Cocktailparties und Hörgeräte: Eine anhörliche
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Prof. Dr. rer. nat. Dr. med. Birger Kollmeier Medizinische Physik Cocktailparties und Hörgeräte: Eine anhörliche Reise durch unser Gehör Aus zwei Tönen werden drei (und mehr....) z Medizinische Physik Distorsionsprodukte f1 f2 2f1-f2 1200 2000 Frequenz in Hz Primärton f1 Primär-Chirp f2 f1 und f2 2800 Herrmann v. Helmholtz (1821-1894): Medizinische Physik „... Würde sich ein Optiker beifallen lassen, ihm ein so fehlervolles Instrument wie das manliche Auge zu liefern - voll Entrüstung schickte er es ihm zurück!“ : Wie schafft es unser Gehirn, mit diesen „Unzulänglichkeiten“ zurechtzukommen? Ansatz: Vergleich von Experiment, Modell & Anwendung Versuchsperson Akustische Szene FilterFilterbank bank Envelope/ Envelope/ Compression Compression Internal Internal Noise Noise FilterFilterbank bank Envelope/ Envelope/ Compression Compression Medizinische Physik Test Ergebnis ModulationModulationFilterbank Filterbank Binaural Binaural Noise Noise Reduction Reduction ModulationModulationFilterbank Filterbank Central Central „optimal“ „optimal“ pattern pattern recognizer/ recognizer/ processor processor Vorhergesagtes Ergebnis Auditorisches Modell SystemLeistung Hörgerät/ Computer Das Ohr aus Sicht des Mediziners Medizinische Physik Schallaufnahme im Ohr Medizinische Physik Außenohr 1.Gehörgang 2.Trommelfell 3.Hammer Mittelohr 4.Amboss 5.Steigbügel 6.Ovales Fenster 7.Kanal, der zur Innenohr Nase führt 8.Cochlea 9.Hörnerv aus http://www.otikids.de/1-0-understanding Wanderwelle im Innenohr - der Frequenzanalysator im Ohr Medizinische Physik Das Transformationsorgan (Cortisches Organ) Medizinische Physik Innere Haarzellen (“Mikrophon”) z Äußere Haarzellen (“Lautsprecher”) Auslenkung an der Schwelle: 0,04 Grad oder 3,5 nm !! z Die „rockende Haarzelle“ Medizinische Physik Video von J. Ashmore, http://www.physiol.ucl.ac.uk/ashmore/ Otoakustische Emissionen Medizinische Physik z z Aufnahme mit empfindlichen Mikrophon im Gehörgang Spontane OAE vs. passiver Kuppler Keine Beziehung zu Tinnitus! evozierte OAE: objektiver Hörtest für Neugeborene (und subjektiv für Sie!) z f1 60 DP Pegel − dB SPL z f2 40 2f1-f2 20 0 −20 −40 −60 1000 2000 3000 Frequenz − Hz 4000 Haare der Haarzellen in der Disco Vorher Danach Medizinische Physik Nach „zu Leise“ kommt „zu Laut“: Das Recruitment -Phänomen Recruitment-Phänomen Normalhörend Schwerhörig Medizinische Physik Cocktail-Party-Effekt Medizinische Physik z z Monaurale Komponente (InnenohrVerzerrungen) Binaurale Komponente (Verarbeitung im Kopf) z z z Interauraler Laufzeitunterschied Interauraler Intensitätsunterschied Richtungsabhängige Beugung/Filterung Reflexionsarmer Raum mit Lokalisations-Apparatur, Universität Oldenburg Schnelltest Ihres „CocktailParty-Prozessors“ Medizinische Physik Können Sie diesen Satz verstehen? (Drei Wiederholungen, Signal- Störabstand SNR nimmt zu) -10 dB -5dB 0dB 5 dB 10 dB SNR So funktioniert der Schnelltest.... Medizinische Physik Sprachverständlichkeits-Schwelle für.... Cochlea-ImplantatNutzer, Raum mit Hall -10 dB Normalhörene, Kopfhörer -5dB 0dB 5 dB Normalhörende, Raum mit Hall Schwerhörige, Kopfhörer Oldenburger Satztest Olsa 10 dB SNR Schwerhörige, Raum mit Nachhall Kontinuitäts-Illusion: Können wir unseren Ohren trauen? Medizinische Physik Music + pauses + noise (+6dB) Hören Sie durchgehende Musik? Music & pauses (500/125 ms) Bregman´s Bs top-down Verarbeitung unseres Hirns Das Ohr aus Sicht des Mediziners Medizinische Physik ...und das Ohr aus Sicht des Physikers 11 FilterFilterbank bank Schallsignal Interne Repräsentation 22 Einhüllende/ Einhüllende/ Kompression Kompression 44 FilterFilterbank bank ModulationsModulationsFilterbank Filterbank