Audiogrammet er ikke nok! Torben Poulsen Institut for Elektroteknologi, Høresystemer Danmarks Tekniske Universitet 2800 Lyngby tp@elektro.dtu.dk Audiogrammet er ikke nok! 1
Indledning Tak for invitationen! Jeg vil fortælle lidt om Hvem jeg er Hvor jeg kommer fra Noget om den normale hørelses funktion Lydopfattelse hos personer med høretab Lidt om forskningen på området I må gerne afbryde - der er sket meget Audiogrammet er ikke nok! 2
Torben Poulsen Undervisning og forskning Psykoakustik, audiologi, audiometri Akustisk kommunikation, taleforståelighed Høreværn, støj og høreskader Gene af støj Formand ISAAR (tidl. Danavox Symposium, GN ReSound) International Symposium on Auditory and Audiological Research Medlem af ISO / TC43 / WG1 Høretærskel, Audiometri, Kalibrering Formand ISO / TC43 / SC1 / WG17 Målemetoder for høreværns dæmpning Audiogrammet er ikke nok! 3
Danmarks Tekniske Universitet, DTU DTU Elektro Akustisk Teknologi og Høresystemer Audiogrammet er ikke nok! 4
Specielle målerum Lyddødt rum Lydhårdt rum Lyttebokse Lytterum Audiogrammet er ikke nok! 5
DTU s uddannelser Bachelor 3 år Master 2 år Civilingeniør, 5 år Andet universitet Akustikkurserner ligger i Masterdelen - Foregår på engelsk Bachelor of Engineering Højttalere, hørelse, høreapparater, lydoptagelse, lyd i rum og bygninger, computersimulering, støj, vibrationer, måleteknik Diplomingeniør, 3½ år Audiogrammet er ikke nok! 6
Noget om øret og lydopfattelse Om den normale hørelse Høretab og opfattelse af lyd Lidt om forskningen på området Audiogrammet er ikke nok! 7
Ørets anatomi A B C A. Ydre øre med pinna samt den bløde (brusk) og hårde (benet) øregang. B. Mellemøret med trommehinden, hammeren, incus og stapes samt muskler. C. Indre øre, med sneglen (cochlea) og balance-systemet (semicirkulærer kanaler) og forbindelse til 8. kranienerve. Audiogrammet er ikke nok! 8
Hørecenter Det indre øre, sneglen Cochlea Figur: C. Elberling Audiogrammet er ikke nok! 9
Øret Audiogrammet er ikke nok! 10
Det indre øre Sneglen (Cochlea) scala vestibuli scala media Cortiske organ Basilar membran scala tympani stigbøjle Tectorial membran Indre hårcelle Ydre hårceller Basilar membran Audiogrammet er ikke nok! 11
Indre og ydre hårceller På basilarmembranen sidder ca. 3.000 indre hårceller (IHC) og ca. 12.000 ydre hårceller (OHC). De indre hårceller sidder ordnet i én lang række, mens de ydre hårceller er placeret i trekantformationer, i tre rækker. På toppen af cellerne findes cilier (fimrehår), hvoraf OHC s cilier rager op i tectorial membranen. Audiogrammet er ikke nok! 12
Basilarmembranen er ca. 32 mm lang. Vandrebølge på basilarmembranen I den basale ende (ved vinduerne) er BM 0.1 mm bred, mens den i den apikale ende (toppen af sneglen) er 0.5 mm bred. BM er smal og stiv i den basale del, men den gradvis bliver bredere og mere slap i den apikale del. Denne struktur giver anledning til bølgedannelse langs membranen længde, som første gang blev observeret af Georg von Békésy i 1928. Runde vindue Stigbøjle Vandrebølge Audiogrammet er ikke nok! 13
Fra frekvens til sted på Basilarmembranen Georg von Békésy: Nobelprisen (1960) 250 Hz 4 khz Base (0 mm) Mellemøre Stigbøjle Slow motion factor: 360 Apex (35 mm) Toppen af sneglen Audiogrammet er ikke nok! 14
