Wie klingt Hören mit Cochlea-Implantat? Mit MED-EL möglichst natürlich.

Wenn Sie in Ihrer Arbeit mit CI-Kandidaten zu tun haben, sind Ihnen die folgenden Fragen bestimmt geläufig: Wie klingt das Hören mit einem Cochlea-Implantat? Klingt es roboterhaft? Werde ich damit Stimmen erkennen? Kann ich mit dem CI gut Musik hören? Wie lange dauert die Eingewöhnungszeit?

Diese Fragen sind nicht nur gängig, sondern auch allzu verständlich, schließlich ist die Entscheidung für ein Cochlea-Implantat keine einfache. Online-Simulationen sollen mitunter dazu dienen, ein Gefühl dafür zu vermitteln, wie es ist, mit einem CI zu hören. Solche Videos oder Sound Samples werden häufig mit einem Vocoder erstellt, der imstande ist, natürliche Sprache künstlich zu reproduzieren.

Es ist wichtig zu verstehen, dass eine „Cochlea-Implantat-Simulation“ durch einen Vocoder nicht annähernd einen realistischen Eindruck davon liefern kann, wie das Hören mit einem Cochlea-Implantat tatsächlich klingt. Die Vocoder-Simulationen klingen schroff, roboterhaft, verzerrt und schlicht unangenehm. Das steht in Widerspruch zu den Erfahrungen von CI-Nutzern.^1,2

„Wenn Sie online nach ‚Cochlea-Implantat Simulation‘ suchen, finden Sie sogenannte Rauschband-Vocoder. Ich stelle erfreut fest, dass ein Cochlea-Implantat nicht wie ein Vocoder klingt. Es wäre schrecklich, wenn sich alles ein Leben lang wie aus einem Vocoder anhören würde. Nein, es klingt nicht wie ein Rausch- oder Sinus-Vocoder – zum Glück!“ Prof. Michael Dorman

Die Thematik wurde wissenschaftlich umfassend beleuchtet. CI-Nutzer mit einseitiger Taubheit (SSD) können den Klang von beiden Seiten direkt miteinander vergleichen.^1­–9

„Nein! … Nein, nein, nein … Nein!“ CI-Nutzerin mit SSD beim Vergleichen des Klangs einer Vocoder-Simulation im gesunden Ohr mit dem Klang des CIs im anderen Ohr

Diese realitätsfernen Simulationen bergen ein großes Problem: Sie können CI-Kandidaten davon abbringen, ein CI zu erhalten und von allen damit verbundenen Vorteilen zu profitieren.

„Ich war unsicher, ob ich ein CI bekommen sollte. Warum? Das liegt an den online verfügbaren Cochlea-Implantat-Simulationen. Du gehst auf diese Seiten, um dir anzuhören, wie Musik mit einem Cochlea-Implantat angeblich klingt. So etwas wollte ich dann nicht. Es klang furchtbar.“ … „Ich habe mich bei jenen, die solche pseudowissenschaftlichen Videos über den Klang der Stimme oder von Musik mit einem Cochlea-Implantat veröffentlichen, beschwert. So etwas kann Menschen davon abbringen, ein Cochlea-Implantat zu bekommen.“ Zwei Cochlea-Implantat-Nutzer im Gespräch über CI-Simulationsvideos

Tatsache ist, dass die subjektiven Eindrücke und Erfahrungen zur Klangqualität von Cochlea-Implantaten individuell sehr unterschiedlich sind. Während manche Nutzer den Klang als „mechanisch“, „metallisch“, „verzerrt“ oder „piepsig“ bezeichnen, empfinden ihn andere als „angenehm“ und „überraschend natürlich“.

Wie kommt es zu derart unterschiedlichen Bewertungen? Und wie kann das Hörresultat optimiert werden? CI-Kandidaten und Fachleute neigen nicht selten zur Annahme, dass alle Cochlea-Implantate mehr oder weniger gleich sind. Das stimmt aber nicht. Und es ist essentiell zu verstehen, dass sich die Cochlea-Implantate in ihrer Technologie unterscheiden. Denn diese technologischen Unterschiede haben, wie die wissenschaftliche Forschung eindeutig belegt, deutlich unterschiedliche Hörresultate zur Folge.^1–24

„Eher roboterhaft, blechern und nachhallend. Ich kann Stimmen verschiedener Personen nicht auseinanderhalten, da der Klang ziemlich metallisch ist. Es klingt wie mit einem defekten Mikrofon.“ CI-Nutzer mit einem Implantat der Firma Cochlear, das über einen kurzen Elektrodenträger verfügt¹⁹

„Mich hat der Klang sofort begeistert… Stimmen klingen klarer und voller. Es klingt natürlicher… Weniger Anstrengung mit MED-EL, weil ich nicht dauernd raten muss…“ Derselbe Nutzer über sein MED-EL Cochlea-Implantat mit langem Elektrodenträger, das er am anderen Ohr trägt¹⁹

In diesem Artikel steht neben den wissenschaftlichen Grundlagen der Klangqualität von Cochlea-Implantaten folgende Frage im Fokus: Wie wichtig ist das Implantat-Design für das Hörergebnis?

