhalten in unterschiedlichem Maße die physiologischen Prinzipien, die für das akustische Hören grundlegend wichtig sind: das Orts- und das Periodizitäsprinzip. Das Ortsprinzip wird in CI durch die Anordnung der intracochleär platzierten Elektroden nachgebildet, während das Periodizitätsprinzip durch die verschiedenen Kodierungsstrategien unterschiedlich berücksichtigt wird, nach Wesarg (2004) je nach Stimulation der Elektroden (quasianalog-simultan oder pulsatil-sequentiell). Die Compressed-Analog (CA)- Strategie und die Simultaneous Analog Stimulation (SAS) stellen Beispiele für eine analog-simultane Stimulation der Elektroden dar. Der SAS-Strategie liegt dabei die Annahme zugrunde, dass eine analoge Stimulation dem natürlichen Hörempfinden des Ohrs am meisten entspricht (Fricke und Coninx, 2001a). Der Continuous Interleaved Sampling (CIS)-Strategie liegt beispielhaft eine pulsatilsequentielle Stimulation der Elektroden zugrunde (vgl. Kapitel 2.2.3). Eine neuartige Verarbeitungsstrategie mit pulsatiler Stimulation ist die sogenannte Fine structure

27 KAPITEL 2. COCHLEAR IMPLANTATE 18 processing (FSP)-Strategie (MED-EL, 2007). Bei dieser Strategie werden in den apikal gelegenen Frequenzbändern nicht die Signaleinhüllenden (wie z. B. bei der CIS-Strategie), sondern die positiven Anteile der kanalspezifischen Signale abgetastet, um zusätzlich zu den Amplitudenverläufen zeitliche Signalinformationen aus den einzelnen Kanälen zu extrahieren (vgl. Kapitel 2.2.4) Continuous Interleaved Sampling - CIS/CIS+ Die CIS-Strategie wurde entwickelt, um störende Kanalinteraktionen zwischen einzelnen Elektrodenkanälen zu vermeiden. Biphasische, sich nicht überlappende Pulse (vgl. Abbildung 2.4), stimulieren die einzelnen Elektroden so, dass zu einem Zeitpunkt ausschließlich nur eine einzelne Elektrode angeregt wird (Loizou, 1998) und somit schwer zu kontrollierende Überlagerungseffekte der elektrischen Anregung vermieden werden (Hamacher, 2003). In Abbildung 2.6 ist die Funktionsweise der CIS- Strategie veranschaulicht. Abb. 2.6: Prinzip der CIS-Stimulation ( 10. September 2007) Das Eingangssignal wird bei der CIS-Strategie durch eine Filterbank in einzelne Frequenzbänder zerlegt, deren Anzahl mit der Summe der stimulierenden Elektroden identisch ist. Die Schallenergie, repräsentiert durch die Einhüllende in jedem Ausgangssignal der einzelnen Kanäle, legt die zu übertragende Stromamplitude für die jeweils zugeordnete Elektrode fest. Es folgt eine instantane nichtlineare Kompression der Hüllkurvensignale (Zierhofer, 2001). Die aufeinanderfolgenden, immer mit aktualisierten Parametern berechneten Stimulationszyklen (sequentielle

28 KAPITEL 2. COCHLEAR IMPLANTATE 19 Abtastung) mit biphasischen Pulsen (Macherey, 2003) verlaufen von basal nach apikal und vermeiden so nachteilige Kanalinteraktionen (Marangos und Laszig, 1998). Für eine individuelle Anpassung des Sprachprozessors ist zudem die Erstellung einer Maplaw, d.h. die patientenspezifische Einstellung des Dynamikbereichs, eine Grundvoraussetzung für eine gute CI-Versorgung (vgl. Abbildung 2.6). Eine Weiterentwicklung der CIS-Strategie stellt die sogenannte CIS+-Strategie dar. In dieser Kodierungsstrategie ist eine neue Methode der Hüllkurvenextraktion implementiert, die Hilbert-Transformation. Damit kann die Einhüllende eines Signals mathematisch exakt berechnet werden (Fricke und Coninx, 2001b) Fine Structure Processing - FSP Diese Kodierungsstrategie beinhaltet die von Med-El GmbH entwickelte FineHearing Technology. Im tieffrequenten Bereich wird dabei zusätzlich zur Amplitudeninformation (CIS-Strategie) die zeitliche Information der Feinstruktur übertragen. Für eine feinere Wahrnehmung höherer Frequenzen werden sogenannte Virtuelle Kanäle verwendet (Nobbe et al., 2006). Bei der FSP-Strategie werden nicht nur die kanalspezifischen Amplituden eines Signals verarbeitet. Es können dem CI-Nutzer feinere Tonhöhenunterschiede und zeitliche Signalinformationen dadurch vermittelt werden, dass die ersten Elektroden mit sogenannten Channel specific sampling sequences (CSSS) stimuliert werden (Zierhofer, 2001). Dabei handelt es sich um eine Serie von Stimulationspulsen, die nach Nobbe et al. (2006) mit den Nulldurchgängen der bandpassgefilterten Signale synchronisiert sind und mit der jeweiligen Eingangsamplitude gewichtet werden (vgl. Abbildung 2.7). Die Länge der Pulsfolgen hängt von der oberen Grenzfrequenz in den bandpassgefilterten Kanälen ab. Die Wiederholungsrate (CSSS-Rate) entspricht somit jeweils der Trägerfrequenz des Signals in den entsprechenden Frequenzkanälen (Hochmair et al., 2006). Durch diese Art der Signalverarbeitung können Informationen der Feinstruktur gewonnen werden. Im Vergleich zur CIS-Strategie, wo Signalanteile ab einer Frequenz von ca. 250 Hz übertragen werden, kann mit der FSP-Strategie die zu übertragene Frequenz auf ca. 70 Hz gesenkt werden. Die der Signalverarbeitung zugrundeliegenden CSSS können dabei, je nach Anordnung der Bandpassfilter, bis zu einer oberen Frequenz

29 KAPITEL 2. COCHLEAR IMPLANTATE 20 von 300 Hz bis 500 Hz verwendet werden (Hochmair et al., 2006). Apikal können nach Arnoldner et al. (2007) derzeit maximal die ersten drei Elektroden mit CSSS stimuliert werden. In basaleren Frequenzkanälen erzielt die FSP-Strategie feine Tonhöhenunterscheidungen durch die Verwendung von Virtuellen Kanälen. Die Stimulationsamplituden der Elektroden entsprechen dabei den frequenzabhängigen Amplitudenverläufen des bandpassgefilterten Signals. Durch diese Art der Gewichtung entstehen virtuelle Frequenzkanäle zwischen den Elektroden, so dass bei CI-Trägern tonotope Empfindungen in diesen Bereichen hervorgerufen werden können (Hochmair et al., 2006). Abbildung 2.7 veranschaulicht grafisch die verschiedenenartigen Funktionsweisen der Verarbeitungsstrategien CIS und FSP.

30 KAPITEL 2. COCHLEAR IMPLANTATE 21 Abb. 2.7: Vergleich zwischen kanalspezifischer Stimulation mit Channel Specific Sampling Sequences (CSSS) und der CIS-Stimulation: Aus dem bandspezifisch gefilterten Signal (oben) werden durch die CSSS-basierte Verarbeitung (Mitte), zusätzlich zu den Amplitudeninformationen, zeitliche Informationen gewonnen. Mittels der CIS-Strategie durch Abtastung der kanalspezifischen Hüllkurve (unten) können lediglich amplitudenspezifische Informationen gewonnen werden. (Zierhofer, 2001) Während bei der CIS-Verarbeitung in Abbildung 2.7 die Abstände zwischen den einzelnen Pulsen konstant bleiben, weisen die mit den Nulldurchgängen des bandpassgefilterten Signals synchronisierten Abstände zwischen den einzelnen Pulsfolgen bei der FSP-Verarbeitung z. T. unterschiedliche Längen auf. Dadurch können aus den einzelnen Kanälen zeitliche Unterschiede extrahiert werden. Zusätzlich werden zeitliche Signalinformationen durch die Detektion der unterschiedlichen Abstände der Nulldurchgänge (basaler Kanal = kurze Abstände; apikaler Kanal = lange Abstände) in den verschiedenen Elektrodenkanälen gewonnen. Da der Verlauf der maximalen Amplituden der einzelnen Pulsfolgen (s. Abbildung 2.7) gut die Einhüllende eines Kanals nachbildet, geht zudem nahezu keine Amplitudeninformation der kanalspezifischen Signale verloren.

31 Kapitel 3 Simulation von Sprachkodierungsstrategien in Cochlear Implantaten Zusammenfassung Cochlea Implantat (CI)- Simulationen dienen dazu, einzelne Eigenschaften bzw. Funktionsbestandteile (z. B. Stimulationsrate, Elektrodenanzahl, Pulsbreite, Insertionstiefe) oder ganze Systeme von CI nachzubilden. Zielsetzungen dabei sind zum einen die Hörbarmachung (Auralisation) der von CI-Trägern wahrgenommenen Hörwahrnehmung, zum anderen die Gewinnung von Erkenntnissen zur Weiterentwicklung von CI. In Kapitel 3.1 sind einige Studien, die sich in der Vergangenheit mit CI-Simulationen beschäftigt haben, beispielhaft beschrieben. Um die Auswirkungen von Kodierungsstrategien auf die Sprachverständlichkeit, den Hörkomfort und die Musikwahrnehmung von CI-Trägern untersuchen zu können, wird in dieser Arbeit eine neuartige Simulation vorgestellt, in der verschiedene Funktionseigenschaften von CI implementiert sind (vgl. Kapitel 3.2.1, und 3.2.3). Mit dieser Simulation können verschiedene Kodierungsstrategien herstellerunabhängig untersucht werden. In der in diesem Kapitel vorgestellten Version der CI-Simulation wurden bisher zwei konventionelle Kodierungsstrategien implementiert: eine Strategie, die jeweils die Einhüllende der Signale in den verschiedenen Kanälen abtastet und somit ortsspezifische Amplitudeninformationen überträgt. Die zweite Strategie kann zusätzlich 22

32 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 23 durch die Abtastung positiver Signalanteile aus den einzelnen Frequenzkanälen Informationen der Signalfeinstruktur extrahieren und übertragen (Hochmair et al. (2006) und Arnoldner et al. (2007)). Diese Feinstrukturinformationen haben nach Smith et al. (2002) eine hohe Bedeutung für die Tonhöhenwahrnehmung und das Richtungshören (vgl. Kapitel 3.1). Der Einfluss der simulierten Feinstrukturstrategie auf die Sprach- und Musikwahrnehmung wurde in mehreren Messungen mit normalhörenden Probanden untersucht. Die Ergebnisse der Paarvergleichsmessungen (vgl. Kapitel 3.3.1) und den Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen (vgl. Kapitel 3.3.1) werden in den Kapiteln 3.3 bzw. 3.4 beschrieben. Darin wird zum einen deutlich, dass die Übertragung der Feinstrukturinformation einen Gewinn für das subjektive Sprachverstehen in Ruhe bringt: In einem vollständigen Paarvergleich wurden die Sprachbeispiele mit übertragener Feinstrukturinformation signifikant besser beurteilt als die hüllkurvenbasiert verarbeiteten Sprachsignale. Bei der Beurteilung zweier Musiksignale wurden zum einen ebenfalls die Signale mit übertragener Information der Feinstruktur signifikant präferiert (Klaviermusik), während die Beurteilung eines latein-amerikanisch rhythmischen Musikausschnitts eine, teilweise signifikant, bessere Beurteilung der hüllkurvenbasierten Signalversion ergab. In einer weiteren Messung mit normalhörenden Versuchspersonen wurde die Sprachverständlichkeit im Störgeräusch anhand von Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen (vgl. Kapitel 3.3.1) untersucht. Dabei zeigte sich zwischen der hüllkurvenabgetasteten Version und der Version mit zwei implementierten, im apikalen Bereich stimulierten, Kanälen mit enthaltener Feinstrukturinformation kein signifikanter Unterschied im Sprachverstehen. Es konnte allerdings im Vergleich zur Beurteilung des Originalsignals gut simuliert werden, dass das Sprachverständnis von CI-Trägern grundsätzlich deutlich schlechter als das von Normalhörenden ist.

33 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN Einleitung Cochlea Implantate (CI) stellen technische Hörhilfen dar, mit denen die meisten Menschen mit hochgradiger Innenohrschwerhörigkeit nicht nur die Möglichkeit haben, erstmalig oder wieder neu Höreindrücke wahrzunehmen, sondern mit denen heutzutage der überwiegende Anteil der CI-Träger durch moderne Sprachverarbeitungsstrategien eine gute bis sehr gute Sprachverständlichkeit in ruhigen Situationen erreicht (Nie et al., 2005). Allerdings ist die Wahrnehmung von Musik noch unbefriedigend, vor allem dann, wenn keine unterstützenden, rhythmischen Signaleigenschaften gleichzeitig vorhanden sind (McDermott, 2004). Um Funktionsweisen und Eigenschaften von CI nicht nur als komplettes System in Studien mit CI-Trägern untersuchen zu müssen, sondern auch Untersuchungen über einzelne Parameter von CI durchführen zu können, werden seit einigen Jahren zunehmend Simulationen von CI entwickelt und für Studienzwecke verwendet. Mit einer CI-Simulation sollen Signalverarbeitungsstrategien von CI nachgebildet und die simulierten Verarbeitungen auralisiert werden. Anhand einer Simulation bzw. der Auralisation können Normalhörende einen ungefähren Eindruck davon bekommen, wie CI-Träger Klänge und Geräusche wahrnehmen. Zudem können durch Simulationen die Auswirkungen einzeln einstellbarer Parameter (z. B. Pulsrate, Kanalanzahl) auf die Signalverarbeitung untersucht werden. Nach Loizou (2006) werden Simulationen von CI dazu verwendet, um in Abwesenheit von individuellen, störenden Faktoren (z. B. Dauer der Ertaubung, Insertionstiefe) verschiedene Eigenschaften von CI untersuchen zu können. Das Ziel solcher Untersuchungen ist es, aus den gewonnenen Erkenntnissen Schlüsse hinsichtlich zukünftiger CI-Entwicklungen zu ziehen. Eine CI-Simulation kann allerdings in ihrer Funktion immer nur als eine Annäherung an ein reales CI angesehen werden, da zum einen die komplexen elektrischen Verarbeitungsmechanismen eines CI und die Stimulation des Hörnerven nicht exakt simuliert werden können und zum anderen bei der Auralisation (Umwandlung des n-kanaligen Elektrodensignals in ein einkanaliges akustisches Signal) viel Information verlorengeht. Schwierigkeiten bei der Entwicklung einer CI-Simulation liegen also darin, die umfangreichen Kenntnisse über die komplexen Funktionsweise eines CI aufgrund der Summe der zu berücksichtigenden Faktoren detailliert zu implementieren. Dazu gehören: technische Faktoren (z. B. Stimulationsrate, Elektrodenanzahl, Stimulationsmodus),

34 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 25 Signalkodierungsstrategien (von der Schallaufnahme bis zur Elektrodenstimulation), operative Faktoren (z. B. Insertionstiefe, Einteilung der Elektroden in der Cochlea), physiologische Faktoren (z. B. Refraktärzeit der Neuronen) und andere Faktoren (de la Torre Vega et al., 2004). Es ist zudem schwierig, Einflüsse der Faktoren untereinander zu überprüfen oder zu quantifizieren. Es werden außerdem zumeist einfache Systeme bzw. Auralisationen zur Vermittlung von Höreindrücken von CI-Trägern verwendet, wodurch der Nutzen für ein individuelles Hören selten gegeben ist (Chalupper und Mergell, 2003). Ein weiteres Problem bei der Simulation von Hörwahrnehmungsprozessen von CI-Trägern ist die Berücksichtigung der Unterschiede der sogenannten internen Repräsentationen 1 von CI-Trägern und Normalhörenden. Zum einen, weil zu wenig über die Umsetzung der Hörnervstimulation durch CI in interne Repräsentationsmuster bei CI-Trägern bekannt ist und zum anderen, weil individuelle interne Repräsentationen von normalhörenden Versuchspersonen in Messungen mit CI-simulierten Signalen nicht ausgeblendet werden können und sich dementsprechend auf die Messergebnisse auswirken. Die Anzahl der in einer Simulation zu berücksichtigenden Faktoren macht deutlich, dass bei allen Versuchen, ein CI mit seinen Funktionen simulieren zu wollen, eine Tatsache zu berücksichtigen bleibt: CI-Verarbeitungen können in ihrer Kompaktheit durch Simulationen und Auralisationen nur bedingt realisiert und die Klangwahrnehmung von CI-Trägern für Normalhörendedeshalb nur in grober Näherung nachempfunden werden. In den letzten Jahren wurden viele Entwicklungen realisiert, einzelne CI- Eigenschaften bzw. komplette CI-Systeme zu simulieren. Beispielsweise untersuchten Dorman et al. (1997) den Einfluss der Kanalanzahl auf die Sprachverständlichkeit von Vokalen, Konsonanten und Sätzen. Die unterschiedlichen Bedingungen ergaben für mehr als acht Kanäle beim Verstehen von Vokalen bzw. für mehr als fünf Kanäle beim Verstehen von Sätzen keine signifikante Verbesserung im Sprachverstehen. Faulkner et al. (2000) und Dorman et al. (2003) untersuchten den Einfluss der cochleären Insertionstiefe eines Elektrodenträgers auf die Wahrnehmung von 1 Interne Repräsentation: von einem akustischen Klang im menschlichen Gehirn gespeichertes Muster. Anhand interner Repräsentationen können verschiedene Klänge im Gehirn erkannt und unterschieden werden (Kollmeier, 1995).

35 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 26 Sprache. Patienten erleiden demnach einen signifikanten Verlust an Sprachverstehen bei einer cochleären Insertionstiefe des Elektrodenträgers von weniger als 19 mm (Faulkner et al., 2000) bzw. als 17 mm (Dorman et al., 2003). Shannon et al. (2001) untersuchten bei CI-Trägern und Normalhörenden die Auswirkungen von sogenannten dead regions 2 in der Cochlea auf die Sprachwahrnehmung. Gemessen wurden Vokal-, Konsonant- und Satzverständnis jeweils als Funktion über den Ort und die Größe der zu untersuchenden dead region.apikal gelegene dead regions wirkten sich negativer aus als Lücken im mittleren bis basalen Bereich der Cochlea. In einer Studie von Fu und Nogaki (2004) wurde die Bedeutung zeitlicher und spektraler Signaleigenschaften hinsichtlich der Erkennung von männlicher und weiblicher Stimme untersucht. Sowohl zeitliche als auch spektrale Eigenschaften leisten demnach einen wichtigen Beitrag zur Stimmdetektion. Zeitliche Informationen sind allerdings für CI-Träger zur Stimmunterscheidung von besonderer Bedeutung, wenn die spektrale Auflösung des Signals reduziert ist (Fu und Nogaki, 2004). Nie et al. (2005) simulierten die Kodierung von Amplituden- und Frequenzmodulationen zur Übertragung zeitlicher und spektraler Signaleigenschaften, um die Auswirkungen auf das Sprachverstehen von Sätzen im Störgeräusch (konkurrierender Sprecher) zu untersuchen. Eine durch Frequenzmodulation verbesserte Arbeitsweise von CI im Störgeräusch könnte den Ergebnissen zufolge eine effektivere Hörleistung für CI-Träger in Störgeräuschsituationen bewirken (Nie et al., 2005). Die Veränderung des Sprachverständnisses im Störgeräusch untersuchten Carroll und Zeng (2007) u. a. durch eine Veränderung der Kanalanzahl im tieffrequenten Bereich zur unterschiedlichen Übertragung der Grundfrequenzen (F0) von Sprechersignalen. Die Untersuchung ergab bei einem konkurrierenden Sprecher als Störsignal keinen signifikanten Gewinn an Sprachverstehen trotz Erhöhung der Kanalanzahl im tieffrequenten Bereich und einer damit verbundenen besseren Grundtonübertragung. Haumann et al. (2006a) führten Tonhöhenunterscheidungen anhand von Alternative Forced Choice (AFC)-Experimenten mit Normalhörenden (Simula- tionsmessungen) und mit CI-Trägern durch. Bei den CI-Trägern wurde eine 2 dead regions : Bereiche der Cochlea, wo aufgrund fehlender oder geschädigter innerer Haarsinneszellen die Bewegungen der Basilarmembran stimulativ nicht weitergeleitet werden können (Moore, 2004).

36 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 27 große interindividuelle Variabilität sowie generell eine deutlich schlechtere Unterscheidungsfähigkeit im Vergleich zu Normalhörenden festgestellt. Anhand der Ergebnisse der Simulationsmessungen mit Normalhörenden konnte ebenfalls eine interindividuelle Diskrepanz gefunden werden. Zudem entsprach das Antwortprofil der Normalhörenden in seiner Form dem der CI-Träger, wenn auch die Schwellen deutlich niedriger lagen (Haumann et al., 2006a). Eine Analysesoftware für CI-Signale haben Lai et al. (2003) entwickelt. Die Software scilab liest das vom Sprachprozessor kodierte Signal mithilfe eines Prozessors ein, analysiert und dekodiert es und stellt es grafisch dar. Die Software wird verwendet, um neue Sprachkodierungsstrategien im Hinblick auf Design und Signalverarbeitung zu optimieren. Das Programm ist speziell für die Analyse der in den Implantaten Nucleus CI22 und Nucleus CI24 der Firma Cochlear GmbH verarbeiteten Signale entwickelt worden, kann aber auch für die Analyse von Signalen aus anderen Implantaten verwendet werden (Lai et al., 2003). Die Software Cochlear Implant Simulation 2.0 von de la Torre Vega et al. (2004) stellt dagegen ein Simulationsbeispiel für ein komplettes CI-System dar, mit dem sich Anwender ein akustisches Bild über die Wahrnehmung von CI-Trägern machen können. Dabei handelt es sich um ein generelles, herstellerunabhängiges Programm, mit dem Eigenschaften verschiedener, konventioneller CI simuliert werden können. Der Programmablauf sieht folgendermaßen aus: Zunächst wird das zu bearbeitende Soundfile von dem Programm eingelesen. Verschiedene Parameter (Stimulationsrate, Kanalanzahl, Pulsbreite usw.) können vor der Verarbeitung manuell eingestellt werden. Das Programm simuliert anschließend eine CI-Verarbeitung des Signals. In dem abschließenden Verarbeitungsschritt erfolgt in einem Syntheseblock die Hörbarmachung (Auralisation) der simulierten Signale in den einzelnen Frequenzbändern in ein akustisches Signal. Die jeweilige Hüllkurve der Signale in den einzelnen Frequenzbändern beinhaltet an jedem Zeitpunkt die Energieverteilung des Signals. Es wird zunächst ein Anregungssignal mit gleichmäßiger Energieverteilung über Zeit und Frequenz (z. B. Gaussches Rauschen) mit einer Filterbank gefiltert und die Ausgangssignale jedes Filters anschließend mit den entsprechenden Hüllkurven mulitpliziert. In jedem Frequenzkanal liegt im Anschluss daran ein frequenzspezifisches Ausgangssignal vor. Die Addition aller Anteile aus den einzelnen Frequenz-

37 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 28 kanälen liefert abschließend ein einkanaliges, akustisches Signal (de la Torre Vega et al., 2004). An dieser Stelle kann sich der Nutzer das CI-simulierte File anhören und sich so einen Höreindruck verschaffen, wie sich das bearbeitete Originalsignal für einen CI-Träger anhören könnte. Durch die frei wählbaren Parametereinstellungen vor der Verarbeitung können ihre jeweiligen Einflüsse auf den Klang und die Qualität des Schallsignals direkt nachvollzogen werden. In Abbildung 3.1 ist der in der Software Cochlear Implant Simulation 2.0 implementierte Prozess der abschließenden Synthese veranschaulicht. Abb. 3.1: Blockschaltbild der Synthese aus der Cochlear Implant Simulation 2.0 (de la Torre Vega et al., 2004) Zielsetzungen der vorgestellten CI-Simulation Das grundsätzliche Ziel der in dieser Arbeit beschriebenen Entwicklung einer neuen CI-Simulation ist die akustische Nachbildung von Aspekten elektrisch evozierter Sprach- und Musikverarbeitung in CI. Bei der Simulation handelt es sich um ein herstellerunabhängiges Produkt, in dem zukünftig unterschiedliche Verarbeitungsphilosophien integriert werden sollen. Der in dieser Arbeit beschriebenen Version der CI-Simulation liegen zwei Verarbeitungsstrategien zugrunde, wie sie derzeit in Implantaten der Firma MED-EL GmbH implementiert sind (vgl. Kapitel und 2.2.4). In zukünftigen Weiterentwicklungen sollen jedoch noch weitere Verarbeitungseigenschaften von CI anderer Hersteller in der Simulation verankert werden. Dieses Kapitel soll im Folgenden einen Überblick über die neu entwickelte CI- Simulation geben. Dabei werden einzelne Schritte der Entwicklung in Abschnitt 3.2 von ersten Vorüberlegungen bis zur Umsetzung vorgestellt und erläutert. Im Anschluss daran werden in Abschnitt 3.3 mit CI-simulierten Klangbeispielen ver-

38 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 29 schiedene Messungen beschrieben: In Paarvergleichsmessungen (vgl. Abschnitt 3.3.1) sowie eines Tests zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen (vgl. Abschnitt 3.3.1) mit normalhörenden Probanden wird die Fragestellung untersucht, ob die Übertragung der Feinstrukturinformation in den ersten sechs apikalen Frequenzkanälen einen Einfluss auf die Sprachverstehensleistung und die Musikwahrnehmung von CI-Trägern haben könnte. Die Ergebnisse werden in Abschnitt 3.4 vorgestellt. Ausgangspunkt der in dieser Arbeit behandelten Fragestellungen waren Studienergebnisse von Smith et al. (2002), nach denen die Amplitudeninformationen der Hüllkurve eines Signals für die Sprachwahrnehmung von größter Bedeutung, die zeitliche Information der Feinstruktur dagegen primär für die Tonhöhenwahrnehmung und die Lokalisationsfähigkeit entscheidend ist. Der Frage nach einer Veränderung der Sprach- und Musikwahrnehmung durch die zusätzliche Übertragung zeitlicher Informationen im Vergleich zu einer ausschließlichen Übertragung von Amplitudeninformationen wird in dieser Arbeit nachgegangen. 3.2 Methoden Vorüberlegungen zur Modellentwicklung Bei der Entwicklung der CI-Simulation wurden zunächst Überlegungen angestellt, welche Eigenschaften ein konventionelles CI besitzt und welche dieser Features in einer CI-Simulation implementiert werden können. Folgende CI-Bestandteile und -Verarbeitungseigenschaften sollten letztendlich in einer neu zu entwickelnden CI- Simulation realisiert werden: Elektrodenanzahl Die Elektrodenanzahl beschreibt die Zahl der zu stimulierenden Elektroden auf dem Elektrodenträger und damit die Anzahl der stimulierbaren Orte in der Cochlea. In konventionellen CI variiert die Anzahl der stimulierbaren Elektroden: Je nach Hersteller werden intracochleär zwischen 12 und 24 Elektroden platziert. Elektrodenabstand Der Elektrodenabstand bezeichnet den Abstand zwischen zwei Elektroden auf dem Elektrodenträger. In konventionellen CI werden die Elektrodenabstände

39 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 30 jeweils durch die Anzahl der Elektroden und durch den Typ des intracochleären Elektrodenträgers festgelegt, der vom organischen Zustand der Cochlea abhängig ist. Stimulationsrate Die Stimulationsrate beschreibt die maximal mögliche Anzahl von Pulsen pro Sekunde (pps), die sich je nach Verarbeitungsstrategie und Elektrodenanzahl auf die einzelnen Elektrodenkanäle aufteilt. Die Spanne in herkömmlichen CI reicht nach Loizou (2006) von 250 pps bis 5000 pps pro Kanal. Frequenzbereich (fmin, fmax) Der Frequenzbereich zwischen tiefster (fmin) und höchster (fmax) Frequenz beschreibt den Frequenzbereich in der Cochlea, der mit intracochleären Elektroden maximal übertragen werden kann. Charakterisiert wird der Bereich individuell durch die Insertionstiefe der Elektroden und die einstellbaren CI- Parameter. Dynamikkompression Die Dynamikbereiche zwischen Normalhörenden und CI-Trägern unterscheiden sich deutlich. Während der akustische Dynamikbereich Normalhörender von Hörschwelle bis Unbehaglichkeitsschwelle bis zu 120 db betragen kann (Kollmeier, 2002), liegt der elektrische Bereich bei CI-Trägern bei ca. 10 db bis 30 db (Zeng, 2004). Es müssen demnach Strategien zur Dynamikkompression angewendet werden, um die großen Schallpegelunterschiede auf die deutlich geringere elektrische Dynamik des Hörnerven umzusetzen (Pok, 2001). Interaktion Jede Stimulation einer Elektrode hat einen elektrischen Einfluss auf seine benachbarten Elektroden und beeinflusst demzufolge dort auch die Stimulation des Hörnerven. Die Interaktion zwischen zwei Kanälen wird bestimmt durch den Elektrodenabstand und durch die Reizstromstärke. Sprachkodierungsstrategie Sprachkodierungsstrategien eines CI haben die Aufgabe, akustische Merkmale aus Signalen zu extrahieren, in Pulsmuster umzusetzen und an die Elektroden so zu übertragen, dass relevante Signalinformationen für den CI-Träger bestmöglich wahrgenommen werden können.