Aktivering af hårceller Nerveforbindelser til og fra hjernen Basilarmembran Audiogrammet er ikke nok! 15
Det Cortiske Organ med indre og ydre hårceller Elektrisk stimulation af ydre hårcelle Basilarmembran Cochlear amplifier forstærker basilarmenbranes bevægelse ved svage lydpåvirkninger. Det typiske høretab: ingen forstærkning. Audiogrammet er ikke nok! 16
Nerveforbindelser til hårcellerne Ydre hårceller Indre hårcelle Indre hårcelle Ydre hårcelle Information fra hjernen Information til hjernen Mange nervetråde til de indre celler Mange ydre celler må dele én nervetråd To systemer: Information til hjernen Information fra hjernen Audiogrammet er ikke nok! 17
Lidt om opfattelse af lyde Psykoakustik Audiogrammet er ikke nok! 18
Høretærskel, smertetærskel 140 130 Smertetærskel 140 130 120 120 110 110 Lydtrykniveau SPL, db 100 90 80 70 60 50 40 30 20 Høretærskel 100 90 80 Ubehagstærskel 70 60 50 40 30 20 10 10 0 0-10 20 70 200 500 2000 5000 20000 100 1000 10000 Frequency, Hz -10 Audiogrammet er ikke nok! 19
Høretab audiogram 140 140 130 130 120 120 SPL, db 110 100 90 80 70 60 50 40 110 100 90 80 70 60 50 40 0 db HL 20 40 Normal hørelse 30 30 20 10 20 10 60 0-10 20 70 200 500 2000 5000 20000 100 1000 10000 Frequency, Hz 0-10 80 100 Audiogram db SPL Sound pressure level 120 125 250 500 1000 2000 4000 8000Hz db HL Hearing Level Audiogrammet er ikke nok! 22
Audiogram Høretab hos mænd. Effekt af alder (Median, ISO 7029) Hearing loss, db HL 0 10 20 30 40 50 60 Frequency, Hz 125 250 500 1k 2k 4k 8k 20 years 30 years 40 years 50 years 60 years 70 years Normal hørelse 70 Høretab Audiogrammet er ikke nok! 23
Audiogram Høretab som skyldes støj (ISO 1996) Hearing loss, db HL 0 10 20 30 40 50 60 70 Frequency, Hz 125 250 500 1k 2k 4k 8k 20 years 30 years 40 years 50 years 60 years 70 years Audiogrammet er ikke nok! 24
Tab af ydre hårceller = tab af høreevne På dette billede er ydre hårceller ødelagte, mens indre hårceller fremstår mere intakte. Audiogrammet er ikke nok! 25
Maskering SPL in db 120 100 80 60 40 Upward spread of masking Maskeret høretærskel Absolutte høretærskel 20 0 100 1000 10000 Frequency in Hz En lyd kan maskere en anden lyd så den ikke kan høres Audiogrammet er ikke nok! 26
Pause? Audiogrammet er ikke nok! 27
Høretab Hvis de ydre hårceller ikke fungerer godt: høretab mellem ca. 25 og ca. 50 db Hvis de indre hårceller ikke fungerer godt: høretabet er typisk større end 50 db Høretabet kan være I det indre øre (hårceller, blodforsyning, nerveforbindelser I nerveforbindelserne til hørecenteret I hørecenteret (cortex) Audiogrammet er ikke nok! 28
Problem Audiogrammet er et symptom Det viser følsomheden for én ren tone ad gangen Det måles ved høretærsklen - ikke ved normale lytte-niveauer Audiogrammet viser ikke Hvad der er galt Hvor der er noget galt Hvorfor der er noget galt Audiogrammet er ikke nok! 29
Høretabets fem dimensioner Nedsat følsomhed (= forhøjet høretærskel) audiogram Unormal opfattelse af lydstyrke recruitment (begrænset dynamikområde) Nedsat evne til at skelne mellem forskellige toneområder bredere filtre, mere frekvensmaskering Nedsat evne til at skelne tidsmæssige forløb dårlig gap-detection, mere tidsmaskering Nedsat evne til at lokalisere lydkilder Nedsat evne til at forstå tale Audiogrammet er ikke nok! Audiogrammet er ikke nok! 30