1. Die maßgebliche Bedeutung des tonotopen Abgleichs für die Klangqualität
2. Steuerbare Faktoren der CI-Klangqualität wie etwa Produktwahl und Elektrodenplatzierung
3. Persönliche Erfahrungen von MED-EL Nutzern zur Klangqualität im täglichen Gebrauch

Der Natur nachempfunden

Wie klingt ein Cochlea-Implantat? Vielleicht stellen wir uns zuerst besser die Frage, wie ein Cochlea-Implantat klingen sollte. Und daran anschließend: Wie kann es gelingen, dass Menschen mit einem Cochlea-Implantat so gut und natürlich wie möglich hören können?

Unser Hörsinn umfasst nicht allein die Fähigkeit, Geräusche zu erkennen und Äußerungen zu verstehen. Beim Hören geht es um weit mehr als das reine Wahrnehmen von Klängen: Es geht um Freude, Lachen, Erinnerungen, Natur, Musik – und die vielseitige Gefühlswelt, die damit einhergeht. Unser natürliches Gehör ist emotional eng mit unseren Erfahrungen verknüpft.

Darin besteht letzten Endes der Grund für unsere Anstrengungen bei MED-EL, mit unseren Cochlea-Implantaten ein möglichst natürliches Hörempfinden zu erzielen. Seit bereits mehr als 30 Jahren legen wir größten Wert darauf, Cochlea-Implantate zu entwickeln und zu fertigen, die sich an den Eigenschaften des natürlichen Gehörs orientieren. Jede unserer einzigartigen technologischen Weiterentwicklungen bringt uns in der Nachahmung des normalen, natürlichen Hörens einen Schritt voran. In der Summe sorgen sie bereits jetzt dafür, dass sich MED-EL Cochlea-Implantate von allen anderen absetzen.^1–25

„Möglichst natürliches Hören“ meint mehr als eine angenehme Klangqualität. Je natürlicher und besser die Klangsignale sind, die zum Gehirn gelangen, desto leichter können wir insbesondere komplexe akustische Ereignisse verarbeiten und verstehen. Das macht sich vor allem in schwierigen Hörsituationen wie Gruppenunterhaltungen oder Gesprächen in vollen Restaurants oder am Spielplatz bemerkbar.^10,11,14,24

„Das in meinen Augen ideale Cochlea-Implantat würde Nutzern eine derart natürliche Hörerfahrung liefern, dass sie nicht einmal ‚bemerken‘ würden, dass sie ein Implantat haben.“ Dr. Peter Nopp, Director of Sound Coding Research, MED-EL

Natürliche Basis

Wie kann es gelingen, mit einem CI so nahe wie möglich an die natürliche Hörerfahrung heranzukommen? Um diese Frage zu beantworten, sehen wir uns zuerst an, wie ein Cochlea-Implantat mit dem auditorischen System interagiert.

Dass eine Schallempfindungsschwerhörigkeit auf ein Fehlen oder eine Funktionsstörung der Haarzellen zurückgeht, ist klar. Was aber manchmal nicht ausreichend thematisiert wird, ist die Tatsache, dass diese defekten Haarzellen nur einen Schritt im Prozess der natürlichen Hörverarbeitung darstellen. Alle nachfolgenden Schritte, also die übrigen neuralen Strukturen, sind bei einer Schallempfindungsschwerhörigkeit nach wie vor intakt.

Cochlea-Implantate sind keine Ersatzteile, die, wie etwa eine Unterschenkelprothese, ein nicht mehr vorhandenes Körperteil ersetzen. Sie dienen nicht als neue neurale Strukturen, sondern wurden dazu entwickelt, exakt mit den vorhandenen, natürlichen Verarbeitungsprozessen zusammenzuspielen.

„Ein taubes Ohr ist kein totes Ohr! Die Funktion des Hörnervs bleibt auch nach dem Verlust der Haarzellen und der Ertaubung bestehen; ein Segen für ertaubte und implantierte Menschen.“ Prof. Helge Rask-Andersen

Es mag seltsam erscheinen, aber sogar bei hochgradiger Schallempfindungsschwerhörigkeit können die anderen delikaten Strukturen in der Cochlea noch völlig funktionsfähig sein. Ein unglaublich komplexes Netzwerk aus Nervenzellen wartet sozusagen nur darauf, reaktiviert zu werden. Wenn ein Lichtschalter kaputt ist, müssen deshalb noch nicht sämtliche in der Wand verlegten Kabel ersetzt werden.

Wäre ein CI dazu in der Lage, die neuralen Strukturen im Innenohr mit der exakt gleichen Präzision zu befeuern, wie das beim natürlichen Hören geschieht, könnte das Gehirn theoretisch keinen Unterschied zwischen natürlichem und elektrisch vermitteltem Hören erkennen. Die ins Hirn gelangenden Nervensignale wären dann nämlich genau gleich.

Beim natürlichen Hören senden die Haarzellen im Corti-Organ Nervensignale durch das Ganglion spirale und weiter über den Hörnerv zum Gehirn. Ein Cochlea-Implantat stimuliert exakt diese neuralen Strukturen in Corti-Organ und Ganglion.

