Frequency Composition : Ein neuer Ansatz zur Frequenzabsenkung

Transkript

1 Frequency Composition : Ein neuer Ansatz zur Frequenzabsenkung Im Laufe der Zeit hat sich die Frequenzabsenkung enorm entwickelt. Galt sie einst noch als umstrittenes Verfahren, so findet sie heute immer mehr Zustimmung. Die Entwicklung der Frequenzabsenkung ist eines der Themen in diesem Artikel. Weitere Themen sind ihr Anwendungsbereich im Falle von Dead Regions in der Kochlea und ihr Potenzial für einen breiteren Einsatz. Dabei geht es nur am Rande um den technischen Effekt, zur Hauptsache aber um den audiologischen Nutzen. Schliesslich berichtet der Artikel im Detail über Bernafons neuestes Verfahren zur Frequenzabsenkung und seinen Erfolg in internen Tests. MARTIN KURIGER, DSP-Ingenieur CHRISTOPHE LESIMPLE, Klinischer Audiologe Februar 2013

2 2 Frequency Composition : Ein neuer Ansatz zur Frequenz Absenkung Neues Erfolgspotenzial Fortschritte in der Technologie haben das alte Konzept der Frequenzabsenkung wiederbelebt. In der Tat hat die Anzahl von Hörgeräten mit Frequenzabsenkung in den letzten Jahren einen steilen Anstieg erfahren. Vermutlich widerspiegelt dieser Trend einen Wechsel in der Sichtweise ihres Nutzens. Digitale Verarbeitungsmethoden machen die Frequenzabsenkung zu einem vielversprechenden Verfahren für Hochtonhörverluste. Früher war die Frequenzabsenkung erst ab hochgradiger Schwerhörigkeit von Belang. Inzwischen scheint die Technik jedoch für einen breiteren Einsatz geeignet, bis hin zu Schwerhörigen, die weniger schwerwiegende Verluste haben (McDermott, 2010, Abs. 1). Der Grund dafür liegt in der Tatsache, dass die Frequenzabsenkung die individuell wahrgenommene Bandbreite erhöht. Die Idee der Frequenzabsenkung ist tatsächlich alt, wie Bentler (2010) bestätigte: Das Konzept ist nicht neu aber das Erfolgspotenzial (Abs. 1). Ihre Hoffnung begründete sie mit neuen digitalen Verarbeitungsmethoden. Solche Methoden finden sich heute in vielen digitalen Hörgeräten und machen die Frequenzabsenkung damit zu einem vielversprechenden Verfahren für Hochtonhörverluste. Eine Alternative im Falle von Dead Regions in der Kochlea Wie Bentler (2010) weiter bemerkte, sind die hochfrequenten Töne, die viel zur Unterscheidung und Klarheit von Sprachlauten beitragen, oft am wenigsten hörbar für Leute mit Hörverlust (Abs. 2). Die Hörbarkeit lässt sich in der Regel mit einem Hörgerät wiederherstellen. In gewissen Fällen ist eine Hochtonverstärkung jedoch nur von begrenztem Nutzen. Dieses Phänomen war der Gegenstand einer Studie, aus der Vickers, Moore und Baer (2001) schlossen: Unsere Ergebnisse weisen darauf hin, dass der entscheidende Faktor das Vorhandensein oder Fehlen von Dead Regions bei hohen Frequenzen ist (S. 1172). Der Begriff Dead Region stammt aus einem Artikel von Moore, Glasberg und Vickers (1996). Er bezeichnet Bereiche der Basilarmembran, wo die inneren Haarzellen und/oder Nervenzellen nicht mehr funktionieren. Mit Bezug auf Dead Regions verdeutlichten Vickers et al. (2001) ihren Befund: Schwerhörige ohne eine Dead Region bei hohen Frequenzen profitieren im Allgemeinen von einer Hochtonverstärkung, während Schwerhörige mit einer Dead Region im Allgemeinen nicht profitieren (S. 1172). Dead Regions haben somit einen grossen Einfluss. Sie bewirken nicht nur den Verlust wesentlicher Information für das Verstehen von Sprache und das Wahrnehmen von Umweltgeräuschen, sondern beeinträchtigen auch den Nutzen einer Hörgeräteverstärkung. In dieser Situation ruht die Hoffnung auf dem alternativen Ansatz: auf der Frequenzabsenkung.

