Medizinische Physik

Signal Processing for Hearing Aids

Von aktiven, nichtlinearen Prozessen im Ohr über numerische Hörmodelle bis hin zur Musikübertragung im Internet mit MP3 oder objektiver Beurteilung der Sprachgüte von Handys: Die Hör-Akustik hat unmittelbare Auswirkungen auf unser tägliches Leben – nicht nur wenn eine Hörstörung auftritt oder wenn man auf einer lebhaften Party nichts mehr versteht. Für die Physik ist die Analyse der effektiven Funktion des Gehörs als komplexes Gesamtsystem interessant. Die Umsetzung dieser Analyse in ein Hörmodell ermöglicht eine Vielzahl technischer Anwendungen.

Auditorische Szenenanalyse: Wie machen wir uns ein akustisches Bild der Umgebung?

Hören funktioniert unbewusst, kaum jemand macht sich die komplexen Prozesse im Ohr und Gehirn bewußt, die aus Schallwellen "gehörte" Informationen machen. Zu den größten Rätseln zählt dabei, wie wir aus einer Vielzahl von Schallquellen - sprechende Menschen, bellende Hunde, lärmende Autos - die Stimme desjenigen herausfiltern, der etwas erzählt. Bei Gesunden läuft das perfekt ab, bei Schwerhörigen sieht das ganz anders aus: Kommunikation gelingt ihnen nur noch, wenn die Hintergrundgeräusche weitgehend eliminiert sind. Hörgeräte helfen nur teilweise, weil es noch nicht gelungen ist, die komplizierten Vorgänge im Gehör zur Objektbildung technisch nachzubilden.

Eine Cocktailparty: Stimmen, Gläserklirren, dezente Musik. Alle reden miteinander, teilweise zu zweit, teilweise in kleinen Gruppen - aber nicht jeder versteht, was sein Gegenüber ihm sagt. Krampfhaft versucht mancher aus den Lippenbewegungen das Gesprochene abzulesen - umsonst, Gehör und Gehirn sind in dieser akustischen Umgebung überfordert. 15 Prozent aller Deutschen leiden unter einer Innenohr-Schwerhörigkeit; Tendenz steigend, schon deshalb, weil unsere Gesellschaft immer älter wird und Schwerhörigkeit ein klassisches Altersproblem ist. Bei jungen und gesunden Menschen arbeitet das Gehör perfekt und vor allem im Dauerbetrieb.

Digitale Hörgeräte

Das erste Hörgerät mit digitaler Verarbeitung der akustischen Signale wurde 1996 vorgestellt. Obwohl die digitale Technik zu diesem Zeitpunkt bereits mit der CD in allen Wohnzimmer Einzug gehalten hatte, war es eine Überraschung für alle in der Hörgerätebranche, dass es möglich war, diese Technik und diese Prozessorleistung auf kleinstem Raum im Hörgerät unterzubringen und mit geringstem Energiebedarf zu betreiben. Nicht einmal Mobiltelefone, die gemeinhin als Innovationswunder gelten, erreichten diese Effizienz. Man kann also die Einführung des digitalen Hörgeräts ohne weiteres als Quantensprung bezeichnen. Seitdem ist die Entwicklung schnell weitergegangen und alle großen Hörgerätehersteller bieten mittlerweile volldigitale Geräte an, die eine komplexe digitale Verarbeitung der akustischen Signale erlauben. Die verfügbare Prozessorleistung im Hörgerät steigt dabei etwa genauso schnell wie diejenige der Heim-PCs, was im wesentlichen an den verwendeten Packungsdichten der Bauteile auf den Prozessor-Bausteine liegt, die in beiden Bereichen gleichermaßen steigen.

Computer (z.B. Hörgeräte) können die Fähigkeiten des menschlichen Gehörs noch nicht nachbilden. Ein Hörgerät, das alle akustischen Signale gleichermaßen verstärkt, nutzt in Cocktailparty-Situationen nichts. Vielmehr muss es die Trennung der Sound-Objekte durchführen und selektiv verstärken. Es zeigt sich, dass neben der hohen Selektivität des Gehörs für verschiedene Frequenzen/Tonhöhen die Wahrnehmung von Amplitudenmodulationen (schnellen Lautstärkeschwankungen) sowie das Richtungshören eine wesentliche Rolle für diese Objekttrennung und –erkennung spielt. Das Richtungshören wiederum ist eng verknüpft mit dem zweiohrigen (binauralen) Hören, das eine Verrechnung der an beiden Ohren ankommenden Schallwellen ermöglicht.

Woran wir arbeiten ...

In Oldenburg arbeiten wir an Algorithmen, die den Cocktailparty-Effekt ins Hörgerät bringen. Dabei arbeiten wir an mehreren Ansätzen zur Störgeräuschunterdrückung - von (binaural-verschalteten) Richtmikrofonen bis zu stochastischen Algorithmen.
Es geht bei unserer Arbeit um Grundlagenforschung im Bereich der Algorithmen für die Sprachverarbeitung in Hörgeräten. Wir arbeiten an u.a. an Algorithmen

  • zur Störgeräuschunterdrückung
  • zur Dynamikkompression, d.h. zum Ausgleich von Störungen der Lautstärkewahrnehmung bei Schwerhörigen
  • zur Signalklassifikation, d.h. Automatische Signalklassifikation zur Bestimmung der aktuellen Hörumgebung.

Contact:

PD Dr. Volker Hohmann
Medical Physics Section
Carl von Ossietzky-Universität Oldenburg
D-26111 Oldenburg
Germany

e-mail: volker.hohmann_AT_uni-oldenburg.de
phone: +49 441 798-5468
fax: +49 441 798-3902
office location: W2 2-266

Group members:

Hohmann, Volker

Ewert, Stephan

Dietz, Mathias

Grimm, Giso

Fredelake, Stefan

Klein-Hennig, Martin

Eilers, Reef

Harlander, Niklas
 

Click on the name of the group member (link to the staff list), please.
Note: substitute _AT_ by @ within the email addresses, please

Further Information

"Cocktail-Partys und Hörgeräte: Biophysik des Gehörs", article by Prof. Dr. Dr. Birger Kollmeier in Physik Journal 1 2002 Nr. 4 (German only) with audio demonstrations