„Die tiefen Frequenzen werden unterschätzt“ – Wiederherstellung der fehlenden Hälfte des CI-Hörens

Die vernachlässigte Bedeutung tiefer Frequenzen

In seinem Vortrag legt Prof. Van de Heyning dar, dass die Bedeutung des Hörvermögens im Tieftonbereich – im Allgemeinen unterhalb von 450 Hz – sowohl in der Hörforschung als auch in der Cochlea-Implantat-Versorgung unterschätzt wurde und nach wie vor wird.

In Standard-Audiogrammen erscheinen diese Frequenzen nur in einem kleinen Bereich und werden oft nicht in die gängige Reintonaudiometrie einbezogen. Infolgedessen werden sie, wie er es ausdrückt, nicht nur zu wenig berücksichtigt, sondern auch unterschätzt.

Die zentrale Botschaft des Vortrags lautet, dass tiefe Frequenzen für das natürliche Hören unerlässlich sind und bei Cochlea-Implantat-Nutzern viel besser erhalten bzw. wiederhergestellt werden sollten. Laut Prof. Van de Heyning erfordert dies eine Änderung in der Art und Weise, wie klinische Fachpersonen über die Cochlea denken, wie Elektroden ausgewählt und eingeführt werden und wie Implantate nach der Operation angepasst werden.

Seine Argumentation stützt sich auf drei Säulen:

• Tiefe Frequenzen sind für einen großen Teil des Hörens verantwortlich
• Tiefe Frequenzen können effektiv stimuliert werden, wenn das Implantat die apikale Cochlea-Region erreicht
• Eine möglichst natürliche Stimulation der tiefen Frequenzen hängt nicht nur von der Tiefe ab, sondern auch davon, wie der Schall kodiert wird und wie exakt die stimulierten Frequenzen anatomisch auf die individuelle Cochlea abgestimmt sind

Warum tiefe Töne für das Hören wichtig sind

Prof. Van de Heyning unterstreicht, wie sehr tiefe Frequenzen zum normalen Hörvermögen beitragen. Sie sind wichtig für die Natürlichkeit des Klangs, Klangfarbe, Prosodie, Intonation und den emotionalen Ausdruck in der Sprache. Sie helfen dem Zuhörer, zwischen männlichen und weiblichen Stimmen zu unterscheiden, einzelne Gespräche voneinander zu trennen und Sprache in lauten Umgebungen zu verstehen.Roy et al. 2016. Deeper cochlear implant electrode insertion angle improves detection of musical sound quality deterioration related to bass frequency removal. Otology & Neurotology 37(2), 146-151.[1]Park et al. 2025. Benefits of Cochlear Implantation and Hearing Preservation for Children With Preoperative Functional Hearing: A Prospective Clinical Trial. Ear & Hearing 46(4), 941-951.[2]Todd et al. 2017. Encoding a Melody Using Only Temporal Information for Cochlear-Implant and Normal-Hearing Listeners. Trends in Hearing 2017(21), 1-15.[3]Carlyon et al. 2025. Limitations on Temporal Processing by Cochlear Implant Users: A Compilation of Viewpoints. Trends in Hearing 29 2025,1-39.[4]Li et al. 2025. The cochlear apex demystified: Implications from synchrotron radiation phase-contrast imaging and microscopy for cochlear implantation. Journal of Anatomy 247(6), 1283-1296.[5]

Darüber hinaus spielen sie eine zentrale Rolle für die Musikwahrnehmung, insbesondere für die Beurteilung von Klangqualität und Klangfülle sowie für die Wahrnehmung der räumlichen Klangumgebung. Das sind keine unbedeutenden Details – die tiefen Frequenzen prägen maßgeblich, wie Menschen Stimmen, Umgebungen und Musik im Alltag erleben.

Um das Ausmaß und die Bedeutung tiefer Frequenzen zu veranschaulichen, verwendet Van de Heyning das Bild einer Klaviatur. Der Referenzton („Kammerton“) A mit 440 Hz liegt etwa in der Mitte – alles darunter nimmt also ca. die Hälfte der Tasten ein.

Überträgt man den Frequenzbereich mithilfe der Greenwood-Funktion auf die Cochlea, zeigt sich, dass ein erheblicher Teil der Cochlea diesen tieferen Tönen gewidmet ist, was im Gegensatz zu ihrer unscheinbaren Präsenz im Audiogramm steht.

