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Neue Codierungsstrategien für Cochlea-Implantate

25.05.1998 - (idw) Technische Universität Darmstadt

Mit Hilfe von Cochlea-Implantanten können Menschen, die ihr Gehör verloren haben, wieder hören. Wie für jeden einzelnen die Sprachsignale am besten codiert werden müssen, ist üblicherweise nur über eine aufwendige klinische Versuchsreihe zu ermitteln. Das von dem Darmstädter Wissenschaftler Dr.-Ing. Uwe Meyer-Bäse am Institut für Digitaltechnik (Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik) entwickelte Verfahren erlaubt es, den Höreindruck synthetisch zu erzeugen und auf diesem Weg rascher und sicherer die beste Codierungsstrategie für den Patienten zu ermitteln.

Synthetischer Höreindruck im Experiment

Verbesserung der Codierungsstrategien bei Cochlea-Implantaten

Der Hörvorgang beim Menschen ist ein mehrstufiger, komplexer Prozeß. Hierbei wer-den die Schallwellen, die das Ohr erreichen, in Nervenimpulse umgesetzt, welche über den Hörnerv zum Gehirn übertragen werden. Eine wichtige Rolle bei der Wand-lung von Schall in Impulsmuster spielen die Haarzellen auf der Basilarmembran, die sich in der Gehörschnecke (Cochlea) befinden. Wird eine Haarzelle, ausgehend von einem akustischen Reiz, verformt, gibt diese Transmitter frei, wodurch Impulse an der Hörnervenfaser ausgelöst werden können.
Text, 1-sp.
Bei tauben oder hörgeschädigten Menschen ist meistens die Funktion der Haarzellen gehemmt oder gar nicht mehr vorhanden. Ein Mensch von Tausend verliert während seiner Lebenszeit sein Gehör, z.B. durch Hirnhautentzündung oder mehrere Hörstür-ze. Um den Gehörschaden zu beheben, werden Cochlea-Implantate eingesetzt. Im Gegensatz zu Hörgeräten, die ein akustisches Signal lauter oder deutlicher erscheinen lassen, sind Cochlea-Implantate medizinische elektronische Geräte, die die Funktion der defekten Haarzelle übernehmen, indem sie direkt die entsprechenden Hörnerve-nenden elektrisch stimulieren. Allein in den USA vermutet man, daß ca. 500 000 Pa-tienten von solch einem Cochlea-Implantat profitieren könnten. Demgegenüber gibt es derzeit weltweit erst ca. 17 000 Menschen mit Cochlea-Implantat.
Es gibt eine Reihe verschiedener Cochlea-Implantate. Im wesentlichen bestehen sie alle aus einem externen Mikrophon, einem Signal-Prozessor, einem Übertrager (Sender und Empfänger) und einer verschiedenen Anzahl von Elektroden, die in einer Operation den Patienten in die Cochlea implantiert werden. Bild (1) zeigt den implan-tierten Zustand nach der Operation.
Die Qualität der verschiedenen Implantate hängt im wesentlichen von der realisierten Codierungsstrategie ab. Unter Codierungsstrategie versteht man dabei die Umsetzung der Sprach- bzw. Audiosignale in elektrische Stimuli-Sequenzen, die dem Gehirn über den Hörnerv angeboten werden.
Eine anspruchsvolle Methode, die zu einer wesentlichen Vereinfachung bei der Beur-teilung von Codierungsstrategien eingesetzt werden kann und Thema des hier vorge-stellten Forschungsprojektes ist, ist die Synthese eines Sprachsignals aus den Im-pulssalven der Implantate, die durch den Hörnerv an das Gehirn weitergeleitet wer-den. Mit anderen Worten ist es das Ziel, den Höreindruck synthetisch zu erzeugen, wie ihn taube Patienten mit einem Cochlea-Implantat hören.
Die übliche Vorgehensweise, verschiedene Codierungsstrategien miteinander zu vergleichen, besteht in einer aufwendigen, langen klinischen Versuchsreihe. Dabei werden dem Patienten verschiedene Codierungsstrategien über das Implantat ange-boten. Ausgehend vom Hörerfolg werden dann die verschiedenen Codierungsstrate-gien bewertet. Diese langwierige, aufwendige Praxis könnte durch Experimentieren mit dem synthetischen Höreindruck deutlich verbessert werden.
Eine weitere Zielsetzung dieser Synthese könnte es sein, bei Kindern mit Implantaten während der Wachstumsphase eine codierungstechnische Anpassung vorzunehmen. Bei Erwachsenen ist überlicherweise die Länge des Elektrodenarrays so gewählt, daß 1,5 Windungen der Gehörschnecke abgedeckt sind. Da bei Kindern die physikalisch gleichen Cochlea-Implantate verwendet werden, ergibt sich aufgrund der kleineren Cochlea hier eine größere Abdeckung von typisch 2 bis 2,5 Windungen der Gehör-schnecke. Zum einem stimulieren daher die jeweiligen Elektroden bei Kindern andere Frequenzbereiche auf der Cochlea als bei Erwachsenen; zum anderen verändert sich (wenn auch sehr langsam) der Höreindruck beim Wachstum der Kinder, da die Cochlea wächst, das Cochlea-Implantat aber starr ist. Über die Jahre ist daher eine Anpassung der Codierung nötig. Mit Hilfe des beschriebenen synthetischen Hörein-drucks sollte es möglich sein, eine solche Anpassung mit besserem Hörerfolg (d.h. geringerer neuer Lernphase) beim Wachstum der Cochlea zu erreichen.
Uwe Meyer-Bäse

Informationen zum Autor:

Dr.-Ing. Uwe Meyer-Bäse ist wissenschaftlicher Mitarbeiter von Prof. Dr.-Ing. Wolf-gang Hilberg im Fachgebiet Digitaltechnik der TU Darmstadt. Er forscht auf den Gebieten digitale Signalverarbeitung, Residuen-Arithmetik sowie Filterbänke und Wavelets. An derTU Darmstadt ist er über das Institut unter der Telefonnummer 06151/16 4066 erreichbar.
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