Institut für Hörtechnik und Audiologie, Jade Hochschule und Exzellenzcluster „Hearing4All“, Oldenburg, Deutschland

Abstract | Understanding speech in a realistic environment with varying background noise is challenging for normal-hearing as well as for hearing-impaired listeners. Crucial for speech understanding is the quality of bottom-up processing on the level of the inner ear and the transmission to auditory areas in the brain. However, it is assumed that also high-level cognitive abilities can influence speech understanding in background noise. Two persons, for example, with the same hearing loss in pure tone audiometry can nevertheless perform differently in speech understanding. This variability is explained by the influence of higher cognitive functions that are independent of peripheral auditory processes. The present article gives an overview of the interaction between the higher level processes putatively involved and the performance in speech understanding and the methods applied to capture these interactions quantitatively.

Keywords: speech recognition, hearing, cognition, test methods

 

Zusammenfassung | Sprache in realistischen akustischen Situationen mit verschiedenen Störgeräuschen zu verstehen, fällt sowohl normalhörenden als auch hörgeschädigten Personen häufig schwer. Neben der individuellen Qualität der Bottom-up Verarbeitung wird vermutet, dass auch kognitive Fähigkeiten für das Sprachverstehen im Störgeräusch eine Rolle spielen. So können zwei Menschen, bei denen ein ähnlicher Hörverlust in tonaudiometrischen Messungen diagnostiziert wird, trotzdem Unterschiede im Sprachverstehen in Störgeräuschen aufweisen. Diese Varianz, trotz gleichem peripheren Hörverlust, wird durch den Einfluss höherer kognitiver Funktionen erklärt, die unabhängig sind von der peripheren auditiven Verarbeitung. Der vorliegende Artikel beschäftigt sich mit der Interaktion zwischen kognitiven Leistungen und der Performanz im Sprachverstehen und den Methoden, diesen Zusammenhang quantitativ zu erfassen.

Schlüsselwörter: Sprachverstehen, Hörvermögen, Kognition, Testverfahren

 

1 HörZentrum Berlin (HZB), VIVANTES Klinikum im Friedrichshain, Deutschland
2 Fachgebiet Biomechatronik, Technische Universität Ilmenau, Deutschland
3 Fachgebiet Qualitätssicherung und Industrielle Bildverarbeitung, Technische Universität Ilmenau, Deutschland

Abstract | The auditory reflex protects the inner ear from excessive noise exposure, but also can help to fit a cochlear implant properly. Several studies have shown that the electrically evoked stapedius reflex threshold (eSRT) is a suitable predictor for the upper dynamic range (comfortable level). Especially in non-cooperative patients these measurement provide more and additional information about the loudness level, which is mandatory for correct fitting. During cochlear implant surgery, the posterior tympanotomy is prepared that the stapedius muscle tendon can be seen. After electrical stimulation the cochlear nerve a contraction of stapedius muscle results. The movement of the stapedius muscle can be observed by the surgeon. A high resolution monitor allows the observation of this reflex by the audiologist. We performed conventional eSRT measurements. The intraoperative findings were recorded digitally in high definition quality. The application of efficient algorithms, such as those used in quality control and industrial image processing are possible. In our study an objective method for electrically evoked stapedius threshold registration was evaluated. Especially the capture of very small contractions was investigated. The results of an exemplary evaluation in one cochlear implant patient are reported here. We could demonstrate that the offline detection of eSRT using digital image processing is possible. The results and a suitable and robust procedure of »computer vision« are presented. An automatic real-time implementation for the intraoperative cochlear implant diagnostics is planned to be realized in the medium term.