Was bedeutet das für die Klangqualität eines Cochlea-Implantats? Die Klangqualität eines Cochlea-Implantats hängt davon ab, wie nahe die Stimulation durch das CI der natürlichen Stimulation der Cochlea kommt.^1–25 Daraus ergibt sich eine zentrale Rolle des Elektrodenträgers für die Hörqualität. Der Elektrodenträger bildet die Brücke zwischen Technologie und Natur. Jeder Bestandteil der Schallinformation fließt durch diese extrem feine und hochkomplexe Schnittstelle.

Selbst der ausgefeilteste Audioprozessor stößt rasch an Grenzen, wenn der Elektrodenträger des Cochlea-Implantats Aufbau und Funktionsweise der Cochlea nicht entsprechend berücksichtigt. Ein gutes Beispiel ist Musikhören. Es ist zwar nett, wenn die externe Komponente des CI-Systems mit allerlei kabellosen Verbindungsmöglichkeiten aufwarten kann, bringt aber nicht viel, wenn die Musik durch Limitierungen in Implantat und Elektrodenträger am Ende verzerrt und schlecht klingt.

Wie gesagt, durchläuft wirklich alles, was Ihre Patienten mit ihrem CI hören, zu irgendeinem Zeitpunkt den winzigen Elektrodenträger des Implantats. Alle paar Jahre auf einen neuen Audioprozessor umzusteigen, ist keine große Sache. Das Cochlea-Implantat bleibt im Normalfall wesentlich länger im Einsatz. Manche Patienten wechseln den Audioprozessor nahezu wie ein Smartphone, tragen ihr Implantat jedoch bereits seit mehr als 25 Jahren im Körper.

Klangqualität: Natürliche Lautstärke und Frequenz

Welche Schlüsselfaktoren natürlichen Hörens muss ein gutes Cochlea-Implantat berücksichtigen? Im Wesentlichen sind es zwei Faktoren: Lautstärke (dB) und Frequenz (Hz).

Lautstärke

Die Lautstärke eines Cochlea-Implantats wird durch dessen Dynamikbereich bestimmt. Es geht darum, wie groß der wahrgenommene Lautstärkenunterschied ist, der sich zwischen niederen und hohen Pegeln erreichen lässt. Natürliche Sprache und Musik haben einen breiten Dynamikbereich. Er ist ein wichtiger Teilbereich von Hörqualität.

Etliche CI-Systeme arbeiten über ca. 70dB mit einer sehr hohen, zum Teil sogar unbegrenzten, Kompression. Diese Kompression erfolgt auf Kosten der natürlichen Lautstärkenunterschiede. Plakativ ausgedrückt: Würden Sie sich auf der Landebahn eines Flughafens mit jemandem unterhalten, würde Ihr CI Ihren Gesprächspartner und die Turbine des Flugzeugs mit demselben Pegel stimulieren. Die unnatürliche Angleichung verschiedener Lautstärken könnte etwa auch dazu führen, dass die Stimme einer Person, die Ihnen etwas zuruft, verzerrt wird, weil im selben Moment Autos vorbeifahren. Ein begrenzter Dynamikbereich macht es schwierig, dem natürlichen Lautstärkeverlauf des Schalls zu folgen.²⁵

Für eine natürlichere Lautstärkenwahrnehmung bedienen sich MED-EL Cochlea-Implantate eines Kompressionsverhältnisses von 3:1. Dieses entspricht dem Kompressionsverhältnis der Basilarmembran beim normalen Hören. Klang kann in seiner Lautstärke damit zwischen ca. 30 dB und 110 dB merkbar ansteigen. Darüber hinaus ist die DUAL-Loop Automatic Gain Control (AGC) unserer Cochlea-Implantate fähig, sofort und nahtlos auf Lautstärkenunterschiede zu reagieren und dafür zu sorgen, dass leise Geräusche klar und laute Geräusche angenehm wahrgenommen werden.

Die Lautstärke ist ein wichtiger Baustein von Hörqualität, aber nicht der einzige. Auch ein sehr leise bellender Hund ist noch immer als bellender Hund erkennbar. Was ist also der Grund für den „blechernen“, „piepsigen“ oder „roboterhaften“ Klang, den manche CI-Nutzer beschreiben?

Frequenz

Hier kommt die Frequenz ins Spiel. Klangfarben oder der „Charakter“ bestimmter Töne werden zu einem großen Teil durch deren Frequenzen bestimmt. Jede Klaviertaste bringt eine andere Frequenz zum Klingen.

Werden Frequenzen künstlich alteriert, ändert sich der Klangeindruck. Er wird unnatürlich. Verschiebt man die Frequenz einer Stimme etwa nach oben, kann dieser „blecherne“, dünne Klang entstehen, den CI-Nutzer mitunter konstatieren.^1,2,5,9,19

Daraus ergibt sich eine zentrale Frage zur Hörqualität mit CI: Wie exakt kann ein Cochlea-Implantat die natürliche Frequenz eines Klangs darstellen bzw. stimulieren?

