Einfluss von Obertönen auf die Frequenzdiskrimination bei Cochlear Implant Trägern Frank Digeser 1, Anne Hast 1, Horst Hessel 3, Ulrich Hoppe 1 1 Audiologische Abteilung, HNO Klinik, Universitätsklinikum Erlangen, Waldstrasse 1, D-94 Erlangen Cochlear GmbH, Karl-Wiechert-Allee 7A, 3 Hannover, Einleitung Die Frequenzauflösung des Gehörs spielt eine wichtige Rolle beim Hören von Sprache und Musik. Bei Cochlear Implant (CI) Trägern ist die Frequenzauflösung im Vergleich zu Normalhörigen stark eingeschränkt. Während Normalhörige eine Frequenzauflösung von bis zu 3 aufweisen, können Cochlear Implant (CI) Träger oft nur Töne unterscheiden, die deutlich mehr als eine Terz (ca. %) voneinander getrennt sind [1]. Diese reduzierte Frequenzauflösung ist eine Ursache für Vokalverwechslungen und für das in der Regel unzureichende Musikhören []. Eine Reihe von Gründen sind für die begrenzte Frequenzauflösung bei CI-Trägern verantwortlich: Zunächst muss davon ausgegangen werden, dass ein schmalbandiger akustischer Stimulus eine größere Anzahl von Hörnervenfasern erregt als beim physiologischen Hörprozess. Hierfür sind die die Elektroden-Nerv-Ankopplung und die Sprachkodierungsstrategie verantwortlich. Darüber hinaus entspricht die durch die Frequenzzuordnung durch den Soundprozessor zu den Elektroden nicht der physiologischen Frequenzzuordnung des Hörens mit Harzellen. Außerdem sind in der geschädigten Cochlea lokale Unterschiede in der Neuronenpopulation vorhanden, und die Insertionstiefe des Elektrodenarrays variiert interindividuell. Daher ist auch die Auflösung der elektrischen Stimuli entlang des Elektrodenarrays unterschiedlich. In der Konsequenz ist davon auszugehen, dass die Zuordnung von Obertönen durch das CI-System sich von der des physiologischen Hörvorganges unterscheidet und eine verzerrte Abbildung des Spektrums obertonhaltiger Klänge erfolgt. In naher Zukunft wird es eine Reihe von neuen Programmiermöglichkeiten für CI-Systeme geben, deren Nutzen noch unklar ist. Z.B. bieten einige CI-Systeme die Möglichkeit die Frequenzzuordnung für die Elektroden frei zu wählen. Hierzu könnte das Frequenzunterscheidungsvermögen eine wichtige Rolle spielen. Auf der anderen Seite erlaubt die Messung der Frequenzauflösung unter Umständen auch Hinweise auf eine individuelle Modifikation einer Prozessoreinstellung. Ein Ziel der aktuellen Studie war es, den Einfluss von Obertönen auf die Frequenzunterscheidbarkeit bei CI Trägern zu untersuchen. Insbesondere wurde hierzu die Frequenzdiskrimination für Sinustöne und sägezahnförmige Klänge verglichen. In Anlehnung an psychoakustische Datenreduktionsalgorithmen ist kürzlich eine neue Sprachkodierungsstrategie entwickelt worden, die unter Berücksichtigung der Simultanmaskierung versucht perzeptiv irrelevante Stimulationen zu vermeiden (MP3) [3]. Wegen der begrenzten Anzahl simultan aktiver Elektroden (Maxima) bestand die Vermutung, dass durch dieses neue Stimulationsmuster die Frequenzauflösung insbesondere für obertonhaltige Klänge beeinflusst wird. Die Messung des Frequenzunterscheidungsvermögens mit dieser neuen Strategie war das zweite Anliegen dieser Studie. Material und Methoden Die Tests wurden an einer Gruppe von 11 CI Trägern im Alter von 4 bis7 Jahren (MW=3±, 4 Frauen und 7 Männer) durchgeführt. Alle CI Träger hatten ein Nucleus Freedom System und mindestens 3 Monate Erfahrung mit dem elektrischen Hören. Sie hatten sowohl mit der ACE Strategie mit 8 Maxima als auch mit der MP3 Strategie mit 4 Maxima, die sie in einer vorangegangenen Studie getestet haben, Erfahrung von mindestens vier Wochen. Es wurden adaptive AFC Tests zur Frequenzunterscheidung bei unterschiedlichen Grundfrequenzen in ¼-Ton Schritten (entsprechend,93%) durchgeführt. Die Test-Frequenzen lagen bei 19 Hz und bei 494 Hz, 988 Hz, 197 Hz, 391 Hz und entsprachen den Mittenfrequenzen der Prozessoreinstellung. Als Startwert für den adaptiven Test wurde ein Intervall von n gewählt. Bei zwei aufeinanderfolgenden richtigen Antworten wurde das Intervall um einen Viertelton reduziert, bei einer falschen Antwort um einen Viertelton erhöht (up-1down stepping rule). Nach 18 Umkehrpunkten wurde die Messung abgebrochen, und das Ergebnis wurde über die letzten 1 Umkehrpunkte gemittelt. Ein Beispiel einer Messung ist in Abbildung 1 gezeigt. 1