Hvad kan høreapparater gøre? Nedsat følsomhed (= forhøjet høretærskel) audiogram Unormal opfattelse af lydstyrke recruitment (begrænset dynamikområde) Nedsat evne til at skelne mellem forskellige toneområder bredere filtre, mere frekvensmaskering Nedsat evne til at skelne tidsmæssige forløb dårlig gap-detection, mere tidsmaskering Nedsat evne til at lokalisere lydkilder OK Ikke endnu Audiogrammet er ikke nok! 31
Styrkefornemmelse, normal hørelse 100 Styrkefornemmelse Stevens power law Loudness, son 10 1 0.1 0.01-20 0 20 40 60 80 100 Loudness Level, phon Normal høretærskel 20 db (= SPL in db at 1 khz) Lydtrykniveau, db Ændring på 20 db svarer til 4 gange kraftigere Audiogrammet er ikke nok! 32
Styrkefornemmelse Stevens power law Loudness, son 100 10 0.1 0.01 Styrkefornemmelse, høretab 1-20 0 20 40 60 80 100 Loudness Level, phon Normal høretærskel 20 db (= SPL in db at 1 khz) Forhøjet høretærskel Normal hørelse: Ændring på 20 db svarer til 4 gange kraftigere Høretab: Ændring på 20 db svarer til 20 gange kraftigere Lydtrykniveau, db Audiogrammet er ikke nok! 33
At forstå tale i støj Talen er 10 db svagere end støjen SNR = -10 db Tale og støj har samme styrke SNR = 0 db Audiogrammet er ikke nok! 34
Audiogrammet er ikke nok Måling af taleforståelse i støj Måling af frekvens-skelne-evne 7 personer Samme audiogram JND in frequency (%) JND in frequency (Hz) Normal hørelse Nedsat hørelse Et høretab er ikke bare et høretab! Audiogrammet er ikke nok! 35
Syn og hørelse Man får ikke normal hørelse af at bruge høreapparat Syn Korrektion med briller Normalt sanseapparat Stave og tappe på nethinden fejler ikke noget! Udelukkende optisk korrektion. Virker fint. Hørelse Korrektion med høreapp. Defekt sanseapparat. Ydre hårceller i det indre øre er defekte! Sender (mere) lyd ind til det defekte system. Virker det? Audiogrammet er ikke nok! 36
Høre giner Giner til en skrædder Giner til høreapparater Audiogrammet er ikke nok! 37
Bedre høreapparater Bedre tilpasning af høreapparat Vi har behov for at kende (i det mindste) Audiogram Funktion af ydre hårceller (Sneglens forstærker) Frekvens-skelne-evne (tuning kurver) Hvert øre for sig! Det kan vi i laboratoriet (mange timer) Vi prøver at udvikle kliniske metoder Nyt problem: Hvilken lydbehandling er optimal for den hørehæmmede? Audiogrammet er ikke nok! 38
Widex Senso, 1996 Audiogrammet er ikke nok! 39
Center for anvendt høreforskning CAHR Inspirerende, internationalt, aktivt og tværfagligt forskningsmiljø. Professor Torsten Dau Støttet af GN ReSound, Oticon, Widex, DTU, Fonde, Start: oktober 2003 Audiogrammet er ikke nok! 42
Audiogrammet er ikke nok! 43
Forskningsområder Fysiologiske korrelater, Brain imaging Audio-visuel tale, Neurale modeller James Harte Psykoakustik, Perceptionsmodeller Signalbehandlingen i normalthørende og hørehæmmedes ører Hans Heinrich Bothe Taleforståelighedsmål, Taleperception Anvendelser: Jörg Buchholz Torben Poulsen Høreapparater, CI, nye audiologiske metoder Peter Søndergaard Thomas Christiansen Audiogrammet er ikke nok! 44