40 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN Implementierung konventioneller CI-Features Zur Umsetzung der in Kapitel beschriebenen Bestandteilen von CI wurde anschließend festgelegt, mit welchen charakteristischen Eigenschaften die neuartige CI- Simulation entwickelt werden sollte, um Klangbeispiele mit ihr unter realistischen Voraussetzungen simulieren zu können. Die Auswahl der festgelegten Eigenschaften für die Simulation sind im folgenden aufgeführt: Elektrodenanzahl Die Elektrodenanzahl wurde auf 12 festgelegt. Dieses entspricht der Elektrodenanzahl, wie sie derzeit in CI der Firma MED-EL GmbH realsiert ist. Elektrodenabstand Der Abstand d zwischen den Elektroden wurde in Anlehnung an Zierhofer (2001) auf d = 2,8 mm festgelegt. Stimulationsrate Die Stimulationsrate wurde in Anlehnung eines konventionellen Sprachprozessors der Firma MED-EL GmbH auf insgesamt Pulse pro Sekunde (pps) festgelegt. Jedem der 12 Kanäle steht somit eine Rate von ca pps zur Verfügung. Die Pulsdauer eines einzelnen Pulses beträgt in der Simulation 36 µs. Frequenzbereich (fmin, fmax) Der maximal übertragbare Frequenzbereich der Simulation liegt zwischen fmin = 70 Hz und fmax = 8500 Hz. Dabei betragen die Mittenfrequenzen (center frequencies (CF)) des an der Schneckenspitze liegenden Kanals CF = 120 Hz und des am basalen Ende der Cochlea liegenden Kanals CF = 7410 Hz. Dynamikkompression Als Dynamikkompression wurde in der Simulation ein Algorithmus realisiert, der den akustischen Hauptdynamikbereich von 20 db (Schwelle) bis 90 db (Maximalwert) in einen elektrischen Dynamikbereich von 30 db (Maximalwert des elektrischen Dynamikbereichs bei CI-Trägern nach Zeng (2004)) transformiert. Interaktion Die Interaktion der simulierten Elektroden wurde in Anlehnung an die im Pa-

41 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 32 tentschreiben von Zierhofer (2001) aufgeführte Matrix für eine räumliche Interaktion realisiert. Demnach beträgt der Einfluss einer stimulierten Elektrode auf seine direkt benachbarten Elektroden e d λ (mit d = Abstand der Elektroden und λ = Raumkonstante). Die Raumkonstante wurde in der Simulation so gewählt (λ = 3,6 mm), dass die Interaktion an den direkt benachbarten Kanälen 50% beträgt. In Richtung weiter basal bzw. apikal liegender Kanäle klingt die Kurve so ab, dass bei der fünften Elektrode die Interaktion noch 1% der Ausgangsamplitude entspricht. Sprachkodierungsstrategie In der vorgestellten Simulation wurde versucht, zwei Verarbeitungsstrategien realer CI funktionell zu simulieren. Dabei handelt es sich zum einen um eine hüllkurvenbasierte Strategie (in Anlehnung an die Continuous Interleaved Sampling (CIS) - Strategie - vgl. Kapitel 2.2) und zum anderen um eine Strategie (in Anlehung an die Fine Structure Processing (FSP) - Strategie - vgl. Kapitel 2.2), die zusätzliche Informationen der Feinstruktur eines Signals übertragen kann. Während die hüllkurvenbasierte Strategie ausschließlich die Einhüllende eines Signals (amplitudenmoduliert) nachbildet und somit lediglich tonotope Informationen aus den einzelnen Kanälen liefert, überträgt die Feinstrukturstrategie neben den Ortsinformationen zusätzlich zeitliche Informationen aus den einzelnen Frequenzkanälen. Die Feinstrukturabtastung der Signale wurde - wie in Kapitel beschrieben - bis in den sechsten Frequenzkanal (Mittenfrequenz = 1175 Hz) realisiert und anschließend die verschieden simulierten Abtastsignale miteinander kombiniert Funktionsweise der CI-Simulation und Auralisation Nach den Überlegungen, welche CI-Eigenschaften in der Simulation realisiert werden sollen, musste überlegt werden, wie und in welcher Reihenfolge die einzelnen Komponenten programmiert und miteinander kombiniert bzw. hintereinandergeschaltet werden, um eine CI-Verarbeitung realistisch zu simulieren. Die erste komplette Version der Simulation mit ihren einzelnen Elementen (vgl. Kapitel 3.2.2) ist in dem Blockschaltbild 3.2 zusammengestellt und grafisch veranschaulicht.

42 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 33 Abb. 3.2: Blockschaltbild der CI-Simulation, mit der Eingangssignale in einem Verarbeitungsprozess mithilfe einer Gammatonfilterbank zur Darstellung der peripheren Filterung in der Cochlea zunächst modelliert und anschließend für Normalhörende auralisiert werden. Das Eingangssignal wird zunächst in 12 Frequenzbänder zerlegt, die im Anschluss an eine Dynamikkompression pulsatil abgetastet werden. Diese pulsatile Verarbeitung ergibt zwei zwölfkanalige Signale: ein hüllkurvenabgetastetes Signal und ein Signal, dass die positiven Signalanteile abtastet. Im Anschluss daran folgt die Kombination der Signale mit stetig zunehmender Anzahl an Feinstrukturkanälen. Im nächsten Schritt wird für alle Amplitudenwerte der kombinierten Signale in basaler und apikaler Richtung eine Kanalinteraktion berechnet. Anschließend ist ein erneuter Filterungsprozess mit einer Gammatonfilterbank notwendig, um die in der Simulation zu breitbandig erzeugten Signale entsprechend ihrer Frequenzbereiche in den einzelnen Kanälen zu begrenzen. Um das CI-simulierte Signal letztlich für Normalhörende hörbar zu machen, wird abschließend zur Auralisation eine Synthese der 12-kanaligen Signale durchgeführt. So können, je nach gewünschter Anzahl an enthaltenen Feinstrukturkanälen, insgesamt 13 Ausgangssignale mit der CI-Simulation erzeugt werden.

43 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 34 In der Abbildung 3.2 ist das Blockschaltbild der entwickelten CI-Simulation abgebildet. In einem ersten Schritt wird das Eingangssignal mit einer Gammatonfilterbank 3 dritter Ordnung gefiltert und in 12 Frequenzkanäle (Frequenzbereich: 70 Hz bis 8500 Hz) aufgeteilt. Die Verwendung einer Gammatonfilterbank als Hauptbestandteil einer CI-Simulation ist aus verschiedenen Gründen sinnvoll: Zum einen werden Gammatonfilter vielfach zur Berechnung auditorischer Modelle bzw. zur Modellierung der cochleären Funktionsweise eingesetzt (Hohmann, 2002). Zum anderen findet durch die Abstände der Filtermittenfrequenzen eine physiologische Aufteilung der Frequenzbänder entlang der Cochlea statt. Außerdem kann im Rahmen einer CI- Simulation die Anzahl der Gammatonfilter entsprechend der Anzahl gewünschter Elektroden variiert werden. Auch hinsichtlich der Signalverarbeitung ist die Verwendung von Gammatonfiltern sinnvoll, da die kanalspezifischen Signaleinhüllenden aus Real- und Imaginäteil eines komplexen Signals auf einfache Art berechnet werden können. Dabei werden komplexe Bandpassfilter anhand folgender Differenzengleichung miteinander verschachtelt: ỹ n = x n + ã x n 1 (3.1) n bezeichnet den Sample-Index, x n das reale Eingangssignal (ab 2.Filterung: komplex) und ỹ n das komplexe Ausgangssignal. Gleichung 3.1 kann für den Real- (Re) und den Imaginärteil (Im) in zwei Gleichungen separat aufgeteilt werden: Re(ỹ n ) = Re( x n ) + Re(ã) Re(ỹ n 1 ) Im(ã) Im(ỹ n 1 ) (3.2) Im(ỹ n ) = Im( x n ) + Re(ã) Im(ỹ n 1 ) Im(ã) Re(ỹ n 1 ) (3.3) Die Betragsbildung des komplexen bandbegrenzten Ausgangssignals führt zu einer Angleichung an die Hilbert-Einhüllende des Bandpasssignals und stellt eine gute Schätzung für die Signalenergie dar. Die Signalverarbeitung der bandspezifischen Einhüllenden dient im späteren Verlauf der Extraktion von Amplitudeninformationen. Der Realteil ist wichtig für die Übertragung zeitlicher Informationen aus den einzelnen Frequenzbändern sowie bei der Re-Synthese zur Auralisation von Signalen. In Abbildung 3.3 sind die 12 Frequenzkanäle der in dieser Arbeit vorgestellten CI-Simulation dargestellt. 3 Gammatonfilterbank: Berechnung einer auditorischen Filterbank zur robusten Spracherkennung oder zur objektiven Qualitätsschätzung von Sprach- und Musikkodierungen (Hohmann, 2002)

44 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 35 Abb. 3.3: Betragsfrequenzgang der Gammatonfilterbank. Die Abtastfrequenz beträgt Hz, die obere und untere Grenze für die 12 Filtermittenfrequenzen liegt, in Anlehnung an die Verteilung in einem kommerziellen Sprachprozessor, bei 120 Hz (apikal) und 7410 Hz (basal) Im Anschluss an die Filterung des Eingangssignals in 12 Frequenzkanäle wird ein Algorithmus zur Dynamikkompression verwendet, der den akustischen Hauptdynamikbereich zwischen 20 db SPL und 90 db SPL kanalspezifisch auf einen elektrischen Dynamikbereich von 30 db komprimiert. Diese Komprimierung simuliert die Eigenschaft konventioneller CI, durch den Verlust der cochleären Kompression lediglich einen sehr geringen Dynamikbereich übertragen zu können (Bacon, 2004; Zeng, 2004). Nach der Kompression folgt eine pulsatile Abtastung der Signale in den einzelnen Kanälen, je nach zugrundeliegender Verarbeitungsstrategie: zum einen durch Abtastung der Signaleinhüllenden und zum anderen durch Abtastung der positiven Signalanteile in den einzelnen Frequenzkanälen. Bei der Abtastung der Signale zur Gewinnung der Amplitudeninformation werden die Einhüllenden der Signale in den einzelnen Kanälen mit konstanter Rate sequenziell abgetastet, wobei jedem Abtastzeitpunkt maximal genau ein Amplitudenwert aus den 12 Frequenzkanälen zugeordnet wird. Diese Form der Verarbeitung simuliert die CIS-Strategie, wo zu jedem Zeitpunkt genau eine Elektrode gleichzeitig aktiviert wird, um Kanalinteraktionen zu vermeiden. Um eine Strategie zur Gewinnung von zeitlichen Informationen aus der Feinstruktur

45 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 36 eines Signals zu simulieren, werden bei der zweiten Art der Abtastung nur die positiven Signalanteile in den einzelnen Kanälen abgetastet. Dabei wird ebenfalls maximal ein Amplitudenwert pro Abtastzeitpunkt aus allen Kanälen extrahiert (sequenzielle Abtastung). Durch diese Form der Abtastung wird - zusätzlich zur Abtastung der Einhüllenden - erreicht, dass durch die unterschiedlichen Abstände der Nulldurchgänge kanalspezifisch registriert und übertragen werden können. Zeitliche Informationen der Signalfeinstruktur sollen mittels dieser Kodierung aus den einzelnen Kanälen nutzbar gemacht werden. Der Zusammenhang zwischen hüllkurven- und feinstrukturbasierten Kodierungsstrategien wird grafisch in Abbildung 3.4 deutlich.

46 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 37 Abb. 3.4: Beispielhafte Darstellung der Einhüllenden und der positiven Halbwellen des Signals einer Sprachsequenz (männlicher Sprecher) in einem apikal gelegenen Frequenzkanal. Die durchgezogene Kurve beschreibt die Hüllkurvenamplitude des Signalausschnitts über der Zeit (in samples). Im Vergleich dazu bildet die gepunktete Linie die Amplituden der positiven Halbwellen des kanalspezifischen Signals über der Zeit ab. Die Abtastung beider Kurven führt zu der Simulation von zwei unterschiedlichen Kodierungsstrategien (Abtastung der Hüllkurve: CIS-Strategie, Abtastung der positiven Signalanteile: Feinstruktur-Strategie), bei denen zu jedem Abtastzeitpunkt maximal nur ein Amplitudenwert aus allen Frequenzkanälen übernommen wird. Mittels hüllkurvenbasierter Abtaststrategie werden ortsspezifische Amplitudeninformationen übertragen. Bei der Feinstrukturstrategie werden dagegen die Stimulationspulse mit den Abständen der Nulldurchgänge kanalspezifisch synchronisiert. Durch diese Methode zur Signalabtastung werden zusätzlich zeitliche Signalinformationen aus den einzelnen Kanälen nutzbar gemacht. Durch die pulsatile Signalabtastung entstehen zwei jeweils 12-kanalige Signale: Das erste durch die Abtastung der kanalspezifischen Signaleinhüllenden, das zweite durch die Abtastung der positiven Signalanteile in den 12 Kanälen. Im anschließenden Simulationsschritt werden beide Signale durch Kombinationen der verschiedenen Frequenzkanäle miteinander so zusammengestellt, dass insgesamt 13 neue

47 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 38 zwo lfkanalige Signale entstehen, die durch die Anzahl der Kana le mit enthaltener Feinstrukturinformation (0 bis 12) definiert sind. Die unterschiedlichen Signalkombinationen sind in Tabelle 3.1 aufgelistet. Im weiteren Verlauf der Simulation (vgl. Abbildung 3.2) wird nach der Zusammenstellung der Signale eine Interaktion zwischen den Elektroden eines CI simuliert. Dazu interagieren die einzelnen Kana le in einem Signal in der Form miteinander, dass die Amplitudenwerte der Signale einen direkten Einfluss auf die fu nf benachbarten Kana le haben (vgl. Kapitel 3.2.2). In Abbildung 3.5 ist der Effekt der simulierten Interaktion in einzelnen Kana len grafisch veranschaulicht. Abb. 3.5: Amplitudenwerte in verschiedenen Frequenzkana len VOR (links) und NACH (rechts) der Interaktion zwischen den Kana len. Beispielhaft dargestellt sind auf der x-achse die Kana le 1 bis 12, auf der y-achse die Amplituden der stimulierten Kana le fu r einen kurzen Signalausschnitt. Mit der dargestellten Interaktion soll der Einfluss des Stromfeldes stimulierter Elektroden in einem CI auf benachbarte Elektroden simuliert werden. Links: Anregung in den Kana len VOR der Interaktion; Rechts: Vera nderungen der kanalspezifischen Amplitudenwerte NACH der Interaktion. An dieser Stelle des dargestellten Prozesses wu rden bei CI-Tra gern die am Ho rnerven ausgelo sten Aktionspotenziale an zentralere Regionen weitergeleitet und anschließend cortikale Ho rwahrnehmungen ausgelo st werden. Um jedoch die bisher verarbeiteten Signale fu r Normalho rende auralisieren zu ko nnen, bedarf es nach der Interaktion zwischen den Kana len noch weiterer Verarbeitungsschritte (siehe Abbildung 3.2): Zuna chst wird eine zweite Filterung mit der in Hohmann (2002) beschriebenen Gammatonfilterbank realisiert. Diese Filterung dient der Frequenz-

48 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 39 aufteilung der bandspezifischen Signale und ist an dieser Stelle notwendig, da in der pulsatilen Signalverarbeitung der Simulation breitbandige Einheitspulse in den einzelnen Frequenzbändern zur Signalverarbeitung verwendet wurden. Anschließend werden in einem letzten Verarbeitungsprozess (Synthese) die Signale auralisiert, wobei die Signale der einzelnen Frequenzkanäle jeweils so verzögert werden, dass die Impulsantworten der zu den Frequenzkanälen gehörenden Filter ihre Maxima annähernd zu gleichen Zeitpunkten aufweisen. Ansonsten könnte die Rekonstruktion eines hörbaren Signals nicht erreicht werden, da die Impulsantworten insgesamt zu breite Maxima aufweisen würden. Die einkalkulierte Verzögerung wird aus diesem Grund auch als gewünschte Verzögerung des Analyse-Synthese-Modells bezeichnet (Hohmann, 2002). Bei der Synthese werden die aus dem Analyseprozess hervorgegangenen Signale ỹ n mit frequenzabhängigen, kanalspezifischen komplexen Phasenfaktoren b k multipliziert. k steht für den jeweiligen Frequenzkanal, n für das jeweilige Sample: ỹ k(n) = b k ỹ k (n), 0 k < K. (3.4) Der Phasenfaktor b k besitzt den Betrag 1 und wird für ein Maximum der Feinstruktur für die Zeit t k berechnet als bk = e (i φ k) (3.5) mit φ k = 2π f k t k. f k bezeichnet dabei die Mittenfrequenz des Frequenzkanals k in Hz. Kanalspezifisch bezeichnet t k entweder den Zeitpunkt des Hüllkurvenmaximums der jeweiligen Impulsantwort oder die gewünschte Verzögerung. Wenn ausschließlich der Realteil für die Synthese notwendig ist, wird Gleichung 3.4 nur für den Realteil berechnet: y k(n) = cos(φ k ) Re(ỹ k (n)) sin(φ k ) Im(ỹ k (n)). (3.6) Anschließend werden die einzelnen Realteile y k (n) mit einer kanalabhängigen Anzahl von Samples ( n k ) verzögert: n k = int( t k f s ) (3.7) y k(n) = y k(n n k ), (3.8)

49 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 40 wobei int() die nächstmögliche Ganzzahloperation bezeichnet. Kanalspezifisch meint t k die Zeitdifferenz zwischen gewünschter Verzögerung und dem Zeitpunkt des Maximums der jeweiligen Impulsantwort. Das synthetisierte Ausgangssignal wird abschließend durch eine gewichtete Summation aller Frequenzkanäle berechnet: mit g k y (n) = K 1 k=0 g k y k(n), (3.9) als kanalspezifischem Gewichtungsfaktor. Durch den hier skizzierten Syntheseprozess werden aus komplexen, 12-kanaligen Signalen einkanalige, akustische Ausgangssignale auralisiert. Im Detail beschrieben sind der Analyse- und Syntheseprozess mithilfe der Gammatonfilterbank sowie die Funktionsgleichungen 3.1 bis 3.9 in Hohmann (2002). Am Ausgang der CI-Simulation stehen nach der Synthese maximal 13 Signale zur Verfügung. Die optional verfügbaren Ausgangssignale mit ihren Bezeichnungen und den entsprechenden Signalverarbeitungen sind zur Veranschaulichung in Tabelle 3.1 aufgelistet.

50 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 41 Ausgangssignal Signalverarbeitung zerofine Kanal 1 bis 12: CIS onefine Kanal 1: FS Kanal 2 bis 12: CIS twofine Kanal 1,2: FS Kanal 3 bis 12: CIS threefine Kanal 1 bis 3: FS Kanal 4 bis 12: CIS fourfine Kanal 1 bis 4: FS Kanal 5 bis 12: CIS fivefine Kanal 1 bis 5: FS Kanal 6 bis 12: CIS sixfine Kanal 1 bis 6: FS Kanal 7 bis 12: CIS sevenfine Kanal 1 bis 7: FS Kanal 8 bis 12: CIS eightfine Kanal 1 bis 8: FS Kanal 9 bis 12: CIS ninefine Kanal 1 bis 9: FS Kanal 10 bis 12: CIS tenfine Kanal 1 bis 10: FS Kanal 11,12: CIS elevenfine Kanal 1 bis 11: FS Kanal 12: CIS twelvefine Kanal 1 bis 12: FS Tab. 3.1: Ausgangssignale der CI-Simulation. CIS = Übertragung der Hüllkurveninformation FS = Übertragung zusätzlicher Feinstrukturinformation Kanal 1 = apikalster Frequenzkanal (CF = 120 Hz) Kanal 12 = basalster Frequenzkanal (CF = 7410 Hz)

51 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 42 Die Kombination zerofine in Tabelle 3.1 beinhaltet ausschließlich das hüllkurven-abgetastete Signal (CIS-stimuliert), während beim Signal onefine der erste Frequenzkanal (Kanal 1) aus dem Signal mit enthaltener Feinstrukturinformation und die Kanäle 2 bis 12 aus dem CIS-abgetasteten Signal miteinander kombiniert werden. Dementsprechend enthält die Kombination twofine in den ersten beiden tieffrequenten Kanälen zeitliche Signalinformationen und die Kanälen 3 bis 12 die Amplitudeninformationen des CIS-simulierten Signals. Mit der Simulation können auf diese Weise 13 Signalkombinationen mit frequenzspezifisch übertragener Feinstrukturinformation gebildet werden ( twelvefine = maximal übertragbare Feinstrukturinformation aus allen 12 Kanälen). Für die in dieser Arbeit beschriebenen Messungen (vgl. Kapitel 3.3) wurden ausschließlich die Ausgangssignale zerofine bis sixfine verwendet (siehe Tabelle 3.2). Der Grund für diese Signalauswahl liegt im Zusammenhang zwischen Simulation und realem CI: die Feinstrukturstrategie FSP (vgl. Kapitel 2.2.4) stimuliert derzeit maximal die drei apikalsten CI-Elektroden. In Anlehnung an diese reale Stimulation sollten demzufolge für die Messungen nur Signale verwendet werden, die lediglich im tieffrequenten Bereich nutzbare Informationen der Feinstruktur enthalten. Auf diese Weise könnten Vergleiche zwischen Normalhörenden und CI-Trägern gezogen und Aussagen über die realistische Wirkungsweise der CI-Simulation getroffen werden. Die für die Messungen getroffene Auswahl an Signalen mit übertragener Feinstrukturinformation bis zu einer Filtermittenfrequenz von 1175 Hz (sechster Kanal) liegt der Überlegung zugrunde, dass ein Teil der Nervenfasern in der Cochlea in der Lage ist, bis maximal 1000 pps an jeden elektrischen Puls anzukoppeln (Plotz, 2001). Ausgehend von dieser Theorie werden anhand von Simulationsmessungen in Kapitel 3.3 mögliche Auswirkungen einer bis ungefähr zu dieser Frequenz übertragenen Feinstrukturinformation auf die Sprach- oder Musikübertragung untersucht. 3.3 Messungen mit Normalhörenden In diesem Abschnitt werden Messungen mit normalhörenden Probanden beschrieben, wobei die den Messungen zugrundeliegenden Signale im Vorfeld mit der in Kapitel beschriebenen CI-Simulation vorverarbeitet wurden. Die Messungen sollten dazu dienen, mögliche Effekte der übertragenen Feinstrukturinformation auf das subjektive Sprachverstehen bzw. die subjektive Musikempfindung aufzuzeigen.

