Digitale Hörgerätetechnologie

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Akustische Szenenanalyse

Die speziellen Algorithmen, mit denen in bestimmten Hör-Situationen das Verstehen gezielt verbessert werden kann, haben in anderem kommunikativen Umfeld u.U. die gegenteilige Wirkung. (Richtmikrofon ist ungeeignet, wenn man von hinten angesprochen wird, Störgeräusch-Verminderung geht nicht bei Musik) Insofern ist ein häufiger und rascher Wechsel der zur Anwendung kommenden Signalverarbeitungsstrategien notwendig. Hierzu wird aus der Analyse des Eingangssignals die kommunikative Situation ermittelt. Eine Kontrolleinheit aktiviert dann den in der Erstanpassung voreingestellten Algorithmus für diese Situation. So kann etwa die Mikrofoncharakeristik laufend angepasst werden. Einfache Kommunikationssituationen werden bereits erkannt: Sprache, Sprache in Störschall, Störschall. Die Entwicklung geht weiter...

Bauformen von Hörgeräten

Neben den am weitesten verbreiteten Hinter dem Ohr (HdO) - Geräten gibt es auch Im-Ohr (IO) -Geräte – unterschieden nach den Baugrößen CIC (völlig im Gehörgang), ITC (im Gehörgang), ITE (im Ohr). Im Fortgang ist nur von HdOs die Rede.
Klassische HdOs bestehen aus dem Mikrofon, dem Lautstärkeregler, dem Ein/Aus- und Telefon-Schalter und dem Batteriefach, dem Hörer oder Lautsprecher und dem Ohrwinkel. Die Signalverarbeitung erfolgt in einem integrierten Schaltkreis, meist einem Hybridschaltkreis auf Keramik.

Binaurale Koordination

Binaurale Verarbeitung

Die Signalverarbeitung eines Geräts geschieht bei der binauralen Verarbeitung im Abgleich mit der des anderen Geräts. Hier werden also nicht nur Programmeinstellungen synchronisiert, sondern auch zu verarbeitende Eingangssignale. Ein Beispiel für die Möglichkeiten der binauralen Verarbeitung ist, dass sich ein dominanter Sprecher, der sich im Raum bewegt, bestimmen und seine Stimme mit der Richtcharakteristik der Mikrofone über 360° verfolgen lässt.
Eine andere Anwendung besteht darin, das natürliche räumliche Hören für den Hörgeräteträger zu erhalten bzw. wiederherzustellen. Hierzu wird der sog. Kopfschatteneffekt nachgebildet: Ein Sprachsignal wird auf der Seite, auf der der Hörgeräteträger angesprochen wird, mehr verstärkt, als auf der Gegenseite. Die sogenannte Interaurale Pegeldifferenz wird für den Hörgeräteträger wahrnehmbar und er kann sich so auf einen Sprecher im Raum konzentrieren.

Chip-Technologie

Ab 1996 kamen voll-digitale HdOs auf dem Markt – heute sind sie Standard. Aufbau:

Die Chips werden immer kleiner – Im Jahr 2003 hatten die Strukturen eine Baugröße von 0,13 mm (entspricht 1024k Transistor-Funktionen pro mm2 ), 2008 nur noch 0,03 mm.

Blockdiagramm: die Arbeitsschritte eines digitalen Signalprozessors:

Die Verstärkungsleistung hängt von der Energieversorgung, d.h. der Stärke und damit der Größe der Batterie ab:

Data Logging:

Die mit Data Logging gesammelten Informationen - Hörgewohnheiten mit, wie z.B.Tragedauer, Lautstärkeseinstellungen, Lautstärkeänderungen, Hörumgebungen, Programmwechsel - sind wichtig für die optimale, ganz auf die persönlichen Bedürfnisse abgestimmte Feineinstellung der Hörsysteme.
Data Logging ist die Grundvoraussetzung für die automatische Einstellungen, z.B. der Lautstärke:
Das Hörsystem speichert die Veränderungen der Lautstärke, die im Laufe des Tages vorgenommen werden. Die gelernte Lautstärke berechnet sich aus allen vorgenommenen Änderungen, wobei Änderungen, die lange zurück liegen, weniger berücksichtigt werden. Mit der Zeit erkennt ein Hörsystem genau die in der jeweiligen Situation gewünschte Lautstärke und stellt diese selbst ein.