1 Freq: 19 Hz 9.7917 identifiziert 1 Freq: 494 Hz Intervall [].71 identifiziert 1 Freq: 988 Hz 1 identifiziert 1 Freq: 197 Hz 1 1 identifiziert Freq: 391 Hz Abbildung 1: Beispiel einer -AFC Frequenzunterscheidung. Die Intervallgröße in n ist in Abhängigkeit vom Versuchsfortschritt aufgetragen. Ein blaues Kreuz entspricht einer richtigen Antwort, ein roter Punkt einer falschen Antwort. Falsche Antworten, die zusätzlich einen unteren Umkehrpunkt darstellen, sind zusätzlich grün umrandet. Die oberen Umkehrpunkte sind nicht eingezeichnet. Als Stimuli Sinustöne von, Sekunden Dauer mit ms Flanken im Abstand von, Sekunden präsentiert. Der Pegel wurde auf eine angenehme Lautstärke eingestellt (ca. db), wobei die Pegel der einzelnen Töne zufällig und mit maximal ±4 db variierten. Der Proband wurde angewiesen, den höheren der beiden Töne zu benennen. Es wurde kein Feedback gegeben, und es wurde eine Wiederholung erlaubt. In einem zweiten Test wurden die Sinustöne durch Töne einer Sägezahnschwingung ersetzt. Diese Töne besitzen alle geradzahligen und ungeradzahligen Obertöne, deren Pegel mit db/oktave abnimmt. Der Test wurde sowohl mit der ACE als auch mit MP3 Strategie durchgeführt. Die Frequenzzuordnung auf die einzelnen Elektroden war bei allen Probanden und beiden Kodierungsstrategien identisch. Ergebnisse 1 identifiziert 3 4 Fortschritt Tonhöhenerkennung von Sinustönen und Sägezahnschwingungen In Abbildung ist das Frequenzunterscheidungsvermögen von Sinus- und Sägezahntönen bei Verwendung der ACE Strategie mit 8 Maxima dargestellt.
18 Frequenzunterscheidung ACE: Sinus und Sägezahn Sinus Sägezahn. 11. 3.3 7.. 3.78.4 3.41.98.4 19 494 988 197 391 Abbildung : Ergebnisse der Frequenzunterscheidungstests für Sinus (gelb) und Sägezahn (rot) für die ACE Strategie. Die Balken entsprechen dem Mittelwert der Frequenzunterscheidungsvermögen in n. Die Fehlerbalken geben die Standardabweichung an. Das Frequenzunterscheidungsvermögen von CI Trägern mit ACE ist für die obertonreiche Sägezahnschwingung im Mittel signifikant schlechter als für Sinustöne derselben Grundfrequenz (Wilcoxon Rangsummentest, p<,). Die deutlichsten Unterschiede zwischen den beiden Signalen traten bei der tiefsten Frequenz von 19 Hz auf (11 für den Sägezahn und für den Sinus, Abbildung ). Es gibt einen Trend von geringeren Unterschieden des Frequenzunterscheidungsvermögens zwischen den beiden Signalformen zu den höheren Frequenzen hin. Bei 391 Hz ergab sich kein signifikanter Unterschied zwischen den Signalformen. Bei den übrigen Frequenzen betrug der Unterschied ca. 1-4. Das Frequenzunterscheidungsvermögen von Sinus- und Sägezahnschwingung bei Verwendung der MP3 Strategie ist in Abbildung 3 gegenübergestellt. Es ist für Signalformen ähnlich und es gibt bei keiner Frequenz einen signifikanten Unterschied. Auch bei dieser Strategie ist das Frequenzunterscheidungsvermögen bei tiefen Frequenzen (19 Hz) deutlich schlechter als bei hohen Frequenzen. Dies gilt für beide Strategien sowohl für die Sinus- als auch für die Sägezahnschwingung. Frequenzunterscheidung MP3: Sinus und Sägezahn Sinus Sägezahn 8.8 9.3 3. 