Primær udfordring: At løse cocktail party problemet Nøgleproblemet: Hørehæmmede personer har ofte problemer med at forstå tale når der er baggrundsstøj eller efterklang I cocktail-party situationer adskiller normalthørende personer ubesværet forskellige lydkilder. Intet teknisk system er tæt på præstere lige så godt. Audiogrammet er ikke nok! 45
Hvad vil vi gerne vide Hvilke egenskaber i det intakte høresystem er afgørende? Hvad gør det intakte høresystem så robust in vanskelige situationer? Hvad går tabt i det beskadigede høresystem (udover hørbarheden)? Hvordan kan vi implementere denne viden i applikationer? (høreapparater, cochleare implantater, talegenkendere, klinisk diagnosticering) Audiogrammet er ikke nok! 46
Øret fra en ingeniørmæssig synsvinkel Lytteeksperimenter Periferisk processering Modellering af hørelsens opfattelse Inspireret af hørelsens fysiologi Central processering Beslutning Audiogrammet er ikke nok! 47
Opfattelsen af tale i komplekse omgivelser Hallo Baggrundsstøj Hallo? Taler Rum påvirkning Tilhører Fokus på taleforståelighed i komplekse omgivelser Påvirket af: Rum, baggrundsstøj, testpersonens høre-evne Visuel information (mundaflæsning) Audiogrammet er ikke nok! 48
SpaceLab Vores virtuelle auditive miljø Forskningsplatform med fuld kontrol over de akustiske omgivelser Simulering af hvilket som helst rum Højttaler-baseret system Praktisk løsning til at håndtere: Rotationer af hovedet Personer med høreapparater Opfattelses-baseret system Leverer en auditiv opfattelse tæt på opfattelsen i det virkelige miljø. 1 P2 2 P1 Undersøgelse af taleopfattelse og grundlæggende auditiv lydbehandling. Audiogrammet er ikke nok! 49
Neural aktivitet i hørebanen Kun den ene side er vist Auditory Cortex Hørecenter Inferior Colliculus Sneglen First stage of binaural interaction Audiogrammet er ikke nok! 50
Auditory evoked potentials Spændinger målt på overfladen af hovedet. Overfladespændingens tidsrækker kan knyttes til anatomiske områder. Vigtigt for klinisk diagnose. Effektivt forsknings-værktøj med meget høj tidsopløsning Audiogrammet er ikke nok! 51
Projekter, CAHR Building blocks of spoken Danish acoustically and perceptually Hvordan virker hørelsen? Bedre diagnose. Audiogrammet er ikke nok! Optimal lydbehandling i høreapparater Væsentlige elementer for forståelse af tale Hvilke lyde er væsentlige for hørehæmmede? Modelling the effective signal processing in the normal and impaired human auditory system Behavioral measures of the phase response in the human auditory system Comodulation masking release: Spectro-temporal pattern analysis in hearing Envelope processing in the auditory system: Spectral decomposition or temporal periodicity analysis? The effects of nonlinearities in auditory processing on the perception of modulated sounds External and internal limitations in amplitude-modulation processing Interaction between pitch and modulation perception Development of optimized stimuli eliciting acoustically-evoked brain potentials Modelling auditory-evoked responses Bedre forhold for personer med høretab Common principles of across-channel processing in monaural versus binaural hearing - men det er en udfordring Deriving the complex transfer function of the human auditory filters Development and evaluation of a Danish hearing in noise test Audiogrammet er ikke nok! 52
Tak for opmærksomheden! Spørgsmål? Audiogrammet er ikke nok! 53