Keywords: cochlear implant, intraoperative measures, eSRT, stapedius muscle reflex, medical image processing

 

Zusammenfassung |  Die Messung der Nachweisschwelle des elektrisch ausgelösten Stapediusreflex (eSRT = electrically evoked stapedius reflex threshold) kann dazu beitragen, das Cochlea-Implantat (CI) in seiner Funktion anzupassen. In zahlreichen Arbeiten wurde gezeigt, dass die eSRT für die Wahl als Obergrenze der elektrischen Stimulation, die eine gerade noch angenehme Lautheit hervorruft, geeignet ist. Die Auslöseschwelle für diesen Reflex – die Bestimmung kann während der CI-Operation unter visueller Kontrolle über das Operationsmikroskop durch den Operateur erfolgen – kann somit als erste Näherung für die obere Grenze der elektrischen Stimulation angesehen werden. Dabei kann das Operationsfeld oftmals auf dem Monitor eines Videotowers beobachtet werden. Jedoch ist die visuelle Registrierung durch den Operateur oder Audiologen fehleranfällig. In der minimalinvasiven Chirurgie finden Kamera- bzw. Videosysteme in HD-Qualität zunehmende Verbreitung. Dies ermöglicht die Aufnahme hochauflösender Videosequenzen und die Anwendung leistungsfähiger Algorithmen, die in der Qualitätssicherung und industriellen Bildverarbeitung bereits genutzt werden. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines optischen Verfahrens zur intraoperativen Stapediusreflexbestimmung mit dem Ziel, eine berührungsfreie Messung des ipsilateralen ungekreuzten Reflexes und die Detektion bereits kleiner und visuell schwer erkennbarer Stapediuskontraktionen zu ermöglichen. Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie wurden während einer Cochlea-Implantation einer Patientin elektrisch evozierte Stapediusreflexe im Bereich zwischen Schwelle und Sättigung visuell bestimmt und szenenoptimierte Videoaufzeichnungen des Operationssitus erstellt. Die Ergebnisse der exemplarischen Videoauswertung zur Detektion der Stapediusreflexe durch den Einsatz geeigneter Bildverarbeitungsalgorithmen werden vorgestellt (Offline-Analyse). Mittelfristig ist die Realisierung eines Online-Bildverarbeitungssystems als automatisierter Funktionstest für die intraoperative Cochlea-Implantat-Diagnostik geplant.

Schlüsselwörter: Cochlea-Implantat, eSRT, Stapediusreflex, intraoperative Messung, medizinische Bildverarbeitung

 

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1 Physikalisch-Technische Bundesanstalt  (PTB),  Braunschweig, Germany
2 PATH medical GmbH, Germering,  Germany
3 Hals-Nasen-Ohrenklinik, Technische Universität  München, Munich,  Germany

Abstract | Otoacoustic emissions  (OAEs)  are commonly evoked  by  air  conduction (AC) through one or more  miniature loudspeakers  embedded  in an  OAE probe. To date, only a  few  studies have  dealt  with  the bone-conduction (BC) stimulation of OAEs. The aim of this review  is to give a summary  on the main  literature concerning this  topic  and to  outline  the  advantages  as well as the limitations  of this alternative stimulation of OAEs. Generally,  both distortion product otoacoustic  emissions  (DPOAEs)  and  transient evoked otoacoustic emissions (TEOAEs) can be stimulated by BC, showing properties similar to AC-OAEs. One practical advantage of BC is that miniaturized microphone probes (without the need of the probe loudspeakers)  can  be  constructed,  which  is  be neficial for  small  ear  canals,  e.g., in newborns. Since the BC stimulus reaches both cochleae simultaneously,  binaural  BC-OAE measurements are also  possible. Clinically, BC-OAEs are expected to be less sensitive than AC-OAEs to conductive hearing loss,  since  the  BC  stimulus  reaches  the  cochlea unimpeded  by  a  possible middle-ear disorder and only the reverse OAE transmission is  affected by  the  latter. Hence,  the presence  of  BC-OAEs  amid a  lack of AC-OAEs signalizes a middle-ear dysfunction. Concerning the  calibration of  the stimuli,  BC  provides some  advantages  over AC,  especially for DPOAEs. BC stimulation avoids errors caused (i) by ear-canal standing  waves, since the  BC stimuli bypass  the  ear canal, and (ii) by evanescent  waves, since  the  bone vibrators (e.g., on the  forehead or behind the ear)  are  spatially  separated  from  the probe  microphone  (in the  ear).  In the case  of DPOAEs, a concurrent AC/BC stimulation can also  be  achieved by presenting one  tone  via  AC and  the  other via BC. When  using  this combined stimulation, one may benefit from swapping the acoustic signal  paths and  repeating the DPOAEs measurement  in the  same  in-situ position of  the probe  to validate the stimulus calibration at the cochlea. Whereas  further investigations  are required  to  establish  BC-OAEs as  a standardized objective tool in the clinical diagnosis, BC stimulation already provides an alternative approach, with  the stimulitaking  a direct path towards the  cochlea. Hence,it may be employed complementarily to  AC  stimulation, opening  up  various  possibilities  from  the  verification  of ear-canal probe calibration to the potential differential diagnosis of conductive  hearing disorders by means of OAEs.