3 3 Frequency Composition : Ein neuer Ansatz zur Frequenz Absenkung Die Entwicklung der Frequenzabsenkung Wenn Patienten ausserstande sind, hochfrequenten Schall wahrzunehmen, dann wird er zu tieferen Frequenzen hin verschoben, wo das Gehör noch funktioniert. Schon früh erkannten Forscher, dass eine Frequenzabsenkung das Problem im Zusammenhang mit Dead Regions lösen könnte. Und der Ansatz leuchtet ein: Wenn Patienten ausserstande sind, hochfrequenten Schall wahrzunehmen, dann wird er zu tieferen Frequenzen hin verschoben, wo das Gehör noch funktioniert. Auf diese Weise wird dieser Schall wieder hörbar. Erste Versuche, ein nützliches System zu realisieren, gehen auf die 1960er Jahre zurück. Zu jener Zeit verhinderte der Stand der Technik jedoch einen Erfolg. In einer Monographie schrieben Braida et al. (1979): Mit nur geringen Ausnahmen waren die Ergebnisse früherer Forschung zur Frequenzabsenkung negativ (S. 108). Abbildung 1: Varianten der Frequenzabsenkung ein Beispiel pro Generation Jahrzehnte später weckte der Übergang von analogen zu digitalen Hörgeräten das Interesse von neuem. Zum ersten Mal wurde es möglich, eine Frequenzabsenkung in einem handelsüblichen BTE-Hörgerät anzubieten. In der Folge nahmen die Forschungsanstrengungen zu und brachten die Frequenzabsenkung in verschiedenen Varianten hervor. Wie Abb. 1 schematisch zeigt, lassen sich diese Varianten in drei Entwicklungsstufen einteilen: 1. Varianten der ersten Generation (1990er Jahre) senken die Frequenz aller Signalkomponenten ab, also über den ganzen Frequenzbereich hinweg: tief, mittel und hoch. Typische Bezeichnung: lineare Frequenzkompression. 2. Varianten der zweiten Generation (nach dem Jahr 2000) haben zwei Eigenschaften gemeinsam: I. Sie senken die Frequenz der Signalkomponenten nur in den mittleren und hohen Frequenzen ab. II. Sie hinterlassen eine Lücke im Hochtonbereich. Typische Bezeichnung: nicht-lineare Frequenzkompression.

4 4 Frequency Composition : Ein neuer Ansatz zur Frequenz Absenkung Varianten der dritten Generation bewahren die hochfrequenten Signalkomponenten im Ursprungsbereich. 3. Varianten der dritten Generation (vom Jahr 2010 an) haben drei Eigenschaften gemeinsam: I. Sie senken die Frequenz von Signalkomponenten nur in den hohen Frequenzen ab. II. Sie bewahren die hochfrequenten Signalkomponenten im Ursprungsbereich. III. Sie überlagen die abgesenkten Signalkomponenten jenen im Zielbereich. Typische Bezeichnung: spektrale Merkmalsübersetzung. Die Erfahrung mit der Frequenzabsenkung hat die Einsicht in ihre Feinheiten erweitert, aber es gibt noch immer offene Fragen. Zum Beispiel bildete die Wirksamkeit zunächst das Hauptaugenmerk, während die Erhaltung der Klangqualität erst im Laufe der Jahre an Bedeutung gewann. In der Tat scheiterten die Systeme der ersten Generation, weil sie den Tieftonbereich beeinflussten und damit die Klangqualität übermässig beeinträchtigten. Ein weiterer Aspekt ist die Frage des Umgangs mit den hochfrequenten Signalkomponenten. Zum Beispiel bemerkten Vickers et al. (2001): Für einen Patienten mit einer Dead Region bei hohen Frequenzen mag es verschiedene Vorteile geben, die Verstärkung bei hohen Frequenzen abzusenken (S. 1174). Im Gegensatz dazu schrieben Cox, Johnson, und Alexander (2012): Wir raten von einer Begrenzung der Hochtonverstärkung ab, nur weil ein Patient in einem oder zwei Frequenzbereichen Dead Regions hat (S. 14). Die Debatte widerspiegelt zwei gegenläufige Risiken: einen nachteiligen Effekt im Falle von Dead Regions gegenüber einem Verlust an Sprachmerkmalen im Falle eines Resthörens. Die Debatte erklärt auch den Schritt von der zweiten zur dritten Generation, d.h. das Entfernen bzw. Erhalten der hochfrequenten