4.9 4.4.3 3.17 3.38 3.3 1.89 19 494 988 197 391 Abbildung 3 Ergebnisse der Frequenzunterscheidungstests für Sinus (gelb) und Sägezahn (rot) für die MP3 Strategie. Tönhöhenerkennung bei unterschiedlichen Sprachkodierungsstrategien In Abbildung 4 ist das Frequenzunterscheidungsvermögen von Sinustönen vergleichend dargestellt, jeweils bei Verwendung der MP3 (4Maxima) und der ACE Strategie (8 Maxima). Das Frequenzunterscheidungsvermögen bei Sinustönen mit MP3 Strategie ist bei den Frequenzen 19 Hz und 988 Hz im Mittel signifikant schlechter als bei der ACE Strategie. Die interindividuelle Streuung der Ergebnisse ist bei beiden Strategien ähnlich. Der deutlichste Unterschied des Frequenzunterscheidungsvermögens zwischen den beiden Strategien trat erneut bei der tiefsten Frequenz von 19 Hz auf (ca. 9 für MP3 und ca. für ACE). Bei den anderen Frequenzen ergab sich kein signifikanter Unterschied zwischen den Strategien. 3
Frequenzunterscheidung Sinus: ACE und MP3 ACE (8 Maxima) MP3 (4 Maxima). 8.84 3.3 3.9. 4.47 3.41 3.17.98 1.89 19 494 988 197 391 Abbildung 4 Ergebnisse der Frequenzunterscheidungstests für Sinus mit der ACE Strategie (blau) und Sinus mit der MP3 Strategie (magenta) Die vergleichende Darstellung der MP3 (4Maxima) und der ACE Strategie (8 Maxima) hinsichtlich des Frequenzunterscheidungsvermögens sägezahnförmiger Klänge ist in Abbildung zu sehen. Das Frequenzunterscheidungsvermögen bei der Sägezahnschwingung ist mit MP3 Strategie generell um -3 besser als mit der ACE Strategie. Allerdings ist nur der deutlichste Unterschied bei der Frequenz 197 Hz signifikant (ca. für ACE und ca. 3 für MP3). Die individuelle Streuung der Ergebnisse ist bei beiden Strategien ähnlich. Frequenzunterscheidung Sägezahn: ACE und MP3 18 ACE (8 Maxima) MP3 (4 Maxima) 11. 9.39 7. 4.91 3.78.38.4 3.38 3.39.4 19 494 988 197 391 Abbildung Ergebnisse der Frequenzunterscheidungstests für Sägezahn mit der ACE Strategie (blau) und Sägezahn mit der MP3 Strategie (magenta) Diskussion Die Unterscheidung von Tonhöhen bei Sinustönen und obertonhaltigen Signalen ist bei den hier untersuchten CI-Trägern im Vergleich zu Normalhörigen deutlich eingeschränkt. Bei Grundfrequenzen von weniger als 494 Hz ist die Tonhöhenunterscheidung signifikant schlechter (ca. bei 19 Hz), bei höheren Frequenzen ist es nahezu konstant (ca. 4 ). Für die ACE Strategie war bei allen getesteten Grundfrequenzen die Diskriminierung von obertonhaltigen Signalen schlechter als die von Sinustönen. Der Unterschied ist am größten für die niedrigste Grundfrequenz von 19 Hz (etwa Faktor ). Lediglich bei der höchsten Grundfrequenz von 391 Hz findet sich kein nachweisbarer Unterschied. Dies kann durch die obere Grenzfrequenz der CI-Systeme von etwa 8 Hz erklärt werden. Dadurch wird neben dem Grundton maximal überhaupt ein Oberton übertragen. Bei Verwendung der neuartigen MP3 Strategie mit 4 Maxima wurden keine signifikanten Unterschiede der Tonhöhenunterscheidung zwischen Sinustönen und obertonhaltigen Signalen beobachtet. Im Vergleich zu der konventionellen Strategie ACE mit 8 Maxima wurden jedoch für die Sinustöne tendenziell etwas schlechter Tonhöhenunterscheidungen beobachtet, während die Tonhöhe obertonhaltiger Signale ähnlich gut unterschieden werden konnte wie mit der ACE Strategie. Möglicherweise kompensiert die Maximaselektion in der MP3 Strategie (Reduktion von 8 auf 4 Maxima) den negativen Einfluss der verzerrten Abbildung der Obertöne auf die Frequenzdiskrimination. 4
Zusammenfassend sprechen die Ergebnisse dafür, dass eine bessere Frequenzabbildung von Obertönen auch eine Verbesserung der Frequenzdiskrimination obertonhaltiger Klänge mit sich bringen könnte. Diese Fragen werden in weiteren Studien untersucht. Dieses Projekt wurde gefördert von der Firma Cochlear Ltd., London. Literatur Haumann S, Mühler R, Ziese M, von Specht H, (7) Diskrimination musikalischer Tonhöhen bei Patienten mit Kochleaimplantat. HNO (8): 13-9 Mc Dermott HJ (4) Music perception with cochlear implants: a review CI. Trends Amplif 8(): 49-8 Nogueira, W., Bu chner, A., Lenarz, T., Edler, B.() A psychoacoustic "NofM"-type speech coding strategy for cochlear implants. Eurasip J.Appl. Signal Proc. 18:344-39.