Dynamik-Kompression

Hörgeräte müssen leise Töne über die Hörschwelle anheben, aber lautere Töne nur so weit verstärken, dass sie nicht in den Unbehaglichkeitsbereich kommen. Die Einstellung der HdOs wird entsprechend der Anpass-Anleitungen (DSL, NAL-NLI) vorgenommen. Die Dynamik-Kompression erfolgt nach der individuellen Hörkurve getrennt nach Frequenzbändern. Die gängigen Systeme haben 2-20 Bänder. Der Grad der Kompression und die Lautstärke, bei der sie wirksam wird (Kniepunkt der Kompression), lassen sich einzeln vorgeben. Analoge HdOs konnten nur linear eingestellt werden.

Filterbank

Hörgeräte müssen eingehenden Schall in Frequenzbänder zerlegen, damit die Signalkomponenten anschließend separat so bearbeitet werden können, dass ein Hörverlust bestmöglich ausgeglichen werden kann. Es werden bis zu 20 Frequenzbänder differenziert, wobei die Bandbreite einheitlich oder uneinheitlich sein kann. (Die Filter sollen den natürlichen Hörvorgang nachbilden, bei dem die gleichzeitig wahrgenommenen Frequenzen in 24 Frequenzgruppen zusammengefasst verarbeitet werden. Die Steilheit der im Hörgerät eingesetzten Filter bestimmt deren Qualität). Der größte Anteil der Zeitverzögerung, die bei digitaler Signalverarbeitung auftritt, entsteht in der Filterbank. Die Verarbeitung eines Signals darf nicht mehr als 10-15 ms betragen, sonst fällt die Verzögerung störend auf.

Frequenz-Kompression

Die Frequenzkompression bringt für die Wahrnehmung des Schallspektrums das, was die Dynamikkompression für die Lautstärkenwahrnehmung leistet. Hohe, für den Schwerhörigen nicht mehr nutzbare Frequenzanteile werden in tiefere und damit hörbare Bereiche transponiert. Schon 1962 befasste sich Friedrich Wilhelm Oeken mit der „... Frequenzbeschneidung und der Frequenztransposition der Sprache sowie Anwendung der Transponierung zur Hörverbesserung“.
Bei der von ihm beschriebenen linearen Verschiebung des gesamten Eingangssignals wird das Signal in seiner Tonhöhe stark verfremdet (Frauenstimmen klingen wie Männerstimmen). Das Verfahren konnte sich nicht durchsetzen. In den neu entwickelten und seit 2008 angebotenen Hörgeräteprogrammen transponiert man nur den Hochtonbereich bis maximal 1,5 kHz linear in den hörbaren Bereich – „Hörbereichserweiterung“ (Widex) oder komprimiert den Hochtonbereich ab einem Kniepunkt von 1,5 kHz oder höher, bei Kompressionsraten von etwa 1,5:1 bis 4:1 - Sound Recover (Phonak). Für das gesunde Ohr klingt frequenzkomprimierte Sprache zwar verfremdet, bleibt aber gut verständlich. Musikhören wird allerdings insofern beeinträchtigt, als die Harmonien von Obertönen verloren gehen. Großen Nutzen hat das Verfahrens v.a. in der Kinderversorgung, da es beim Spracherwerb die hochfrequenten Phoneme hörbar macht und die Kontrolle der eigenen Aussprache ermöglicht.