Signalkomponenten. Zurzeit scheint es daher am besten, eine flexible Lösung in der Fitting Software anzubieten. Als Hörgeräteakustiker sind Sie damit in der Lage, das System entsprechend den Bedürfnissen Ihrer Kunden anzupassen. Technischer Effekt und audiologischer Nutzen Im Gegensatz zum audiologischen Nutzen ist der technische Effekt einer Frequenzabsenkung einfach nachzuweisen. In der Tat erlauben heutige Messgeräte, z.b. Audioscan Verifit, die verbesserte Hörbarkeit hochfrequenter Töne zu messen auf objektive Weise am Ohr des Patienten. Hingegen bedeutet eine verbesserte Hörbarkeit nicht notwendigerweise auch ein besseres Sprachverstehen. In der Tat kann das akustische Signal wegen der verschobenen Signalkomponenten seltsam klingen. Diese Signalkomponenten können ausserdem die Sprachinformation in tiefen Frequenzen verzerren oder maskieren. Entgegen dem beabsichtigten Nutzen ist es also möglich, dass eine Frequenzabsenkung auch Schaden anrichtet. Der audiologische Nutzen der Frequenzabsenkung war schon Gegenstand zahlreicher Studien. Zum Teil ergaben sie widersprüchliche Resultate.

5 5 Frequency Composition : Ein neuer Ansatz zur Frequenz Absenkung Studien bestätigten das Potenzial der Technik, die Verständlichkeit von Sprache in Ruhe zu verbessern. Insgesamt aber bestätigten Studien das Potenzial der Technik, die Verständlichkeit von Sprache in Ruhe zu verbessern. Diese Verbesserung ergibt sich zur Hauptsache aus einer besseren Erkennung von Frikativen und Affrikaten (Simpson, Hersbach, und McDermott, 2005; Robinson, Baer, und Moore, 2007; Glista et al., 2009). In einer späteren Studie fanden Bohnert, Nyffeler, und Keilmann (2010) sogar einen Nutzen für Sprache im Störschall. Ausserdem berichten die Studien wiederholt von folgenden Faktoren: Der Nutzen einer Frequenzabsenkung variiert: Gewisse Patienten profitieren viel, andere überhaupt nicht. Die Frequenzabsenkung verlangt einen Kompromiss zwischen einem Gewinn an Sprachverständlichkeit und einer tolerierbaren Einbusse an Klangqualität. Im Hinblick auf die Sprachverständlichkeit zeigt die Frequenzabsenkung gegensätzliche Eigenschaften: nützlich für stimmlose Laute, aber potenziell schädlich für stimmhafte Laute. Der veränderte Klang eines Signals mit abgesenkter Frequenz macht eine Gewöhnung notwendig. Die letzten beiden Aspekte hängen mit der Betriebsart eines Systems zusammen: fix oder adaptiv. Das Ziel einer adaptiven Betriebsart ist es, nur stimmlose Laute zu bearbeiten und stimmhafte Laute nicht anzutasten. Auf diese Weise versucht die adaptive Betriebsart, eine Klang verschlechterung zu vermeiden. Doch wegen des beständigen Umschaltens ist die Gewöhnung an eine adaptive Betriebsart wohl schwieriger als an eine fixe Betriebsart. Auf der Suche nach einem System zur Frequenzabsenkung gilt es schliesslich, folgende Punkte zu beachten: Zur Erhaltung der Klangqualität sollten Signalkomponenten unterhalb 1,5 khz unverändert bleiben. Die Hochtonverstärkung sollte unverändert bleiben, ausser wenn ein Patient von einer Abschwächung profitiert. Im Gegensatz zu einer adaptiven Betriebsart fördert eine fixe Betriebsart die Gewöhnung. Sprachtests zeigen das Ausmass, in welchem Patienten von einer Frequenzabsenkung profitieren und sich an das Verfahren gewöhnen. Frequency Composition ein Ansatz der dritten Generation Frequency Composition ist Bernafons Ansatz zur Frequenzabsenkung. Als Ansatz der dritten Generation bewahrt Frequency Composition die hochfrequenten Signalkomponenten im Ursprungsbereich und überlagert die verschobenen Signalkomponenten jenen im Zielbereich. Mit der Bewahrung der hochfrequenten Töne behält Frequency Composition die Bandbreite des Hörgeräts von 10 khz bei, was zur Klangqualität beiträgt.