52 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 43 Es wurde für bis zu sechs Frequenzkanäle mit übertragener Feinstrukturinformation vergleichend untersucht, ob durch die übertragene Information der Feinstruktur subjektive Verbesserungen erreicht werden. Um einen direkten Vergleich zwischen der Hüllkurven- und der Feinstrukturinformation auf Sprach- und Musikwahrnehmung untersuchen zu können, wurden zwei Messverfahren ausgewählt: Zum einen sollten normalhörende Probanden mithilfe eines vollständigen Paarvergleichs Hörbeispiele mit unterschiedlicher Signalverarbeitung nach bestimmten Kriterien (Sprachverstehen, Klangqualität) beurteilen. So konnten unterschiedliche Signalverarbeitungen direkt miteinander verglichen werden. Zum anderen wurde ein Test zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen (vgl. Kapitel 3.3.1) durchgeführt, in dem der Sprachpegel eines Sprechers im Störgeräusch von der Versuchsperson so eingestellt werden sollte, dass die Sprache des Nutzsignals gerade noch verstanden werden konnte. Mögliche Auswirkungen der Feinstrukturinformation auf die Grundtonwahrnehmung sollten dadurch untersucht werden. Deshalb wurden ein männlicher Sprecher und eine weibliche Sprecherin als Sprach- und Störsignal, sowie drei weitere Störsignale (2x Sprache, 1x Rauschen) für diese Messung verwendet. Die Ergebnisse der Paarvergleichs- und der Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen werden im Kapitel 3.4 dargestellt und anschließend diskutiert (vgl. Kapitel 3.5) Paarvergleichsmessungen Ein Paarvergleich bezeichnet eine Vergleichsmethode einzelner Objekte, in der subjektive Kriterien zur Beurteilung erfasst werden. Im Vergleich zu anderen Vergleichsmethoden bieten Paarvergleiche den Vorteil, kleine Unterschiede mit einer hohen Genauigkeit darzustellen. Die Versuchspersonen ordnen eine Anzahl von Objekten nach vorgegebenen Kriterien und bilden so eine Rangfolge, bei der der höchste Rang für das Objekt steht, das subjektiv am häufigsten bevorzugt wird (Pepels, 1997). In diesem Abschnitt wird ein kompletter Paarvergleich (alle Objekte werden miteinander verglichen) zur Beurteilung von Klangbeispielen (Sprach- und Musiksignale) beschrieben. Verwendete Klangbeispiele Für die Paarvergleichsmessungen wurden im Vorfeld vier unterschiedliche Klang-

53 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 44 beispiele ausgewählt: zwei Sprach- und zwei Musiksignale. Bei den Sprachsignalen handelt es sich einerseits um einen Satz (männlicher Sprecher) aus dem Oldenburger Satztest von Wagener et al. (1999a,b,c) mit künstlicher Satzstruktur (Subjekt, Verb, Zahl, Adjektiv, Objekt) und ohne semantischen Bezug. Andererseits wurde ein Satz (weibliche Sprecherin) in kontinuierlicher Sprache mit semantischem Bezug aus einer Version von Nils Holgersson ( c Hörzentrum Oldenburg) verwendet. Bei den Musiksignalen handelt es sich zum einen um einen kurzen Klavierausschnitt aus der Fuge II von Johann Sebastian Bach (Instrument: Flügel) und zum anderen um einen kurzen Ausschnitt aus dem latein-amerikanischen Musikstück Apertura der Gruppe Grupo Sal (Instrumente: Schlagzeug, Percussion, Querflöte, Gitarre). Die Frequenzspektren der einzelnen Signale für die Paarvergleichsmessungen sind in Anhang C.1 abgebildet (vgl. Abbildungen C.1 bis C.4). Die vier Klangbeispiele wurden zunächst mit der CI-Simulation (vgl. Kapitel 3.2.3) vorverarbeitet. Verwendet wurden für die Paarvergleichsmessungen sieben simulierte Signalversionen: zerofine, onefine, twofine, threefine, fourfine, fivefine und sixfine (vgl. Kapitel 3.2.3). Der Grund dafür, dass hier nicht mehr Signale verwendet wurden, liegt zum einen darin, dass die Anzahl der Paare und die damit verbundene Messzeit leicht ausufern könnten (Pepels, 1997). Bei den hier gewählten 7 Objekten (n=7) sind bereits n (n-1)/2, also 21 Paarvergleiche nötig. Ein anderer Grund für die begrenzte Auswahl der Verarbeitungen liegt in der Übertragung der Feinstruktur realer CI-Verarbeitungen: Gegenwärtig kann der OPUS2-Prozessor (MED-EL GmbH) die kanalspezifische Feinstruktur eines Signals durch die implementierte FSP-Strategie bis zu einer Frequenz von ca. 300 Hz bis 500 Hz übertragen, was nach Hochmair et al. (2006) maximal dem dritten Elektrodenkanal entspricht. Um prüfen und vergleichen zu können, ob die Feinstrukturabtastung in diesen unteren Frequenzkanälen einen Effekt auf das Sprachverstehen und die Musikwahrnehmung haben könnte, war die simulierte Übertragung der Feinstruktur in den ersten drei Kanälen ( onefine bis threefine ) im Vergleich zu der ausschließlich CIS-stimulierten Version zerofine für die Paarvergleichsmessungen sinnvoll. Um darüber hinaus untersuchen zu können, ob eine Übertragung der Feinstruktur evtl. für höhere Frequenzbereiche bzgl. der Signalübertragung einen Effekt auf die genannten Bereiche haben könnte, wurden simulierte Signale mit übertragener Feinstruktur bis zum sechsten Kanal (threefine bis sixfine ) für die Messungen verwendet. In Tabelle 3.2 sind die Ausgangssignale der Paarvergleichsmessungen mit der jeweils

54 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 45 höchsten Mittenfrequenz (Center frequency - CF) dargestellt. Ausgangssignal Anzahl der Feinstrukturkanäle maximale CF in [Hz] zerofine 0 - onefine twofine threefine fourfine fivefine sixfine Tab. 3.2: Verwendete Signale mit Anzahl und Mittenfrequenzen der implementierten Feinstrukturkanäle Probanden Es nahmen zehn normalhörende Versuchspersonen (fünf Frauen, fünf Männer) an den Messungen teil. Die Altersspanne reichte von 26 bis 39 Jahre (Durchschnittsalter: 29,6 Jahre). Alle Probanden waren erfahrene Versuchspersonen bzgl. der Durchführung audiologischer Testverfahren. Messaufbau und -ablauf Die Paarvergleichsmessungen wurden in einer Freifeld-Kabine im Haus des Hörens in Oldenburg durchgeführt. Die Versuchsperson wurde in ca. 1,50 Meter zentral vor dem abstrahlenden Lautsprecher plaziert. Vor den Probanden wurde zudem ein Monitor mit Touchscreen-Funktion in erreichbarer Entfernung aufgestellt. Zunächst erhielten die Probanden von dem Versuchsleiter ausführliche Testinstruktionen. Außerdem wurden im Verlaufe des Tests nacheinander sämtliche Aufgabenstellungen auf dem Bildschirm der Probanden angezeigt (vgl. Anhang A). Die Probanden hatten auch immer die Möglichkeit, die Messung abzubrechen oder zu unterbrechen. Die Aufgabe in den Paarvergleichstests war, die Sprachsignale (männlicher und weiblicher Sprecher) im Hinblick auf das bessere Sprachverstehen und den natürlicheren Klang zu beurteilen. Bei den dargebotenen Musikbeispielen ging es für die Probanden jeweils in einer Messreihe darum, die Signale nach den sub-

55 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 46 jektiven Kriterien angenehmerer Klang bzw. natürlicherer Klang zu bewerten. Jedes Sprach- und Musiksignal wurde mit allen anderen Versionen im Verlauf einer Messreihe verglichen (kompletter Paarvergleich), so dass insgesamt von jedem Probanden 168 Beurteilungen durchgeführt wurden Messungen subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen Neben Testmethoden zur Ermittlung der Sprachverständlichkeit, beispielsweise dem Oldenburger Satztest von Wagener et al. (1999a,b,c), können andere Verfahren zur Bewertung von Sprache im Störgeräusch verwendet werden. Der Acceptable Noise Level Test (ANLT) stellt beispielsweise ein Messverfahren zur Beurteilung der Sprachqualität im Störgeräusch dar. Der Test ermittelt die maximale Stärke eines Hintergrundrauschens, die eine Versuchsperson bei gleichzeitig gutem Verstehen eines Sprachsignals über längere Zeit tolerieren kann (Nabelek et al., 1991). Abbildung 3.6 veranschaulicht den Aufbau und die Durchführung des ANLT.

56 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 47 Abb. 3.6: Durchführung des ANL - Tests. Ablauf: Zunächst stellt die Versuchsperson den Sprachpegel des Nutzsignals auf die für sie angenehmste Lautstärke ein, bei der sie dem Sprecher für eine lange Zeit mühelos zuhören könnte (Most Comfortable Level - MCL). Anschließend regelt sie ein parallel dargebotenes Störsignal auf den maximalen Pegel ein (Background Noise Level - BNL), an dem für sie die Sprache des Nutzsignal noch gut zu verstehen und über längere Zeit tolerabel ist. Sowohl Sprachstimulus als auch Störsignal werden der Versuchsperson dabei aus einem Lautsprecher von vorne (0 Azimuth) dargeboten. In einem letzten Schritt wird der ANL durch die Differenz zwischen dem MCL und dem BNL berechnet. ( aspweb/faculty/nabelek/anl.pdf, 27.September2007) Der Zusammenhang zwischen dem Acceptable Noise Level (ANL), dem Most Comfortable Level (MCL) und dem Background Noise Level (BNL) ist in Gleichung 3.10 noch einmal verdeutlicht. ANL[dB] = MCL[dBHL] BNL[dBHL] (3.10) Je kleiner nach Gleichung 3.10 der ermittelte ANL, d. h. je geringer die Differenz zwischen angenehmer Lautstärke und noch gutem Sprachverstehen, desto besser ist die Fähigkeit der Versuchsperson einzuschätzen, Sprache im Störgeräusch zu verstehen bzw. desto weniger fühlt sich die Versuchsperson durch das Störgeräusch

57 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 48 in seinem Sprachverstehen beeinflusst. Bei den in dieser Studie vorgestellten Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen mit Normalhörenden wurde eine leicht modifiziete Form des ANLT verwendet. Der Test entsprach zwar in seinem Ablauf dem ANLT, wie er in Abbildung 3.6 zu sehen bzw. in Gleichung 3.10 beschrieben ist. Im Vergleich zum ANLT wurde allerdings eine Testanweisung verändert: Die Probanden sollten den BNL so einstellen, dass der zuvor als angenehm eingestellte Sprachstimulus (MCL) gerade noch anstatt, wie im Original-ANLT, noch akzeptierbar zu verstehen ist. Der Ergebniswert bezeichnet dementsprechend in diesem Fall die Differenz des modifizierten BNL und des MCL. Die Änderung der Testanweisung liegt darin begründet, dass durch die modifizierte Form der Anweisung ein Schwellenwert der Sprachverständlichkeit bei den Probanden ermittelt wird. Der ANLT im Original fragt dagegen einen Akzeptanzwert ab, der auf die Erträglichkeit des Störgeräuschpegels bei gleichzeitig guter Sprachverständlichkeit abzielt. Dadurch konnte die These, eine Übertragung zeitlicher Signalinformationen führe zu einer verbesserten Grundtonwahrnehmung und somit zu einer Verbesserung der Sprachverständlichkeit im Störgeräusch, verlässlicher untersucht werden. Durch die Ermittlung der Verständlichkeit beim Test zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen ebenfalls eine bessere Vergleichbarkeit der Ergebnisse zwischen den Messungen mit Normalhörenden und den im Ablauf identischen Messungen mit CI-Trägern erreicht werden (vgl. Kapitel und 4.4). Verwendete Klangbeispiele Für die Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeit wurden im Vorfeld zwei Sprachstimuli und fünf Störsignale ausgewählt und gemäß der in Kapitel beschriebenen CI-Simulation verarbeitet. Bei den Sprachsignalen handelt es sich um Sätze aus Mensch Goethe, gesprochen von Heinz Kaspar, und aus einer Aufnahme zu Nils Holgersson, gesprochen von Jutta Birkigt ( c Hörzentrum Oldenburg). Diese Sprachbeispiele wurden im Original und rückwärts abgespielt auch als Störsignale verwendet. Außerdem wurde noch das Rauschen des Oldenburger Satztests (OLnoise) als Störsignal ausgewählt. Die Auswahl der zwei unterschiedlichen Sprachsignale wurde aufgrund der Annahme getroffen, die Übertragung zeitli-

58 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 49 cher Informationen der Feinstruktur führt zu einer verbesserten Grundtonwahrnehmung im Störgeräusch. Dieser Aspekt sollte durch die Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeit in unterschiedlichen Nutz-Störschall-Situationen untersucht werden: mit stationärem (OLnoise) und fluktuierendem (Sprache vorund rückwärts gesprochen) Störgeräusch (vgl. Tabelle 3.4). Die Frequenzspektren der einzelnen Signale für die Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen sind in Anhang C.2 abgebildet (vgl. Abbildungen C.5 bis C.7). Da es sich beim Test zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen, im Vergleich zu den Paarvergleichsmessungen, um eine zeitlich aufwendigere Messung handelte, wurden aus den vorverarbeiteten Signalen lediglich drei Signale verwendet: das unverarbeitete Originalsignal und die zwei CI-simulierten Signalversionen zerofine und twofine (vgl. Tabelle 3.3). Diese Auswahl erlaubt, neben der vergleichenden Untersuchung der Auswirkung von übertragener Einhüllendenund Feinstrukturinformation auf die Sprach- und Musikwahrnehmung, einen Vergleich zwischen Messungen mit simulierten (Normalhörende) und echten CI- Trägern. Durch die beiden gewählten Verarbeitungen (zerofine, twofine) sollte die Wirkungsweise konventioneller Sprachprozessoren simuliert werden: Zum einen die in vielen Sprachprozessoren wirksame CIS-Strategie (Übertragung der Hüllkurveninformation) und zum anderen eine Feinstruktur-Strategie (Übertragung der Feinstrukturinformation), wie sie derzeit in in dem OPUS2-Sprachprozessor der Firma MED-EL GmbH implementiert ist (vgl. Kapitel 2.2). Die für die Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeit verwendeten Klangbeispiele (simulierte Signale und das Originalsignal) sind in Tabelle 3.3 aufgeführt.

59 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 50 Messsignal Anzahl der Feinstrukturkanäle (CF in [Hz]) Original (unverarbeitet) - zerofine 0 twofine 2 (120 / 235) Tab. 3.3: Verwendete Signale für den Test zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen mit Anzahl und Mittenfrequenzen der implementierten Feinstrukturkanäle Probanden An den Test zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen mit den CI-simulierten Signalen nahmen sieben normalhörende Probanden teil (5 Männer, 2 Frauen). Die Altersspanne reichte von 25 bis 35 Jahre (Durchschnittsalter: 29,8 Jahre). Alle Probanden waren erfahrene Versuchspersonen bzgl. der Durchführung audiologischer Testverfahren. Messaufbau und -ablauf Die Messungen wurden in einer Freifeld-Hörkabine im Haus des Hörens in Oldenburg durchgeführt. Die Versuchsperson wurde in 1,50 Meter Entfernung frontal (0 Azimuth) vor einem Lautsprecher (Typ: Tannoy Active Monitor Loudspeaker 800a) plaziert. In Reichweite der Probanden war ein Monitor mit Touchscreen-Funktion aufgestellt. Vor Beginn der Messungen bekam der Proband ausführliche verbale und schriftliche Instruktionen zur korrekten Durchführung des Tests (vgl. Anhang A). Nach dem Starten der Messung an einem PC außerhalb der Hörkabine durch den Versuchsleiter konnte der Test von der Versuchsperson in der Kabine durch Berühren der aktiven Schaltflächen auf dem Versuchsbildschirm durchgeführt werden. Während einer Messung wurden die Signaldarbietungen über Lautsprecher, je nach Einstellungen des Probanden, im Pegel laufend adaptiert und die Antworten der Versuchsperon gespeichert. Sämtliche Aufgabenschritte sowie noch ausstehende Beurteilungen einer Messreihe wurden der Versuchsperson auf dem Touch-Screen parallel angezeigt.

60 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 51 Folgende Aufgaben hatte eine Versuchsperson innerhalb des Tests durchzuführen: 1. Einregeln des Sprachstimulus auf eine angenehme Lautstärke (MCL), bei der die Versuchsperson den Sprecher/ die Sprecherin über eine lange Zeit mühelos verstehen kann. 2. Einregeln des im Anschluss daran parallel dargebotenen Störsignals auf eine maximale Lautstärke (BNL), bei der die Versuchsperson die zuvor eingestellte Sprache gerade noch verstehen kann. Bei den verwendeten Stimuli einer Messliste handelte es sich um 12 Sprachstimuli und 12 Störsignale. Die Sprachstimuli und die beschriebenen Rauschsignale wurden innerhalb einer Messliste randomisiert ausgewählt und in bestimmten Kombinationen dargeboten. Tabelle 3.4 zeigt alle, innerhalb einer Messung zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeit dargebotenen Kombinationen der Sprach- und Störgeräuschsignale. Sprachstimulus Störsignal männlicher Sprecher weibliche Sprecherin männlicher Sprecher weibliche Sprecherin männlicher Sprecher weibliche Sprecherin (rückwärts abgespielt) männlicher Sprecher weibliche Sprecherin (rückwärts abgespielt) männlicher Sprecher OLnoise männlicher Sprecher OLnoise weibliche Sprecherin männlicher Sprecher weibliche Sprecherin männlicher Sprecher weibliche Sprecherin männlicher Sprecher (rückwärts abgespielt) weibliche Sprecherin männlicher Sprecher (rückwärts abgespielt) weibliche Sprecherin OLnoise weibliche Sprecherin OLnoise Tab. 3.4: Verwendete Sprachstimuli und Störsignale des Tests zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen Der Pegel des Sprachsignals in den Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeit wurde zu Beginn einer zu beurteilenden Situation wechsel-

61 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 52 weise auf 62 db, 65 db oder 68 db eingestellt. Der Störgeräuschpegel wurde in Relation dazu zu Beginn einer Messung 3 db oder 6 db leiser eingestellt. Als Analysefunktion zur statistischen Auswertung der Ergebnisse aus den Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeit wurde ein Zweistichproben t-test für abhängige Stichproben 4 verwendet. Stichprobe 1 bestand bei den Simulationsmessungen aus sieben normalhörenden Personen vor der simulierten CI-Versorgung mit einer neuen Kodierungsstrategie. Diese Stichprobe soll verglichen werden mit einer Stichprobe, die aus den gleichen Personen nach der Versorgung bestand. Der Messablauf war für beide Stichproben identisch. Die statistische Auswertung erfolgte mit der Berechnungssoftware MS-Excel sowie mit der Programmiersoftware Matlab. 4 Abhängige Stichproben: Wiederholte Beobachtungen eines Merkmals am gleichen Patienten, bei denen beide Messergebnisse evidenterweise nicht unabhängig voneinander sein können (Guggenmoos-Holzmann und Wernecke, 1996) )

62 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN Ergebnisse In diesem Abschnitt werden die wichtigsten Ergebnisse der Paarvergleichsmessungen und den Messungen mit dem Test zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen mit normalhörenden Probanden vorgestellt Paarvergleichsmessungen Beurteilungen der simulierten Sprachsignale Die Abbildungen 3.7 und 3.8 zeigen die subjektiven Bewertungen von zehn Probanden für zwei Sprachsignale (männlicher Sprecher, weibliche Sprecherin) in Bezug auf das Sprachverstehen und die Klangnatürlichkeit. Insgesamt wurden sieben unterschiedlich verarbeitete Signale in den Paarvergleichsmessungen verwendet (vgl. Tabelle 3.2). Abb. 3.7: Anzahl der Präferenz bzgl. Sprachverständlichkeit und Klangnatürlichkeit für die dargebotenen Signalverarbeitungen ( zerofine bis sixfine ) für den männlichen Sprecher. Die gefüllten Balken eines Signals zeigen die Präferenzen der Probanden für die subjektiv besser zu verstehende Version der dargebotenen Signale. Die schraffiert dargestellten Balken geben die Summe der Präferenzen für den als natürlicher wahrgenommenen Klang eines Signals an. Zusätzlich eingetragen sind die Signifikanzen (mit : p(t-test) < 0,05 und : p(t-test) < 0,01) zwischen dem hüllkurvenabgetasteten Signal ( zerofine ) und den Versionen mit frequenzspezifisch enthaltener Feinstrukturinformation ( onefine bis sixfine )

63 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 54 Abb. 3.8: Anzahl der Präferenz bzgl. Sprachverständlichkeit und Klangnatürlichkeit für die dargebotenen Signalverarbeitungen ( zerofine bis sixfine ) für die weibliche Sprecherin. Die jeweils linken Balken eines Signals beschreiben die Häufigkeit der Präferenz der Probanden für das besser zu verstehende Sprachsignal. Die schraffierten Balken geben die Anzahl der Präferenzen für den als natürlicher wahrgenommenen Klang eines Signals an. Zusätzlich eingetragen sind die Signifikanzen (mit : p(t-test) < 0,05 und : p(t-test) < 0,01) zwischen dem hüllkurvenabgetasteten Signal ( zerofine ) und den Versionen mit frequenzspezifisch enthaltener Feinstrukturinformation ( onefine bis sixfine ). Die in den Abbildungen 3.7 und 3.8 dargestellten Ergebnisse für die subjektive Bewertung der beiden Sprechersignale zeigen für beide Kriterien (Sprachverständlichkeit und Klangnatürlichkeit), dass die Signale mit enthaltener Feinstrukturinformation (twofine bis sixfine) im Gegensatz zum Signal zerofine mit enthaltener Hüllkurveninformation signifikant häufiger bevorzugt wurden. Es ist außerdem zu erkennen, dass, je mehr Feinstrukturinformation in einem Signal enthalten war, dieses Signal umso öfter von den Probanden präferiert wurde. Die Unterschiede zur Strategie mit ausschließlich übertragener Amplitudeninformation, statistisch berechnet nach einem zweiseitigen t-test (Paarvergleichstest), sind bis auf zwei Situationen in allen Fällen signifikant (p < 0,05) bis hoch signifikant (p < 0,01). Beurteilungen der simulierten Musiksignale Die Abbildungen 3.9 und 3.10 zeigen, wie oft ein Musikbeispiel paarweise hinsichtlich der Bewertungskriteriums als angenehmer und natürlicher bevorzugt wurde. Wie bei den Sprachsignalen wurden sieben verarbeitete Versionen (vgl. Tabelle 3.2) in die Paarvergleichsmessungen mit einbezogen.

64 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 55 Abb. 3.9: Anzahl der Präferenz bzgl. Angenehmheit und Klangnatürlichkeit für die dargebotenen Signalverarbeitungen ( zerofine bis sixfine ) des Klavierausschnitts. Die jeweils schwarzen Balken eines Signals beschreiben die Häufigkeit der Präferenz für das als angenehmer empfundene Musikbeispiel. Die schraffiert dargestellten Balken geben die Summe der Präferenzen für den natürlicheren Klang des jeweiligen Signals an. Zusätzlich eingetragen sind die Signifikanzen (mit : p(t- Test) < 0,05 und : p(t-test) < 0,01) zwischen dem hüllkurvenabgetasteten Signal ( zerofine ) und den Versionen mit frequenzspezifisch enthaltener Feinstrukturinformation ( onefine bis sixfine ). Die Antworten der Probanden zur Beurteilung der Klaviermusik zeigt in Abbildung 3.9 sowohl für die Klangempfindung als auch für die Klangnatürlichkeit, dass die verarbeiteten Signale, in denen mehr Feinstrukturinformation enthalten war ( onefine bis sixfine ), von den Probanden zunehmend häufiger als angenehmer und klangnatürlicher beurteilt wurden als Signale mit weniger enthaltener Feinstrukturinformation. Hinsichtlich der subjektiv beurteilten Kriterien sind nach einem zweiseitigen t-test (Paarvergleichstest) die Unterschiede zwischen der CISsimulierten Version zerofine und allen Ausgangssignalen ab zwei simulierten Feinstrukturkanälen ( twofine bis sixfine ) bei einem Signifikanzniveau von 1% hoch signifikant. Lediglich die Signalversion mit ausschließlich im ersten tieffrequenten Kanal enthaltener Feinstrukturinformation ( onefine ), wurde im Vergleich zu dem Signal mit enthaltener Hüllkurveninformation für beide Beurteilungskriterien nicht signifikant häufiger präferiert.

65 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 56 Abb. 3.10: Anzahl der Präferenz bzgl. Angenehmheit und Klangnatürlichkeit für die dargebotenen Signalverarbeitungen ( zerofine bis sixfine ) eines lateinamerikanischen Musikstücks. Die vollen Balken einer Signalversion beschreiben die Häufigkeit der Präferenz der Probanden für das im Vergleich angenehmere Musikbeispiel. Die schwarz-weiß schraffierten Balken geben die Summe der Präferenzen für den natürlicheren Klang des jeweiligen Signals an. Zusätzlich eingetragen sind die Signifikanzen (mit : p(t-test) < 0,05 und : p(t-test) < 0,01) zwischen dem hüllkurvenabgetasteten Signal ( zerofine ) und den Versionen mit frequenzspezifisch enthaltener Feinstrukturinformation ( onefine bis sixfine ). Abbildung 3.10 zeigt die subjektive Beurteilung von sieben unterschiedlich simulierten Versionen eines latein-amerikanischen Musikstücks bzgl. Angenehmheit und Klangnatürlichkeit. Sowohl das ausschließlich CIS-simulierte Signal ( zerofine ) als auch die Signale mit fünf ( fivefine ) bzw. sechs ( sixfine ) implementierten Feinstrukturkanälen wurden von den Probanden im Durchschnitt hinsichtlich des angenehmeren Höreindrucks annähernd gleich häufig präferiert. Dagegen wurden die Verarbeitungen deutlich weniger oft von den Probanden bevorzugt, wenn ein bis vier Feinstrukturkanäle implementiert waren ( onefine bis fourfine ). Bei der Häufigkeitsverteilung der Präferenz für die Klangnatürlichkeit ist zu sehen, dass das CIS-stimulierte Signal zerofine am häufigsten im Vergleich zu den Signalen mit mehr enthaltener Feinstrukturinformation bevorzugt wurde. Einzig das Signal onefine wurde nahezu gleich häufig favorisiert. Die Antwortverteilungen bzgl. Angenehmheit und Klangnatürlichkeit wurden anhand eines zweiseitigen t-tests (Signifikanzniveau: 5%) zwischen dem ausschließlich hüllkurvenabgetasteten Signal und den Signalen mit enthaltener Feinstrukturinformation statistisch untersucht: Signifikante Unterschiede traten lediglich bei der Beurteilung der Angenehmheit im Vergleich zum Signal twofine und bei der

66 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 57 Beurteilung der Klangnatürlichkeit bei den Versionen twofine und threefine auf. In Abbildung 3.11 sind beispielhaft zwei individuelle Antwortverteilungen normalhörender Probanden dargestellt. Abb. 3.11: Für zwei Probanden beispielhaft angegebene Präferenzverteilung in Bezug auf das Bewertungskriterium Klangnatürlichkeit des latein-amerikanischen Musikstücks in Abhängigkeit der enthaltenen Feinstrukturinformation ( zerofine bis sixfine ). Die in Abbildung 3.11 dargestellten Ergebnisse machen deutlich, dass es mitunter große individuelle Unterschiede zwischen Probanden gab, dasselbe Klangbeispiel im direkten Vergleich zu einem anderen zu bewerten, hier speziell im Hinblick auf das Kriterium Klangnatürlichkeit.

67 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN Messungen subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen Durchgeführt wurden die Messungen zur Ermittlung der subjektiven Sprachverständlichkeitsschwelle (vgl. Kapitel 3.3.1) mit sieben normalhörenden Probanden zunächst mit unverarbeiteten und im Anschluss daran mit CI-simulierten Signalen. Abbildung 3.12 zeigt die gemittelten Ergebnisse für den Test zur Ermittlung der subjektiven Sprachverständlichkeitsschwelle mit Normalhörenden in Abhängigkeit der Signalverarbeitung. Abb. 3.12: Gesamtergebnisse des Tests zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen für Normalhörende in Abhängigkeit der Signalverarbeitung. Test zur Ermittlung der subjektiven Sprachverständlichkeitsschwelle: links mit (unverarbeiteten) Originalsignalen; in der Mitte mit CIS-stimulierten Signalen; rechts mit Feinstruktur-abgetasteten Signalen. Die Boxplots enthalten jeweils den Medianwert (schwarze Linie), die 25- bzw. 75%- Perzentile (Kastenende), die äußeren Grenzen (Strichende) sowie alle Ausreißer.