Abb.: Transposition des Gesamtsignals; Transposition des Hochtonbereichs; Kompression des Hochtonbereichs (nach Stefan Launer, 2008)

Offene Versorgung

Eine geschlossene Versorgung bedeutet, dass das gesamte äußere Ohr und der Hörkanal durch ein Ohrpassstück mehr oder weniger vollständig verschlossen werden (Okklusion). Durch Bohrungen im Ohrstück bis hin zur Versorgung ohne Ohrpasstück („offene Versorgung“) lassen sich die Klangqualität und der Tragekomfort des Hörsystems deutlich verbessern. Eine offene Versorgung gewährleistet, dass das Ohr besser belüftet wird und sich kein Wärmestau oder Feuchtigkeit bilden kann. Die Träger offener Systeme empfinden die eigene Stimme und Schluck- und Kaugeräusche nicht als unnatürlich. Wesentlich natürlicher ist der Klang, wenn sich der Schall bis zum Trommelfell ausbreiten kann und die Richtfunktion des äußeren Ohrs und des Gehörgangs erhalten bleibt. Eine optimale Verstärkung ist vor allem im höheren Frequenzbereich möglich, Tiefen können kaum angehoben werden.
Hierfür kommen nur Geräte in Betracht, die eine schnelle Signalverarbeitung besitzen, deren Eigengeräusche nicht wahrnehmbar sind und die über eine wirksame Rückkopplungsunterdrückung verfügen. Ansonsten könnte es bei einem offenen System zu ungewollten Signalverstärkungen kommen.

Störgeräusch-Absenkung

HdOs mit Richtmikrofonen bringen eine Anhebung des Nutzsignal gegenüber dem Störgeräusch (SNR) um 4 bis 10 dB. Digitale Signalverarbeitung ermöglicht eine weitere Verbesserung, indem sie zwischen Sprache und Geräusch unterscheiden kann. Es gibt verschiedene Verfahren, um Sprache zu erkennen:

- z.B. die harmonischen Obertöne von gesprochenen Phonemen erkennen (sehr rechenintensiv),

- Abschätzung des Störgeräuschs in jedem Frequenzband und dessen Subtraktion (arbeitet schnell): siehe Abbildung (Fig. 10.13).

- Erkennen der für alle Sprachen und Sprecher typischen Modulationsfrequenzen der Umhüllenden (2-8 Hz, geschuldet der Dauer von Wörtern, Silben und Phonemen) (arbeitet langsam). Solche Filter müssen schnell reagieren, damit keine relevanten Sprachanteile abgeschnitten werden. Allen Algorithmen liegt die Annahme zugrunde, dass das Störgeräusch nicht Sprache ist – störende Sprachsignale lassen sich so nicht ausfiltern. (siehe oben Fig. 10.14)

Richtmikrofontechnik

Mit Richtmikrofonen lässt sich Schall räumlich selektieren und somit ungewünschter Schall von gewünschtem trennen. D.h. die SNR kann so effektiv erhöht und die Sprachverständlichkeit verbessert werden. Die Richtmikrofoncharakteristik erreicht man entweder dadurch, dass ein omnidirektionales Mikrofon zwei getrennte Zugänge hat (und bei einem durch einen Dämpfer eine Zeitverzögerung erzeugt wird) oder dass zwei Mikrofone hintereinander geschaltet sind. In beiden Fällen wird das zeitverzögerte Signal von dem anderen abgezogen. Ein physikalisches Maß für die Wirksamkeit von Richtmikrofonen ist der Richtwirkungsindex ( DI = Directivity index). Der Richtwirkungsindex ist für eine bestimmte Frequenz definiert als die Differenz zwischen der Mikrofonempfindlichkeit gegenüber Schall von vorne im Vergleich zu Schall aus allen anderen Richtungen. Ein omnidirektionales Mikrofon hat einen DI von 0 dB, da die Mikrofonempfindlichkeit für alle Richtungen gleich ist. Richtmikrofone, die mit zwei Mikrofonen arbeiten, haben ein theoretisches Maximum des DI von 6 dB im Freifeld. Mit drei Richtmikrofonen sind sogar 9 dB möglich. Allerdings werden an einem künstlichen Kopf typischerweise geringere Werte gemessen, was am Kopfschatteneffekt liegt. Effektiv werden bei drei Mikros bis zu 7 dB erreicht, im Gegensatz zu 4 dB bei zwei Mikros. Ein drei-Mikrofon-System hat eine optimale Richtcharakteristik im Frequenzbereich oberhalb von 1 000 Hz. (Bei niedrigeren Frequenzen wird es evtl sogar deaktiviert, um das Eigenrauschen zu vermindern).