6 6 Frequency Composition : Ein neuer Ansatz zur Frequenz Absenkung Frequency Composition wird von der Fitting Software Oasis unterstützt. Mit Oasis lässt sich Frequency Composition flexibel konfigurieren. Zur Optimierung der Grundeinstellung ermöglicht es Oasis, die Hochtonverstärkung im Bedarfsfall zu verringern. Oasis ermöglicht es auch, die Intensität der verschobenen Signalkomponenten zu reduzieren und auf diese Weise den Effekt der Frequenzabsenkung schrittweise abzuschwächen oder zu verstärken. Als Erstes analysiert Oasis das Audiogramm von Patienten und bestimmt daraus die Kandidaten für die Frequency Composition. Danach trifft Oasis eine individuelle Auswahl des Quell- und Zielfrequenzbereichs. Die Auswahl der Kandidaten gründet auf anerkannten Prinzipien (Baer, Moore, und Kluk, 2002; Vinay und Moore, 2007; Salorio-Corbetto, Baer, und Moore, 2012). Ausserdem lässt sich die Frequency Composition auch manuell einschalten für jene Patienten nämlich, die Oasis nicht als Kandidaten vorschlägt. Frequency Composition erreicht, dass Frikative einen wesentlichen Anstieg der Energie im Zielfrequenzbereich bewirken, während der nachteilige Effekt auf Vokale nur minimal ausfällt. Die Auswahl des Quellfrequenzbereichs berücksichtigt auch bestimmte Signaleigenschaften. Insbesondere nutzt Frequency Composition den Unterschied in der spektralen Form von Frikativen (ansteigendes Spektrum) und Vokalen (abfallendes Spektrum). Auf diese Weise erreicht Frequency Composition, dass Frikative einen wesentlichen Anstieg der Energie im Zielfrequenzbereich bewirken, während der nachteilige Effekt auf Vokale nur minimal ausfällt. Die Klangqualität bleibt somit erhalten und durch die fixe Betriebsart fördert Frequency Composition zugleich noch die Gewöhnung. Was schliesslich zählt, ist der Nutzen aus diesen Eigenschaften. In dieser Hinsicht wirft die Frequenzabsenkung drei Fragen auf: 1. Verbessert ein System die Unterscheidung hochfrequenter Laute? 2. Behält es die Klangqualität bei? 3. Funktioniert die Kandidatenauswahl zuverlässig? Für Frequency Composition lautet die Antwort auf alle drei Fragen Ja. Die Resultate aus internen Tests sind aus Abb. 2 ersichtlich. a) b) Konsonanten-Unterscheidung [RAU] unversorgt *** *** * FC aus FC ein Speech Spatial Quality Inferiorität FC schlechter -2 Nicht-Inferiorität FC besser Abbildung 2: Testresultate für Frequency Composition (FC); a) Test zur Unterscheidung hochfrequenter Laute, b) SSQ-Beurteilung Verbesserung der Unterscheidung hochfrequenter Laute Abb. 2a zeigt die Resultate eines Tests zur Unterscheidung von Konsonanten. Das Testmaterial bestand aus Logatomen mit einer Vokal-Konsonant-Vokal-Struktur. Die im Test verwendeten Konsonanten waren die stimmlosen Frikative /s/, /f/ und / / sowie die Affrikate /ts/.