So funktioniert Hören: Einhüllende und Feinstruktur

Van de Heyning wendet sich an dieser Stelle des Vortrags der Physiologie des natürlichen Hörens zu. Die Cochlea zerlegt komplexe Töne in Schmalbandsignale. Jedes dieser Signale weist zwei Hauptmerkmale auf:

• Die Einhüllende (die langsamere Schwingung der Amplitude über die Zeit)
• Die zeitliche Feinstruktur (die schnell oszillierenden Details der Wellenform)

Van de Heyning erklärt, dass im mittleren und hohen Frequenzbereich, insbesondere oberhalb von etwa 500 Hz, das Sprachverständnis in ruhiger Umgebung von der Einhüllenden bestimmt wird. Dies helfe den Zuhörern, Gesprochenes zu erkennen, und trage zur Lautheitswahrnehmung bei.

Im Gegensatz dazu ist im niedrigen Frequenzbereich die zeitliche Feinstruktur der dominierende Hinweis, der im auditorischen System durch Phasenverriegelung übertragen wird. Die Feinstruktur ist entscheidend, um Stimmen und den Ort von Geräuschquellen zu erkennen, Sprache bei Hintergrundlärm zu verstehen sowie Musik und Klangfarbe wahrzunehmen.

Diese Unterscheidung ist wichtig, da herkömmliche Cochlea-Implantat-Kodierungsstrategien weitgehend auf der Einhüllenden und örtlicher Stimulation beruhen. Nachdem das Hören im niederen Frequenzbereich allerdings stark von der zeitlichen Feinstruktur abhängt, erfordern tiefe Töne eine andere Art der Stimulation.

Warum die Elektrodenlänge entscheidend ist

Ein zentrales Argument des Vortrags lautet, dass das Hören im Tieftonbereich nur dann wiederhergestellt werden kann, wenn der Elektrodenträger des Implantats tatsächlich den entsprechenden Teil der Cochlea erreicht. Prof. Van de Heyning konzentriert sich dabei auf den apikalen Bereich jenseits von anderthalb Windungen bzw. einem Insertionswinkel von etwa 540°.

Er zitiert Daten, die zeigen, dass Elektroden mit einer Länge von 24 mm oder weniger diesen Niederfrequenzbereich im Allgemeinen nicht erreichen. 28-mm-Elektroden erreichen ihn bei einigen, aber nicht bei allen Patienten, während 31-mm-Elektroden dies wesentlich konsistenter tun.Li et al. 2025. The cochlear apex demystified: Implications from synchrotron radiation phase-contrast imaging and microscopy for cochlear implantation. Journal of Anatomy 247(6), 1283-1296.[5]Li et al. 2021. Three-dimensional tonotopic mapping of the human cochlea based on synchrotron radiation phase-contrast imaging. Scientific Reports 11(1), 4437.[6]Canfarotta et al. 2020. Frequency-to-place mismatch: Characterizing variability and the influence on speech perception outcomes in cochlear implant recipients. Ear & Hearing 41(5), 1349-1361.[7]

Einen einheitlichen Zugang – nach dem Motto „One size fits all“ – lehnt er ab. Da die Größe der Cochlea variiert, sollte die Elektrodenlänge individuell angepasst werden. Er beschreibt den Einsatz von Bildgebungs- und Planungssoftware wie OTOPLAN, mit der Ärzte vor der Operation die Größe der Cochlea messen und die Position der Elektroden visualisieren können.

Laut Van de Heyning sind Nutzer von Cochlea-Implantaten mit kurzen Elektroden im Prinzip dazu gezwungen, nur mit der „rechten Hälfte“ des Klaviers zu hören. Niederfrequente Informationen werden zusammengedrückt, was zu Kompression und Verzerrung führt.

Ratenkodierung im apikalen Bereich der Cochlea

Im Apex sei die Tonhöhe stärker mit Ratenkodierung verknüpft, so wie niederfrequente Information beim natürlichen Hören phasenverriegelt übertragen werde. An der Basis der Cochlea bleibe die herkömmliche örtliche Kodierung dominierend.

Diese Erkenntnis lässt Van de Heyning zum Schluss kommen, dass ein CI, wenn es eine klare Tonhöhe im Tieftonbereich unterhalb von etwa 400-450 Hz bewirken soll, den apikalen Bereich der Cochlea stimulieren muss – und zwar mit einer Kodierungsstrategie, die auf der Stimulationsfrequenz basiert und nicht nur auf der Elektrodenposition.