Bei einer so genannten adaptiven Richtcharakteristik sorgt ein spezieller Algorithmus dafür, dass sich die Richtcharakteristik des Mikrofons immer so einstellt, dass das lauteste Störgeräusch abgeschwächt wird. Bewegt sich diese Störquelle relativ zum Hörsystemträger, so folgt die Richtwirkung der Bewegung nach. Diese Anpassung erfolgt kontinuierlich, also ohne wahrnehmbare Übergänge.
Zusätzlich können so genannte Mehrkanal-Richtmikrofonsysteme bis zu vier unterschiedliche Geräuschquellen, die sich bewegen, erkennen und abschwächen. Richtmikrofonsysteme können automatisch und kontinuierlich zwischen einem Rundum-Mikrofon und einem Richtmikrofonsystem wechseln. Bei wechselnden Hörsituationen ist für den Hörsystemträger damit kein manuelles Umschalten zwischen Programmen notwendig.
Solange der Umgebungsschallpegel unter ca. 60 dB bleibt, ist das omnidirektionale Mikrofon aktiviert. Bei höheren Schallpegeln wird auf das Richtmikrofon übergeblendet. Die höhere Richtwirkung entspricht einer um 10 bis 30 % verbesserten Sprachverständlichkeit im Störgeräusch.

Rückkopplungsunterdrückung

Zur Rückkopplung kommt es, wenn das Hörgerät das auf dem Rückkopplungsweg abgeschwächte Ausgangssignal erneut erfasst und über den ursprünglichen Pegel anhebt und wenn zugleich das Eingangssignal mit dem Rückkopplungssignal übereinstimmt. Es gibt drei Möglichkeiten, das Rückkopplungspfeifen zu unterdrücken:

• die Verstärkung in dem gefährdeten Frequenzbereich zurücknehmen, was aber die Hörqualität beeinträchtigt,
• Kerbfilter verwenden – Nachteil: werden erst nach Eintreten der Rückkopplung aktiv,
• Adaptive Filter verwenden, die laufend Rückkopplungskomponenten aus dem Eingangssignal herausfiltern. Hierbei werden die störenden Signale gegenphasig ausgelöscht. Was gut ist für das Sprachverständnis, ist schlecht für das Musikhören, denn der anhaltende Ton eines Streichinstruments wird z.B. als Rückkopplungssignal betrachtet. (Binaurale Verarbeitung kann das schon erkennen!)

Vorteile digitaler Signalverarbeitung:

• Miniaturisierung: Voraussetzung für kosmetisch ansprechende Hörgeräte
• Geringer Energieverbrauch: erlaubt kleinere Batterien
• Geringes Eigenrauschen: Das Rauschen hängt nicht mehr von der Komplexität der Verarbeitung, sondern nur von der bit-Größe im Verarbeitungsprozess ab.
• Reproduzierbarkeit: Die Verarbeitung erfolgt immer gleich
• Zuverlässigkeit: Die Verarbeitung ist keinen äußeren Einflüssen unterworfen
• Programmierbarkeit: Vorhandene Hardware lässt sich beliebig programmieren
• Komplexität: Mit komplexen Berechnungen wächst die Verarbeitungstiefe laufend.

Literatur, Grafiken und Tabellen:

Holube I, Hamacher V: Hearing-Aid Technology. In: Blauert J (Hrsg.): Communication Acoustics. Berlin, Heidelberg, New York 2005, S.255-276

und: http://www.hoergeraete-siemens.de/de/06-technologie/07-richtmikrofonsysteme/02-tri-mic/tri-mic.jsp

[aktualisiert im Januar 2010]