Phonak Insight Roger Pen Overvind udfordringerne ved at forstå tale Denne avancerede, trådløse universal-mikrofon hjælper folk med en hørenedsættelse til at forstå mere tale i støj og på afstand. Roger Pen er designet til at være diskret og har adaptiv trådløs transmission, fuldt automatiserede indstillinger, Bluetooth med bredbåndslyd til brug med en mobiltelefon, mulighed for tilkobling til et TV samt en lydindgang, så man kan lytte til multimedier. Roger Pen fungerer sammen med enten designintegrerede Roger-modtagere til Phonak-høreapparater og visse cochlear implantprocessorer eller universal Roger-modtagere, som kan fastgøres til høreapparatet ved hjælp af en audiosko, eller kropsbårne halsslynge-modtagere. Roger digital, adaptiv, trådløs teknologi på 2,4 GHz Roger er en teknologistandard, som er udviklet af Phonak. Den omfatter adaptiv, trådløs transmission og sender på 2,4 GHz-båndet. Roger-lydsignalerne digitaliseres og pakkes i meget korte (160 μs) digitale datablokke (pakker) og sendes flere gange, hver gang på forskellige kanaler mellem 2,4000 og 2,4835 GHz. Ved at hoppe mellem frekvenserne på de forskellige kanaler og sende gentagne gange undgår man problemer med interferens. Lydforsinkelsen mellem en Roger-mikrofon og udgangslyden på en Roger-modtager er kun 17 ms, svarende til forsinkelsen af lyd, der går igennem 5,8 meter luft. Hermed undgår man eventuelle problemer med læbesynkronicering eller ekkodannelse. Roger-systemer kan heller ikke aflyttes, hvilket betyder, at brugerens privatliv ikke krænkes, heller ikke ved et tilfælde. Den frekvenshopning, som Roger anvender, er adaptiv, hvilket betyder, at der kun anvendes ledige kanaler. Roger-modtagere kommunikerer med jævne mellemrum med Roger Pen og informerer systemet om, hvilke kanaler der er optaget (af et andet system i nærheden, som sender på 2,4 GHz, f.eks. et WiFi-netværk), og hvilke kanaler der er ledige. Roger Pen hopper derefter automatisk uden om de optagede kanaler (se figur 1). Det betyder, at selvom der er meget trafik på 2,4 GHz, er det meget usandsynligt, at Rogerforbindelsen afbrydes eller mistes. Sammenlignet med dette gentages pakketransmissionen kun på modtagerens forlangende, når der anvendes trådløs Bluetoothteknologi, og der anvendes gentagelse ved brug af SCO-protokollen. Hvis bekræftelsen af at have modtaget en pakke ikke når Bluetoothsenderen, sendes pakken igen. Dette betyder, at Bluetoothmodtagere næsten hele tiden sender tilbage til senderen, hvilket øger strømforbruget i modtageren væsentligt. Med Bluetooth er det maksimale antal modtagere begrænset til tre. Det betyder, at ikke engang to lyttere med binaurale Bluetoothmodtagere på øreniveau kan lytte til den samme Bluetooth-stream, og da slet ikke større grupper i Bluetooth-headsetprotokollen er lydforsinkelsen acceptabel (10 til 15 ms), men båndbredden er ofte begrænset (op til 4 khz), medmindre man anvender bredbåndslyd - funktionen i den håndfri profil i version 1.6, som kan være på op til 7 khz. I Bluetooth-protokollen for lydstreaming, A2DP, øges båndbredden til 20 khz, men lydforsinkelsen på langt over 100 ms gør, at den ikke er egnet til direkte samtaler ansigt til ansigt. Denne forsinkelse kan kun reduceres til omkring 40 ms med specielle Bluetooth-chips i begge ender.