68 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 59 In Tabelle 3.5 sind die Ergebnisse der Messungen zur Ermittlung der subjektiven Sprachverständlichkeitsschwelle in Zahlen aufgeführt: Extrem- und Mittelwerte der eingestellten Signal-Rausch-Abstände (SNR) sowie die jeweilige Standardabweichung der unterschiedlichen Messungen mit Normalhörenden. Signal SNRmax[dB] SNRmin[dB] SNRmid[dB] Standardabweichung[dB] Originalsignal 4,00-22,00-9,36 5,55 CIS 9,00-5,00-0,46 2,60 Feinstruktur 4,00-6,00-0,62 2,11 Tab. 3.5: SNR der Messungen zur Ermittlung der subjektiven Sprachverständlichkeitsschwelle, gemittelt über sieben Probanden: Extrem-, Mittelwerte und Standardabweichungen Abbildung 3.12 zeigt in der Sprachverständlichkeit der drei Sprachsignale, dass der mittlere SNR des Originalsignals mit -9,36 db deutlich unter den mittleren SNRs der CIS- bzw. Feinstruktur-abgetasteten Signale (-0,46 db bzw. -0,62 db) liegt. Somit konnten die Probanden die Sprache bei einem sehr viel höheren Störgeräuschpegel im Hintergrund gerade noch dann verstehen, wenn das Originalsignal als Nutzsignal verwendet wurde. Bei den CI-stimulierten Signalen wurden dagegen von den Probanden deutlich geringere Signal-Rausch-Abstände (SNR) eingestellt, um die Sprache noch verstehen zu können. Aus Abbildung 3.12 bzw. den dazugehörigen Werten aus Tabelle 3.5 wird zudem deutlich, dass insgesamt die zusätzliche Übertragung der Feinstrukturinformation in den ersten zwei Frequenzkanälen zu keiner deutlichen Verbesserung in der Sprachverständlichkeit geführt hat: Sowohl bei der Beurteilung der CIS-stimulierten Versionen mit übertragener Amplitudeninformation als auch bei den Signalen mit zusätzlich übertragener Feinstrukturinformation liegen im Mittel die Gesamt-SNR-Werte dicht beieinander. In Abbildung 3.13 sind die Ergebnisse aus den Einzelmessungen aufgeführt.

69 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 60 Abb. 3.13: Test zur Ermittlung der subjektiven Sprachverständlichkeitsschwelle für Normalhörende - Vergleich mit und ohne übertragene Feinstrukturinformation für sechs verschiedene Nutz-Störschall-Situationen ( mann vs. frau, mann vs. frau rückw (Sprachsignal rückwärts abgespielt), mann vs. OLnoise, frau vs. mann, frau vs mann rückw (Sprachsignal rückwärts abgespielt) frau vs. OLnoise ). Die Nutzsignale der jeweiligen Situation sind unter der Abbildung horizontal, die Störsignale vertikal beschrieben. In der Legende steht 0 FSP für das CIS-verarbeitete Signal mit ausschließlicher Übertragung der Amplitudeninformation aus den einzelnen Kanälen. 2 FSP steht für die zusätzlicher Übertragung zeitlicher Information aus den ersten beiden apikalen Frequenzkanälen, während aus den Frequenzkanälen 3 bis 12 ausschließlich die Hüllkurveninformation übertragen wurde. Die Abbildung 3.13 zeigt im Mittel mit der in den zwei ersten Frequenzbändern übertragenen Feinstrukturinformation eine Verringerung des SNR für drei Störschallsituationen im Vergleich zur Messreihe mit ausschließlich übertragener Hüllkurveninformation: mann vs. OLnoise = -1,43 db, frau vs. mann = - 0,5 db, frau vs. OLnoise = -0,86 db. In den anderen Sprachsituationen im Störgeräusch ( mann vs. frau = +0,04 db, mann vs. frau rückw = +1,19 db, frau vs. man rückw = +0,43 db) wurden im Mittel jeweils höhere SNRs mit der zusätzlichen Übertragung der Feinstruktur erzielt. Die zugrundeliegenden Messungen zur Ermittlung der subjektiven Sprach-

70 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 61 verständlichkeitsschwelle für die in Abbildung 3.13 dargestellte Einzelergebnisse können in drei unterschiedliche Sprach-Störgeräusch-Situationen zusammengefasst werden: 1. Situation: Sprecher (Mann/Frau) als Signal, Sprecher (Frau/Mann) als Störgeräusch ( Sprecher vs. Sprecher ) 2. Situation: Sprecher (Mann/Frau) als Signal, Sprecher rückwärts abgespielt (Frau/Mann) als Störgeräusch ( Sprecher vs. Sprache rückwärts ) 3. Situation: Sprecher (Mann/Frau) als Signal, Rauschen (OLnoise) als Störgeräusch ( Sprecher vs. Rauschen ) Abbildung 3.14 zeigt die Veränderung der subjektiven Sprachverständlichkeit im Störgeräusch in Abhängigkeit der drei beschriebenen Sprach-Störschall-Situationen. Abb. 3.14: Test zur Ermittlung der subjektiven Sprachverständlichkeitsschwelle mit Normalhörenden: Darstellung der subjektiven Sprachverständlichkeit mit ausschließlicher Hüllkurveninformation und zusätzlicher Feinstrukturinformation in den ersten beiden Frequenzkanälen für unterschiedliche Nutz-Störschall-Situationen (angegeben für die jeweilige Situation sind Minimum, Maximum, Median und 25%-Perzentile). Links: Sprecher vs. Sprecher Mitte: Sprecher vs. Sprache rückwärts Rechts: Sprecher vs. Rauschen Der Unterschied im subjektiven Sprachverstehen ist im stationären Störgeräusch ( Sprecher vs. Rauschen ) zwischen übertragener Hüllkurven- und Feinstrukturinformation am größten: der SNR liegt mit übertragener Feinstrukturinformation um 1,14 db (im Mittel) niedriger als bei der Messung mit ausschließlicher Amplitudeninformation der Signaleinhüllenden. In den Situationen mit konkurrierendem Sprecher als Störgeräusch bringt die zusätzlich übertragene zeitliche Signalinformation in den ersten zwei Frequenzkanälen im Mittel eine Verbesserung der Sprachverständlichkeit

71 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 62 von -0,23 db ( Sprecher vs. Sprecher ) bzw. eine Verschlechterung von +0,81 db ( Sprecher vs. Sprache rückwärts ) im Vergleich zur ausschließlichen Übertragung der Hüllkurveninformation des Signals. Die Veränderung der Sprachverständlichkeit durch die Übertragung der Feinstrukturinformation führte in den Situationen mit Sprache als Störgeräusch zu keinen signifikanten Unterschieden (p(t-test) 0,08 für abhängige Stichproben); dagegen bringt die implementierte Feinstrukturstrategie in stationärem, sprachsimulierenden Störgeräusch einen statistisch signifikanten Vorteil in der Sprachverständlichkeit von 1,14 db SNR (t-test für abhängige Stichproben: p(t-test) < 0,01). 3.5 Diskussion In der hier beschriebenen Studie wurden Signale mit unterschiedlichen Signalkodierungsstrategien simuliert, so dass zum einen jeweils die Hüllkurve eines Signals in den einzelnen Frequenzbändern abgetastet und deren Information übertragen wurde. Diese Form der Verarbeitung entspricht der CIS-Strategie. Zum anderen wurde in der CI-Simulation eine Verarbeitung implementiert, die nur die positiven Signalanteile abtastet und auf diese Art die Information der Feinstruktur mit überträgt. Diese Form der Signalverarbeitung simuliert eine Feinstruktur-Strategie, wie sie in Kapitel 2.2 beschrieben wird. Paarvergleichsmessungen Bei der Sprachverarbeitung zeigte die Übertragung der Feinstrukturinformation im Hinblick auf das Verstehen und die Klangnatürlichkeit von Sprache bei den Paarvergleichsmessungen mit normalhörenden Probanden überwiegend signifikante Verbesserungen (vgl. Kapitel 3.4.1): Beim männlichen Sprecher führte die Informationsübertragung der Feinstruktur bereits im ersten tieffrequenten Kanal bei den Probanden zu einer signifikant besseren Beurteilung bzgl. des Sprachverstehens und der Klangnatürlichkeit (vgl. Abbildung 3.7). Bei der Beurteilung der weiblichen Sprecherin wurden hinsichtlich der beiden Beurteilungskriterien die zusätzlich Feinstruktur-abgetasteten Signale ab dem zweiten Kanal von den Probanden signifikant häufiger präferiert als die ausschließlich amplituden-stimulierte Version (vgl. Abbildung 3.8). Dieses Ergebnis ist möglicherweise auf eine, durch die intensivere Übertragung tiefer Frequenzen begünstigte Verbesserung der Grundtonübertragung

72 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 63 zurückzuführen. Dieses Resultat lässt sich in der Literatur durch Studienergebnisse von Arnoldner et al. (2007) bestätigen, wo bei CI-Trägern u. a. für das Sprachverstehen in Ruhe (Freiburger Einsilbertest, Hochmair-Schulze-Moser (HSM)-Test) bei Signalen mit enthaltener Feinstrukturinformationen großteils signifikante Verbesserungen gemessen wurden. Die Ergebnisse bestätigen tendenziell die These, dass sich durch die Nutzbarmachung zeitlicher Signalinformationen im Bereich tiefer Frequenzen die Grundtonübertragung in CI, und damit das Sprachverstehen von CI-Trägern, verbessern lässt. Allerdings scheint eine Verbesserung im Sprachverstehen diesbezüglich nur bis zu einer begrenzten Kanalanzahl möglich. Aus Abbildung 3.7 geht hervor, dass eine Übertragung der Feinstrukturinformation in fünf bzw. sechs Frequenzkanälen keinen weiteren Vorteil in Bezug auf Sprachverstehen bringt. Dasselbe gilt auch bei der Bewertung der Klangnatürlichkeit von Sprachsignalen. Auch hier sind für fünf bzw. sechs Kanäle mit übertragener zeitlicher Information keine deutlichen Verbesserungen bei der Signalbeurteilung festzustellen (vgl. Abbildung 3.7). Bei der Beurteilung des mit der CI-Simulation verarbeiteten Klavierstücks in Kapitel bevorzugten die Probanden die Signale mit implementierter Übertragung der Feinstrukturinformation signifikant häufiger als das ausschließlich CIS-verarbeitete Klangbeispiel, sowohl für die Bewertung der Angenehmheit als auch für die Bewertung der Klangnatürlichkeit (vgl. Abbildung 3.9). Die Übertragung der Feinstrukturinformation führte allerdings bei der Musikbeurteilung nicht generell zu einem subjektiven Hörgewinn für die normalhörenden Probanden: Bei der Übertragung des latein-amerikanischen Musikstücks beispielsweise war es in erster Linie die CIS-stimulierte Version, die von den Probanden am häufigsten bevorzugt wurde; sowohl bei der Beurteilung der Angenehmheit als auch bei der Beurteilung der Klangnatürlichkeit (vgl. Abbildung 3.10). Signifikant war dieser Unterschied allerdings ausschließlich bei der Beurteilung der Angenehmheit im Vergleich zwischen zerofine und twofine. Die Verarbeitungen mit fünf ( fivefine ) und sechs ( sixfine ) Feinstrukturkanälen wurden lediglich geringfügig weniger oft präferiert als das ausschließlich CIS-stimulierte Klangbeispiel (vgl. Abbildung 3.10). Bezogen auf die Beurteilung der Klangnatürlichkeit wurden die feinstrukturverarbeiteten Signalversionen twofine und threefine im Vergleich zur Version mit ausschließlich übertragener Amplitudeninformation signifikant schlechter beurteilt.

73 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 64 Diese Ergebnisse aus den Paarvergleichsmessungen für die Musikbeispiele lassen sich teilweise mit Literaturdaten vergleichen. Beispielsweise beschreiben die Ergebnisse einer Vergleichsstudie zwischen der CIS+-Strategie (Übertragung der kanalspezifischen Information der Signaleinhüllenden) und der FSP-Strategie (zusätzliche Übertragung zeitlicher kanalspezifischer Signalinformationen) in Bezug auf die Tonhöhenwahrnehmung für den tieffequenten Bereich (150 Hz bis 250 Hz), dass Signale mit verarbeiteter FSP-Strategie in fünf von sieben Fällen zu einer signifikant besseren Tonhöhenwahrnehmung führten (Nobbe et al., 2006). Dieses Resultat korreliert mit den Ergebnissen aus der Beurteilung des hauptsächlich tieffrequenten Klavierstücks (vgl. Abbildung 3.15) in der Weise, dass die zusätzliche Übertragung zeitlicher Signalinformation zu einer signifikant besseren subjektiven Beurteilung führte. Es lässt sich also vermuten, dass die zusätzlich zur Signalamplitude übertragene Feinstrukturinformation Frequenzen im apikalen Frequenzbereich gut übertragen und somit für die Versuchsperson nutzbar machen kann. Beim Vergleich beider Studien ist allerdings einschränkend anzumerken, dass bei Nobbe et al. (2006) keine komplexen Musiksignale, sondern lediglich tieffrequente Sinustöne zur Unterscheidung von Tonhöhen verwendet wurden. Die Tatsache, dass diese Sinussignale lediglich im Bereich von 150 Hz bis 250 Hz lagen, lässt einen Vergleich zwischen den Ergebnissen von Nobbe et al. (2006)einerseits und der subjektiven Beurteilungen für das latein-amerikanische Musikstück mit seinen rhythmischen und überwiegend hochfrequenten Melodieanteilen (vgl. Abbildung 3.15) andererseits nicht zu. Gründe, warum bei den Paarvergleichsmessungen die Klaviermusik und die lateinamerikanische Musik von den Probanden so unterschiedlich beurteilt wurden, könnten in den jeweils durch die Signalverarbeitungsstrategien übertragenden Frequenzbereichen liegen. Abbildung 3.15 zeigt die Frequenzspektren der Klaviermusik und des latein-amerikanischen Musikausschnitts.

74 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 65 Abb. 3.15: Spectrogramme der fu r die Paarvergleichsmessungen verwendeten Musikstu cke. Links: Klaviermusik; Rechts: Lateinamerikanische Musik Wa hrend sich die Hauptfrequenzanteile der Melodie der Klaviermusik (links in Abbildung 3.15) hauptsa chlich im Bereich zwischen 150 Hz und 800 Hz befindet, liegt der Verlauf der von der Querflo te u bertragenen Melodie in der Latein-amerikanischen Musik oberhalb von ca Hz (rechts in Abbildung 3.15). Hier sind im tieffrequenten Bereich eher die Kla nge der Ryhthmusinstrumente (Percussion, Schlagzeug) enthalten. Die vergleichsweise sehr unterschiedlichen Bewertungen der Musikbeispiele (vgl. Kapitel 3.4.1) lassen vermuten, dass die charakteristischen Frequenzen der Musikstu cke durch die in der Simulation verwendeten Verarbeitungsstrategien unterschiedlich u bertragen werden. Bei der Verarbeitung des Klavierstu cks konnte die Melodie mit steigender Anzahl an Feinstrukturkana len zunehmend besser u bertragen und die Beispiele von den Probanden zunehmend ha ufiger pra feriert werden. Bei der Version sixfine bei

75 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 66 spielsweise liegt die Mittenfrequenz des sechsten Feinstrukturkanals bei 1175 Hz, und somit befinden sich die Hauptfrequenzanteile des Klavierausschnitts innerhalb des feinstruktur-verarbeiteten Bereichs. Anders stellt es sich bei der Verarbeitung des latein-amerikanischen Musikstücks dar: Hier wurde das CIS-stimulierte Signal von den Probanden in der Mehrheit der Fälle bevorzugt. Ursachen dafür können in der Übertragung der Frequenzanteile des Melodieverlaufs der Flöte liegen. Dieser konnte durch die Übertragung der Feinstrukturinformation scheinbar nicht adäquat übertragen werden, da er oberhalb der Mittenfrequenzen aller implementierten Frequenzkanäle zur Übertragung der zeitlichen Information liegt (vgl. Abbildung 3.15). Ein anderer Grund könnte sein, dass eine hörbar intensivere Rhythmusübertragung ein primärer Faktor für die Probanden bei der Bevorzugung der Klangnatürlichkeit und der Angenehmheit dieses Musikstücks war. Ein Erklärungsansatz für die nahezu gleiche Präferenz der Versionen fivefine und sixfine im Vergleich zu zerofine könnten interindividelle Bewertungen hinsichtlich des Bewertungskriteriums Klangnatürlichkeit sein. Einige Probanden bevorzugten die Verarbeitungen mit besserer Rhythmusübertragung, während andere die zunehmend übertragenen Melodieanteile der Querflöte präferierten und für die Beurteilung zugrunde legten. Dieses macht Abbildung 3.11 beispielhaft für zwei Probanden deutlich. Die dargestellte Verteilung der Präferenzen für die Beurteilung der Klangnatürlichkeit zeigt, dass sich individuell interne Bewertungskriterien für die Klangnatürlichkeit sehr unterscheiden können: Während ein Proband (Abbildung 3.11 oben) vorwiegend die Signalversionen mit mehr enthaltener Feinstrukturinformation bevorzugte ( sixfine beispielsweise bei allen Beurteilungen), präferierte ein zweiter Proband (Abbildung 3.11 unten) die CIS-stimulierte Version des Musikstücks ( zerofine ) im Vergleich zu allen anderen Signalverarbeitungen. Bei den anderen Versionen wählte er zudem meistens die Version mit weniger enthaltener Feinstrukturinformation. Vermutlich bewerteten Probanden, die oft die Version mit enthaltener Hüllkurveninformation präferierten, die im Vergleich zu den Signalen mit enthaltener Feinstrukturinformation deutlich intensiver übertragenen Rhythmuseigenschaften des Musikstücks als natürlicher. Dagegen wurden Signale mit zunehmend enthaltener Feinstrukturinformation, in denen die Melodie des Musikstücks zunehmend besser hörbar war, von anderen Probanden als natürlicher bewertet. Auch

76 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 67 gab es Probanden, deren Präferenzverteilung in etwa dem gemittelten Antwortprofil entsprachen. Messungen zur Ermittlung der subjektiven Sprachverständlichkeitsschwelle In der Literatur wird vielfach beschrieben, dass CI-Träger in ruhigen Situationen ein gutes bis sehr gutes Sprachverständnis erzielen können, in Situationen mit Störlärm aber große Schwierigkeiten haben, Sprache zu verstehen (Nie et al., 2005; Fu und Nogaki, 2004). Bei dem - im Vergleich zum Original-ANLT von Nabelek et al. (1991) - modifizierten Test zur Ermittlung der subjektiven Sprachverständlichkeitsschwelle (vgl. Kapitel 3.3.1) wurde die Sprachverständlichkeit im Störgeräusch bei Normalhörenden unter Verwendung CI-simulierter Signale ermittelt. Simuliert wurden unterschiedliche Sprach- (Männer- und Frauenstimme) und Rauschsignale (Männerund Frauenstimme (jeweils vor- und rückwärts dargeboten), Rauschen), anhand derer Messungen mit CI-Nutzern simuliert werden sollten. Es sollte untersucht werden, ob sich bei CI-Trägern die Übertragung zeitlicher Informationen durch die vermeintlich bessere Grundtonübertragung positiv auf die Sprachverständlichkeit im Störgeräusch auswirken könnte. Ein genereller Zusammenhang zwischen zusätzlicher Übertragung der Feinstrukturinformation und einem besseren Sprachverstehen im Störgeräusch konnte anhand der Simulations-Messungen zur Ermittlung der subjektiven Sprachverständlichkeitsschwelle nicht gefunden werden. Die Ergebnisse zeigen einerseits für die Übertragung der Feinstrukturinformation für die verwendete Signalversion twofine (vgl. Tabelle 3.3), dass sich das Sprachverstehen in der Situation mit stationärem Rauschen signifikant verbessert. Andererseits treten in den Situationen mit konkurrierendem Sprecher als Störsignal keine signifikanten Veränderungen in der Sprachverstehensleistung auf. Dieses Ergebnis lässt sich durch eine Studie von Carroll und Zeng (2007), in der u. a. der Einfluss der Kanalanzahl im Bereich tiefer Frequenzen auf das Sprachverstehen im Störgeräusch untersucht wurde, bestätigen. Anhand von Simulationsmessungen konnte dort in Situationen mit konkurrierendem Sprecher als Störsignal trotz besserer Grundtonübertragung (durch Erhöhen der Kanalanzahl im Bereich tiefer Frequenzen) keine Verbesserung im Sprachverstehen festgestellt werden (Carroll und Zeng, 2007).

77 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 68 Insgesamt zeigen die Ergebnisse der in dieser Studie durchgeführten Messungen zur Ermittlung der subjektiven Sprachverständlichkeitsschwelle eine große Diskrepanz zwischen den Messungen mit den (unverarbeiteten) Originalsignalen und den Messungen mit den simulierten Signalen ( zerofine, twofine - vgl. Tabelle 3.3). Aufgrund der großen Schwierigkeiten von CI-Trägern, Sprache im Störgeräusch zu verstehen, kann dieser Unterschied aber als durchaus realistisch angesehen werden. Anhand von Literaturdaten lässt sich der Unterschied zwischen Normalhörenden und CI-Trägern ebenfalls bestätigen: Eine deutliche Diskrepanz zwischen der Hörleistung von Normalhörenden und der von CI-Trägern bei durchaus vergleichbarem Antwortprofil beschreibt beispielsweise Haumann et al. (2006a) für die Wahrnehmung von Tonhöhenunterschieden bei Normalhörenden und CI-Trägern. Aufgrund natürlich bedingter Differenzen in den Hörleistungen kann die hier vorgestellte CI-Simulation durchaus realistische Tendenzen für CI-Träger in der Signalverarbeitung nachbilden. Das Ergebnis der Messungen zur Ermittlung der subjektiven Sprachverständlichkeitsschwelle (vgl. Abbildung 3.12) zeigt in den SNR-Werten in Bezug auf die Sprachverständlichkeit der simulierten Signale insgesamt keinen signifikanten Unterschied. Die Frage, ob die Messungen mit Normalhörenden (simulierte Signale) mit den Messungen mit CI-Trägern vergleichbar sind, wird in Kapitel 4 aufgegriffen. Dort werden die Messergebnisse der Simulationsmessungen mit Normalhörenden denen aus den Messungen zur Ermittlung der subjektiven Sprachverständlichkeitsschwelle mit vier CI-Trägern gegenübergestellt. Zur Adäquatheit der in diesem Kapitel vorgestellten CI-Simulation kann abschließend formuliert werden, dass einerseits mit ihr versucht wird, Bestandteile echter CIs in ihrer Funktion nachzubilden (vgl. Kapitel und 3.2.3). So können durch die implementierte Verarbeitung (Elektrodenanzahl, Interaktion, pulsatile Stimulation, Kompression) derzeit beispielsweise vorhandene Unterschiede zwischen Normalhörenden und CI-Trägern tendenziell gut simuliert werden (vgl. Abbildung 3.12). Allerdings können die im Vergleich zu CI-Nutzern sehr unterschiedlichen Hörgewohnheiten von Normalhörenden in der Simulation nicht nachempfunden werden. Auch besitzen Normalhörende im Gegensatz zu CI-Trägern bespielsweise die Fähigkeit, Nutzsignale aus Hintergrundlärm herauszufiltern. Dieser Unterschied

78 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 69 kann mithilfe der vorgestellten Simulationsversion ebenfalls nicht nachgebildet werden. Im Vergleich entsprechen die Resultate der Sprachverständlichkeitsmessungen im Störgeräusch tendenziell den Messergebnissen anderer Studien. Beispielsweise konnte wie in Sprachverständlichkeitsmessungen im Störgeräusch bei Carroll und Zeng (2007), für Situationen mit konkurrierendem Sprecher als Störsignal keine Verbesserung im Sprachverstehen ermittelt werden. In Analogie zu Simulationsmessungen von Haumann et al. (2006b) beinhalten die in der hier beschriebenenn Studienergebnisse ebenfalls eine große interindividuelle Variabilität. 3.6 Schlussfolgerung Aus den in Kapitel 3.4 beschriebenen Ergebnissen der Paarvergleichsmessungen und dem Test zur Ermittlung der subjektiven Sprachverständlichkeitsschwelle mit den CI-simulierten Signalen lässt sich für die vorgestellte CI-Simulation bzw. für die Übertragung zusätzlicher Feinstrukturinformation im Vergleich zur auschließlichen Übertragung der Amplitudeninformation folgendes ableiten: Die in Kapitel vorgestellte CI-Simulation stellt einen weiteren Versuch dar, durch die Implementation von CI-Eigenschaften und -funktionsweisen ein CI nachzubilden. Die realisierten Features können einige Funktionsweise echter CIs gut simulieren. Hörgewohnheiten Normalhörender, ihre Fähigkeiten, Sprache im Störgeräusch zu filtern und zu verstehen und die Fähigkeit, Schall zu lokalisieren können mithilfe der vorgestellten CI-Simulation jedoch nicht simuliert werden. Auch im Hinblick auf die Hörnervstimulation in einem CI durch elektrische Strompulse kann die Signalabtastung und -übertragung der Simulation diese Funktion nicht adäquat nachbilden. Die Übertragung der Feinstrukturinformation liefert in den Paarvergleichsmessungen durch die Simulation für Sprache in Ruhe Verbesserungen im subjektiven Sprachverstehen. Dieser Hörgewinn durch die zusätzliche Übertragung zeitlicher Signaleigenschaften ist durchaus mit Literaturdaten von Arnoldner et al. (2007) vergleichbar, wo CI-Träger in Sprachtests (u. a. in ruhiger Umgebung) mithilfe einer neuen Feinstrukturstrategie signifikante Verbesserungen im Sprachverstehen erzielten.

79 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 70 Die Erkenntnis der Studie, dass die Sprachverstehensleistung in Störgeräuschsituationen durch die Übertragung der Feinstrukturinformation insgesamt keine signifikante Verbesserung im Vergleich zur ausschließlich übertragenen Amplitudeninformation bringt, ist ebenfalls mit Daten aus der Literatur vergleichbar. Carroll und Zeng (2007) untersuchten die Veränderung des Sprachverstehens im Störlärm durch Variieren der Kanalanzahl im Bereich tiefer Frequenzen zur besseren Übertragung der Grundfrequenz. Ihre Simulationsmessungen ergaben ebenfalls keine signifikanten Verbesserungen für das Sprachverstehen im Störlärm. Das gegenwärtig existierende grundlegende Problem von CI-Trägern, Sprache im Störgeräusch zu verstehen, konnte auf jeden Fall durch die Messungen zur Ermittlung der subjektiven Sprachverständlichkeitsschwelle tendenziell bestätigt und der Unterschied zwischen Normalhörenden (Messungen mit unverarbeiteten Signalen) und CI-Trägern (Messungen mit simulierten Signalen) entsprechend simuliert werden. Für die Musikübertragung scheint die Feinstrukturinformation einen Vorteil zu bringen, wenn die Hauptfrequenzanteile der Musik in die übertragenen Frequenzbereiche der Feinstrukturkanäle fällt. Bei Melodiefrequenzen oberhalb der Frequenzbereiche zur Gewinnung der Feinstrukturinformation führt die Feinstrukturverarbeitung offensichtlich zu keiner Verbesserung der Musikübertragung. Hinweise darauf liefern die Ergebnisse der Beurteilungen beider Musikstücke, wo bei der latein-amerikanischen Musik die Signalverarbeitung ohne Feinstrukturinformation öfter präferiert wurde als die Verarbeitungen mit enthaltener zeitlicher Information. Möglicherweise spielt auch die Komplexität von Musikstücken (Rhythmik, Melodie, Art und Anzahl der Instrumente) eine Rolle für die Auswirkungen der Informationsübertragung zeitlicher Signaleigenschaften. Qualitative Aussagen zur Güte der vorgestellten CI-Simulation im Vergleich zu echten CI können an dieser Stelle nur einschränkend getroffen werden. Um diesbezüglich weitere Erkenntnisse über die Echtheit der Verarbeitung dieser Simulation zu bekommen und die Messergebnisse der Paarvergleichs- bzw. der Messungen zur Ermittlung der subjektiven Sprachverständlichkeitsschwelle beurteilen zu können, wäre die Durchführung der Messungen mit CI-Trägern

80 KAPITEL 3. SIMULATION VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 71 unter gleichen Messbedingungen sinnvoll. Dieses wird im folgenden Abschnitt (vgl. Kapitel 4) z. T. realisiert. Dort werden in einer Studie mit CI-Trägern u. a. die Messungen zur Ermittlung der subjektiven Sprachverständlichkeitsschwelle durchgeführt und die Ergebnisse anschließend mit den Resultaten der Simulationsmessungen verglichen und diskutiert.