7 7 Frequency Composition : Ein neuer Ansatz zur Frequenz Absenkung Die Kombination der vier Konsonanten mit den drei Vokalen /a/, /u/ und /i/ ergab zwölf verschiedene Logatome. Von einem Mann und einer Frau gesprochen gingen daraus insgesamt 24 Testeinheiten hervor. Die Trefferzahlen in Abb. 2a stammen von 13 Schwerhörigen mit sensorineuralem Hörverlust. Ihr mittlerer Hochtonverlust betrug 81.1 ± 9.1 db HL. Dieser hochgradige Hörverlust veranlasste Oasis, alle 13 Schwerhörigen als Kandidaten für die Frequency Composition einzustufen. Der Test verlief unter drei Bedingungen: unversorgt, versorgt mit ausgeschalteter Frequency Composition und versorgt mit eingeschalteter Frequency Composition. Das unmittelbare Ziel des Tests war das Erfassen von Rohdaten in Form von Trefferzahlen in Prozenten. Diese Trefferzahlen wurden anschliessend einer Rationalized-Arcsine-Transformation unterzogen einer Methode, welche die Prozentwerte einer Inferenzstatistik zugänglich macht (Studebaker, 1985). Frequency Composition erhöht die Unterscheidung hochfrequenter Laute. Wie Abb. 2a zeigt, steigt die Trefferzahl vom unversorgten zum versorgten Zustand und wiederum von Frequency Composition aus zu ein. Ausserdem weist die Statistik den Zuwachs als signifikant aus, und zwar sowohl den Zuwachs vom unversorgten zum versorgten Zustand als auch den Zuwachs von Frequency Composition aus zu ein. Darauf beruht die Schlussfolgerung: Frequency Composition erhöht die Unterscheidung hochfrequenter Laute. Bewahrung der Klangqualität Abb. 2b zeigt das Resultat einer Umfrage mittels des SSQ-Fragebogens ( Speech, Spatial, and Qualities of Hearing von Gatehouse und Noble, 2004). Die Umfrage umfasste 14 Teilnehmer, von denen die Hälfte auch am Test zur Unterscheidung von Konsonanten teilnahm. Diese Teil nehmer waren also von Oasis als Kandidaten für Frequency Composition auserwählt worden. Im Gegensatz dazu war die andere Hälfte der Teil nehmer Nicht-Kandidaten, und zwar wegen eines geringeren Hochtonhörverlusts. Die Umfrage verlief als einfachblinder Crossover-Versuch. Zufällig in zwei Gruppen aufgeteilt benützte die Hälfte der Teilnehmer zunächst ein Hörgerät mit externem Hörer und ausgeschalteter Frequenzabsenkung, die andere Hälfte mit eingeschalteter Frequenzabsenkung. Nach drei Wochen füllten alle Teilnehmer einen SSQ-Fragebogen aus. Anschliessend erhielten die Gruppen die entgegengesetzte Einstellung abermals während drei Wochen. Nach der zweiten Versuchsphase füllten die Teilnehmer wieder einen SSQ-Fragebogen aus. Den Unterschied in der Beurteilung zeigt Abb. 2b. Frequency Composition behält die Klangqualität bei. Abb. 2b zeigt den mittleren Unterschied hinsichtlich der Aspekte Sprache, räumliches Klangbild und Qualität. Die Unterschiede sind alle nahe bei null und die 95 %-Konfidenzintervalle liegen innerhalb einer Skaleneinheit. Im Vergleich zu den zehn Skaleneinheiten des SSQ-Tests ergibt die Nicht- Inferioritätsanalyse ein statistisch signifikantes Resultat: Frequency Composition behält die Klangqualität bei.

8 8 Frequency Composition : Ein neuer Ansatz zur Frequenz Absenkung Die Kandidatenauswahl funktioniert zuverlässig. Zuverlässigkeit der Kandidatenauswahl Was es jetzt noch nachzuweisen gilt, ist die Zuverlässigkeit der Kandi datenauswahl. Damit eine Auswahl zuverlässig ist, muss sie zwischen Patienten unterscheiden, die eher einen Nutzen aus einem Verfahren ziehen, und jenen mit geringerer Aussicht auf Erfolg. Mit anderen Worten: Das Auswahlverfahren muss zwischen Kandidaten und Nicht-Kandidaten unterscheiden. Wie bereits ausgeführt, erzielten Kandidaten eine signifikante Verbesserung im Test mit hochfrequenten Lauten. Als Nicht-Kandidaten den gleichen Test durchliefen, erzielten sie zwar auch ein besseres Ergebnis, aber in geringerem Ausmass als die Kandidaten. Dieses Resultat begründet den Schluss: Die Kandidatenauswahl funktioniert zuverlässig. Frequency Composition bereit für den Einsatz Im Laufe der Zeit hat sich die Frequenzabsenkung zu einem nützlichen System für Hochtonverluste entwickelt. Frequency Composition im Besonderen bewies seine Fähigkeit, die geeigneten Kandidaten zu bestimmen und ihnen einen bedeutsamen Vorteil zu verschaffen. Ausserdem ist auch erwiesen, dass Frequency Composition die Klangqualität bewahrt. Zögern sie also nicht, bei ihrer Arbeit mit möglichen Kandidaten Frequency Composition einzusetzen. Sie finden Frequency Composition in Bernafons Hörsystemen Acriva 9 7.

