Freifeldschwellen und Dynamik: Kompression in den MED-EL Cochlea-Implantaten

Die Empfindlichkeit eines Cochlea-Implantats bestimmt den niedrigsten Pegel, der zu einer für die implantierte Person brauchbaren Klangstimulation führt. Sie muss perfekt eingestellt sein, will man den größtmöglichen Nutzen erzielen. Bevor wir gleich tiefer in die Materie eintauchen, bedarf es einiger grundsätzlicher Begriffsbestimmungen:

• Dynamik bezeichnet die Art der Umwandlung des Pegels eines externen Schallereignisses in elektrische Stimulation einer bestimmten Lautstärke.
• Der Dynamikbereich liegt zwischen dem niedrigsten und dem höchsten Pegel, den ein Hörsystem verarbeiten kann.
• Freifeldschwellen (engl. Sound-Field Thresholds, SFT) markieren den leisesten Ton aus einem Lautsprecher, der sich in einer schallgedämmten Umgebung zweifelsfrei wahrnehmen lässt. Im Kontext mit Hörimplantat-Systemen kommen üblicherweise die versorgten Freifeldschwellen („Aufblähkurve“) zum Tragen.

Dynamikbereich und Kompression bei Hörverlust und akustischen Hörgeräten

Rufen wir uns an dieser Stelle ein paar der Herausforderungen in Erinnerung, denen sich jemand mit Schallempfindungsschwerhörigkeit gegenübersehen. Bereits der Name signalisiert, dass es sich um eine Empfindungsstörung handelt, weshalb Menschen mit dieser Diagnose insbesondere leise Geräusche nicht mehr hören können. In dieser Situation mit einem akustischen Hörgerät die Lautstärke der nicht mehr hörbaren Geräusche anzuheben, klingt nach einer einfachen und logischen Lösung. Das Problem dabei: Bei vielen Menschen mit einer Schallempfindungsstörung ist hauptsächlich oder ausschließlich der geringe Lautstärkenbereich betroffen, während die Wahrnehmung lauterer Geräusche noch verhältnismäßig gut funktioniert.

Eine normal hörende Person kann eine Reintonschwelle von 0 dB und eine maximale Lautstärkentoleranz von 100 dB aufweisen. Eine Person mit Schallempfindungsschwerhörigkeit dagegen kann eine Reintonschwelle von 70 dB und gleichzeitig ebenfalls eine maximale Lautstärkentoleranz von 100 dB aufweisen. Die Obergrenze bleibt also gleich, der Dynamikbereich schrumpft aber in diesem Fall auf lediglich 30 dB.

Wird einfach der gesamte Dynamikbereich durch die Verstärkung eines Hörgeräts angehoben, werden viele Geräusche des täglichen Lebens für die Betroffenen unerträglich laut. Um dieser Problematik bis zu einem gewissen Grad Herr zu werden, bedienen sich Hörgeräte der Kompression: Sie heben leisere Geräusche stärker an als lautere.

Kompression in MED-EL Cochlea-Implantaten

Bei Cochlea-Implantaten ist die Situation ähnlich: Nachdem der Dynamikbereich des elektrisch vermittelten Hörens enger ist als jener des normalen Gehörs, nutzen Cochlea-Implantate ebenfalls Kompression. Nur so kann es gelingen, den Dynamikbereich zu erweitern und gleichzeitig möglichst alle Alltagsgeräusche in angemessener und angenehmer Lautstärke wiederzugeben. Die Lautstärkenwahrnehmung mit einem MED-EL Implantat wird durch eine ganze Reihe an unterschiedlichen Parametern beeinflusst. Drei davon wirken maßgeblich auf die Kompression und sollen im Folgenden etwas genauer erläutert werden.

Stufen der Kompression in den MED-EL Cochlea-Implantaten

Drei Schlüsselfaktoren der Lautstärkenwahrnehmung

Der erste, ganz entscheidende Parameter dafür, welches Geräusch über das CI wie laut wahrgenommen wird, ist die automatische Kontrolle des Lautstärkenanstiegs (Automatic Gain Control, AGC). Sie verhält sich analog zur Kompression von Hörgeräten: Leisere Töne werden im Verhältnis mehr verstärkt als laute. Man könnte diese Funktion auch als Schablone oder Fenster sehen, das auf und ab bewegt wird, um jeweils auf einen bestimmten Pegelbereich zu fokussieren. Herkömmliche AGC Technologie funktioniert etwa bei Sprache sehr gut, kann aber nicht mit plötzlichen, unerwarteten Störgeräuschen, wie zum Beispiel einem Knall, umgehen.