81 Kapitel 4 Vergleich von Sprachkodierungsstrategien in Cochlea Implantaten Zusammenfassung Grundsätzlich dienen Kodierungsstrategien von Cochlea Implantaten (CI) dazu, einfallende Schallsignale in elektrische Pulsmuster umzuwandeln. Diese Pulsfolgen werden über mehrere intracochleär platzierte Elektroden direkt zur Hörnervstimulation verwendet und führen beim CI-Träger durch die zentrale Weiterleitung der Aktionspotenziale letztlich zu einer Hörwahrnehmung. In den letzten Jahren wurden Sprachverarbeitungsstrategien in CI dahingehend entwickelt, dass CI-Träger in der Lage sind, ein gutes Sprachverstehen, besonders in ruhigen Hörsituationen, zu erreichen (McDermott, 2004). Allerdings ist das Sprachverstehen im Störgeräusch sowie die Übertragung von nichtsprachlichen Schallereignissen, speziell Musik, mit derzeitig verwendeten Kodierungsstrategien nur unzufriedenstellend zu erreichen (Nie et al., 2005). Hier liegt seit einigen Jahren ein Schwerpunkt bei der Entwicklung neuer Sprachkodierungsformen. Der Einfluss einer neuartigen Sprachkodierungsstrategie auf die Sprachwahrnehmung in Störgeräuschsituationen und auf die Musikwahrnehmung von CI-Trägern wird in diesem Kapitel vorgestellt. Vier CI-Träger wurden im Zeitraum der vorgestellten Studie von dem Sprachprozessor TEMPO+ auf das Nachfolgemodell OPUS2 (beide MED-EL GmbH) umversorgt. Während im älteren Modell die CIS ( Continuous Interleaved Sampling )- Strategie implementiert ist (vgl. Kapitel 4.2), arbeitet der neue Prozessor mit 72

82 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 73 der Kodierungsstrategie FSP ( Fine structure processing - vgl. Kapitel 4.2). Diese Strategie tastet nicht, wie die CIS-Strategie, die Einhüllenden der kanalspezifischen Signalanteile ab, sondern tastet ausschließlich die positive Signalanteile in den einzelnen Elektrodenkanälen ab. Dadurch entstehen Pulsfolgen, deren zeitlicher Abstand mit der Frequenz variiert. So können aus den einzelnen Frequenzkanälen neben örtlichen (tonotopen) auch zeitliche Informationen übertragen werden. Nach Smith et al. (2002) sind zeitliche Signaleigenschaften von großer Bedeutung für die Tonhöhenwahrnehmung und das Richtungshören, während frequenzspezifische Amplitudeninformationen für das Sprachverstehen primär wichtig sind. Das Ziel der Studie ist zu überprüfen, ob durch eine verbesserte Tonhöhenwahrnehmung zum einen eine bessere Sprachverständlichkeit im Störgeräusch und zum anderen eine bessere Wahrnehmung von Musik erzielt werden kann. Im Verlaufe dieser Arbeit wurden mit vier CI-Trägern Messungen zur Sprachverständlichkeit im Störgeräusch und zur Musikwahrnehmung durchgeführt. Zudem wurden im Rahmen eines Projekts zwischen der Hörzentrum Oldenburg GmbH und der Med-El GmbH Fragebogendaten an beiden Messzeitpunkten erhoben. Durch den gleichen Messablauf an beiden Terminen sollte die FSP-Strategie im Vergleich zur CIS-Strategie hinsichtlich Sprach- und Musiwahrnehmung untersucht werden. Während FSP, gemittelt über die vier CI-Träger, in den Sprachverständlichkeitsmessungen im Störgeräusch insgesamt keine signifikanten Verbesserungen erzielen konnte, wurde anhand der Fragebögen deutlich, dass subjektiv das Hören in vielen Alltagssituationen mit dem neuen Prozessor als besser beurteilt wurde (vgl. Kapitel 4.3.3). Der übertragene Klang wurde zudem in vielen Fällen als klarer und deutlicher im Gegensatz zum alten Prozessor bewertt. 4.1 Einleitung Cochlea Implantate (CI) sind elektrische Hörprothesen, mithilfe derer Personen mit einer beidseitigen, praktisch vollständigen Innenohrtaubheit Höreindrücke erstmalig oder wieder neu wahrnehmen können. Bestehend aus zwei Hauptkomponenten, einem externen Sprachprozessor mit Mikrofon und Sendespule und einem internen Implantat mit Elektrodenträger und Elektroden, wird der Hörnerv durch Strompulsanregungen über die intracochleär platzierten Elektroden direkt stimuliert. Im zentral auditorischen Kortex werden die ausgelösten Aktionspotenziale zu

83 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 74 Höreindrücken verarbeitet (Hamacher, 2003). Mithilfe von CI können heutzutage prälingual ertaubte Kinder Sprache physiologisch entwickeln und postlingual ertaubte Erwachsene ein gutes bis sehr gutes Sprachverständnis in ruhigen Umgebungen erreichen. Allerdings gilt das Hören von Musik sowie das Sprachverstehen in geräuschvollen Situationen noch als nicht zufriedenstellend (McDermott, 2004; Nie et al., 2005). Seit einigen Jahren beschäftigen sich viele Studien mit den Auswirkungen von Sprachverarbeitungsstrategien in CI auf die Musikwahrnehmung (Pressnitzer et al., 2005; Laneau et al., 2006; Haumann et al., 2006b). Auch die Verbesserung der Sprachverständlichkeit im Störgeräusch ist seit Jahren zentraler Schwerpunkt vieler Untersuchungen (Nie et al., 2005; Mueller et al., 2006). Deshalb steht bei der Entwicklung von CI seit Jahren verstärkt die Frage im Vordergrund, wie die Verstehensleistung von Sprache im Störgeräusch sowie die Übertragung von musikalischen Eigenschaften durch die Art der Signalkodierung in einem Prozessor verbessert werden können. In dieser Studie werden die Signalverarbeitungsstrategien zweier Sprachprozessoren (TEMPO+, OPUS2) des Herstellers Med-El GmbH miteinander verglichen, um den Übertragungseffekt der Feinstrukturinformation auf die Sprachwahrnehmung mit und ohne Störgeräusch und auf die subjektive Musikwahrnehmung bei einer Gruppe von CI-Trägern zu untersuchen. Bei den untersuchten Sprachverarbeitungsstrategien handelt sich um die Continous Interleaved Sampling (CIS)- Strategie des TEMPO+- und die Fine Structure Processing (FSP)- Strategie des OPUS2-Sprachprozessors. In Studien von Nobbe et al. (2006) und Arnoldner et al. (2007) wurden diese beiden Signalkodierungsstrategien hinsichtlich verschiedener Eigenschaften miteinander verglichen. Nobbe et al. (2006) fanden für die Tonhöhendiskrimination von CI-Trägern heraus, dass die FSP-Strategie in fünf von sieben Fällen zu einer signifikant besseren Tonhöhenwahrnehmung führte. In der Studie von Arnoldner et al. (2007) wurden bei verschiedenen Sprachtests (Freiburger Einsilbertest, Hochmair-Schulze-Moser (HSM)- Test), u. a. in Ruhe) zu großen Teilen signifikant bessere Sprachverständlichkeitswerte gemessen. Beide Studien ergaben somit für die FSP-Strategie in den meisten Fällen signifikante Verbesserungen in den Verständnisleistungen der CI-Träger. Ziel dieser Studie ist zum einen die Beantwortung der Frage, ob durch die

84 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 75 FSP-Strategie das Sprachverstehen in unterschiedlichen Nutz-Störschallsituationen verbessert werden kann und zum anderen, wie die Strategie zur Übertragung der Feinstrukturinformation von CI-Trägern im Vergleich zur CIS+-Strategie subjektiv beurteilt wird. Die Messungen und Ergebnisse zur Klärung dieser Fragestellungen sind in Kapitel 4.3 bzw. 4.4 beschrieben. 4.2 Methoden Probanden An den Vergleichsmessungen mit dem TEMPO+ (CIS-Strategie) und dem OPUS2 (FSP-Strategie) nahmen vier CI-Träger (zwei Männer, zwei Frauen) des Cochlea Implant Centrum (CIC) Oldenburg teil. Die Altersspanne reichte von 18 bis 71 Jahren (Durchschnitt: 47 Jahre). Alle CI-Träger sind postlingual ertaubt. Weitere Daten und Fakten zur Entstehungsgeschichte der Ertaubung und zur CI-Versorgung sind Tabelle 4.1 zu entnehmen. Proband- Art der Er- Ursache der Er- Datum Implantat kontralaterale ID taubung taubung Versorgung (Hörgerät) ES57 postlingual Masern 1969; 03/2001 (43) C40+ ja Ertaubung: 2000/2001 HS58 postlingual lärmbedingt 12/2004 (46) PULSARci100 ja HB36 postlingual unbekannt 05/2004 (68) PULSARci100 ja SM88 postlingual Gusher- 03/2006 (17) PULSARci100 ja Syndrom; Ertaubung: 2005 Tab. 4.1: Ätiologie der Ertaubung und Angaben zur CI- Versorgung bei vier CI-Trägern. CI-Einstellungen In den folgenden zwei Tabellen sind die subjektiven Einstellungen der CI-Träger für

85 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 76 die durchgeführten Messreihen mit dem TEMPO+- (Tabelle 4.2) und dem OPUS2- Sprachprozessor (Tabelle 4.3) aufgelistet. Dargestellt sind für jeden der vier Probanden der Implantat-Typ, die aktivierten Kanäle, die Art der Stimulation, die Mittenfrequenzen der aktiven Kanäle und die Stimulationsrate pro Kanal. Proband-ID Implantat aktive Kanäle Maplaw CF [Hz] Stim.Rate pro Kanal [pps] ES57 C logarithmisch ,4 HS58 PULSARci logarithmisch ,6 HB36 PULSARci logarithmisch ,4 SM88 PULSARci logarithmisch ,6 Tab. 4.2: Parametereinstellungen des TEMPO+- Prozessors bei vier CI-Trägern unter Verwendung der CIS-Strategie. Proband-ID Implantat aktive Kanäle Maplaw CF [Hz] Stim.Rate pro Kanal [pps] ES57 HS58 HB36 SM88 PULSARci100 (monaural) PULSARci100 (monaural) PULSARci100 (monaural) PULSARci100 (monaural) 1-12 (1,2:FSP) logarithmisch logarithmisch (1:FSP) 1-11 logarithmisch (1,2:FSP) 1-11 logarithmisch (1,2:FSP) Tab. 4.3: Parametereinstellungen des OPUS2-Prozessors bei vier CI-Trägern unter Verwendung der FSP-Strategie (CSSS: Channel specific sampling sequences (Zierhofer, 2001)).

86 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 77 Messaufbau und -ablauf Zu Beginn der in Kapitel 4.3 beschriebenen Messungen wurden die Probanden ausführlich instruiert, um die anstehenden Testaufgaben korrekt durchführen zu können. Bei allen Messungen (durchgeführt in einer Freifeld-Hörkabine des Haus des Hörens in Oldenburg) stand der in Ohrhöhe aufgestellte, aktive Lautsprecher (Typ: Tannoy Active Monitor Loudspeaker 800a) in ca. 1,50 Meter Entfernung frontal (0 Azimuth) vor der Versuchsperson. Bei der Durchführung der Messungen wurden die Probanden gebeten, das jeweils auf der kontralateralen Seite verwendete Hörgerät auszustellen. Alle Messungen der ersten Messreihe wurden am zweiten Termin unter gleichen Bedingungen und in derselben Reihenfolge wie am 1. Messtermin durchgeführt. Die Ergebnisse der Messungen sind in Kapitel 4.4 dokumentiert. Verwendete Klangbeispiele Für die Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeit wurden zwei Sprachstimuli und fünf Störsignale ausgewählt. Bei den Sprachsignalen handelt es sich um einen kurzen Abschnitt aus Mensch Goethe, gesprochen von Heinz Kaspar, und aus einer von Jutta Birkigt gesprochenen Aufnahme zu Nils Holgersson ( c Hörzentrum Oldenburg). Diese Sprachbeispiele wurden im Original und rückwärts abgespielt auch als Störsignale verwendet. Außerdem wurde noch das Rauschen des Oldenburger Satztests (OLnoise) als Störsignal eingesetzt. Die Frequenzspektren der einzelnen Signale für die Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen sind in Anhang C.2 abgebildet (vgl. Abbildungen C.5 bis C.7). Implementierte Sprachkodierungsstrategien Bei den Sprachkodierungsstrategien handelt es sich um zwei in Sprachprozessoren der Firma MED-EL GmbH implementierte Strategien: die im TEMPO+-Prozessor verankerte CIS+-Methode und die im Nachfolgeprozessor OPUS2 realisierte FSP- Strategie. CIS+: Wie bei der CIS-Strategie werden biphasische Pulse für die Stimulation der einzelnen Elektroden verwendet. Zu einem Zeitpunkt wird immer nur eine Elektrode aktiviert, so dass sich Pulse nicht überlappen können. So

87 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 78 können Interaktionen zwischend den Kanälen und schwer zu kontrollierende Überlagerungseffekte der elektrischen Anregung vermieden werden (Loizou, 1998; Hamacher, 2003). Die Stromamplitude für die jeweils aktivierte Elektrode wird durch die Schallenergie des Signals, repräsentiert durch die Hüllkurven der kanalspezifischen Signalanteile, definiert. Die Stimulationszyklen mit der sequentiellen Abtastung verlaufen von basal nach apikal (Marangos und Laszig, 1998). Zusätzlich zur CIS-Strategie verwendet die CIS+-Strategie bei der Hüllkurvenextraktion zur mathematisch korrekteren Berechnung die Hilbert- Transformation (Fricke und Coninx, 2001a). FSP: Diese Kodierungsstrategie verarbeitet im tieffrequenten Bereich zusätzlich zur CIS-Strategie die zeitliche Signalinformation (Nobbe et al., 2006). Dadurch, dass nicht nur die Informationen der Hüllkurve eines Signals übertragen wird, können dem CI-Nutzer somit feinere Tonhöhenunterschiede und zeitliche Informationen vermittelt werden. Die FSP-Strategie tastet durch die Verwendung von den in Zierhofer (2001) beschriebenen Channel specific sampling sequences (CSSS) lediglich die positiven Signalanteile in den einzelnen Bändern ab, beginnend mit jedem Nulldurchgang. So kann (durch die unterschiedlichen Abstände der Nulldurchgänge in den verschiedenen Kanälen) die Feinstrukturinformation aus den einzelnen Frequenzkanälen extrahiert und übertragen werden und die Rate der Stimulation auf diese Art exakt der Feinstruktur des Signals in dem jeweiligen Frequenzband folgen (Arnoldner et al., 2007). Die Signalabtastung der Einhüllenden in den einzelnen Kanälen liefert aus den jeweils aktivierten Frequenzbändern entsprechende Amplitudeninformationen (Zierhofer, 2001). Im Vergleich zur CIS-Strategie, wo ab einer Frequenz von ca. 250 Hz übertragen wird, kann mit FSP die zu stimulierende Frequenz auf ca. 70 Hz gesenkt. Die Feinstrukturinformation kann dabei in einem Frequenzbereich von 300 Hz bis maximal 500 Hz übertragen werden (Hochmair et al., 2006). In CI mit implementierter FSP-Strategie wird die Feinstrukturinformation aus maximal den ersten drei apikal gelegenen cochleären Elektroden übertragen (Hochmair et al., 2006; Arnoldner et al., 2007).

88 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN Messungen mit CI-Trägern Für die in diesem Kapitel dargestellten Messungen nahmen die vier in Kapitel 4.2 beschriebenen CI-Träger teil. Vor Beginn der Messungen wurde den Probanden jeweils der Hintergrund der Untersuchungen und eine Einverständniserklärung ausgehändigt, die unterschrieben werden musste, um an der Studie teilzunehmen. Danach wurden mit allen vier Nutzern insgesamt zwei Messreihen (Dauer einer Messreihe: ca. 2 Stunden) durchgeführt. Die erste Sitzung wurde mit dem TEMPO+-Prozessor vorgenommen (vor der Anpassung mit dem neuen Prozessor). Nach der Neuanpassung mit dem OPUS2 hatten die CI-Träger ca. drei Monate Zeit, sich an die mit neuer Signalkodierungsstrategie übertragene Klangcharakteristik zu gewöhnen. Innerhalb dieser Zeit war für die Nutzer die Möglichkeit gegeben, bei Problemen und Unzufriedenheit die Prozessoreinstellungen ändern zu lassen. Auf diese Art sollte gewährleistet werden, dass alle CI-Träger die Messungen am zweiten Messtermin mit einer auf sie individuell abgestimmten und persönlich optimalen Einstellung des OPUS2 durchführen konnten. Das Ziel bei der Durchführung der nachfolgend beschriebenen Messungen war es, einen möglichen Effekt der zusätzlich zur Hüllkurveninformation im TEMPO+ übertragenen Feinstrukturinformation des OPUS2 zu untersuchen. Alle Messungen wurden monaural durchgeführt, d. h. dass die Hörgeräte für den Zeitraum der Messungen ausgeschaltet wurden Oldenburger Satztest (OLSA) Beim Oldenburger Satztest (OLSA) von Wagener et al. (1999a,b,c) handelt es sich um einen Sprachtest, mit dem sich das Sprachverständnis unter verschiedenen Hörbedingungen feststellen lässt. Der OLSA wird vielfach von HNO-Ärzten und Hörgeräteakustikern in der Hördiagnostik eingesetzt. Er zeichnet sich u. a. dadurch aus, dass sich die verwendeten Sätze durch die randomisierte Zusammenstellung der Wörter bei gleichbleibender Satzstruktur nicht auswendig lernen lassen und somit der Test beliebig oft durchführbar ist. Es wird mit dem Test das Signal- Rausch-Verhältnis L50 (Sprachverständlichkeitsschwelle in db) bestimmt, bei der die Sprachverständlichkeit 50% beträgt. Aus der Literatur ist bekannt, dass der OL- SA neben Hörgeräte-Nutzern auch für CI-Träger gut zur Hördiagnostik anwendbar ist. So haben beispielsweise Wechtenbruch et al. (2006) den OLSA für Messungen

89 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 80 mit COCHLEAR- und MED-EL- Trägern zur Untersuchung des Sprachverstehens im Störschall verwendet. Da bei der Durchführung des OLSA in den ersten Messlisten ein Lerneffekt auftreten kann (z. B. durch das Kennenlernen der Satzstruktur), ist es grundsätzlich sinnvoll, vor den eigentlichen Messlisten eine kurze Trainingsphase durchzuführen. Bei den OLSA-Messungen mit den vier CI-Trägern (vgl. Kapitel 4.2) wurden aus diesem Grund der eigentlichen Messphase je zwei Trainingslisten vorangestellt. Der Azimuth während der Test- und Messphasen betrug bei allen Signaldarbietungen 0, Nutz- und Störsignal wurde den CI-Trägern also aus frontaler Position dargeboten. Der OLSA wurde mit festem Sprachpegel (65 db SPL) und adaptivem Störgeräusch durchgeführt. Der Versuchsleiter hatte während der Testdurchführung die Aufgabe, die von der Versuchsperson richtig verstandenen Wörter auf einem Touch-Screen zu markieren Messungen subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen Neben Testverfahren, wie dem beschriebenen OLSA von Wagener et al. (1999a,b,c), werden auch andere Methoden zur Bewertung von Sprache, z. B. im Störgeräusch, verwendet. Der Test ermittelt die maximale Stärke eines Hintergrundrauschens, die von einer Versuchsperson bei gleichzeitig noch gutem Sprachverstehen über längere Zeit toleriert werden kann (Nabelek et al., 1991). Der Acceptable Noise Level (ANL) wird grundsätzlich als Differenz aus dem als angenehm eingestellten Most Comfortable Level (MCL) und dem als für ein gutes Sprachverstehen akzeptierbaren Background Noise Level (BNL) bezeichnet: ANL[dB] = MCL[dBHL] BNL[dBHL] (4.1) Nach Gleichung 4.1 wird klar: je kleiner der ANL ist, desto besser kann die Fähigkeit, Sprache im Störgeräusch zu verstehen, beurteilt werden bzw. desto weniger beeinflusst das Störgeräusch das individuelle Sprachverstehen. Bei den hier beschriebenen Messungen mit den vier CI-Trägern wurde allerdings eine modifizierte Version des Acceptable Noise Level Tests (ANLT) benutzt, indem eine Testanweisung verändert wurde, so dass in der beschriebenen Version die Sprachverständlichkeitsschwelle im Störgeräusch abgefragt wird und nicht der bei

90 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 81 noch gutem Sprachverstehen tolerierbare Störgeräuschpegel. Mit der modifizierten Form des Tests sollten die subjektiven Sprachverständlichkeitsschwellen von vier CI- Trägern in unterschiedlichen Störgeräuschsituationen ermittelt werden. Die hier beschriebenen Messungen wurden in einer Freifeld-Hörkabine im Haus des Hörens in Oldenburg durchgeführt. Die Versuchsperson saß während der Durchführung in 1,50 Meter Entfernung zentral vor dem verwendeten Lautsprecher. In Reichweite der Probanden befand sich ein Monitor mit Touchscreen-Funktion. Vor Beginn der ersten Messung bekam der Proband ausführliche verbale und schriftliche Instruktionen zur korrekten Durchführung des Tests (vgl. Anhang A). Anschließend startete der Versuchsleiter die Messung an einem Computer außerhalb der Messkabine. Durch Berühren der Schaltflächen auf dem Touchscreen-Monitor führte die Versuchsperson im Folgenden die Messung selbständig durch. Die vom Probanden eingestellten Sprach- und Störgeräuschpegel wurden auf dem externen PC gespeichert und daraus jeweils die Signal-Rausch-Abstände berechnet. Während der Messungen wurden den CI-Trägern folgende Aufgabenstellungen angezeigt, die sie anschließend auf dem Touch-Screen ausführen sollten (vgl. A.1): Bitte stellen Sie die Sprache auf angenehme Lautstärke ein. Bitte stellen Sie das Zusatzsignal auf die MAXIMALE Lautstärke ein, bei der Sie den/die zuvor eingestellten Sprecher/in GERADE NOCH verstehen können. Eine Messreihe bestand aus 12 zu beurteilenden Nutz-Störschall-Situationen (vgl. Tabelle 3.4). Der Pegel des Sprachsignals bei den Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen wurde jeweils zu Beginn einer zu beurteilenden Situation wechselweise auf 62 db, 65 db oder 68 db eingestellt. Der Störgeräuschpegel wurde in Relation dazu im Anschluss an die Einstellung eines angenehmen Sprachpegels wahlweise um 3 db bzw. 6 db leiser dargeboten. Zur statistischen Analyse der Ergebnisse aus den Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen wurde ein Zweistichproben t-test für abhängige Stichproben 1 verwendet. Stichprobe 1 bestand aus vier CI-Trägern vor der Umversorgung mit dem neuen Sprachprozessor. Diese Stichprobe wurde vergli- 1 Abhängige Stichproben: Wiederholte Beobachtungen eines Merkmals am gleichen Patienten, bei denen beide Messergebnisse evidenterweise nicht unabhängig voneinander sein können (Guggenmoos-Holzmann und Wernecke, 1996) )

91 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 82 chen mit einer Stichprobe, die aus den gleichen Personen nach der Umversorgung bestand. Der Messablauf war für beide Stichproben identisch Fragebögen Um neben den Messdaten aus dem OLSA und dem Test zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen persönliche Informationen von den CI-Trägern zu erhalten, ob sich durch die Versorgung mit dem neuen Sprachprozessor in der jeweiligen Hörwahrnehmung für sie etwas verändert hat, wurden Befragungen vor, während und nach den Messungen anhand von Fragebögen durchgeführt. Die Befragungen wurden im Rahmen eines Projekts zwischen der Hörzentrum Oldenburg GmbH und der Med-El GmbH durchgeführt. Die einzelnen Fragen behandelten sowohl den Alltag der CI-Träger (Alltagsfragebogen), die Beurteilung von Sprach-, Musik- und Geräuschsignalen in der Laborsituation während der Messungen (Laborfragebogen), als auch die Hörveränderung mit dem neuen System in subjektiv wichtigen Alltagssituationen (Fragebogen zur Hörveränderung). Bei dem Alltagsfragebogen für die CI-Träger wurden teilweise bewährte Fragen und Bewertungsskalen aus dem Fragebogeninventar für die Hörgeräteversorgung übernommen ((KompetenzzentrumHörTech, 2004)). Zudem wurden Fragen gezielt differenziert formuliert (z. B. Befragung nach der Wahrnehmung bekannter und unbekannter Musik), um möglichst viele Bereiche aus dem Leben der CI-Träger differenziert einzubeziehen. Grundsätzlich wurden neben Fragen zur Person vor allem Fragen zu verschiedenen Alltagssituationen gestellt. Abgefragt wurden beispielsweise das Sprachverstehen in verschiedenen Ruhe- und Störgeräuschsituationen, die allgemeine und spezielle Wahrnehmung von Musikeigenschaften etc.. Der Alltagsfragebogen wurde an beiden Messzeitpunkten den Probanden zum Ausfüllen gegeben. Somit konnte ein Vergleich zwischen altem und neuem Sprachprozessor gezogen und mögliche Effekte beschrieben werden. Der Laborfragebogen hatte zum Ziel, charakteristische Klangeigenschaften von CI durch die Beschreibungen der CI-Träger zu erfassen, um eine genauere Vorstellung über die Klangeigenschaften eines CI zu bekommen. Es wurden verschiedene zu beurteilende Klangeigenschaften (Dumpfheit, Deutlichkeit, Schrillheit)

92 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 83 abgefragt. Verändert wurde der in verschiedenen Hörgerätestudien verwendete Fragebogen zum einen durch die Auswahl der zu beurteilenden Geräusche sowie durch die Möglichkeit, die gehörten Klänge mit zusätzlichen Beschreibungen zu charakterisieren. Der Fragebogen zur Hörveränderung basiert auf dem COSI T M -Fragebogen ( Client Oriented Scale of Improvement ), beschrieben in Dillon (2001), der subjektiv die Hörveränderungen mit Hörgeräten in typischen Hör- und Kommunikationssituationen von Hörgeräteträgern erfasst (von Wedel, 2002). Darin werden von einem Kunden zunächst fünf Hörsituationen beschrieben, in denen er sich durch die Hörgeräte eine Verbesserung wünscht. Nach der Hörgeräteanpassung wird im zweiten Schritt die Veränderung der Hörfähigkeit in den genannten Hörsituationen festgehalten. Diese Veränderung wird durch fünf mögliche Antwortmöglichkeiten, von schlechter bis viel besser im Fragebogen erfasst und der Högeräteträger abschließend befragt, wie viel er in den jeweiligen Situationen versteht. Der Ablauf des in dieser Studie angewandten Fragebogens entspricht nahezu dem des Originals. Allerdings wurde in dieser Studie eine deutsche Übersetzung des COSI T M - Fragebogens verwendet (Meis, 2004). In Anlehnung an die Original-Version sollten die CI-Träger beim ersten Termin (mit dem TEMPO+-Prozessor) fünf für sie wichtige Situationen benennen und mit einer Rangzahl versehen, in denen das Hören für sie von besonderer Bedeutung ist. Anschließend sollten sie anhand von fünf Kategorien beurteilen, wie mühelos sie in den genannten Situationen verstehen oder hören können. Am zweiten Messtermin (mit dem OPUS2-Sprachprozessor) wurde den CI-Trägern der gleiche Fragebogen vorgelegt. Dieselben fünf Situationen sollten hinsichtlich müheloser Verstehens- und Hörfähigkeit erneut beurteilt werden. Zusätzlich wurden konkrete Fragen zur relativen Beurteilung der Hörveränderung mit dem neuen System gestellt, und die CI-Träger beurteilten ihre Hörwahnehmung anhand der Kategorien schlechter, kein Unterschied, etwas besser, besser, viel besser im Vergleich zum alten Sprachprozessor. Die drei hier beschriebenen und in der Studie verwendeten Fragebögen sind im Anhang B aufgeführt.

