Cochlear implant electrode stimulation strategy based on a human auditory model

Harczos, Tamas

Cochleaimplantate (CI), verbunden mit einer professionellen Rehabilitation, haben mehreren hunderttausenden Hörgeschädigten die verbale Kommunikation wieder ermöglicht. Betrachtet man jedoch die Rehabilitationserfolge, so haben CI-Systeme inzwischen ihre Grenzen erreicht. Die Tatsache, dass die meisten CI-Träger nicht in der Lage sind, Musik zu genießen oder einer Konversation in geräuschvoller Umgebung zu folgen, zeigt, dass es noch Raum für Verbesserungen gibt.Diese Dissertation stellt die neue CI-Signalverarbeitungsstrategie Stimulation based on Auditory Modeling (SAM) vor, die vollständig auf einem Computermodell des menschlichen peripheren Hörsystems beruht.Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die SAM Strategie dreifach evaluiert: mit vereinfachten Wahrnehmungsmodellen von CI-Nutzern, mit fünf CI-Nutzern, und mit 27 Normalhörenden mittels eines akustischen Modells der CI-Wahrnehmung. Die Evaluationsergebnisse wurden stets mit Ergebnissen, die durch die Verwendung der Advanced Combination Encoder (ACE) Strategie ermittelt wurden, verglichen. ACE stellt die zurzeit verbreitetste Strategie dar. Erste Simulationen zeigten, dass die Sprachverständlichkeit mit SAM genauso gut wie mit ACE ist. Weiterhin lieferte SAM genauere binaurale Merkmale, was potentiell zu einer Verbesserung der Schallquellenlokalisierungfähigkeit führen kann. Die Simulationen zeigten ebenfalls einen erhöhten Anteil an zeitlichen Pitchinformationen, welche von SAM bereitgestellt wurden. Die Ergebnisse der nachfolgenden Pilotstudie mit fünf CI-Nutzern zeigten mehrere Vorteile von SAM auf. Erstens war eine signifikante Verbesserung der Tonhöhenunterscheidung bei Sinustönen und gesungenen Vokalen zu erkennen. Zweitens bestätigten CI-Nutzer, die kontralateral mit einem Hörgerät versorgt waren, eine natürlicheren Klangeindruck. Als ein sehr bedeutender Vorteil stellte sich drittens heraus, dass sich alle Testpersonen in sehr kurzer Zeit (ca. 10 bis 30 Minuten) an SAM gewöhnen konnten. Dies ist besonders wichtig, da typischerweise Wochen oder Monate nötig sind. Tests mit Normalhörenden lieferten weitere Nachweise für die verbesserte Tonhöhenunterscheidung mit SAM.Obwohl SAM noch keine marktreife Alternative ist, versucht sie den Weg für zukünftige Strategien, die auf Gehörmodellen beruhen, zu ebnen und ist somit ein erfolgversprechender Kandidat für weitere Forschungsarbeiten.

Cochlear implants (CIs) combined with professional rehabilitation have enabled several hundreds of thousands of hearing-impaired individuals to re-enter the world of verbal communication. Though very successful, current CI systems seem to have reached their peak potential. The fact that most recipients claim not to enjoy listening to music and are not capable of carrying on a conversation in noisy or reverberative environments shows that there is still room for improvement.This dissertation presents a new cochlear implant signal processing strategy called Stimulation based on Auditory Modeling (SAM), which is completely based on a computational model of the human peripheral auditory system.SAM has been evaluated through simplified models of CI listeners, with five cochlear implant users, and with 27 normal-hearing subjects using an acoustic model of CI perception. Results have always been compared to those acquired using Advanced Combination Encoder (ACE), which is today’s most prevalent CI strategy. First simulations showed that speech intelligibility of CI users fitted with SAM should be just as good as that of CI listeners fitted with ACE. Furthermore, it has been shown that SAM provides more accurate binaural cues, which can potentially enhance the sound source localization ability of bilaterally fitted implantees. Simulations have also revealed an increased amount of temporal pitch information provided by SAM. The subsequent pilot study, which ran smoothly, revealed several benefits of using SAM. First, there was a significant improvement in pitch discrimination of pure tones and sung vowels. Second, CI users fitted with a contralateral hearing aid reported a more natural sound of both speech and music. Third, all subjects were accustomed to SAM in a very short period of time (in the order of 10 to 30 minutes), which is particularly important given that a successful CI strategy change typically takes weeks to months. An additional test with 27 normal-hearing listeners using an acoustic model of CI perception delivered further evidence for improved pitch discrimination ability with SAM as compared to ACE.Although SAM is not yet a market-ready alternative, it strives to pave the way for future strategies based on auditory models and it is a promising candidate for further research and investigation.

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Harczos, Tamas: Cochlear implant electrode stimulation strategy based on a human auditory model. 2015.

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