Wie wir wissen, geht das Cochlea-Implantat eine unmittelbare Verbindung mit dem natürlichen Pfad der Hörverarbeitung ein. Es ist also nur logisch, das Hören mit einem CI umso natürlicher wirkt, je akkurater dieses mit dem natürlichen Aufbau der Cochlea interagiert.^{4,7,10,11,12,13,14,15}

Natürliches Hören: Der richtige Ort

In der Cochlea sind unterschiedliche Regionen für die Verarbeitung unterschiedlicher Frequenzen verantwortlich. Jede Tonhöhe aktiviert also eine andere Gruppe von Haarzellen. Diese tonotope Kodierung (Kopplung von Tonhöhe und Ort) kann man sich wie eine Klaviatur im Inneren der Cochlea vorstellen: von den Tasten für die ganz hohen Töne am Eingang der Hörschnecke bis zu den Tasten für die tiefen Töne am Ende der Schnecke.¹³

Auf Vogelgezwitscher reagieren die vorderen Haarzellen, auf Donnergrollen die weiter innen liegenden.

Wenngleich Cochleae individuell ganz unterschiedlich aussehen können, so ist der tonotope Rotationswinkel doch bei fast allen Cochleae sehr ähnlich: Nach einer ganzen Cochlea-Windung (360°) sitzen üblicherweise jene Haarzellen, die eine Frequenz von ca. 940 Hz verarbeiten – unabhängig von der Größe der Cochlea.

Diese tonotope Übereinstimmung von Frequenz und entsprechendem Areal in der Cochlea ist unglaublich präzise: Werden bestimmte Haarzellen aktiviert, erkennt das Gehirn automatisch und blitzschnell, um welche Tonhöhe es geht. Wie beim Klavier ist eine klar definierte Stelle ist immer für die exakt selbe Tonhöhe zuständig. Nur durch diese Konsistenz, die von den Haarzellen über Nervenstrukturen bis in die zerebralen Hörzentren aufrechterhalten wird, kann das Gehirn die kodierten Töne gewissermaßen entschlüsseln.

Wird die natürliche Tonotopie der Cochlea durch ein Cochlea-Implantat nicht berücksichtigt bzw. verändert, kann dies dementsprechend Auswirkungen auf die für die Klanginterpretation zuständigen Hirnareale haben.

Cochlea-Implantate: Der richtige Ort

Wir wissen, dass die Haarzellen nach Frequenz angeordnet sind und sich nahezu über die gesamte Länge der Cochlea erstrecken. Und wir wissen, dass eine CI-Elektrode jene Haarzellen bzw. Nervenstrukturen nicht stimulieren kann, die sie nicht physisch erreicht. Was bedeutet das?

Für eine möglichst natürliche, akkurate Wiedergabe von Klängen müssen die Frequenzen an der jeweils dafür vorgesehenen Stelle in der Cochlea stimuliert werden.^3–15

Um das gesamte natürliche Klangspektrum abzudecken, muss die Elektrode lang genug sein, um die Cochlea in ihrer gesamten Länge zu stimulieren. Eine Frequenz, die an einem Ort in der Cochlea verarbeitet wird, welchen die Elektrode nicht erreicht, kann folglich nicht korrekt stimuliert werden. Um im erwähnten Bild des Klavierspielens zu bleiben: Das wäre so, als würde man versuchen Töne zu spielen, deren Tasten man nicht erreichen kann.

Ein langer Elektrodenträger ist von zentraler Bedeutung für die Klangqualität mit einem Cochlea-Implantat. Umfassende Forschungen zeigen, dass nur durch eine genaue Übereinstimmung von natürlichem Stimulationsort und stimulierter Tonhöhe zuverlässig eine bessere Tonhöhenwahrnehmung mit einem CI erzielt werden kann.^1–20

In der Cochlea reichen die Dendriten der Haarzellen bis in eine Tiefe von 720° (das entspricht zwei vollen Cochlea-Windungen). Ein langer Elektrodenträger ist daher entscheidend. Man kann Nervenstrukturen nur stimulieren und aktivieren, wenn man sie auch erreicht.

Lange Elektrodenträger: Stimulation der gesamten Cochlea

Damit ein CI-System Tonhöhen möglichst naturgetreu vermitteln kann, ist ein bestmöglicher tonotoper Abgleich über das gesamte Frequenzspektrum entscheidend, das der Audioprozessor zu verarbeiten imstande ist. Ein moderner MED-EL Audioprozessor verfügt über einen Frequenzbereich von 70 bis 8.500 Hz (in einem Audiogramm liegt der Bereich üblicherweise zwischen 125 und 8.000 Hz).

Die Herausforderung besteht darin, das untere Ende dieses breiten Spektrums korrekt zu stimulieren. Dazu braucht es einen langen Elektrodenträger, der mit seinem letzten Elektrodenkontakt an der Spitze eine angulare Insertionstiefe von etwa 630-720° erreicht. Wie wir später sehen werden, kann Ratenkodierung die Feinabstimmung der tiefen Frequenzen in der zweiten Cochlea-Windung unterstützen.^4,13,20

Vollständige Stimulation der Cochlea mit einem langen Elektrodenträger

Um eine durchschnittliche Cochlea derart in ihrer gesamten Länge bespielen zu können, wäre ein flexibler Lateral-Wall-Elektrodenträger mit einer Länge von ca. 18-31,5 mm erforderlich. Kleine Cochleae würden für dieselbe Abdeckung einen etwas kürzeren Elektrodenträger benötigen, größere Cochleae einen etwas längeren.^13,17,20

MED-EL bietet das umfassendste Portfolio an unterschiedlichen Elektrodenträgern (u.a. FLEX Elektrodenträger in 5 Längen), um Cochleae unterschiedlichster Größen in ihrer gesamten Länge stimulieren zu können.