Roger har fuld lydfrekvensbåndbredde fra 200 Hz til 7300 Hz. Systemets interne signal-støjforhold er omkring 55 db, hvilket gør baggrundsstøjen meget svag. Med Roger er det ikke bare muligt at sende et lydsignal, men også at sende og modtage kontroldata f.eks. i forbindelse med opsætning og/eller vedligeholdelse af et MultiTalker Network. Elektromagnetiske bølger på 2,4 GHz har en bølgelængde på omkring 12,5 cm. Dette gør det muligt at designe nye, små, trådløse mikrofoner som f.eks. Roger Pen med korte, indbyggede antenner. Ved 800 MHz er bølgelængden 37,5 cm, og ved 200 MHz (i det traditionelle FM-frekvensområde) er bølgelængden 1,5 m, hvilket kræver, at det eksterne mikrofonkabel også fungerer som radioens antenne. Eftersom 2,4 GHz er et frit tilgængeligt bånd i hele verden (et såkaldt ISM-bånd til industrien, videnskaben og lægevidenskaben), kræver det ingen licens at bruge det. Det betyder, at brugere af Roger Pen kan nyde friheden ved at bruge deres systemer i hele verden. Det er også lettere at servicere Roger-systemer under rejsen, fordi standarden er den samme i alle lande. Frekvens [MHz] Tid [ms] Figur 1 Tids- og frekvensdiversiteten ved Roger-datablokke (pakker). På den lodrette akse vises frekvensen inden for 2,4 GHz-båndet, mens den vandrette akse viser tiden. Ved at hoppe over frekvenser og sende lydpakker gentagne gange, minimeres sammenstød, der skaber gensidig interferens. Roger-chippen Phonak har udviklet den ophavsretligt beskyttede Roger-mikrochip specielt til brug med miniature-modtagere på øreniveau (se figur 2). Denne chip indeholder 6,8 millioner transistorer. Til sammenligning har en Pentium Pro-processor 5,5 millioner. På chippen er analoge og digitale blokke placeret ved siden af RAM-, ROM-, EEPROM- og Flash-hukommelsesblokke. Figur 2 Roger-mikrochip. 2 Phonak Insight Roger Pen Overvind udfordringerne ved at forstå tale
Maksimal ydeevne i støj Roger Pen analyserer hele tiden det omgivende støjniveau. Kontrolbit sendes parallelt med bredbåndslydsignalet til Roger-modtagere, som adaptivt justerer gainet, så det passer til dette akustiske miljø. Tilpasningsområdet er endnu større end ved Phonaks Dynamic FM-teknologi. Denne avancerede dynamiske adfærd har ført til væsentlige forbedringer af taleforståelsen i støj, især ved kraftigere støjniveauer på op til 80 db(a) støjniveauer, som er ret almindelige i dagligdagen, især på offentlige steder som f.eks. restauranter og barer samt til fester og receptioner og på visse arbejdspladser. Resultaterne af relaterede studier af professor Linda Thibodeau, ph.d., og Dr. Jace Wolfe, ph.d. kan ses i to udgaver af Phonak Field Study News (Nyheder om Phonaks feltstudier): Roger for Hearing Instruments (Roger til høreapparater) og Roger for Cochlear Implants (Roger til cochlear implants). Nyere målinger foretaget af samme forskere har vist, at mennesker, der bruger høreapparater og cochlear implants (CI), faktisk kan have en bedre talegenkendelsesevne end mennesker med normal hørelse ved et støjniveau på 65 db(a) og derover i samme testopsætning (se figur 3). Det er vigtigt at bemærke, at der ved disse målinger ikke blev slukket for høreapparaternes og CI-processorernes mikrofoner på øreniveau, og Roger-mikrofonen blev testet for transparens med mikrofonen på øreniveau ved 65 db(a) som anbefalet af American Academy of Audiology. Roger-mikrofonen blev placeret 20 cm foran højttaleren, som afspillede HINT-sætningerne, og repræsenterede en Roger Pen, der hænger om halsen på en person, der taler. Roger Pens ydeevne skyldes de avancerede, ophavsretligt beskyttede algoritmer frem for sendefrekvensen. Procent korrekte ord (HINT) 100 80 60 40 20 Voksne med normal hørelse Kun CI CI + Roger 0 Quiet 50 55 60 65 70 75 80 Omgivende støjniveau db(a) Figur 3 Lytteafstanden var 5,5 meter. Der er data for 13 personer, der bruger Advanced Bionics Harmony (uden Roger [mørkegrå søjler] og med Roger [grønne søjler]) og for 20 voksne med normal hørelse (lysegrå søjler). Ved et støjniveau på 65 db(a) og derover kunne de CI-brugere, som benyttede et Roger-system, forstå tale bedre end jævnaldrende med normal hørelse (Dr. Jace Wolfe, 2013). Kontekstafhængig signalbehandling Hidtil har en af barriererne ved at benytte trådløs høreteknologi været kompleksiteten eller den formodede kompleksitet. Trådløse mikrofoner med flere indstillinger krævede, at høreapparatspecialisten ikke bare selv skulle forstå indstillingerne, men også skulle være i stand til at forklare disse valgmuligheder for brugeren. For eksempel gav