93 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN Ergebnisse OLSA Bei den OLSA-Messungen wurden die Nutz- und Störsignale den Probanden von frontal vorne (Azimuth = 0 ) dargeboten. Das Störsignal wurde adaptiv dargeboten, d. h. ausschließlich gleichzeitig zum Sprachsignal. Die Aufgabe der CI-Träger bestand darin, die verstandenen Wörter eines Satzes verbal zu wiederholen. Der Versuchsleiter markierte diese dann auf dem Touchsreen. Eine Trainingsliste bestand aus je 20, eine Messliste aus je 30 Sätzen. Insgesamt wurden bei den CI-Trägern am ersten Messtermin zwei Trainings- und vier Messlisten adaptiv gemessen, am zweiten Termin (mit neuem Sprachprozessor) wurden zusätzlich nicht adaptiv zwei Listen mit dem L50 aus dem ersten Messtermin gemessen. Die folgenden Abbildungen stellen die Ergebnisse der OLSA-Messungen mit den vier Probanden dar. Abbildung 4.1 zeigt das Ergebnis der L50-Messungen mit den CI-Trägern. Abb. 4.1: OLSA-Messungen mit CI-Trägern: Die y-achse beschreibt die Messungen der einzelnen Probanden mit altem (TEMPO+) und neuem (OPUS2) Sprachprozessor. Auf der x-achse sind die einzelnen Signal-Rausch-Abstände (SNR in [db]) aufgetragen. In der Grafik sind jeweils die Mittelwerte (Kreise) und die Varianzen angegeben.

94 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 85 Die Signifikanzuntersuchung der Ergebnisse aus Abbildung 4.1 ergab intraindividuell keine signifikanten Unterschiede zwischen den Werten der einzelnen Versuchspersonen (p = 0,446), was an den sich überlappenden Varianzen der probandenspezifischen Werte grafisch veranschaulichen lässt. sind Dagegen sind die interindividuellen Unterschiede zwischen den CI-Trägern hochsignifikant (p = 0,007): Die Versuchsperson SM88 zeigte an beiden Messzeitpunkten ein signifikant schlechteres Sprachverstehen im Störgeräusch als die anderen CI-Träger. In Abbildung 4.2 werden die Ergebnisse einer OLSA-Messung dargestellt, in der für zwei Satzlisten die jeweils gemittelten L50-Werte aus der Messreihe mit dem TEMPO+-Prozessor verwendet wurden. Ziel dabei war es, zu untersuchen, ob sich bei dem festen Signal-Rausch-Abstand, an dem die CI-Träger seinerzeit 50% Sprache verstanden haben, mit dem OPUS2-Prozessor ein Unterschied in der Verständlichkeit im Störgeräusch ergeben hat. Abb. 4.2: OLSA-Messungen mit CI-Trägern. Messungen mit dem L50-Wert aus der ersten Messreihe. Die beiden zusammenstehenden Säulen (schraffiert) stehen für die Verständlichkeitswerte der einzelnen Listen. Die isoliert stehenden Säulen (schwarz) zeigen jeweils die probandenspezifischen Mittelwerte beider Listen an. Das Ergebnis aus Abbildung 4.2 zeigt für drei (von acht) Listen einen Verständlichkeitswert oberhalb von 50%. In diesen Fällen wurde mit dem neuen OPUS2-Sprachprozessor bei gleichem Pegel eine höhere Sprachverständlichkeit er-

95 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 86 zielt. Bei den fünf anderen Messlisten liegt der Wert der Verständlichkeit unter 50%, so dass hier die Sprachverständlichkeiten im Vergleich zur Messung mit dem TEMPO+-Prozessor schlechter geworden sind. Im Mittel zeigt sich bei zwei CI- Trägern bei dem L50-Pegel aus der Messung mit dem TEMPO+ eine leichte Verbesserung der Sprachverständlichkeit (56,0%, 50,5%) mit dem OPUS2, bei den beiden anderen eine leichte Verschlechterung (38,5%, 45%) Messungen subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen Bei den Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen wurden - wie bei den OLSA-Messungen - beide Signalarten (Sprach- und Störsignal) von frontal vorne (Azimuth = 0 ) dargeboten. Die CI-Träger waren dabei in 1,50 Meter vor der, in Ohrhöhe aufgestellten, Lautsprecherbox platziert. Berechnet wurde der in Kapitel beschriebene Test zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen für verschiedene Nutz-Störsignal-Situationen. Als Nutzsignale dienten dabei ein männlicher Sprecher und eine weibliche Sprecherin, die beide zusammen mit ihrer jeweils rückwärts abgespielten Version und einem Breitbandrauschen als Störsignal in den Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen verwendet wurden. In den Abbildungen 4.3 und 4.4 sind die Ergebnisse der Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen für die vier Probanden mit dem alten (TEMPO+) und dem neuen (OPUS2) Sprachprozessor dargestellt.

96 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 87 Abb. 4.3: Test zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen mit CI- Trägern. Vergleichende Darstellung der Signal-Rausch-Abstände (SNR) des Tests zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen - gemittelt über alle CI-Träger. Die Boxplots enthalten jeweils den Medianwert (schwarze Linie), die 25- bzw. 75%- Perzentile (Kastenende) und die äußeren Grenzen (Strichende). In Tabelle 4.4 sind die Ergebnisse der Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen in Zahlen aufgeführt: Extrem- und Mittelwerte der eingestellten Signal-Rausch-Abstände (SNR) sowie die jeweilige Standardabweichung der unterschiedlichen Messungen mit Normalhörenden. Signal SNRmax[dB] SNRmin[dB] SNRmid[dB] Standardabweichung[dB] TEMPO+ 12,0-3,0 4,46 3,82 OPUS2 11,0-3,0 4,04 3,76 Tab. 4.4: SNR der Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen, gemittelt über vier CI- Träger: Extrem-, Mittelwerte und Standardabweichungen Aus Abbildung 4.3 bzw. Tabelle 4.4 wird ersichtlich, dass sich insgesamt die Sprachverständlichkeitsschwelle im Störgeräusch mit dem neuen Sprachprozessor

97 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 88 nur minimal, im Mittel von 4,46 db auf 4,04 db, verringert hat. Die zusätzlich übertragene Feinstrukturinformation in den ersten zwei Frequenzkanälen hat somit insgesamt zu keiner signifikanten Verbesserung in der Sprachverständlichkeit im Störgeräusch geführt. Im Einzelnen hat sich bei zwei Probanden nach der Neuanpassung mit dem OPUS2-Prozessor der SNR im Störgeräusch um 1,17 db (ES57) bzw. 3,17 db (HS58) verringert. Dagegen lag dieser bei den anderen CI-Trägern um 2,67 db höher (HB36) bzw. blieb unverändert (SM88). In Abbildung 4.4 sind die Ergebnisse aus den einzelnen Nutz-Störschall-Situationen aufgeführt. Abb. 4.4: Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen mit vier CI-Trägern - Darstellung der gemittelten SNRs in Abhängigkeit des Sprachprozessors (alt: TEMPO+/ neu: OPUS2) für sechs verschiedene Nutz-Störschall- Situationen ( mann vs. frau, mann vs. frau rückw (Sprachsignal rückwärts abgespielt), mann vs. OLnoise, frau vs. mann, frau vs mann rückw (Sprachsignal rückwärts abgespielt) frau vs. OLnoise ). Die Nutzsignale der jeweiligen Situation sind unter der Abbildung horizontal, die Störsignale vertikal beschrieben. In der Legende steht 0 FSP für das CIS-verarbeitete Signal mit ausschließlicher Übertragung der Amplitudeninformation aus den einzelnen Kanälen. 2 FSP steht für die zusätzlicher Übertragung zeitlicher Information aus den ersten beiden apikalen Frequenzkanälen.

98 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 89 Die Abbildung 4.4 zeigt im Mittel mit dem neuen Sprachprozessor für drei Störschallsituationen ( mann vs. OLnoise = -1,0 db, frau vs. mann rückw = -1,5 db, frau vs. OLnoise = -3,25 db) eine Verringerung des SNR im Vergleich zur Messreihe mit dem TEMPO+. In den anderen Situationen im Störgeräusch ( mann vs. frau = +1,54 db, mann vs. frau rückw = +2,01 db, frau vs. mann = +0,75 db) lagen die ermittelten SNR mit dem neuen OPUS2-Prozessor im Mittel höher. Die sechs einzelnen in Abbildung 4.4 dargestellten Sprach-Störgeräusch- Situationen können untereinander in drei Fälle zusammengefasst werden: 1. Sprecher (Mann/Frau) als Signal, Sprecher (Frau/Mann) als Störgeräusch ( Sprecher vs. Sprecher ) 2. Sprecher (Mann/Frau) als Signal, Sprecher rückwärts (Frau/Mann) als Störgeräusch ( Sprecher vs. Sprache rückwärts ) 3. Sprecher (Mann/Frau) als Signal, Rauschen (OLnoise) als Störgeräusch ( Sprecher vs. Rauschen ) Abbildung 4.5 zeigt die Veränderung der subjektiven Sprachverständlichkeit im Störgeräusch in Abhängigkeit der drei beschriebenen Sprach-Störschall-Situationen. Abb. 4.5: Test zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen mit CI-Trägern: Darstellung der Verständlichkeitsschwellen mit altem und neuem Sprachprozessor in unterschiedlichen Störgeräuschsituationen (angegeben für die jeweilige Situation sind Minimum, Maximum, Median und 25%-Perzentile). Links: Sprecher vs. Sprecher Mitte: Sprecher vs. Sprache rückwärts Rechts: Sprecher vs. Rauschen

99 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 90 Der Unterschied im subjektiven Sprachverstehen ist im stationären Störgeräusch ( Sprecher vs. Rauschen ) zwischen dem alten TEMPO+ und dem neuen OPUS2 am größten (vgl. Abbildung 4.5): der SNR liegt mit dem OPUS2-Prozessor um 2,13 db (im Mittel) niedriger als bei der Messung mit dem alten TEMPO+-Prozessor. In den Situationen mit konkurrierendem Sprecher als Störgeräusch ( Sprecher vs. Sprecher, Sprecher vs. Sprache rückwärts ) liegen die SNR bei der Messung mit dem neuen OPUS2 im Mittel um +0,78 db höher bzw. sind unverändert im Vergleich zum alten Sprachprozessor. Die Veränderung der Sprachverständlichkeit durch die FSP-Strategie in den Situationen mit Sprache als Störgeräusch führte in beiden Fällen zu keinen signifikanten Differenzen (p(t-test) 0,41) für abhängige Stichproben (zweiseitig); dagegen konnte im sprachsimulierenden Rauschen (OLnoise) eine statistisch signifikante Verbesserung im Sprachverstehen mit der neuen Strategie ermittelt werden (t-test für abhängige Stichproben: p(t-test) < 0,036).

100 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN Fragebögen Alltagsfragebogen Die Abbildungen 4.6 und 4.7 zeigen die Antworten der CI-Träger hinsichtlich der Einschätzung ihres Sprachverstehens in unterschiedlichen Situationen (Ruhe, Störgeräusch), jeweils mit altem (TEMPO+) und neuem (OPUS2) Sprachprozessor. Abb. 4.6: Alltagsfragebogen: Sprachverstehen für vier CI-Träger in vier Ruhesituationen. Frage: Können Sie Sprache in dieser Situation bei Zimmerlautstärke mühelos verstehen? Abbildung 4.6 zeigt, dass alle vier CI-Träger mit beiden CI-Prozessoren beim Sprachverstehen in Ruhesituationen kaum Probleme haben. Alle können in nahezu allen abgefragten Situationen Sprache oft bzw. immer mühelos verstehen. Lediglich die Versuchsperson SM88 kann mit dem alten Prozessor in den Situationen Nachrichten im Radio und Verstehen ohne Blickkontakt bzw. mit dem neuen Prozessor in der Situation Nachrichten/Dokus im TV Sprache manchmal mühelos verstehen. Einmal (in der Situation Nachrichten im Radio mit dem neuen Prozessor) bewertet sie ihre Fähigkeit, Sprache mühelos zu verstehen, als selten. Im Vergleich alter - neuer Prozessor verändert sich die Einschätzung bei drei der vier Probanden in insgesamt acht Fällen um jeweils einen Skalenwert: Fünf Verbesserungen mit dem neuen Prozessor stehen drei Verschlechterungen gegenüber. Die Versuchsperson ES57 beurteilte ihre Fähigkeit, Sprache in den Ruhesituationen zu verstehen, mit beiden Prozessoren gleich.

101 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 92 Abb. 4.7: Alltagsfragebogen: Sprachverstehen für vier CI-Träger in fünf Störgeräuschsituationen Frage: Können Sie Sprache in dieser Situation im / mit Störgeräusch mühelos verstehen? In sechs der 16 in Abbildung 4.7 dargestellten Einschätzungen können die CI- Träger mit den Sprachprozessoren Sprache im Störgeräusch oft mühelos verstehen. Mit dem neuen OPUS2-Prozessor wird die Fähigkeit, Sprache in den Situationen Spielfilme im TV und Unterhaltung im Lokal/ auf einer Party mühelos zu verstehen, von zwei Probanden (HS58, HB36) als besser beurteilt (je ein Skalenwert). Drei Probanden schätzen in der Situation Hallige Räume die Sprachverständlichkeit nach der Neuanpassung als mühevoller (je ein Skalenwert) ein. Insgesamt wurde nach der Neuanpassung mit dem OPUS2 in vier Störgeräuschsituationen das Sprachverstehen als müheloser bewertet. Für fünf Situationen wurde die Fähigkeit, Sprache im Störgeräusch mühelos zu verstehen, als schlechter bewertet (je ein Skalenwert). Versuchsperson ES57 schätzte ihr Sprachverstehen im Störgeräusch mit beiden Prozessoren gleich ein.

102 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 93 Abbildung 4.8 zeigt die individuellen Einschätzungen der Probanden, mit dem alten und neuen Sprachprozessor Geräusche sicher wahrzunehmen. In Abbildung 4.9 werden die Bewertungen der CI-Träger hinsichtlich der Fähigkeit, Stimmen zu unterscheiden, dargestellt. Abb. 4.8: Alltagsfragebogen: Wahrnehmung von Geräuschen für vier CI-Täger Frage: Können Sie Geräusche sicher wahrnehmen? Das Wahrnehmen von Tür- und Telefonklingel sowie das Hören einer Türöffnung stellt nach Abbildung 4.8 für die Probanden grundsätzlich kein Problem dar - sie konnten diese Geräusche sowohl mit dem TEMPO+ als auch mit dem OPUS2 oft bzw. immer sicher wahrnehmen. Deutlich mehr Probleme zeigt die Situation Richtungshören von Verkehrsgeräuschen. Drei der vier CI-Träger (ES57, HB36, SM88) konnten mit dem alten Prozessor nach eigenen Angaben manchmal (1x) bzw. nie (2x) Verkehrsgeräusche lokalisieren. Bei diesen CI-Trägern wurde das Richtungshören mit dem OPUS2-Prozessor um einen (ES57), zwei (SM88) bzw. drei (HS58) Skalenwerte besser beurteilt. Der Proband HB36 konnte Verkehrsgeräusche oft (TEMPO+) bzw. manchmal (OPUS2) sicher lokalisieren. Die Beurteilung mit dem neuen fiel bei ihm somit einen Skalenwert schlechter aus als mit dem alten Sprachprozessor.

103 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 94 Abb. 4.9: Alltagsfragebogen: Diskrimination von Stimmen für vier CI-Träger. Frage: Können Sie den Unterschied zwischen einer Männer- und einer Frauenstimme bzw. zwischen einer Frauen- und einer Kinderstimme sicher wahrnehmen? Bei der Stimmendiskrimination, veranschaulicht in Abbildung 4.9, hatten drei der vier CI-Träger sowohl mit dem alten TEMPO+ als auch mit dem Nachfolger OPUS2 keine Probleme. Alle drei konnten nach eigenen Angaben immer Männer-, Frauen- und Kinderstimmen voneinander unterscheiden. Proband SM88 schätzte seine Fähigkeit, Stimmen zu unterscheiden, mit dem alten Prozessor als oft (Männer- Frauenstimme) bzw. manchmal (Frauen-Kinderstimme) ein. Mit dem neuen Prozessor verbesserte sich bei diesem CI-Nutzer in den beschriebenen Situationen die Unterscheidungsfähigkeit jeweils um einen Skalenwert.

104 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 95 Die Beantwortung von Fragestellungen hinsichtlich der Musikwahrnehmung im Alltag sind in den nachfolgenden zwei Abbildungen dargestellt. Dabei wird einerseits differenziert zwischen bekannter und unbekannter Musik (vgl. Abbildung 4.10) und andererseits die Wahrnehmung von Rhythmus und Melodie von bekannter Musik thematisiert (vgl. Abbildung 4.11). Abb. 4.10: Alltagsfragebogen: sicheres Verstehen von bekannter und unbekannter Musik für vier CI-Träger mit altem (TEMPO+) und neuem (OPUS2) Sprachprozessor. Frage: Können Sie sicher bekannte / unbekannte Musik bei Zimmerlautstärke verstehen? In Abbildung 4.10 ist zu erkennen, dass bei Zimmerlautstärke alle CI-Träger beim Verstehen von unbekannter Musik mehr Schwierigkeiten haben als bei bekannter Musik. Diesbezüglich konnten je zwei CI-Träger bereits mit dem alten Prozessor bekannte Musik oft bzw. immer sicher verstehen. Dagegen wurde bei der Beurteilung des sicheren Verstehens von unbekannter Musik die Bewertungsmöglichkeiten manchmal (in drei Fällen) und nie (HS58) ausgewählt. Im Vergleich zwischen den Beurteilungen mit altem und neuem Sprachprozessor beurteilten sowohl für unbekannte (HS58, SM88) als auch für bekannte (ES57, HS58) Musik jeweils zwei CI-Nutzer die Musikwahrnehmung mit dem neuen Sprachprozessor um einen oder zwei Skalenwerte besser. In jeweils einem Fall (bekannte Musik: ES57; unbekannte Musik: HB36) wurde das Verstehen von Musik mit dem OPUS2- Prozessor um einen Skalenwert schlechter beurteilt. Bei zwei Probanden (bekannte

105 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 96 Musik: HB36; unbekannte Musik: ES57) wurde das Verstehen von Musik für beide Sprachprozessoren gleich bewertet. Abb. 4.11: Alltagsfragebogen: sichere Wahrnehmung von Rhythmus und Meldodie von bekannter Musik für vier CI-Träger mit altem (TEMPO+) und neuem (OPUS2) Sprachprozessor. Frage: Können Sie sicher Rhythmus / Melodie bekannter Musik wahrnehmen? In Abbildung 4.11 ist zu erkennen, dass die Fähigkeiten, Rhythmen und Melodien bekannter Musik sicher wahrzunehmen, in zwei Fällen (HS58, HB36) jeweils als oft bzw. bei einem Probanden (SM88) jeweils als machmal sicher angegeben werden. Lediglich eine Versuchsperson (ES57) beurteilt ihre Fähigkeit, Rhythmen bekannter Musik sicher wahrzunehmen, als deutlich schlechter als das sichere Wahrnehmen von Melodien. Bei der speziellen Beurteilung der Rhythmuswahrnehmung bekannter Musik bewerten drei von vier Probanden das Hören mit dem neuen Prozessor relativ besser als mit dem alten Sprachprozessor: in zwei Fällen um je einen (HS58, SM88), bei einer Versuchsperson (ES57) um drei Skalenwerte. Nur in einem Fall (HB36) bewertet eine Versuchsperson die Rhythmuswahrnehmung mit beiden Sprachprozessoren als gleich sicher. Bei der Beurteilung der Melodiewahrnehmung bekannter Musik lag die Bewertung bei drei Probanden (HS58, HB36, SM88) mit dem OPUS2-Sprachprozessor um jeweils einen Skalenwert besser als mit dem TEMPO+-Prozessor. Von einer

106 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 97 Versuchsperson (ES57) wurde die sichere Wahrnehmung von Melodien bekannter Musik mit dem neuen System als um einen Skalenwert schlechter bewertet. Laborfragebogen Zur Beurteilung des Laborfragebogens sollten die CI-Träger unterschiedliche Klangbeispiele und Hörsituationen (vgl. B.2.1) hinsichtlich mehrerer Kriterien beurteilen. Dabei ging es zum einen um die Bewertung verschiedener, klangcharakterisierender Adjektivpaare. Zum anderen sollten Fragen zum Sprachverstehen, zur Natürlichkeit der Hörsituation, zur Stimmenunterscheidung und zur Musikwahrnehmung beantwortet werden. Abbildung 4.12 zeigt die über vier CI-Träger gemittelten Unterschiede in den Klangbeurteilungen der Adjektivpaare sehr hell/ klar vs. sehr dumpf, sehr deutlich vs. sehr undeutlich und gar nicht schrill vs. extrem schrill mit altem (TEM- PO+) und neuem (OPUS2) Sprachprozessor für die mit aufgeführten Klangbeispiele und Hörsituationen.

107 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 98 Abb. 4.12: Laborfragebogen: Im Vergleich zum alten TEMPO+-Sprachprozessor dargestellte Beurteilung verschiedener Klangbeispiele für vier CI-Träger mit dem neuen OPUS2-Prozessor (Adjektivpaare: sehr hell/ klar vs. sehr dumpf, sehr deutlich vs. sehr undeutlich und gar nicht schrill vs. extrem schrill ). Aus Abbildung 4.12 ist für vier CI-Träger eine insgesamt positive Tendenz für die Klangwahrnehmung mit dem neuen Sprachprozessor zu erkennen. Die Balken mit positiven Werten deuten auf eine Klangverbesserung mit dem neuen System hinsichtlich des jeweils bewerteten Adjektivpaares hin. Am Auffälligsten ist die wahrgenommene Klangdifferenz beim Paar sehr hell/ klar vs. sehr dumpf, bei dem bis auf eine Situation (Vogelstimme) die Differenzwerte für die beurteilten Klangbeispiele im Mittel im positiven Bereich liegen. Eine ebenfalls positive Klangveränderung ist für die Beurteilung des Adjektivpaares sehr deutlich vs. sehr undeutlich zu konstatieren. Hier wurde für neun Situationen bzw. Klangbeispiele der mit dem OPUS2 übertragene Klang im Vergleich zum TEMPO+ als deutlicher bewertet. Nur bei zwei der insgesamt 13 Beurteilungen ist die Bewertungsbilanz, gemittelt über alle Probanden, leicht negativ. Insgesamt kaum eine Veränderung trat bei der Beurteilung des Adjektivpaares gar

108 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 99 nicht schrill vs. extrem schrill auf. Jeweils vier Situationen wurden, gemittelt über alle Probanden, als schriller bzw. als weniger schrill bewertet. Fünf Situationen wurden diesbezüglich im Mittel mit beiden Sprachprozessoren gleich eingeschätzt. Der Laborfragebogen beinhaltete für einige Hörsituationen zudem Fragen hinsichtlich Sprachverstehen, Angenehmheit, Natürlichkeit, Musikwahrnehmung. Die Antwortdifferenzen zwischen altem (TEMPO+) und neuem (OPUS2) Sprachprozessor sind in Abbildung 4.13 dargestellt. Aufgeführt sind unter dem abgebildeten Balkendiagramm zudem die einzelnen Fragen zu den speziellen Hörsituationen.

109 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 100 Bezeichnung A1 A2 A3 A4 A5 B1 B2 B3 B4 C1 C2 C3 C4 D1 D2 D3 D4 D5 Situation Wie viel von dem Gespräch dieser Auto-Situation können Sie verstehen? Können Sie sicher heraushören, welche der beiden Personen im Auto spricht? Können Sie sicher heraushören, ob es sich um männliche oder weibliche Stimmen handelt? Empfinden Sie den Klang als natürlich? Empfinden Sie das Hören dieser Situation als angenehm? Wie viel können Sie von dem Sprecher in der Kirche verstehen? Können Sie sicher heraushören, ob es sich bei dem Sprecher um einen Mann oder eine Frau handelt? Empfinden Sie den Klang der Kirchen-Situation als natürlich? Empfinden Sie das Hören dieser Kirchen-Situation als angenehm? Wie viel können Sie von dem Sprecher in der Café-Situation verstehen? Können Sie sicher heraushören, ob es sich bei dem Sprecher um ein Mann oder eine Frau handelt? Empfinden Sie den Klang der Cafe-Situation als natürlich? Empfinden Sie das Hören dieser Cafe-Situation als angenehm? Können Sie sicher heraushören, ob bei dieser Musik ein oder mehrere Instrumente gleichzeitig spielen? Können Sie einzelne Instrumente aus diesem Musikstück sicher heraushören? Empfinden Sie das Hören dieses Musikstücks als angenehm? Können Sie den Melodieverlauf aus diesem Musikstück sicher heraushören? Können Sie den Rhythmus aus diesem Musikstück sicher heraushören? Abb. 4.13: Laborfragebogen: Im Vergleich zum alten TEMPO+-Sprachprozessor dargestellte Beurteilung verschiedener Sprach- und Musiksituationen für vier CI-Träger mit dem neuen OPUS2-Prozessor. Die Fragen zu den unterschiedlichen Situationen sind in der Tabelle aufgeführt. Anhand der über vier CI-Träger gemittelten Antworten in Abbildung 4.13 mit altem und neuem Sprachprozessor ist keine eindeutige Tendenz pro oder kontra

110 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 101 OPUS2 zu erkennen. Es traten Veränderungen von mindestens 0,5 Skalenwerte sowohl in positiver (C3 = Klangnatürlichkeit der Café-Situation, C4 = Angenehmheit der Café-Situation, D4 = Heraushören des Melodieverlaufs des latein-amerikanischen Musikstücks) als auch negativer Richtung auf (A2 = Sprechererkennung im Auto, A3 = Stimmendiskrimination im Auto, B1 = Sprachverstehen in der Kirche, B4 = Angenehmheit der Kirchensituation). In anderen Situationen liegen sowohl die positiven als auch die negativen Veränderungen bei ± 0,25 oder weniger. Für vier Situationen hat sich im Mittel keine Veränderung mit dem neuen System eingestellt.