Die einzigartig flexiblen Spitzen sowie die weiche Ausgestaltung des Elektrodenträgers, der sich den natürlichen Windungen der Cochlea von selbst anpasst, sorgen für eine sichere Insertion bis zu 720°. Ein solches Maß an angularer Insertionstiefe und damit Cochlea-Abdeckung erreichen andere Hersteller nicht. Diese tiefe Insertion legt den Grundstein für die Nutzung des gesamten Frequenzpotenzials der Cochlea und damit für eine möglichst natürliche Hörqualität.

Kurze Elektrodenträger: Keine vollständige Stimulation

Wie sieht das Ganze mit vorgeformten Elektrodenträgern aus? Diese weniger flexiblen, 15-23 mm langen Elektrodenträger anderer CI-Hersteller werden häufig damit beworben, angeblich „am dichtesten am Hörnerv zu liegen“. Darüber hinaus werden diese Elektrodenträger von den Herstellern selbst mitunter mit dem Prädikat „full-length“ bedacht, was allerdings lediglich auf die kleinsten bekannten Cochleae zutreffen kann.^7,16,20

Man kann sich den Aufbau der neuralen Strukturen in der Cochlea ein wenig wie die Verzweigungen eines Christbaums vorstellen: Die Spitzen der Zweige sind die einzelnen peripheren Nervenfasern, die an den Haarzellen andocken. Zum Stamm hin entsprechen die Zweige dem Ganglion spirale, das letztlich in den Hörnerv (Baumstamm) übergeht. Vorgeformte Elektrodenträger liegen weiter in der Mitte der Cochlea, weshalb sie anstelle der Haarzellen eher das Ganglion spirale stimulieren.

Wenngleich dieser Umstand häufig als Vorteil des Systems verkauft wird, so handelt es sich eher um eine funktionale Notwendigkeit, die sich aus dem Elektrodendesign ergibt. Sind solche vorgeformten Elektroden nicht nahe genug am Ganglion spirale platziert, kann dies nämlich zu einem signifikanten Leistungsverlust führen. Die Elektrodenkontakte liegen sehr nahe beieinander, wodurch es zu Problemen mit überlappender Stimulation kommen kann, die umso größer werden, je weiter die Kontakte vom Modiolus cochleae entfernt sind.²¹

Noch stärker gegen dieses Design spricht aber, dass Tonhöhenwahrnehmung nichts damit zu tun hat, wie nahe am Zentrum der Cochlea der Elektrodenträger liegt. Praktisch gesprochen hat die perimodiolare Platzierung keinerlei Vorteil für den tonotopen Abgleich. Denn das Corti-Organ und das Ganglion spirale weisen eine nahezu identische Tonotopie bis etwa 650-700° auf – also bis in eine Insertionstiefe, welche die vorgeformten Elektrodenträger ohnehin niemals erreichen.^13,16

Natürliche Frequenzen: Mit kurzen Elektrodenträgern, die lediglich 360°-450° erreichen, lässt sich durch die Stimulation des Ganglion spirale (orange) keine effiziente Stimulation der niederen Frequenzen (Haarzellen im Corti-Organ, grün) erzielen.

Wie starre Mid-Scala-Elektroden reichen perimodiolare Elektroden aufgrund ihres Designs nur bis ca. ans Ende der ersten Cochlea-Windung (360-450°). Eine tiefere Insertion mit starren bzw. vorgeformten Elektroden könnte sehr wahrscheinlich zu einer Verletzung der Cochlea führen.¹⁶

Etliche Elektrodenträger erreichen lediglich die erste Windung der Cochlea.

Das hat signifikante Auswirkungen: Da die vorgeformten Elektroden nur bis knapp hinter die erste Cochlea-Windung reichen, decken sie nur etwa die Hälfte des natürlichen Frequenzspektrums ab.^7,13,16

Bemerkenswert ist, dass die vergleichsweise kurzen, vorgeformten Elektrodenträger in ihrer Länge mitunter als idealer Kompromiss aus Abdeckung und Strukturerhalt beworben werden. Bemerkenswert deshalb, weil die äußerst flexiblen und deutlich längeren MED-EL Elektrodenträger wesentlich besser abschneiden, wenn es um den Erhalt der sensiblen Cochlea-Strukturen geht.