muligheden for at skifte mellem mikrofontilstande, såsom retningsuafhængige, faste beamformere og adaptive beamformere, potentielt en yderligere fordel, men også en større grad af kompleksitet. Derfor kunne det være svært at rådgive brugerne om disse teknologier og få dem til at tage dem til sig. Roger Pen er anderledes, fordi dens indstillinger er fuldt automatiseret. For at muliggøre denne automatisering anvender enheden to forskellige slags input: lyd og acceleration. Tilstedeværelsen af et akustisk talesignal, niveauet af dette talesignal og niveauet af den omgivende støj hjælper med at styre gain, de forskellige støjudligningsalgoritmer og beamformingen. Roger Pen har også en accelerationsmåler, som informerer den om, hvordan den vender i forhold til tyngdekraften. En accelerationsmåler er en mekanisk og elektronisk komponent i miniatureformat, som måler accelerationer i tre dimensioner (X, Y og Z) ved høj hastighed og med stor præcision (se figur 4). Smartphones bruger eksempelvis accelerationsmålere for at sikre, at billedet på skærmen roteres samtidig med selve telefonen. Y X Z 1 Figur 4 En accelerationsmåler set fra oven og retningerne for de detekterbare accelerationer. Accelerationsmålere kan måle ned til nogle få millimeter. Phonak Insight Roger Pen Overvind udfordringerne ved at forstå tale 3
Roger Pen kan registrere, om den ligger vandret (dvs. på et bord under en middag eller et forretningsmøde), holdes i hånden, ligesom en journalist ville holde en mikrofon, eller hænger om halsen på den, der taler. Der tages højde for disse oplysninger samt den tidligere nævnte akustiske klassificering når Roger Pens indstillinger skal optimeres. Og alt dette sker automatisk. Når Roger Pen ligger på en plan overflade som f.eks. et bord, sørger en nøje placeret ekstra vægt inde i pennen for, at den vender således, at mikrofonen altid vender opad. Dette gør, at lyden høres optimalt, og at mikrofonens åbninger ikke tildækkes. At høre blide stemmer og at høre på afstand For voksne og teenagere er det ikke altid muligt at give en trådløs mikrofon til den person, der taler, eksempelvis hvis den talende står eller sidder nogle få meter væk. Roger Pen håndterer denne afstandsmæssige udfordring med en ny algoritme, som kan reducere den opfattede afstand med op til 75% i rolige situationer. Denne close-up -funktion benytter en innovativ ny måde til at kombinere en adaptiv gainmodel med en avanceret beamformer. Funktionen aktiveres automatisk, når brugeren retter Roger Pen mod den person, han vil høre. Konferencetilstand Hvis man har en hørenedsættelse, kan det være en udfordring at lytte til en gruppe mennesker, der sidder rundt om et bord, hvilket ofte sker på arbejdet eller ved middagsbordet. Roger Pen håndterer denne svære situation med den automatiske konferencetilstand. Denne tilstand aktiveres ved at placere mikrofonen på en plan overflade som f.eks. et bord. Valg af mikrofontilstand, støjudligning, gain og opfangning af stemmer styres automatisk. Det kræver kun, at Roger Pen placeres på bordet i midten af gruppen og slås til. Lydløs landing Hvis Roger Pen tabes ved et uheld, registrerer accelerationsmåleren det straks. Efter nogle få centimeters frit fald slår enheden automatisk mikrofonlyden fra, inden den rammer gulvet. Derfor kommer de lyttere, der er tilsluttet til Roger Pen, ikke til at høre et ubehageligt brag, når enheden rammer gulvet. Umiddelbart efter denne lydløse landing vil Roger Pen fortsætte med at fungere normalt. At lytte til TV og musik Roger Pen (og Roger Clip-On Mic) er begge udstyret med en docking station. Den fungerer ikke bare som en batterioplader. Når den er tilsluttet til et TV (eller en multimedieenhed), fungerer den også som en lydstreamingenhed og sender TV-lyden ind i lytterens høreapparater eller CI-processorer via Roger-modtagerne. En anden ny funktion i Roger Pen er den automatiske tilpasning af systemets gainmodel, når der kommer et lydsignal ind i lydindgangen på Roger Pen (eller Roger Clip-On Mic). Ved at flytte knæpunktet for kompression af den trådløse mikrofon til et højere lydtrykniveau og justere gainet i modtageren udvides dynamikområdet, mens den gennemsnitlige lydstyrke forbliver uændret. Denne udvidelse af dynamikområdet har en meget positiv effekt på den rigdom og dybde i musikken, som lytteren hører, fordi forskellen i lydstyrke mellem de svage og kraftige dele af musikken øges. Phonak Insight Roger Pen Overvind udfordringerne ved at forstå tale 4