Anatomiebasierte Anpassung reduziert die tonotope Diskrepanz

Ein großes praktisches Problem bei der Cochlea-Implantation ist die tonotope Diskrepanz, also die Nichtübereinstimmung von stimulierter Tonhöhe und Stimulationsort in der Cochlea. Sie tritt auf, wenn der Prozessor eine Frequenz an eine Elektrode sendet, die sich in einem Bereich der Cochlea befindet, der für die Verarbeitung einer anderen Frequenz zuständig ist.Li et al. 2025. The cochlear apex demystified: Implications from synchrotron radiation phase-contrast imaging and microscopy for cochlear implantation. Journal of Anatomy 247(6), 1283-1296.[5]

Prof. Van de Heyning nennt als Beispiel einen zu stimulierenden Ton von etwa 120 Hz, der einer Elektrode zugewiesen wird, die physisch an der für die Verarbeitung eines 590-Hz-Tons zuständigen Stelle in der Cochlea liegt. Der Patient nimmt so den tiefen Ton als unnatürlich hoch wahr. Dies hilft zu erklären, warum manche Menschen von „Micky-Maus-Stimmen“ mit ihrem CI berichten.

Eine solche Fehlanpassung wirkt sich nicht nur auf die Klangqualität aus: Je größer die tonotope Diskrepanz ist, desto schlechter fallen Sprachwahrnehmung und Adaptation aus. Die klangliche Verzerrung erschwert zudem die Unterscheidung zwischen männlichen und weiblichen Stimmen und beeinträchtigt den emotionalen Gehalt der Sprache.Canfarotta et al. 2020. Frequency-to-place mismatch: Characterizing variability and the influence on speech perception outcomes in cochlear implant recipients. Ear & Hearing 41(5), 1349-1361.[7]Canfarotta et al. 2020. Influence of Age at Cochlear Implantation and Frequency-to-Place Mismatch on Early Speech Recognition in Adults. Otolaryngology–Head and Neck Surgery 162(6), 926-932.[8]Dorman et al. 2019. Looking for Mickey Mouse™ but finding a munchkin: The perceptual effects of frequency upshifts for single-sided deaf, cochlear implant patients. Journal of Speech, Language, and Hearing Research 62, 3493-3499.[9]Dorman et al. 2024. Close approximations to the sound of a cochlear implant. Frontiers in Human Neuroscience 18.[10]

Längere Elektroden sorgen in der Regel für einen besseren tonotopen Abgleich, da sie tiefere Frequenzbereiche der Cochlea erreichen. Eine automatische Beseitigung der tonotopen Diskrepanz bedeutet das allerdings noch nicht. Aus diesem Grund plädiert Van de Heyning für die anatomiebasierte Anpassung.

Bei dieser besonderen Form audiologischer Anpassung wird anhand postoperativer Bildgebung die tatsächliche Lage jeder Elektrode bestimmt, um anschließend die Frequenzzuordnung auf die individuelle Cochlea-Anatomie abzustimmen. Mehrere Studien zeigen, dass CI-Nutzer die anatomiebasierte Anpassung gegenüber einer Standardanpassung bevorzugen, insbesondere beim Musikhören.Yang et al. 2022. Image-Guided Cochlear Implant Programming: A Systematic Review and Meta-analysis. Otology & Neurotology 43(9), 924-935.[11]Creff et al. 2024. Tonotopic and Default Frequency Fitting for Music Perception in Cochlear Implant Recipients: A Randomized Clinical Trial. JAMA Otolaryngology–Head & Neck Surgery 150(11), 960-968.[12]

Fazit: Ein natürlicheres Hören mit Cochlea-Implantat

Prof. Van de Heyning argumentiert, dass tiefe Frequenzen (unter 450 Hz) einen wesentlichen Teil des Hörens ausmachen: Sie sind entscheidend für das Erkennen von Stimmen, Emotionen, Musik und das Hören in lauter Umgebung.

Um ein CI-Hören zu ermöglichen, das dem natürlichen Hören so nahe wie möglich kommt, empfiehlt er folgende Schritte:

• Elektrodenlänge individuell auf Basis der Cochlea-Anatomie auswählen
• Elektrode tief genug einführen, um den apikalen Bereich zu erreichen
• Frequenz- oder Feinstrukturkodierung im apikalen Bereich nutzen
• Cochlea-Implantat anatomiebasiert anpassen

Seine abschließende Metapher so einfach wie einprägsam: Das Hörvermögen wird nicht wiederhergestellt, wenn Patienten nur die Hälfte des Klaviers zur Verfügung haben. Aber selbst mit der vollen Klaviatur hänge der Erfolg immer noch davon ab, ob die richtigen Töne angeschlagen werden.

Für Prof. Van de Heyning liegt die Zukunft des Cochlea-Implantats darin, beides zu tun: den Zugang zu den tiefen Frequenzen wiederherzustellen und diese korrekt an die Cochlea anzupassen, damit das Hören nicht nur funktional ist, sondern dem natürlichen Hörvermögen so nahe wie möglich kommt.

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