Sogar mit weniger starren vorgeformten Elektrodenträgern ist es ob der immer enger werdenden Krümmung der Cochlea praktisch unmöglich, den Modiolus über die erste Windung hinaus zu umschließen, ohne dass die Spitze des Elektrodenträgers schon fast automatisch umknickt.²⁶

Außerdem wird behauptet, dass diese Elektroden an der Innenseite der Cochlea, sozusagen auf der „Innenspur“, liegen und so gleich umfassend stimulieren wie längere Elektrodenträger. Durch klinische Evidenz gedeckt ist diese Behauptung nicht. Postoperative Bildgebung zeigt, dass diese Elektrodenträger lediglich die erste Windung stimulieren und aktivieren (360-450° Insertionswinkel).^7,16,20,26

Näher am Hörnerv zu liegen, führt also nicht automatisch zu einer besseren, natürlicheren Klangqualität. Die Nerven im Ellbogen mögen näher am Gehirn liegen – dennoch sind die in den Fingerspitzen liegenden Nerven zweifelsfrei präziser. Und wenn die Hälfte der feinen, präzisen Nervenstrukturen komplett außen vor gelassen wird – kann man dann eine näher am Hörnerv liegende Elektrode ernsthaft als Vorteil bezeichnen? Wohl kaum. Soll ein bestmöglicher tonotoper Abgleich mit dem natürlichen Aufbau der Cochlea erzielt werden, spielt die Länge der Elektrode schlicht eine entscheidende Rolle.

Nichtübereinstimmung von Stimulationsort und Tonhöhe: Verzerrter Klang

Auch kurze Elektrodenträger ermöglichen im Allgemeinen ein vernünftiges Maß an Sprachverständnis, insbesondere in ruhigen Umgebungen. Sprache hören und verstehen zu können, ist die Basis mündlicher Kommunikation, weshalb Sprachverständnis oft als Maß zur Messung des Hörerfolgs herangezogen wird.

Klar ist aber auch, dass die Bewertung „verständlich“ bei einem Sprachverständnistest nicht mit ‚natürlich“ oder „wohlklingend“ gleichzusetzen ist. Eine kurze Elektrode kann die Klangqualität mindern, wodurch die Hörerfahrung zwar brauchbar, aber nicht notwendigerweise angenehm ist.^{1,2,9,15,18,19}

Das ist zum Beispiel der Fall, wenn die natürlichen Frequenzen durch das CI nach oben alteriert werden und Sprache oder andere Klänge dadurch blechern und dünn wirken. Erst die niederen Frequenzen lassen uns Klang als voll und satt empfinden. Eine Verzerrung der Frequenzen schmälert nicht nur den Gesamteindruck beim Hören, sondern lässt akustische, tonhöhenvermittelte Hinweise in der Sprachmelodie untergehen, was speziell bei Vorhandensein von Umgebungsgeräuschen das Sprachverstehen erschweren kann.^{10,11,12,13,14,15,19}

Kurze Elektroden, die nur die erste Cochlea-Windung erreichen, können nur mittlere und hohe Frequenzen (ab einer Grenze von ca. 800 Hz) an deren natürlichem Verarbeitungsort in der Cochlea stimulieren.²⁰

Würde ein solches CI nur diese Bereiche ab 800 Hz stimulieren, gingen zahllose Klänge des täglichen Lebens komplett verloren. Sprache wäre dann nicht verständlich: Die Grundfrequenzen der männlichen Stimme liegen etwa bei 120 Hz, jene der weiblichen bei ca. 200 Hz. Zum Vergleich: Zwei Drittel der Töne eines Klaviers liegen unter 800 Hz und fielen damit ebenfalls aus dem hörbaren Bereich. Diese Frequenzen einfach zu ignorieren ist also keine wirkliche Option. Aus diesem Grund stimulieren Cochlea-Implantate mit kurzen Elektrodenträgern zwar auf die tiefen Frequenzen – allerdings tun sie das nur in jenem Bereich der Cochlea, den sie erreichen können. Und dieser ist nicht für die Verarbeitung dieser Frequenzen vorgesehen.

Diese Kompression und Verlagerung der Frequenzen hat drastische Auswirkungen auf die Tonhöhenwahrnehmung und damit auf die Klangqualität: Die erwähnten 120 Hz Grundfrequenz einer männlichen Stimme werden dann in der Cochlea an der für die Verarbeitung einer Frequenz von 800 Hz verantwortlichen Stelle stimuliert und dementsprechend als wesentlich höher (näher an 800 Hz) wahrgenommen. Der so verzerrte Stimmklang kann es erschweren, eine Stimme einem Geschlecht bzw. einer Person zuzuordnen.²⁸

Auswirkungen einer Frequenzverschiebung durch kurze Elektrodenträger^{1,2,5,9,10,14,15,18,19}

• Unnatürliche Stimmwahrnehmung
• Blecherner, roboterhafter Klangeindruck
• Mangelnde Freude am Musikhören
• Schlechteres Sprachverstehen in Geräuschkulisse

Nachdem nach wie vor sehr viele Cochlea-Implantate mit kurzen Elektrodenträgern in Umlauf sind, verwundert es wenig, dass viele Menschen Cochlea-Implantate mit unnatürlicher Klangqualität verbinden.