111 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 102 Fragebogen zur Hörveränderung Der Fragebogen zur Hörveränderung beinhaltete zwei Teile: Der erste Teil bestand aus Fragen, die von den CI-Trägern an beiden Messzeitpunkten beantwortet werden sollten. Dabei handelte es sich um fünf von ihnen anfänglich individuell angegebenen Situationen, in denen das Hören im Alltag für sie die größte Bedeutung hat (= absolute Beurteilung). Der zweite Teil bestand aus Zusatzfragen, die den CI-Trägern ausschließlich beim zweiten Termin (mit neuem Sprachprozessor) gestellt wurden. Hier sollten die Probanden angeben, in welchem Maße sich das Hören von Musik oder Geräuschen bzw. das Verstehen von Sprache in den fünf geschilderten Situationen mit dem OPUS2 im Vergleich zum TEMPO+ verändert hat (= relative Beurteilung). In den Abbildungen 4.14 und 4.15 sind die Antworten und Einschätzungen der CI-Träger grafisch veranschaulicht. Abb. 4.14: Hörveränderungsfragebogen: Beurteilung von jeweils fünf individuellen Situation der Probanden mit dem alten (TEMPO+) und dem neuen Sprachprozessor (OPUS2) auf der Basis des deutschsprachigen COSI T M. Frage: Können Sie in dieser Situation mühelos verstehen oder hören? Bei der in Abbildung 4.14 im Ergebnis dargestellten Befragung sollten die Probanden unabhängig voneinander fünf individuell wichtige Hörsituationen benennen und diese an beiden Messterminen hinsichtlich der beschriebenen Fragestellung beurteilen. Der Vergleich zwischen den Antworten für den alten und den neuen Sprachprozessor macht deutlich, dass sich das Verstehen/ Hören mit dem OPUS2-Prozessor

112 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 103 in den beschriebenen Situationen insgesamt, betrachtet über alle Antworten der Probanden, tendenziell in Richtung müheloser verschoben hat. Abb. 4.15: Hörveränderungsfragebogen: Beurteilung der generellen subjektiv empfundenen Hörveränderung mit dem OPUS2 im Vergleich zum TEMPO+ in fünf individuell angegebenen Situationen. Frage: Inwiefern hat sich das Hören (Geräusche/ Musik) bzw. das Verstehen (Sprache) mit dem neuen System verändert? Bei diesem Zusatzfragebogen wurden die CI-Träger direkt nach der Hörveränderung in den einzelnen Situationen befragt, so dass sie einen direkten Vergleich zwischen OPUS2 und TEMPO+ ziehen sollten. Abbildung 4.15 zeigt über alle Probanden insgesamt eine mit dem neuen System positive Hörveränderung in den subjektiv wichtigen Situationen: für zehn der 20 Situationen bezeichneten die CI- Nutzer das Hören bzw. Verstehen mit dem neuen System als besser bzw. viel besser. Sechsmal wurde die Mitte der Beurteilungsskala ( etwas besser ) ausgewählt. In drei Situationen empfanden die Probanden beim Hören mit dem OPUS2 kein Unterschied, und eine Situation wurde im Vergleich zum alten System als schlechter beurteilt. In den Abbildungen 4.16 bis 4.18 sind Auswertungsgrafiken dargestellt, in denen die beurteilten Situationen der CI-Träger in drei Kategorien (Störgeräusch-, Ruhesituationen, sonstige Situationen) zusammengefasst wurden.

113 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 104 Abb. 4.16: Hörveränderungsfragebogen: Beurteilung der Hörveränderung mit dem OPUS2 im Vergleich zum TEMPO+ in den aufgezählten Situationen mit/ im Störgeräusch. Abb. 4.17: Hörveränderungsfragebogen: Beurteilung der Hörveränderung mit dem OPUS2 im Vergleich zum TEMPO+ in den aufgezählten Situationen in Ruhe.

114 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 105 Abb. 4.18: Hörveränderungsfragebogen: Beurteilung der Hörveränderung mit dem OPUS2 im Vergleich zum TEMPO+ in den sonstigen aufgezählten Situationen (Telefon, Musik, Hörbücher). Insgesamt zeigt sich in den Abbildungen 4.16 bis 4.18 für die vier CI-Träger eine in den meisten Situationen positive Hörveränderung. In zehn der 20 Situationen, in denen das Hören von den Probanden als individuell wichtig eingeschätzt wurde, ist nach Angaben der CI-Träger das Hören besser bzw. viel besser geworden (vgl. Abbildung Lediglich für vier (von 20) Situationen empfanden die Versuchspersonen beim Hören mit dem OPUS2 keinen Unterschied bzw. nur in einem Fall eine Verschlechterung im Vergleich zum TEMPO+-Sprachprozessor. 4.5 Diskussion Vier CI-Träger führten im Rahmen der vorgestellten Studie Sprachmessungen durch und bewerteten im Labor unterschiedliche Klangbeispiele hinsichtlich Klangempfindung, Sprachverstehen und Musikwahrnehmung. In Bezug auf die erhaltenen Ergebnisse fallen auf den ersten Blick die Unterschiede in den Resultaten der Sprachverständlichkeitsmessungen im Labor (OLSA, Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen) im Vergleich zu den Ergebnissen des Fragebogens zur Hörveränderung auf: Während sich die gemessene Sprachverständlichkeit bei den OLSA- und den Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen in den Situationen im Störgeräusch insgesamt nicht signifikant verbessert hat (vgl. Kapitel und 4.4.1), gaben die CI-Träger bei der Beantwortung des Fragebogens zur Hörveränderung für die individuellen

115 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 106 Hörsituationen (12 von 20 bezogen sich auf das Hören im/ mit Störgeräusch) in bezug auf die Hörwahrnehmung mit dem neuen Prozessor eine z. T. deutliche Verbesserung an (vgl. Kapitel 4.4.3). Allerdings ist ein direkter Vergleich zwischen den Tests und dem Fragebogen aufgrund der jeweils unterschiedlich implementierten Fragestellungen nicht möglich. Bei den OLSA-Messungen bzw. den Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen wurde die Sprachverständlichkeit direkt abgefragt; beim Fragebogen zur Hörveränderung ging es dagegen um die Bewertung des mühelosen Sprachverstehens. Eine plausible Erklärung der Differenzen könnte aber daraus gefolgert werden, dass die beim OPUS2 im apikalen Frequenzbereich zur Verfügung gestellte, zeitliche Signalinformation (vgl. Tabelle 4.2 und 4.3) durch die FSP-Strategie im Gegensatz zum TEMPO+-Prozessor möglicherweise zu einer klanglichen Veränderung führt, die zwar anhand der Ergebnisse der Sprachverständlichkeitsmessungen nicht zu erkennen ist, die jedoch bei den vier CI-Trägern insgesamt einen subjektiv empfundenen Gewinn in der Hörwahrnehmung erzielt. Diese Annahme kann auch aus den Beantwortungen der Laborfragen interpretiert werden: Einerseits wird die Veränderung des Klangbildes des OPUS2 überwiegend natürlicher und deutlicher bewertet, was aus Abbildung 4.12 ersichtlich wird. Gleichzeitig wird das Sprachverstehen in den vorgespielten Hörsituationen im Störgeräusch mit dem neuen Prozessor in Relation zum ersten Messtermin mit dem alten Prozessor insgesamt nicht besser bewertet (vgl. Abbildung 4.13: Bewertung der Situationen A1 (Auto), B1 (Kirche), C1(Café)). Der durch den OPUS2 übertragene, von den vier CI-Trägern z. T. als deutlich besser empfundene Klang führte im Rahmen dieser Studie im Bereich Sprachverstehen zu keinen signifikanten Verbesserungen. Ein anderer Erklärungsansatz für die subjektiv positive Bewertung des OPUS2 könnte aus einer Studie von Meis et al. (2007) interpretiert werden. Dort wurde im Rahmen einer Langzeitstudie zur Lebensqualität von CI-Trägern das Phänomen beobachtet, dass CI-Nutzer im Anschluss an die Erstversorgung ihr CI als deutlich besser beurteilten als nach einer Tragedauer von mehr als einem Jahr. Zum Zeitpunkt des zweiten Messtermins der hier vorgestellten Studie lag die Tragedauer der CI-Träger mit ihrem neuen OPUS2-Sprachprozessor bei ca. drei Monaten, d. h. der Effekt, den OPUS2-Prozessor aufgrund seiner Neuheit tendenziell positiver zu bewerten, kann demnach durchaus zur subjektiven Gesamtbewertung des Sprachprozessors beigetragen haben. Im Vergleich mit den wenigen Studien, die sich bisher mit der Feinstrukturstrategie

116 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 107 FSP beschäftigt haben, zeigen die Ergebnisse aus Sprachverständlichkeitsmessungen (in Ruhe und im Störgeräusch) von Arnoldner et al. (2007) (Freiburger Einsilber Test, Hochmair-Schulz-Moser- Satztest (HSM)) signifikante Verbesserungen durch die Feinstrukturstrategie im Gegensatz zur CIS-Strategie. Die Diskrepanz zu den Sprachmessungen dieser Studie könnte möglicherweise in der unterschiedlichen Anzahl an aktivierten Feinstrukturkanälen begründet sein: Während bei den CI-Trägern in der Studie von Arnoldner et al. (2007) die ersten drei apikalen Frequenzkanäle mit der FSP-Strategie stimuliert wurden, waren es bei den vier CI- Trägern dieser Studie nur ein bis maximal zwei Kanäle (vgl. Tabelle 4.3). Bezüglich der Ergebnisaussage der Messungen dieser Arbeit spielt auch die geringe Anzahl an Versuchspersonen (vier CI-Träger) mit eine Rolle. Beispielsweise haben sich bei den OLSA-Messungen die bei einer Versuchsperson mit dem OPUS2 ermittelten, im Vergleich zum TEMPO+-Prozessor deutlich schlechteren Sprachverständlichkeitswerte bedeutend auf das Gesamtergebnis der vier CI-Träger ausgewirkt (vgl. Abbildung 4.1). Eine Erklärung, warum bei den anderen drei Probanden dieser Studie das Sprachverständnis mit dem OPUS2 (OLSA: L50mittel = -0,33 db) nicht signifikant verbessert werden konnte, könnte das bereits mit dem alten TEMPO+-Prozessor (OLSA: L50mittel = -0,18 db) gemessene Sprachverstehen sein, das in Relation zu CI-Trägern aus einer Studie von Wechtenbruch et al. (2006) (OLSA: L50mittel = 2,7 db) schon mit dem TEMPO+-Prozessor als vergleichsweise gut einzuschätzen war. Bei der Beantwortung von Fragen bzgl. der Akzeptanz bzw. einer allgemeinen Hörveränderung mit dem neuen Sprachprozessor im Vergleich zum Vorgänger stimmen die Angaben aller vier CI-Träger dieser Studie dagegen gut mit den Aussagen aus der Studie von Arnoldner et al. (2007) gut überein, wonach 12 von 14 Probanden anhand von Fragebogendaten die FSP-Strategie des OPUS2 der CIS-Strategie im TEMPO+ präferierten. Die Frage, worauf der subjektiv empfundene, deutlich verbesserte Klang des OPUS2 bei den CI-Trägern bei gleichzeitig nicht verbesserter Sprachverständlichkeit zurückzuführen ist, lässt sich anhand von Erkenntnissen aus einer Studie von Smith et al. (2002) spekultativ beantworten: Demnach ist die Feinstrukturinformation entscheidend für Tonhöhenwahrnehmung und Richtungshören, also eher für die Übertragung von Klangcharakteristika von Signalen, während die Amplitudeninformation der Hüllkurve eines Signals eher dem Verstehen von Sprache dient. Es ist aufgrund dieser Tatsache zu vermuten, dass die CI-Träger dieser

117 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 108 Studie die Klangübertragung des OPUS2 (mit zusätzlicher Übertragung der Feinstrukturinformation) im Vergleich zum TEMPO+ (ausschließliche Übertragung der Hüllkurveninformation) als z. T. deutlich besser beurteilten, das Sprachverstehen sich durch die zusätzliche Nutzbarkeit zeitlicher Informationen jedoch insgesamt nicht signifikant verbessert hat. Die in Smith et al. (2002) beschriebenen Erkenntnisse unterstützen außerdem die Vermutung, dass die FSP-Strategie für den Hörgewinn der CI-Träger verantwortlich ist, und nicht der im tieffrequenten Bereich erweiterte Übertragungsbereich des OPUS2-Prozessors. 4.6 Schlussfolgerung Mit dem OPUS2 konnten im Vergleich zum TEMPO+ in den Sprachverständlichkeitsmessungen (OLSA, Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen) insgesamt keine signifikanten Veränderungen im Sprachverstehen im Störgeräusch gefunden werden. Allerdings zeigten die Ergebnisse aus den Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen mit stationärem Rauschen deutliche Verbesserungen mit dem OPUS2- im Vergleich zum TEMPO+-Prozessor. Demnach konnten die CI-Träger mit dem neuen Prozessor Sprache noch bei einem signifikant höheren Störgeräuschpegel verstehen als mit dem Vorgänger. Demgegenüber waren die Unterschiede in den Verständlichkeiten beider Prozessoren mit einem konkurrierendem Sprecher als Störsignal nicht signifikant. Anhand der Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen konnte, unabhängig vom Sprachprozessor, eine Aussage von Qin und Oxenham (2003) bestätigt werden, wonach das Sprachverstehen in Situationen mit konkurrierender Sprache als Störgeräusch schwieriger ist als in Situationen mit stationärem, sprachsimulierenden Rauschen. Dieses wird in der hier beschriebenen Studie aus Abbildung 4.4 ersichtlich, wonach, bis auf eine Ausnahme, die Verständlichkeitsschwelle im sprachsimulierenden Rauschen (OLnoise) im Vergleich zu Sprache als Störsignal z. T. deutlich niedriger lag. Alltagsfragebogen: In den meisten Alltagssituationen beurteilten die CI-Träger

118 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 109 das Hören mit dem TEMPO+-Prozessor am ersten Messtermin bereits sehr positiv, beispielsweise das Sprachverstehen in Ruhesituationen oder die Wahrnehmung von Alltagsgeräuschen. Das Hören in diesen Situationen hat sich mit dem OPUS2-Prozessor in diesen Situationen nicht auffällig verändert. Bei drei CI-Trägern hat sich nach Abbildung 4.8 jedoch das subjektive Richtungshören von Verkehrsgeräuschen mit dem OPUS2 im Gegensatz zum TEMPO+ z. T. deutlich verbessert. Dieses Ergebnis ist konsisten zu Aussagen der Studie von Smith et al. (2002), wonach die Übertragung der Feinstrukturinformation u. a. für das Richtungshören grundlegend wichtig ist. Bei Smith et al. (2002) lateralisierten die teilnehmenden Probanden die Testsignale entsprechend der Seite der enthaltenen Feinstruktur, auch wenn kontralateral parallel ein hüllkurvenverarbeitetes Signal dargeboten wurde. Bei Erhöhung der Kanalanzahl wurde die Lokalisation dabei zunehmend besser. Bei den CI-Trägern dieser Studie könnte, in Verbindung mit der jeweiligs vorhandenen, kontralateralen Hörgeräteversorgung, der empfundene Hörgewinn in der Lokalisation durch den mithilfe der FSP-Strategie erweitert übertragenen, tieffrequenten Bereich erklärt werden. Zumindest scheint der OPUS2 durch die Verwendung der FSP-Strategie hier einen allgemein positiven Wahrnehmungseffekt zu erzielen. Ein nach Meis et al. (2007) möglicher allgemeiner Placebo-Effekt kann in Bezug auf die positive Bewertung des neuen OPUS2-Prozessors allerdings nicht ausgeschlossen werden. In der subjektiven Einschätzung von Situationen mit/ im Störgeräusch (vgl. Abbildung 4.7) haben sich die Angaben der Probanden an beiden Terminen (mit altem und neuem Prozessor) nur geringfügig unterschieden, so dass die subjektiv empfundene Hörwahrnehmung im Störgeräusch mit dem OPUS2- Prozessoron als nicht grundsätzlich besser bewertet werden kann. Bei der Musikwahrnehmung ist zum einen deutlich geworden, dass die vier postlingual ertaubten CI-Träger bekannte Musik (aus der Erinnerung heraus) sicherer hören konnten als neue und unbekannte Musik. Mit dem OPUS2- Prozessor hat sich in jeweils drei Fällen die sichere Wahrnehmung von Rhythmus und Melodie von bekannter Musik verbessert. Laborfragebogen: Der OPUS2-Sprachprozessor übermittelte den Probanden in vielen Situationen einen natürlicheren und deutlicheren Klang als der

119 KAPITEL 4. VERGLEICH VON SPRACHKODIERUNGSSTRATEGIEN 110 TEMPO+-Prozessor. Auf das Sprachverstehen in Störgeräuschsituationen hatte die bessere Klangübertragung allerdings keinen auffällig positiven Effekt. Fragebogen zur Hörveränderung: Das subjektiv empfundene Hören von Musik und Geräuschen bzw. das Verstehen von Sprache wurde mit dem OPUS2- Sprachprozessor in 16 von 20 individuellen Hörsituationen von den CI-Trägern besser (6x etwas besser, 8x besser, 2x viel besser ) beurteilt als mit dem TEMPO+. Der OPUS2-Prozessor scheint demzufolge durch die übertragene Feinstrukturinformation von Signalen im tieffrequenten Bereich im Vergleich zum TEMPO+-Sprachprozessor eine positive Auswirkung auf das subjektive Hörempfinden der vier CI-Träger zu haben. Die Erkenntnisse von Smith et al. (2002), wonach die Feinstrukturinformation für Tonhöhenwahrnehmung und Richtungshören, die Amplitudeninformation für das Sprachverstehen entscheiden sind, lassen sich aufgrund der subjektiv als z. T. deutlich besser empfundenen Klangwahrnehmung bei gleichzeitig insgesamt nicht besser gewordenem Sprachverstehen der CI-Nutzer in dieser Studie tendenziell wiederfinden. Außerdem kann durch die in Smith et al. (2002) beschriebenen Funktionen von Feinstruktur- und Hüllkurveninformation auf die Klang- und Sprachwahrnehmung die Vermutung gestützt werden, dass die FSP-Strategie, und nicht der im tieffrequenten Bereich erweiterte Übertragungsbereich des OPUS2-Prozessors, primär für den subjektiven Hörgewinn der CI-Träger verantwortlich ist.

120 Kapitel 5 Allgemeine Diskussion Bevor eine abschließende Diskussion darüber geführt werden kann, ob die Übertragung der Feinstrukturinformation generell bzw. in welchem Frequenzbereich einen Hörgewinn bei CI-Trägern in unterschiedlichen Hörsituationen erzielt, müssen viele Untersuchungen mit einer umfassenden Probandenanzahl durchgeführt werden. Die Untersuchung einzelner Elemente (z. B. Messung der Sprachverständlichkeit im Störgeräusch) kann immer nur als eine Sequenz einer umfassenden Bewertung gesehen werden. Auch die in dieser Studie vorgestellten Untersuchungsmethoden zur Auswirkung von übertragener Feinstrukturinformation auf das Sprachverstehen und die Musikwahrnehmung von CI-Trägern erheben keinerlei Anspruch auf eine abschließende Bewertung der angesprochenen Thematik. Aus den in der Arbeit gewonnenen Ergebnissen aus Simulationsmessungen mit den Normalhörenden und aus Messungen mit den CI-Trägern können jedoch gut Tendenzen hinsichtlich des Sprach- und Musikempfindens von CI-Trägern durch die Informationsübertragung der Signalfeinstruktur abgeleitet werden. Die in Kapitel 1 einleitend formulierten Fragestellungen werden an dieser Stelle jeweils einzeln beantwortet und diskutiert: 1) Durch die Simulationsmessungen konnte gezeigt werden, dass durch die Übertragung der Feinstrukturinformation tiefe Frequenzen besser übertragen werden können, was im Vergleich zu ausschließlich CIS-stimulierten Signalen zu einem besseren Sprachverstehen in Ruhe führt. Dieses Ergebnis bestätigt Daten aus der Literatur, wonach durch die übertragene Feinstrukturinformation das Sprachverstehen in Ruhe besser wird (Arnoldner et al., 2007). a. Bezogen auf die Frage, ob sich durch die Übertragung der Feinstrukturinforma- 111

121 KAPITEL 5. ALLGEMEINE DISKUSSION 112 tion das Sprachverstehen im Störgeräusch verbessert, kann zu diesem Zeitpunkt keine eindeutige Antwort gegeben werden. Auf der einen Seite erzielten die Probanden (sowohl die CI-Träger als auch die Normalhörenden) innerhalb der Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen in der Situation mit sprachsimulierendem Rauschen (OLnoise) signifikante Verbesserungen im Sprachverstehen. Auf der anderen Seite konnten, sowohl in den übrigen Nutz-Störschall-Situationen sämtlicher Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen, als auch in den ausschließlich mit CI-Trägern durchgeführten OLSA-Messungen keine signifikanten Verbesserungen in der Sprachverständlichkeit im Störgeräusch festgestellt werden. b. Die Frage nach einer verbesserten Verarbeitung musikalischer Eigenschaften durch die Übertragung der Feinstrukturinformation kann durch die in dieser Arbeit ermittelten Ergebnisse nicht abschließend beantwortet werden. Bei der Beurteilung der Musikbeispiele in den Simulationsmessungen mit Normalhörenden wurde einerseits das klassische Musikstück (Flügelmusik, tieffrequent) als natürlicher und angenehmer präferiert, je mehr Feinstrukturinformation in den Signalen enthalten war. Andererseits wurde bei dem latein-amerikanischen Musikbeispiel (mehrinstrumentell, rhythmisch, hochfrequenter Melodieverlauf) die Version ohne übertragene Feinstrukturinformation am meisten bevorzugt. Offensichtlich hängt der Einfluss übertragener Feinstrukturinformation auf die Übertragung musikalischer Eigenschaften nicht nur von der Art der Signalverarbeitung, sondern auch vom Musiksignal selber ab, beispielsweise ob charakteristische Frequenzen durch die Verarbeitung der Feinstrukturinfomation entsprechend mit übertragen werden können. In diesem Zusammenhang übernimmt die Anzahl und die Art der Instrumente womöglich noch eine wichtige Funktion. Ohne Rhythmusinstrument (Flügelmusik) wurden die empfundene Natürlichkeit und Angenehmheit der Musik mit mehr übertragener Information der Feinstruktur von den Probanden zunehmend bevorzugt, wohingegen die Signale mit mehr enthaltener Feinstrukturinformation bei der Musik mit Rythmus- und Percussionbegleitung (Latein-amerikanische Musik) im Vergleich zur Übertragung der Hüllkurveninformation nicht zu einer bevorzugenden Beurteilung in den genannten Bereichen führte. c. Die Frage, ob die Sprachverständlichkeit aufgrund intensiverer Grundtonübertragung durch die übertragene zeitliche Information verbessert wird,

122 KAPITEL 5. ALLGEMEINE DISKUSSION 113 kann anhand der Ergebnisse der Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen mit Normalhörenden und mit CI-Trägern nicht eindeutig beantwortet werden. Es zeigte sich auf der einen Seite kein signifikanter Einfluss auf das Sprachverstehen in Störgeräuschsituationen mit konkurrierendem Sprecher als Störsignal. Dieses Ergebnis ist vergleichbar mit Resultaten aus einer Studie von Carroll und Zeng (2007). Dort konnten, trotz verbesserter Grundtonübertragung durch Erhöhung der Kanalanzahl im Bereich tiefer Frequenzen, keine Verbesserungen bzgl. Sprachverstehen im Störgeräusch mit konkurrierendem Sprecher festgestellt werden. In den Situationen mit stationärem, sprachsimulierenden Störschall in der vorgestellten Studie waren auf der anderen Seite sowohl die Normalhörenden als auch die CI-Träger in der Lage, Sprache signifikant besser aus Signalen mit übertragener Feinstrukturinformation zu verstehen als aus Sprachsignalen mit ausschließlich übertragener Amplitudeninformation. In stationär statistischem Rauschen ist demnach ein Effekt der verbesserten Grundfrequenzübertragung durch die Feinstrukturinformation durchaus festzustellen. In dieser Hinsicht entspricht das Ergebnis der OLSA-Messung mit den CI-Trägern, in denen keine signifikante Verbesserung in der Sprachverständlichkeit mit dem neuen Sprachprozessor OPUS2 zu verzeichnen war, obwohl dasselbe Störgeräusch (sprachsimulierendes Rauschen) verwendet wurde, nicht den Erwartungen. Eine mögliche Erklärung liegt in der Darbietung des Störsignals: Während es bei den OLSA-Messungen nicht kontinuierlich abgespielt, d. h. nach jedem Satz des Tests unterbrochen und erst bei der Darbietung des nächsten Satzes wieder dazugeschaltet wurde, war es in den Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen kontinuierlich vorhanden. In diesem Zusammenhang könnte die Einschwing- bzw. Adaptationszeit in den CI der Probanden bei den OLSA-Messungen für die Sprachverständlichkeit der zudem sehr kurzen Sätze eine negative Auswirkung gehabt haben. Die Aussage eines Probanden, nach der besonders zu Beginn der kurzen Sätze die Verständlichkeit schwierig war, unterstützt diese These. Möglicherweise hätten OLSA-Messungen mit kontinuierlichem Störgeräusch diesbezüglich bessere Verständlichkeitswerte erzeugt. 2) Bezogen auf die Fragestellung, für welchen Frequenzbereich die Übertragung zeitlicher Information für CI-Träger bezüglich Sprach- und Musikwahrnehmung