Internes Internes Rauschen Rauschen 22 11 Medizinische Physik Einhüllende/ Einhüllende/ Kompression Kompression Binaurale Binaurale StörschallStörschallUnterUnterdrückung drückung 33 Zentraler Zentraler „optimaler“ „optimaler“ MusterMusterErkenner/ Erkenner/ Prozessor Prozessor ModulationsModulationsFilterbank Filterbank Modell der „effektiven“ Verarbeitung im auditorischen System & Störungen 11 44 „Computational Psychophysics“: Oldenburger Modell der „effektiven“ Signalverarbeitung im Gehör Input: Akustisches Signal Medizinische Physik • Simuliert Signalverarbeitung & Informationsverlust im Ohr per Computer • Vergleich Simulation vs. Psychophysik • Gleichzeitige Vorhersage von – Psychophysik – Sprachdiskrimination Output: Interne Repräsentation – Effekt von Schwerhörigkeit Wie verarbeitet das Gehirn die Signale aus dem Ohr? Tonotopie (klassische Frequenz-OrtsUmsetzung) z ModulationsfrequenzAbbildung z Räumliche (binaurale) Abbildung U [u V ] z 0.5 0 -5 0 5 10 t [ms] Medizinische Physik Quizfrage: Medizinische Physik Kleinster hörbarer Zeitunterschied zwischen rechts und links? Δ Weg =34 m Δ Weg =3,4 m A: 0,1 s B: 0,01 s C: 0,001 s D: 0,00001 s Δ Weg =34 cm Δ Weg =0,34 cm Wie mißt unser Gehirn Zeitunterschiede? Medizinische Physik z Laufzeitmodell (Jeffress, 1948) z Phasenmodell (Grothe & McAlpine, 2002) ϕl Δϕ ϕr Gesetz der ersten Wellenfront Medizinische Physik Aus welchem Lautsprecher kommt der Ton? Linker Lautsprecher Rechter Lautsprecher Anwendungen von Gehörmodellen z Signalkodierung (z.B. Coder Signal MP3-Audio-Kodierung, Handy..) z SignalqualitätsBewertung (z.B. Mobiltelefon, Hörgerät..) z z Sprach- und Mustererkennung Medizinische Physik Kodiertes Signal OriginalSignal Signal Hörgeräte Modell Decoder Modell QualitätsMaß Modell Modell (NH) Signal Modell (SH) Erkenner Modifikation Was können Hörgeräte ausrichten? Abschwächung: (lineare) Verstärkung Kompressions-Verlust: 22 (modellbasierte) Dynamikkompression 11 Binauraler Verlust: „echt“ 33 binaurale Signalverarbeitung, Stör-Reduktion Zentraler Hörverlust: Stör44 Reduktion, Situationsanpassung Medizinische Physik „Cocktail party Prozessor“: Trennung von Nutzsprecher und Störschall Medizinische Physik Blinde Quellentrennung (Anemüller&Kollmeier, 2002) z z Mischung zweier Quellen in einem Raum Trennung der ersten Quelle Zweite Schallquelle Binauraler adaptiver Richtungsfilter (Wittkop, 2000) z z Ein Sprecher im Rauschen Ein Sprecher von vorn z z + 3 Störsprecher + Algorithmus Lokalisations-Modell-basierter Richtungsfilter (Nix & Hohmann, z z z 2002) 2 Quellen, unbearbeitet 2 Quellen, verarbeitet, erste Richtung // zweite Richtung 3 Quellen, unbearbeitet//verarbeitet Hörgeräte heute Medizinische Physik Image als “Prothese” z volldigital seit 7 Jahren z (Phonak, Siemens, Oticon, GNReSound, Widex,...) monaural oder bilateral z Verstärkung z Dynamikkompression (wenig Bänder) z geringe Störunterdrückung z Programmwahl z Hörgeräte morgen....(?) Medizinische Physik z z z z z z z z “Personal communication device” voll digital, voll vernetzt binaural Verstärkung Modellbasierte Kompression Situationsabhängige StörReduktion automatische Programmwahl ..... Fazit Medizinische Physik Neurosensorik: von der Psychophysik und Physiologie zu Modellen und Anwendungen z Hörtechnologie ist nur so gut wie unser Wissen über Gehör & Gehirn z Anwendungen: Telekommunikation, Audiologie, Hörgeräte z Moderne “Versteh”-Geräte z Exponate des Hörgartens www.hoergarten.de Medizinische Physik Das Original: Hörstuhl aus dem 19. Jahrhundert Medizinische Physik ...und unsere Fälschung: Der Hör-Thron Medizinische Physik Ein binaurales „Hörgerät“ mit Richtungslupe als Mischung aus Wissenschaft, Kunst & Technik Vielen Dank, ich bin ganz Ohr! Haus des Hörens, Oldenburg