MED-EL setzt deshalb auf eine doppeltes System, „Dual-Loop AGC“ genannt, das imstande ist, Sprachkompression mit dem Handling plötzlicher Störgeräusche zu vereinen. Standardmäßig arbeiten der Audioprozessor und die MAESTRO Software mit relativ sanfter Kompression und ausgeglichener Empfindlichkeit. Diese Parameter bilden den Kompressionsprozess des normalen Gehörs nach und passen zudem relativ gut zu den Kompressionscharakteristiken bimodaler Nutzer, die ein Hörgerät am anderen Ohr tragen. Falls erforderlich, lassen sich diese Parameter im Rahmen der audiologischen Anpassung adaptieren.

Der zweite Parameter ist die elektrische Lautheitswachstumsfunktion, „Maplaw“ genannt. Sie beeinflusst im Wesentlichen den Output der AGC und gleicht das unterschiedliche Ansprechen von elektrischem und natürlichem Hören aus. Vereinfacht ausgedrückt sorgt Maplaw also dafür, dass Lautstärkenwechsel möglichst organisch erfolgen, sobald externe Geräusche lauter werden. In der Standardeinstellung liefert Maplaw gute Ergebnisse für den überwiegenden Teil der Patienten. Bei Bedarf lässt sich Maplaw aber auch individuell adaptieren.

Dritter Parameter ist der Dynamikbereich. Er bezeichnet die Spanne zwischen Wahrnehmungsschwelle und angenehmster Lautheit (Maximum Comfortable Level, MCL). Das Maplaw bewegt sich für jeden Stimulationskanal irgendwo innerhalb dieses Bereichs. Von allen Einflussfaktoren der Lautstärkenverarbeitung des Implantat-Systems stellen akkurat erfasste MCL-Schwellen den wichtigsten dar, zumal sie die Referenzpunkte der Lautstärke setzen und das Hörempfinden so maßgeblich beeinflussen. Für die meisten CI-Nutzer kann der Parameter für die Wahrnehmungsschwelle bei der Voreinstellung von 8 % der angenehmsten Lautheit belassen werden. Fallweise wird die Wahrnehmungsschwelle individuell adaptiert.

MED-EL Cochlea-Implantate: Dynamiken richtig einstellen

Bei der Entwicklung der MED-EL CI-Systeme wurde gezielt darauf geachtet, eine zu hohe Empfindlichkeit zu vermeiden, die zu Hörproblemen im Alltag führen kann. Das System soll leise Geräusche gut hörbar machen, zugleich aber nicht „überempfindlich“ sein. Reagiert das System zu empfindlich, werden leise Störgeräusche (das Brummen eines Ventilators oder das Rauschen von Autoverkehr) zu stark hervorgehoben, was zum Beispiel das Sprachverständnis beeinträchtigen kann. Das gilt auch für die Geräusche, die der Audioprozessor – wie jedes elektronische Gerät – selbst produziert.

Der dynamische Eingangsbereich (Input Dynamic Range, IDR) sollte so breit wie möglich sein, um das Hörempfinden natürlich zu gestalten und auch bei hohen Pegeln die richtigen Referenzen für Lautstärkenwechsel zu liefern. Das ist äußerst wichtig, da Menschen in geräuschvollen Umgebungen automatisch lauter sprechen, um den Hintergrundlärm zu übertönen. Darüber hinaus soll eine zu starke Kompression in den mittellauten Bereichen, die zum Beispiel bei einem Gespräch zum Tragen kommen, vermieden werden, da sie die verfügbaren Dynamik-Referenzen durcheinanderbringen könnte.

Werden all diese Kriterien erfüllt, resultiert die MED-EL Input-Output-Funktion in einem Zielwert von ~30 dB nHL als Wahrnehmungsschwellwert und ~100 dB HL als Obergrenze des Dynamikbereichs. Auf diese Weise erliegt MED-EL nicht der Versuchung, den einfachsten Weg zu gehen, ein System zu entwickeln, das sich auf leise Pegel konzentriert, und damit durch zu hohe Sensibilität eine Leistungsminderung bei lauten Pegeln zu verursachen. Zwar ist die deutliche Wahrnehmung leiser Geräusche durchaus wichtig – sie sollte aber nicht zulasten der Hörleistung in geräuschvollen Umgebungen gehen, etwa in einem Restaurant mit etlichen Geräuschen.