123 KAPITEL 5. ALLGEMEINE DISKUSSION 114 einen Vorteil bewirkt, lässt sich anhand der Studienergebnisse folgendes sagen: Die Übertragung der Feinstrukturinformation führte bei den in Kapitel 3.4 bewerteten Ergebnissen hinsichtlich der Sprachverständlichkeit in Ruhe zu einem subjektiv signifikanten Gewinn, falls in drei oder vier Frequenzkanälen eines Signals zeitliche Information enthalten war. In den ersten drei Frequenzbändern (max. CF = 384 Hz) beim männlichen Sprecher bzw. in den ersten vier Frequenzbändern (max. CF = 579 Hz) bei der weiblichen Sprecherin führte die Übertragung der zeitlichen Information im Vergleich zu den Signalversionen mit weniger Feinstrukturinformation zu signifikanter Präferenz der Sprachverständlichkeit (vgl. Abbildung 3.7 und 3.8). Dagegen war bei den Signalen mit mehr als drei bzw. vier Frequenzbändern mit enthaltener zeitlicher Information keine weitere signifikante Bevorzugung in punkto Sprachverständlichkeit messbar. Bei der Klangwahrnehmung von Sprache zeigte die Übertragung der Feinstrukturinformation bis in das dritte Frequenzband bei beiden Sprechersignalen eine signifikante Präferenzverteilung im Vergleich zu den Signalen mit weniger enthaltener zeitlicher Information. Bei der weiblichen Sprecherin wurde zudem fast ausschließlich das Signal mit übertragener Feinstrukturinformation in allen sechs Frequenzkanälen im Vergleich zu den anderen Signalen signifikant bevorzugt. Die in Kapitel 3.4 dargestellten Ergebnisse der Paarvergleichsmessungen sagen somit für die Wahrnehmung von Sprache (Verständlichkeit, Klangnatürlichkeit) aus, dass die Übertragung der Feinstrukturinformation in den ersten drei bis vier Frequenzbändern zu einem subjektiven Hörgewinn in der Sprachwahrnehmung führt. Für die Musikwahrnehmung lässt sich anhand der Paarvergleichsmessungen mit Musiksignalen eine vergleichbare Aussage anhand der Messergebnisse nicht treffen. Bei der Beurteilung der Klangnatürlichkeit und der Angenehmheit des Klangs wurde zwar jeweils bei der Flügelmusik das Signal mit der größten Menge an enthaltener Feinstrukturinformation im Vergleich zu den Signalen mit weniger zeitlicher Information signifikant bevorzugt. Bei der Beurteilung des latein-amerikanischen Musikstück hinsichtlich der beide Kriterien wurde dagegen jeweils die Version ohne übertragene zeitliche Information am häufigsten präferiert. Die Auswirkung der übertragenen Feinstrukturinformation auf das Musikempfinden scheint stark vom jeweiligen Charakter der Musik (Anzahl der Instrumente, Frequenzgehalt, Melodiverlauf etc.) abzuhängen und lässt an dieser Stelle keine allgemeine Aussage

124 KAPITEL 5. ALLGEMEINE DISKUSSION 115 zu. Abschließende Aussagen darüber, bis zu welchem Frequenzbereich die Übertragung der Feinstrukturinformation gewinnbringend für die Hörwahrnehmung von Sprache und Musik bei CI-Trägern ist, können aus den Ergebnissen der Paarvergleichsmessungen mit Normalhörenden nicht generell abgeleitet werden. Messungen mit CI-Trägern, in denen speziell die Anzahl der Elektrodenkanäle mit enthaltener zeitlicher Information variiert werden könnte, würden diesbezüglich voraussichtlich aussagekräftigere Ergebnisse liefern. Allerdings sind die Unterschiede in den Ergebnissen der Simulationsmessungen ausschließlich auf den Einstellungsparameter Anzahl der Kanäle mit enthaltener Feinstrukturinformation zurückzuführen, während bei Untersuchungen mit CI-Trägern immer mehrere, individuelle Einstellungsparameter die Hörwahrnehmung mit beeinflussen würden. Außerdem besteht die Möglichkeit z. Zt. nur begrenzt, bei CI-Trägern die Anzahl der FSP stimulierenden Kanäle zu variieren, da der Sprachprozessor OPUS2 zur Verarbeitung der zeitlichen Information gegenwärtig maximal in den ersten drei Frequenzkanälen die Information der Feinstruktur übertragen kann (max. CF = 384 Hz bei logarithmischer Frequenzverteilung der Elektroden). Messungen mit CI-simulierten Signalen sind daher sinnvoll, da hier die Anzahl an Elektrodenkanälen zur Übertragung zeitlicher Signalinformation variiert werden kann. Dieses ist jedoch auch nur bis zu einer bestimmten Übertragungsgrenze sinnvoll, da die Nervenfasern in der Cochlea maximal und nur teilweise bis zu einer Stimulationsrate von 1000 pps in der Lage sind, an jeden elektrischen Puls anzukoppeln (Plotz, 2001). Aus diesem Grund war die Limitation der Übertragung zeitlicher Informationen auf sechs Kanäle zur Übertragung zeitlicher Informationen durchaus sinnvoll. 3) Die Frage, ob die Übertragung der Feinstrukturinformation generell zu einem subjektiv empfundenen Hörgewinn führt, muss aufgrund der Ergebnisse aus Kapitel 3.4 und Kapitel 4.4 negativ beantwortet werden. Zwar wurden in den Paarvergleichsmessungen mit Normalhörenden zumeist die Signale mit enthaltener Feinstrukturinformation präferiert (Sprachsignale, klassische Musikstück), aber aus der Paarvergleichsmessung mit dem rhythmisch-melodischen Musikstück und den Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen mit Normalhörenden und CI-Trägern in unterschiedlichen Nutz-Störschall-Situationen geht hervor, dass eine Übertragung der Feinstrukturinformation nicht generell zu

125 KAPITEL 5. ALLGEMEINE DISKUSSION 116 einem Hörgewinn führt. So wurde beispielsweise bei den Paarvergleichsmessungen mit Normalhörenden bei der Beurteilung des latein-amerikanischen Musikstücks die CIS-verarbeitete Signalversion z. T. signifikant öfter präferiert als Signale mit enthaltener Feinstrukturinformation (vgl. Abbildung 3.10). Auch die OLSA- Messungen der CI-Träger zeigten in der Sprachverständlichkeit im Störgeräusch keine signifikanten Verbesserungen trotz übertragener Feinstrukturinformation. 4) Um eine Aussage zur Vergleichbarkeit der Simulationsmessungen mit Normalhörenden und den Messungen mit CI-Trägern treffen zu können, wurden die Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen mit beiden Personengruppen unter gleichen Testbedingungen durchgeführt (vgl. Kapitel und 4.3.1). Dabei wurden bei den Messungen mit Normalhörenden zwei Signalverarbeitungen gewählt, die den CI-Einstellungen der beiden Sprachprozessoren der vier CI-Träger vor (TEMPO+) und nach (OPUS2) der Umversorgung entsprachen. In Abbildung 5.1 sind die Ergebnisse aus den Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen für Normalhörende und CI-Träger zur Veranschaulichung im direkten Vergleich dargestellt.

126 KAPITEL 5. ALLGEMEINE DISKUSSION 117 Abb. 5.1: Vergleich der Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen zwischen zehn Normalhörenden ( zerofine vs. twofine ) und vier CI-Trägern (alter TEMPO+ vs. neuer OPUS2). Dargestellt sind die einzelnen Nutz-Störschall-Situationen ( mann vs. frau, mann vs. frau rückw (Sprachsignal rückwärts abgespielt), mann vs. OLnoise, frau vs. mann, frau vs mann rückw (Sprachsignal rückwärts abgespielt) frau vs. OLnoise ). Die Nutzsignale der jeweiligen Situation sind unter der Abbildung horizontal, die Störsignale vertikal beschrieben. Die in Abbildung 5.1 dargestellten bzw. in den Kapiteln und Kapitel beschriebenen Ergebnisse sind in zweierlei Hinsicht gut miteinander vergleichbar. Zum einen zeigen die Resultate der Messungen mit beiden Probandengruppen im Störgeräusch zusammengenommen keine signifikanten Verbesserungen in der Sprachverständlichkeit durch die Übertragung zeitlicher Signalinformation. Zum anderen sind in der Einzelsituation mit stationär statistischem Rauschen (OLnoise) die Veränderungen in der Sprachverständlichkeit in beiden Fällen mit zusätzlich übertragener Feinstrukturinformation als signifikant besser zu beurteilen als mit ausschließlich übertragener Ortsinformation der Signaleinhüllenden. Anhand der dargestellten, simulierten Ergebnisse in Abbildung 5.1 werden zudem Hörleistungsunterschiede zwischen Normalhörenden und CI-Trägern tendenziell rea-

127 KAPITEL 5. ALLGEMEINE DISKUSSION 118 listisch dargestellt: Der zentrale Höreffekt bei Normalhörenden, Störgeräusche unterdrücken zu können (Kollmeier, 2002), besitzt generell einen positiven Einfluss auf die Sprachverständlichkeit in geräuschvollen Situationen. Demnach liegen die Verständlichkeitsschwellen Normalhörender deutlich unter denen von CI-Trägern, die diese Fähigkeit nicht besitzen. Die Verständlichkeitsschwellen in den Simulationsmessungen liegen bei den Normalhörenden immer deutlich unterhalb der Verständlichkeitsschwellen der CI-Träger für die gleichen Situationen (vgl. Abbildung 5.1). Eine zusätzliche Erklärung für die dargestellten Unterschiede kann sein, dass im Gegensatz zu den Normalhörenden die vier CI-Träger sämtliche Verständlichkeitsmessungen monaural (bei kontralaterel abgeschaltetem Hörgerät) durchgeführt haben. Somit entsprach das Hören der CI-Träger nicht ihrem gewohnten Hören, im Gegensatz zu den Normalhörenden, die sämtliche Messungen binaural durchführen konnten. Die Ergebnisse der Simulationsmessungen zeigen, dass die vorgestelle CI-Simulation die Hörwahrnehmung von CI-Trägern tendentiell gut nachbilden kann, denn in Analogie zur Messung mit den CI-Trägern konnten auch in den Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen mit Normalhörenden in der Hörwahrnehmung im Störgeräusch signifikante Verbesserung in der Situation mit stationärem Störgeräusch gemessen werden. Der insgesamt große Unterschied in den Ergebnissen der Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen zwischen Normalhörenden und CI-Trägern macht hingegen deutlich, dass eine CI-Simulation generell die typischen Eigenschaften physiologischer Hörwahrnehmung Normalhörender nicht ausblenden kann, so dass diese trotz zugrundeliegender vergleichbarer Signalverarbeitung zu deutlich besseren Verständlichkeitswerten führen. Hier ist ebenfalls die Tatsache von Bedeutung, dass die normalhörenden Versuchspersonen die Simulationsmessungen binaural durchführen konnten, während die vier CI-Träger bei ihren Messungen das auf der kontralateralen Seite befindliche Hörgerät abschalten mussten und sie so sämtliche Signale während der Messungen lediglich monaural hören konnten. Insgesamt lässt sich abschließend ergänzend feststellen, dass immer Grenzen in der Simulierbarkeit mit Normalhörenden existieren werden, die keinen Schluss auf tatsächliche CI-Träger möglich machen.

128 Kapitel 6 Zusammenfassung und Ausblick Zur Untersuchung der Auswirkung übertragener Feinstrukturinformation auf die Sprachwahrnehmung (in Ruhe und in unterschiedlichen Störgeräuschsituationen) und auf die Musikwahrnehmung werden in dem ersten Teil dieser Arbeit Simulationsmessungen mit Normalhörenden vorgestellt. Im zweiten Teil sind Messungen mit einer Gruppe von vier CI-Trägern beschrieben, die einen neuartigen Sprachprozessor (OPUS2) im Vergleich zu seinem Vorgängerprozessor (TEMPO+) bezüglich der Hörveränderung allgemein und in unterschiedlichen Alltagssituationen beurteilen sollten. Auch Messungen zur Sprachverständlichkeit im Störgeräusch (Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen, OLSA) wurden mit den CI-Trägern durchgeführt und in der Arbeit vorgestellt. Die Ergebnisse der Sprachverständlichkeitsmessungen mit Normalhörenden zeigten für das jeweils zu beurteilende Sprachbeispiel (männlicher Sprecher, weibliche Sprecherin) im Blick auf die Sprachverständlichkeit ohne Störgeräusch, dass die Übertragung der Feinstrukturinformation schon zu signifikant besserer Verständlichkeit führt, wenn z. T. nur aus dem ersten Frequenzkanal diese Information übertragen wird. Hochsignifikant waren die Unterschiede in beiden Fällen ab einer Übertragung zeitlicher Information in mindestens zwei Frequenzkanälen. Vergleichbar waren die Beurteilungen der Klangnatürlichkeit beider Sprechersignale. Im Vergleich zwischen den Beurteilungen der Signale mit enthaltener Feinstrukturinformation zeigte sich hinsichtlich der Sprachverständlichkeit und der Klangnatürlichkeit entsprechend der Anzahl der Feinstrukturkanäle eine ansteigende Präferenzverteilung. 119

129 KAPITEL 6. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 120 Bei der Beurteilung von Musiksignalen fanden sich dagegen gegensätzliche Tendenzen in Bezug auf die Übertragung der Feinstrukturinformation: Während die Probanden auf der einen Seite das klassische Musikstück ab zwei Frequenzkanälen mit enthaltener Feinstrukturinformation als signifikant besser beurteilten als das Signal mit ausschließlich übertragener Hüllkurveninformation, präferierten sie auf der anderen Seite beim latein-amerikanischen Musikstück die Version ohne enthaltene Feinstrukturinformation, z. T. signifikant, am häufigsten. Im Vergleich der Signalversionen mit enthaltener zeitlicher Information untereinander wurden allerdings tendenziell die Signale mit mehr übertragener Feinstrukturinformation präferiert. In den Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen (mit Normalhörenden und CI-Trägern) wurden die Sprachverständlichkeitsschwellen von zwei Sprechersignalen (männlich, weiblich) in unterschiedlichen Störgeräuschsituationen eingestellt. Bei den Messungen mit Normalhörenden wurde, in Analogie zu den Sprachprozessoren der CI-Träger, ein Signal mit übertragener Hüllkurveninformation (entsprechend der CIS-Strategie im TEMPO+-Prozessor) und ein Signal mit übertragener Feinstrukturinformation (entsprechend der FSP- Strategie im OPUS2-Prozessor) verwendet. Die Ergebnisse der Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen zeigen insgesamt, weder für die Normalhörenden noch für die CI-Träger, keine signifikante Verbesserung der Sprachverständlichkeit im Störgeräusch (t-test für abhängige Stichproben). Somit konnte keine verbesserte Grundfrequenzwahrnehmung (männlicher Sprecher vs. weibliche Sprecherin) durch die zusätzliche, zeitliche Signalinformation festgestellt werden. Allerdings konnten für beide Gruppen in der Einzelsituation mit dem statistischen Rauschen als Störsignal signifikant bessere Verständlichkeiten in der Sprachverständlichkeit gemessen werden. Es zeigte sich in beiden Fällen in der Situation mit dem sprachsimulierenden statistischen Störsignal, dass die Signale mit enthaltener Feinstrukturinformation signifikant besser verstanden wurden als die Sprachsignale ohne zeitliche Information. Somit ist in dieser Nutz-Störschall-Situation ein Effekt der verbesserten Grundtonübertragung durch die Feinstrukturinformation feststellbar. In den Messungen mit den vier CI-Trägern stellte sich anhand unterschiedlicher Befragungen heraus, dass diese ihren neuen Sprachprozessor (OPUS2) mit

130 KAPITEL 6. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 121 implementierter Feinstrukturstrategie im Klang und in den meisten individuell angegebenen Hörsituationen generell als besser im Vergleich zu dem Vorgängerprozessor (TEMPO+) beurteilten. Signifikante Verbesserungen waren allerdings bei den Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen, außer in der Situation mit stationärem Störgeräusch, und bei den OLSA-Messungen nicht festzustellen. Aufgrund der Differenzen in den Ergebnissen der Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen und OLSA-Messungen bei den CI-Trägern, trotz Verwendung desselben sprachsimulierenden Rauschens, wären OLSA-Messungen mit kontinuierlichem Störgeräusch sinnvoll. Auf diese Weise könnten die Ergebnisse der Störgeräuschmessungen besser miteinander verglichen werden. Es kann vermutet werden, dass sich im Falle gleicher Bedingungen die Sprachverständlichkeitswerte der OLSA-Messungen und die des Tests zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen ähnlicher werden. In Bezug auf die in dieser Arbeit vorgestellte CI-Simulation, die anschließenden Simulationsmessungen mit Normalhörenden und die durchgeführte Untersuchung mit vier CI-Trägern können abschließende bzw. hinsichtlich zukünftiger Entwicklungen ausblickende Aussagen formuliert werden: Die beschriebenen Messergebnisse der CI-Träger und die der Normalhörenden sind tendenziell gut miteinander vergleichbar. Jedoch können sowohl die Ergebnisse der Messungen mit Normalhörenden als auch die der Messungen mit den CI-Trägern hinsichtlich einer abschließenden Aussage pro oder kontra Feinstrukturinformation auf die Sprach- und Musikwahrnehmung von CI-Trägern nur als Tendenzen gesehen werden. Zum einen, weil Simulationen von CI das Hörempfinden mit einem realen CI nur bedingt nachbilden können. Aus diesem Grund kann auch eine Simulation zur Übertragung der Feinstrukturinformation nur annähernd reale Effekte eines CI beschreiben. Zum anderen, weil es lediglich vier CI-Träger waren, die an den im zweiten Teil dieser Arbeit vorgestellten Messungen beteiligt waren. Simulationen von CI sind generell von Bedeutung, um Auswirkungen einzelner Verarbeitungsmechanismen, die in realen CI implementiert sind, hinsichtlich gezielter Fragestellungen (z. B. Sprachverstehen im Störgeräusch) unabhängig

131 KAPITEL 6. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 122 von anderen Parametern untersuchen zu können. Die in dieser Arbeit vorgestellte CI-Simulation soll in Zukunft in Bezug auf unterschiedliche Verarbeitungsmechanismen und -parameter eines CI dahingehend weiterentwickelt werden, dass herstellerunabhängig verschiedene Kodierungsstrategien realisiert und CI-Parameter (z. B. Stimulationsrate, Elektrodenanzahl etc) unabhängig voneinander variiert werden können. Somit könnten zukünftig Studien hinsichtlich gezielter Fragestellungen durchgeführt werden, in denen wahlweise verschiedene Einstellungen und Funktionsweisen von CI untersucht werden können. Erstrebenswert ist, wenn die Ergebnisse der zukünftigen Untersuchungen bei der Weiterentwicklung von CI dazu dienen könnten, weiterführende Erkenntnisse zur Verbesserung von CI bzw. von zugrundeliegenden Kodierungsstrategien zu liefern. Bei den CI der in dieser Arbeit teilgenommenen CI-Trägern wurde jeweils aus den ersten beiden Elektrodenkanälen die zeitliche Signalinformation gewonnen. Eine interessante Fragestellung für zukünftige Untersuchungen wäre, ob es hinsichtlich der Sprach- und Musikwahrnehmung bei CI-Trägern Unterschiede in Abhängigkeit der Anzahl an feinstrukturübertragenen Frequenzbändern gibt, z. B. ob die Stimulation mit der FSP-Strategie in 1 bis 3 Elektroden zur Übertragung zeitlicher Signalinformation zu signifikanten Unterschieden in Sprach- und Musikwahrnehmung führt. Um detailliertere Informationen und Ergebnisse darüber zu erhalten, wie sich die Übertragung der Feinstrukturinformation gezielt auf das Sprach- und Musikempfinden von CI-Trägern auswirkt und bis zu welcher Frequenz diese Übertragung sinnvoll ist, um diesbezüglich Verbesserungen zu erzielen, sind in Zukunft weitere Studien notwendig; sowohl anhand von Simulationsmessungen als auch anhand von umfangreicheren Studien mit CI-Trägern. In dieser Hinsicht erheben die vorgestellte Studien mit zehn (Paarvergleiche) bzw. sieben (Test zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen) normalhörenden Probanden sowie mit lediglich vier CI-Trägern keinen Anspruch auf eine umfassende, abschließende Bewertung.

132 KAPITEL 6. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 123 Interessant wäre grundsätzlich eine Langzeitstudie, die eine Wiederholung der Befragungen der CI-Träger nach einer Trage- und Gewöhnungszeit von mehr als einem Jahr beinhalten würde. Auf diese Art könnte überprüft werden, ob die Probanden den OPUS2-Prozessor auch nach längerer Zeit noch so positiv bewerten würden, oder ob der von Meis et al. (2007) im Rahmen einer Studie gefundene Effekt, ein CI aufgrund seiner Neuheit anfänglich positiver zu bewerten, auch bei diesen CI-Trägern gefunden werden kann.

133 Anhang A Messungen A.1 Paarvergleichsmessungen: Testinstruktionen Die Paarvergleichsmessungen wurden mit der Programmiersoftware Matlab c erstellt und durchgeführt. In den Grafiken in Abbildung A.1 sind die Testanweisungen für die normalhörenden Versuchspersonen für die Paarvergleichsmessungen beschrieben. Jede Anweisung wurde dem Probanden im Vorfeld einer Messung, neben den schriftlichen Ausführungen, verbal erklärt. Außerdem hatten die Versuchspersonen die Möglichkeit, a) auf dem Bildschirm die Anweisungen zu verfolgen und b) bei Fragen oder Problemen jederzeit die Messung abzubrechen bzw. die Messkabine zu verlassen. 124

134 ANHANG A. MESSUNGEN 125 (a) Einleitung (b) Originalsignal (c) Trainingsphase (d) Aufgabenstellung (e) Messphase: Paarvergleich (f) Ende einer Messung (g) neue Messung Abb. A.1: Testinstruktionen für die Paarvergleichsmessungen

135 ANHANG A. MESSUNGEN 126 A.2 Messungen subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen: Testinstruktionen Die Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen für die Simulationsmessungen mit normalhörenden Versuchspersonen und für die Vergleichsmessungen für CI-Träger wurden mit der Programmiersoftware Matlab c erstellt und durchgeführt. In den Grafiken in Abbildung A.2 sind die Testanweisungen für die normalhörenden Versuchspersonen für die Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen beschrieben. Jede Anweisung wurde dem Probanden im Vorfeld einer Messung, neben den schriftlichen Ausführungen, verbal erklärt. Außerdem hatten die Versuchspersonen die Möglichkeit, a) auf dem Bildschirm die Anweisungen zu verfolgen und b) bei Fragen oder Problemen jederzeit die Messung abzubrechen bzw. die Messkabine zu verlassen.

136 ANHANG A. MESSUNGEN 127 (a) Start der Messung (b) Sprachsignal einstellen (c) Störsignal dazuschalten (d) Störsignal einstellen (e) nächste Bewertung starten Abb. A.2: Testinstruktionen für die Messungen zur Ermittlung subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen

137 ANHANG A. MESSUNGEN 128 A.3 CI-Träger: gemittelte Ruhehörschwellen Abbildung A.3 zeigt die über vier CI-Träger gemittelte Ruhehörschwelle unter Verwendung der beiden Sprachprozessoren der Firma Med-El GmbH (alt: TEMPO+, neu: OPUS2). Die Balken geben dabei die Standardabweichungen an. (a) TEMPO+-Sprachprozessor (b) OPUS2-Sprachprozessor Abb. A.3: gemittelte Ruhehörschwellen der CI-Träger

138 Anhang B Fragebögen Auf den folgenden Seiten sind die einzelnen Fragebögen dargestellt, die von den vier CI-Trägern sowohl am ersten Termin (mit dem Sprachprozessor TEMPO+) als auch am zweiten Messtermin (mit dem Sprachprozessor OPUS2) bearbeitet wurden. Bezeichnet werden die unterschiedlichen Fragebögen als Alltagsfragebogen, als Laborfragebogen und als Fragebogen zur Hörveränderung. Der Alltagsfragebogen konnte wahlweise von den Probanden auch mit nach Hause genommen und in den Tagen nach dem jeweiligen Termin an das Hörzentrum Oldenburg ausgefüllt zurückgesendet werden. 129

139 ANHANG B. FRAGEBÖGEN 130 B.1 Alltagsfragebogen Abb. B.1: Alltagsfragebogen: Fragen zur Person und zur Hörfähigkeit

140 ANHANG B. FRAGEBÖGEN 131 Abb. B.2: Alltagsfragebogen: Fragen zu verschiedenen Hörsituationen

141 ANHANG B. FRAGEBÖGEN 132 Abb. B.3: Alltagsfragebogen: Fragen zu verschiedenen Hörsituationen

142 ANHANG B. FRAGEBÖGEN 133 Abb. B.4: Alltagsfragebogen: Fragen zu verschiedenen Hörsituationen

143 ANHANG B. FRAGEBÖGEN 134 B.2 Laborfragebogen B.2.1 Klangbeispiele Die für den Laborfragebogen verwendeten Klangbeispiele entstammen folgenden Quellen: Grupo Sal (aus: Album Encuentros - Eröffnungsstück Apertura) B.2.2 Fragebogen Abb. B.5: Laborfragebogen: Beurteilung von Klangbeispielen

144 ANHANG B. FRAGEBÖGEN 135 Abb. B.6: Laborfragebogen: Beurteilung von Klangbeispielen

145 ANHANG B. FRAGEBÖGEN 136 Abb. B.7: Laborfragebogen: Beurteilung von Klangbeispielen

146 ANHANG B. FRAGEBÖGEN 137 Abb. B.8: Laborfragebogen: Beurteilung von Klangbeispielen

147 ANHANG B. FRAGEBÖGEN 138 Abb. B.9: Laborfragebogen: Beurteilung von Klangbeispielen

148 ANHANG B. FRAGEBÖGEN 139 Abb. B.10: Laborfragebogen: Beurteilung von Klangbeispielen

149 ANHANG B. FRAGEBÖGEN 140 Abb. B.11: Laborfragebogen: Beurteilung von Klangbeispielen

150 ANHANG B. FRAGEBÖGEN 141 B.3 Fragebogen zur Hörveränderung Abb. B.12: Hörveränderung: Instruktionen 1.Termin (TEMPO+)

151 ANHANG B. FRAGEBÖGEN 142 Abb. B.13: Hörveränderung: Situationen wählen und beurteilen

152 ANHANG B. FRAGEBÖGEN 143 Abb. B.14: Hörveränderung: Instruktionen 2.Termin (OPUS2)

153 ANHANG B. FRAGEBÖGEN 144 Abb. B.15: Hörveränderung: Ausgewählte Situationen beurteilen

154 ANHANG B. FRAGEBÖGEN 145 Abb. B.16: Hörveränderung: Beurteilung der Hörveränderung

155 Anhang C Messsignale C.1 Paarvergleichsmessungen Abb. C.1: Spektrum: Männlicher Sprecher 146

156 ANHANG C. MESSSIGNALE 147 Abb. C.2: Spektrum: Weibliche Sprecherin Abb. C.3: Spektrum: Klaviermusik

157 ANHANG C. MESSSIGNALE 148 Abb. C.4: Spektrum: Lateinamerikanische Musik C.2 Messungen subjektiver Sprachverständlichkeitsschwellen Abb. C.5: Spektrum: Männlicher Sprecher

158 ANHANG C. MESSSIGNALE 149 Abb. C.6: Spektrum: Weibliche Sprecherin Abb. C.7: Spektrum: OLSA-Rauschen