Das muss aber nicht so bleiben. Natürlich spielen beim Thema Hörqualität viele, zum Teil sehr individuelle, Faktoren eine Rolle. Der Elektrodenträger ist aber unbestritten ein gewichtiger objektiver Faktor. Noch dazu ein technologischer und damit steuerbarer. Unterschiedliche Designs = unterschiedliche Hörresultate

Elektrodenkanäle: 22 vs. 12

Wir haben nun also gesehen, dass die Länge des Elektrodenträgers wichtig ist. Aber wie sieht es mit der Zahl der Kontakte entlang des Elektrodenträgers aus? Bestimmt haben Sie schon das Argument gehört, dass „22 Kontakte besser sind“. Auf den ersten Blick mag es plausibel erscheinen, dass mehr Elektrodenkontakte die Cochlea an mehr Stellen stimulieren und so eine bessere Leistung bewirken.

Eine solche Argumentation lässt aber zwei wichtige Aspekte außer Acht: Erstens: Das Implantat ist nicht notwendigerweise auf die physischen Elektrodenkontakte limitiert. Ein technologisch hochstehendes Cochlea-Implantat ist fähig, zwischen den Kontakten virtuelle Kanäle zu erzeugen. Und zweitens: Es geht darum, wie groß der Bereich der Cochlea ist, den die Elektrodenkontakte überhaupt erreichen und damit stimulieren können.

Durch ihre einzigartige Kombination aus präzise koordinierter Stimulation und langen Elektrodenträgern sind nur MED-EL Cochlea-Implantate dazu in der Lage, die gesamte Cochlea mit mehr als 250 virtuellen Kanälen zu befeuern, was sich in einer unvergleichlich hohen Klangqualität niederschlägt.^5,12,15,22

Virtuelle Kanäle: 250 vs. 22

Ausgereifte CI-Systeme nutzen parallel oder sequenzielle Stimulation auf zwei oder mehreren Elektrodenkontakten. Indem die Stimulation zwischen zwei nebeneinanderliegenden Kontakten koordiniert wird, lassen sich zusätzliche, virtuelle Elektrodenkanäle schaffen, die wiederum wie weitere Elektrodenkontakte zwischen den physischen Kontakten agieren. Die Nerven werden dort aktiviert, wo die Stimulation punktuell am stärksten ausfällt. Nach diesem Prinzip können durch Steuerung der Balance zwischen zwei Elektrodenkontakten gezielt ausgerichtete Spannungsspitzen erzeugt werden.

Die FineHearing Klangkodierung von MED-EL nutzt trichterförmige Frequenzbandfilter, um jeweils zwischen zwei physischen Elektrodenkontakten zahlreiche virtuelle Kanäle zu generieren. Eine Unzahl an physischen Stimulationskontakten auf dem Elektrodenträger zu platzieren, wird damit obsolet.

Unsere erstklassige Ti100 Implantat-Elektronik nutzt unabhängige Stromquellen für jeden Kanal. Das heißt, dass jeder aktive Elektrodenkontakt einen eigenen Hochgeschwindigkeits-Präzisionsregler hat. Dank dieser kraftvollen Hardware ist unsere Kodierung in der Lage, sowohl parallele als auch sequenzielle, nichtüberlappende Stimulation anzuwenden.

Auf diese Art kann ein MED-EL Cochlea-Implantat mit zwölf physischen Kanälen die Cochlea über bis zu 250 individuelle virtuelle Kanäle oder Spektralbänder stimulieren. Zehn Finger reichen schließlich auch aus, um alle Tasten eines Klaviers anschlagen zu können. Voraussetzung ist, dass die ganz tiefen und die ganz hohen Töne in Reichweite sind. Dann können automatisch auch alle Töne dazwischen zum Klingen gebracht werden.

Verfügt ein Implantat dagegen ausschließlich über 22 physische Kontakte und über keinerlei virtuelle Kanäle, wäre es so, als könnte man nur 22 Tasten des Klaviers zum Musizieren verwenden. Und mit der aktuellen „N-of-M“ Klangkodierung solcher Implantate sind ohnehin lediglich 8 der 22 Elektroden gleichzeitig aktiv. Zudem erfordern diese Implantate eine passive Ableitung des Gleichstroms anstelle eines aktiven Ausgleichs, sodass die Stimulationsraten begrenzt sind. Im Zusammenhang mit Hardware wird dies oft als „begrenzter Spielraum“ bezeichnet, da nicht ausreichend Kapazität vorhanden ist, um die Hardware in Zukunft mit schnellerer, komplexerer Kodierung zu erweitern.²⁷

Es ist sicherlich möglich, mit 22 eng beieinander liegenden Kontakten akzeptable Ergebnisse zu erzielen. Dieses Design kann aber nicht als fortschrittlicher als andere bezeichnet werden, nur weil es mehr Elektrodenkontakte umfasst. Liegen die Kontakte zu nahe beieinander, gibt es weniger Platz für virtuelle Kanäle und ein höheres Potenzial für unerwünschte Kanalinteraktionen durch überlappende Stimulation. Zusätzlich können mehr Elektrodenkontakte auf einem kurzen Elektrodenträger dazu führen, dass dieser noch steifer wird und damit das Risiko, sensible Cochlea-Strukturen zu schädigen, steigt.^16,21