Wo also liegt die „goldene Mitte“? Ein zu wenig sensibles System bietet Vorteile in manchen lauten Umgebungen, beeinträchtigt jedoch die Wahrnehmung leiser Geräusche. Ein zu empfindliches System dagegen erleichtert die Wahrnehmung leiser Geräusche, verstärkt aber den Störschall in lauten Umgebungen. Bei MED-EL verfolgen wir deshalb das Ziel, eine Ausgewogenheit zwischen diesen beiden Polen zu finden. Denn zum Alltag gehören leise Geräusche genauso wie Lärm.

Was sind Freifeldschwellen?

Eine der gängigsten Kontrollen der CI-Anpassung ist die Erhebung der unterstützten Freifeldschwellen.

Für ein aussagekräftiges Ergebnis ist eine Schalldämmung des Raums sinnvoll. Nach den Empfehlungen der ASHA (American Speech Language-Hearing Association) [4] sowie der BSA (British Society of Audiology) [5] sollte die Messung der Freifeldschwellen in einem großen, schalldichten sowie schallgedämmten Raum (6 m x 4 m) unter [6] Verwendung eines klar definierten Probandenplatzes und gemäß ISO 226:2003 kalibrierter Lautsprecher erfolgen [10]. Aufgrund des Risikos einer stehenden Welle dürfen Reintöne nicht zur Anwendung kommen. Wobbeltöne oder Schmalbandrauschsignale können dagegen durchaus eingesetzt werden. Neuartige Klangstimuli müssen vorab kalibriert werden.

In der Anpassung ist es entscheidend, die exakte Wahrnehmungsschwelle zu definieren, zumal sich der auditorische Input für Menschen mit CI zeitlich und qualitativ anders präsentiert.

Beschränkt sich die auditorische Erhebung auf Töne (oder Schmalbandsignale), gilt es zusätzlich folgende zwei Faktoren zu berücksichtigen:

1. Die üblicherweise abgetesteten Frequenzen stimmen nicht mit den Frequenzbändern des CI-Systems überein. Wird das Hörprogramm ausschließlich auf Basis dieser Information angepasst, ist das Resultat also unter Umständen lückenhaft und unbefriedigend. [9]
2. Mit komplexen sprachlichen Breitbandstimuli zu testen, kann zu anderen Ergebnissen führen als etwa ein Test mit Wobbeltönen.

Der Ling-Test: Hochwertige Erhebung der Hörleistung

Der Ling-Test bietet sich als zusätzliches Erhebungsinstrument zur Freifeld-Testung an. [1,3,8]

Er besteht aus sechs Lauten, die sich über das Frequenzspektrum der menschlichen Sprache erstrecken (250 bis 8500 Hz). Der Test kann das Wahrnehmen oder das Identifizieren erheben. „Wahrnehmen“ meint hier die Fähigkeit, tiefe, mittlere oder hohe Klänge hören zu können. Beim „Identifizieren“ kommt eine weitere Fähigkeit hinzu: jene, das Gehörte zuordnen und benennen zu können. [2]

Audiometrische Erfassung versorgter Freifeldschwellen bei Menschen mit Cochlea-Implantat

Im Idealfall wird die adaptive Direktionalität des Audioprozessors vor der Testung deaktiviert. Als Alternative bietet sich die Platzierung des Lautsprechers direkt frontal und in einem Meter Abstand zur Testperson an. Selbst nach Aufbau und Kalibrierung einer idealen Testanordnung besteht immer noch die Möglichkeit, dass die Testperson selbst oder weitere anwesende Personen (Eltern, andere Probanden, …) gewisse Unsicherheitsfaktoren einbringen.

In Bezug auf die Wiederholbarkeit stellten Hawkins et al. fest, dass die Standardabweichung zwischen den Testungen der Freifeldschwellen mit linearen Hörgeräten bei etwa 6 bis 8 dB lag. [7] Demnach wäre ein signifikanter Unterschied im Testresultat erst bei etwa 12 bis 16 dB Differenz (doppelte Standardabweichung) gegeben. Diese Ansicht ist in der klinischen Praxis weitestgehend akzeptiert.