Keywords: otoacoustic emissions,  air  conduction, bone  conduction, calibration

 

Zusammenfassung | Otoakustische  Emissionen  (OAE)  werden üblicherweise  mit einem  oder  mehreren in eine OAE-Sonde eingebauten Miniaturlautsprechern  über Luftleitung  (air  conduction:  AC)  evoziert.  Bislang  haben  sich nur  wenige  Studien der OAE-Stimulation über Knochenleitung (bone conduction: BC) gewidmet. Ziel  dieses  Ãœbersichtsartikels  ist  es, eine  Zusammenfassung der aktuell in der Literatur vorhandenen Studien über  diese Stimulationsart  zu geben  und  auf deren Vorteile  und  Grenzen einzugehen.  Prinzipiell zeigen sowohl die distorsionsproduzierten otoakustischen Emissionen  (DPOAE)  als auch  die  transient  evozierten otoakustischen  Emissionen (TEOAE) ähnliche Eigenschaften wie  die AC-OAE. Die BC-Stimulation  erlaubt den  Einsatz  miniaturisierter Mikrofonsonden  (ohne Lautsprecher),  was insbesondere für kleinere  Gehörgänge,  beispielsweise von  Neugeborenen, vorteilhaft ist.  Klinisch  ist es  durchaus  zu  erwarten, dass  diese  Stimulation weniger von Schallleitungsstörungen beeinflusst  wird, weil die BC-Stimuli die Cochlea von Mittelohrproblemen  unbeeinflusst  erreichen  und  nur  die rückwärts laufende OAE von Letzterem betroffen ist. Sind  beispielsweise  BC-OAE  vorhanden,  aber keine AC-OAE,  deutet  dies  auf eine  Mittelohrproblematik hin. Die BC-Stimulation hat  einige Vorteile  gegenüber  der AC-Stimulation, insbesondere im  Hinblick  auf  die  Stimuluskalibrierung  für DPOAE. Die BC-Stimulation (i) umgeht  die  aufgrund  stehender  Wellen im  Gehörgang entstehenden Kalibrierfehler,  und (ii)  eliminiert  wegen  der örtlichen Trennung der  Knochenleitungshörer (z.  B. hinter  dem  Ohr oder auf der Stirn) und des  OAE-Sondenmikrofons (im Ohr) die Nahfeldeffekte. Für DPOAE ist auch eine gleichzeitige  Stimulation möglich, bei  der  jeweils ein  Ton über AC und der  andere  über BC  dargeboten werden. Diese kombinierte AC/BC-Stimulation erlaubt  das Vertauschen der  akustischen  Ãœbertragungswege  und  eine Wiederholung  der DPOAE-Messung in derselben In-situ-Position der  Sonde. Diese  Eigenschaft kann  zur  Validierung  der  Stimuluskalibrierung  am Innenohr  verwendet  werden.  Während  weiterführende Studien notwendig sind, um die BC-OAE als  eine  standardisierte objektive Methode in  der  klinischen  Diagnostik  zu etablieren, stellt diese Stimulationsart bereits jetzt eine Alternative  dar, bei der  die  Stimuli  über  einen  direkten Weg zur  Cochlea  gelangen.  Die  BC-Stimulation  könnte komplementär zur  AC-Stimulation eingesetzt  werden und  eröffnet  vielfältige Möglichkeiten,  von der Verifikation  der  Gehörgangssondenkalibrierung  bis hin zur Differentialdiagnose von Schallleitungsstörungen  mittels  OAE.

Schlüsselwörter: Otoakustische  Emissionen,  Luftleitung, Knochenleitung,  Kalibrierung

 

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