9 9 Frequency Composition : Ein neuer Ansatz zur Frequenz Absenkung Literatur Baer, T., Moore, B. C. J., & Kluk, K. (2002). Effects of lowpass filtering on the intelligibility of speech in noise for people with and without dead regions at high frequencies. Journal of the Acoustical Society of America, 112, Bentler, R. (2010). Frequency-lowering hearing aids: verification tools and research needs. The ASHA Leader. Retrieved December 18, 2012, from Publications/leader/2010/100406/Frequency-Lowering-Hearing-Aids.htm Bohnert, A., Nyffeler, M., & Keilmann, A. (2010). Advantages of a non-linear frequency compression algorithm in noise. European Archives of Oto-Rhino-Laryngology, 267(7), Braida, L. D., Durlach, N. L., Lippmann, R. P., Hicks, B. L., Rabinowitz, W. M., & Reed, C. M. (1979). Hearing aids a review of past research on linear amplification, amplitude compression, and frequency lowering. ASHA Monographs, 19 (Chapter IV, ). Cox, R. M., Johnson, J. A., & Alexander, G. C. (2012). Implications of high-frequency cochlear dead regions for fitting hearing aids to adults with mild to moderately severe hearing loss. Ear and Hearing, 33(5), Gatehouse, S., & Noble, W. (2004). The speech, spatial and qualities of hearing scale (SSQ). International Journal of Audiology, 43(2), Glista, D., Scollie, S., Bagatto, M., Seewald, R., Parsa, V., & Johnson, A. (2009). Evaluation of nonlinear frequency compression: clinical outcomes. International Journal of Audiology, 48(9), McDermott, H. (2010). The benefits of nonlinear frequency compression for a wide range of hearing losses. Audiology Online. Retrieved December 18, 2012, from audiologyonline.com/articles/benefits-nonlinearfrequency-compression-for-867 Moore, B. C. J., Glasberg, B. R., & Vickers, D. A. (1996). Factors influencing loudness perception in people with cochlear hearing loss. In B. Kollmeier (Ed.), Psychoacoustics, speech and hearing aids. Singapore: World Scientific. Robinson, J. D., Baer T., & Moore, B. C. J. (2007). Using transposition to improve consonant discrimination and detection for listeners with severe high-frequency hearing loss. International Journal of Audiology, 46(6), Salorio-Corbetto, M., Baer, T., & Moore, B. C. J. (2012). Aiding consonant identification with frequency-compression hearing aids for listeners with high-frequency cochlear dead regions. Poster presented at the International Hearing Aid Research Conference, Lake Tahoe. Simpson, A., Hersbach, A. A., & McDermott, H. (2005). Improvements in speech perception with an experimental nonlinear frequency compression hearing device. International Journal of Audiology, 44(5), Studebaker, G. A. (1985). A rationalized arcsine transform. Journal of Speech and Hearing Research, 28, Vickers, D. A., Moore, B. C. J., & Baer, T. (2001). Effects of lowpass filtering on the intelligibility of speech in quiet for people with and without dead regions at high frequencies. Journal of the Acoustical Society of America, 110, Vinay, S. N., & Moore, B. C. J. (2007). Prevalence of dead regions in subjects with sensorineural hearing loss. Ear and Hearing, 28(2), Hauptsitz Schweiz Bernafon AG Morgenstrasse Bern Telefon Telefax