Zusammengefasst ergeben sich folgende MED-EL Empfehlungen zum Umgang mit Freifeldschwellen:

Freifeldschwellen sind sinnvoll, …

• … wenn die Frequenzabhängigkeit (Schmalbandkommunikation) von Bedeutung ist.
• … wenn die Testperson andere Tests (z. B. Sprachunterscheidung, Sprache im Störschall, …) nicht vollbringen kann.
• … wenn die Testperson nicht imstande ist, eine zufriedenstellende, vollständige Rückmeldung zu geben.
• … um die (Nicht-)Reaktion auf Klänge zu ermitteln.
• … wenn Wert auf einen holistischen audiometrischen Ansatz gelegt wird.

Freifeldschwellen sind nicht sinnvoll, …

• … wenn sie ohne andere Testungen zur Ermittlung des Implantationsergebnisses herangezogen werden.
• … wenn die Wahrnehmung von sprachlichen Bausteinen bzw. Phonemen erhoben werden soll.
• … wenn sie ohne irgendwelche weiteren Tests das Resultat einer audiologischen Anpassung bestätigen sollen.

Die optimale Vorgehensweise:

• Stellen Sie gute Bedingungen für die Stimulus-Antwort sicher und vermeiden Sie nichtauditorische Hinweise.
• Bringen Sie das beste zur Verfügung stehende Equipment zum Einsatz.
• Platzieren Sie den Lautsprecher direkt frontal zur Testperson.
• Achten Sie auf die Frontend-Einstellungen: Deaktivieren Sie etwa Funktionen wie automatische Fokussierung, Adaptive Intelligence etc.
• Führen Sie die Messungen in der für den Nutzer gedachten Lautstärke und Empfindlichkeit durch.
• Halten Sie die genauen Testparameter zu Zwecken der Dokumentation und Wiederholbarkeit fest.
• Kompromisse bedeuten eine höhere Variabilität.
• Für eine zuverlässige und aussagekräftige Erhebung der unterstützen Hörleistung kombinieren Sie die Messung der Freifeldschwellen mit weiteren audiologischen Tests, wie z. B. dem Ling-Test.

Spezieller Dank geht an Chris Durst und Fiona Kukiewicz von MED-EL Großbritannien sowie an Alejandra Kontides und Jennifer Robinson von MED-EL Product Management für ihre Mitwirkung an diesem Artikel!

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Referenzen

1. Agung, K. B., Purdy, S. C., & Kitamura, C. (2005). The Ling sound test revisited. Australian and New Zealand Journal of Audiology, The, 27(1), 33-41.
2. Goffman, L., Ertmer, D., & Erdle, C. (2002). Changes in Speech Production in a Child With a Cochlear Implant. Journal Of Speech, Language, And Hearing Research, 45(5), 891-901. https://doi.org/10.1044/1092-4388(2002/072)
3. Glista, D., Scollie, S., Moodie, S., & Easwar, V. (2014). The Ling 6(HL) Test: Typical Pediatric Performance Data and Clinical Use Evaluation. Journal Of The American Academy Of Audiology, 25(10), 1008-1021. https://doi.org/10.3766/jaaa.25.10.9
4. Sound Field Measurement Tutorial, Audiologic Evaluation Committee, Working Group on Sound Field Calibration
5. British Society of Audiology. (2022). Practice Guidance – The Acoustics of Sound Field Audiometry in Clinical Audiological Applications. https://www.thebsa.org.uk/resources/practice-guidance-the-acoustics-of-sound-field-audiometry-in-clinical-audiological-applications/
6. ANSI/ASA S3.1-1999 (R2018) – Maximum Permissible Ambient Noise Levels for Audiometric Test Rooms. (2018). https://webstore.ansi.org/Standards/ASA/ANSIASAS31999R2018?source=preview
7. Hawkins, D., Montgomery, A., Prosek, R., & Walden, B. (1987). Examination of Two Issues concerning Functional Gain Measurements. Journal Of Speech And Hearing Disorders, 52(1), 56-63. https://doi.org/10.1044/jshd.5201.56
8. Smiley, D., Martin, P., & Lance, D. (2004). Using the Ling 6-Sound Test Everyday. Retrieved 19 July 2022, from https://www.audiologyonline.com/articles/using-ling-6-sound-test-1087
9. Quintana, A. K., Granados, M. P., & Cornejo, J. M. (2021). Calibrated Ling Sounds Test for Cochlear Implant fitting in children. In 2021 43rd Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society (EMBC), 1570-1572.
10. ISO 226:2003 Acoustics — Normal equal-loudness-level contours. https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso:226:ed-2:v1:en