Flere mikrofoner i et trådløst netværk En af de sværeste situationer for lyttere med en hørenedsættelse, om ikke den sværeste, er en samtale med flere samtalepartnere ved et kraftigt støjniveau, f.eks. på en støjende restaurant eller til en fest. I disse krævende situationer kan Roger Pen og Roger Clip-On Mic kombineres, så de danner et trådløst netværk med flere mikrofoner hvilket gør Roger-lytteren bedre i stand til at høre talen blandt vennerne og familien. I dette tilfælde bruger hver samtalepartner sin egen trådløse mikrofon, og der er én mastermikrofon i netværket, som styrer, hvornår en mikrofon er åben (kun én mikrofon kan være slået til ad gangen. Alle andre mikrofoner slås fra). Omskiftningen mellem mikrofonerne sker hurtigt og automatisk og i prioriteret rækkefælge. Det vil sige, at det er stemmeaktiviteten, som styrer denne omskiftning. Hvorfor kun aktivere én mikrofon ad gangen? En person kan almindeligvis ikke lytte til to lydstreams på samme tid. Signalstøjforholdet er i gennemsnit bedst ved 0 db, hvis der kan høres flere lydstreams (talestreams), og dette signal-støjforhold er ikke godt nok til lyttere med en hørenedsættelse. Derfor giver det ikke mening, hvis mere end én mikrofon er aktiv ad gangen. Der kan altid tilføjes flere Roger Pens eller Clip-On Mics. Det er også muligt at oprette blandede netværk med en eller flere Roger Pens og en eller flere Roger Clip-On Mics i samme netværk. Bluetooth med bredbåndslyd Roger Pen har Bluetooth med bredbåndslyd (også kaldet HD voice). Dette gør det muligt at tilslutte den til en Bluetooth-aktiveret enhed som f.eks. en mobiltelefon, en smartphone, en tablet m.m. Hvis Bluetooth-enheden og udbyderen tilbyder bredbåndslyd, kan lytteren nyde at tale i mobiltelefon og høre lyden i begge ører ved en båndbredde på omkring 7 khz (se figur 5). Virkningen svarer til at stå ved siden af en person i et ret stille lokale. Bredbåndslyd anvendes i stigende grad og forventes at forbedre telefonsamtalen væsentligt for personer med en hørenedsættelse. Derfor er Roger Pen fuldt ud forberedt til denne store udvikling inden for digital telefonteknologi. 0dB Bredbånd Traditionelt smalbånd 50 Hz 200 Hz 3.4 KHz 7 KHz Frekvens Figur 5 Sammenligning af båndbredden for en almindelig telefon med traditionelt smalbånd og Bluetooth med bredbåndslyd eller HD voice. Det grå bånd indeholder tydeligt langt flere taleinformationer end det grønne bånd, hvilket forbedrer talens klarhed på telefonen væsentligt. Phonak Insight Roger Pen Overvind udfordringerne ved at forstå tale 5
Diskret design Det forventes, at Roger Pens diskrete design vil få flere brugere til at anvende den (se figur 6). Pennedesign har ikke ændret sig i flere årtier. Det er en almindelig genstand, som ikke vækker opsigt. Men hvis en person med hørenedsættelse placerer en gammeldags genstand eller en genstand, som ligner et stykke medicinsk udstyr, midt på et bord, hvor der sidder en gruppe mennesker, vil det nok medføre en række spørgsmål, som brugeren gerne vil undgå. Et meget troværdigt hverdagsdesign hjælper med at overvinde denne modstand mod at anvende produktet. Roger Pens mekaniske udseende drejer sig dog ikke kun om at lave en efterligning. Den er også designet med fokus på ydeevne og pålidelighed og for at give en intuitiv brugeroplevelse. Den specielle overfladebehandling reducerer den støj, der opstår, når pennen gnubbes mod andre overflader som f.eks. tøj, til et absolut minimum. Figur 6 Roger Pen fås i tre farver: Petrol, Silver og Ruby. Resumé Roger Pen er en banebrydende trådløs mikrofon, som gør det muligt for brugeren at høre og forstå mere tale i kraftig støj og på afstand. Pennens indstillinger justeres automatisk, så de passer til omgivelserne, og det sker ud fra en analyse af det akustiske miljø og alt efter, hvordan den vender. Bluetooth med bredbåndslyd til brug i forbindelse med mobiltelefonsamtaler er bare en af de mange funktioner, som alle er pakket ind i et diskret design. Referencer Se www.phonakpro.dk/evidence Phonak Field Study News: Roger and hearing instruments Phonak Field Study News: Roger and cochlear implants Wolfe, J. et al. (2013) Better speech recognition with digital RF system in study of cochlear implants. The Hearing Journal, vol 66, No. 7, pp. 24-26. Thibodeau, L. (2013) Comparison of speech recognition with adaptive digital and FM wireless technology by listeners who use hearing aids. International Journal of Audiology. 6 Phonak Insight Roger Pen Overvind udfordringerne ved at forstå tale 028-0933-08/V1.00/2013-09/8G/Printed in Denmark Phonak AG All rights reserved