Vor allem aber kommt es darauf an, wo genau diese Elektrodenkontakte sitzen. Egal, ob ein Elektrodenträger über 16, 22 oder theoretisch 1.000 Elektrodenkontakte verfügt – wenn der Elektrodenträger nur die halbe Cochlea abdeckt, wird auch nur das halbe Frequenzspektrum hörbar sein. Dass tiefe Frequenzen fehlen und der Klang dadurch unnatürlich wirkt, hängt mit der Verschiebung der Frequenzen zusammen und nicht etwa mit einer geringeren Zahl an Elektrodenkontakten.^{5,6,7,13,19,21}

Größte Übereinstimmung von Anfang an

Welche Rolle spielt Adaptation? Gewöhnen sich Cochlea-Implantat-Nutzer mit der Zeit an verfälschte Tonhöhen? Immer wieder wird als Argument für kurze Elektrodenträger ins Treffen geführt, dass die Berücksichtigung der natürlichen Tonotopie ohnehin nicht so wichtig sei, da sich das Gehirn an verschobene Frequenzen gewöhne. So verbreitet diese Theorie sein mag, so sehr ist sich die Wissenschaft einig, dass Adaptation keine zielführende Methode ist, eine tonotope Nichtübereinstimmung zu korrigieren.^{9,10,11,18,19}

Zwar stimmt es, jedes CI ein gewisses Maß an Adaptation erfordert. Wie viel Adaptation notwendig ist, macht jedoch einen Unterschied. Zudem geht die Adaptation nicht bei jedem Menschen gleich effizient vonstatten. Sie hängt von vielen individuellen Faktoren ab. Jede Veränderung des Hörens ist mit Zeit und Anstrengung verbunden. Den Adaptationsaufwand zu reduzieren, muss daher das Ziel sein.^{9,10,11,15,18,19}

Die natürliche Tonotopie der Cochlea ist äußerst stabil und solide. Dieses System einem drastischen und plötzlichen Wandel zu unterwerfen ist kein einfaches Unterfangen.

Und vor allem eines, das sich vermeiden lässt. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass das CI ab dem Zeitpunkt der Aktivierung eine Klangqualität liefert, die möglichst nahe an das natürliche Hören heranreicht. Je weniger Anstrengung das Hören mit dem CI von Anfang an erfordert, desto schneller und besser können Nutzer ihr Gehör speziell für schwierigere Hörsituationen trainieren.

Etliche Studien attestieren MED-EL CI-Nutzern eine rasche Adaptation und schnelle Hörfortschritte: Sie erreichen häufig bereits binnen wenigen Monaten beachtliche Werte im Sprachverständnis. Eine möglichst dem natürlichen Hören entsprechende Hörqualität sorgt also nicht nur für einen höheren Nutzen, sondern auch dafür, dass dieser rascher spürbar wird.

Natürliches Hören: Eine Frage des Timings

Wie erwähnt, sind bestimmte Tonhöhen an bestimmte Orte in der Cochlea gekoppelt. Das gilt sowohl für die erste als auch für die zweite Cochlea-Windung.

In der zweiten Windung ist die Verarbeitung der Frequenzen allerdings noch etwas komplexer als in der ersten. Klänge werden hier nicht nur tonotop, sondern auch zeitlich aufgeschlüsselt. Während die örtliche (tonotope) Kodierung bestimmt, welche Haarzellen befeuert werden, steuert die frequenzabhängige Ratenkodierung, wie schnell oder langsam diese Haarzellen von der Schallwelle aktiviert bzw. wieder deaktiviert werden.^3,4,5,6,12

Wie die natürliche zeitliche Kodierung funktioniert

Die faszinierende natürliche Ratenkodierung synchronisiert die Frequenz einer Schallwelle mit der Feuerungsrate eines Nervs. Diese Kodierung ist phasenstarr. Das bedeutet, dass die neuralen Aktionspotenziale mit der Schallwelle zeitlich 1:1 in Übereinstimmung gebracht werden. Ein Ton mit einer Frequenz von 120 Hz lässt die für diese Frequenz zuständige Haarzelle 120 Aktionspotenziale pro Sekunde im Hörnerv anstoßen. Das Gehirn kann diese Signale präzise als Ton mit 120 Hz interpretieren.

In der zweiten Windung der Cochlea kann die Ratenkodierung die tonotope Kodierung aufheben. Allein den richtigen Ort zu stimulieren reicht in der apikalen Region also nicht aus.

Werden etwa die 120 Hz Grundfrequenz einer männlichen Stimme zwar an der richtigen Stelle, allerdings mit einer starren Standardrate von 800 pps stimuliert, stößt das in den Nervenzellen 800 Aktionspotenziale pro Sekunde an, was wiederum im Gehirn als nach oben (in Richtung 800 Hz) verschobene Tonhöhe verstanden würde. Diese „Tonhöhenverwirrung“ würde zu einer unnatürlichen Klangqualität führen. Der Effekt der Tonhöhenverschiebung nach oben ist vergleichbar mit dem zu schnellen Abspielen einer Schallplatte.^3,4,5,6

Verlangsamt man dagegen die Stimulation auf 120 Impulse pro Sekunde, um der natürlichen Frequenz von 120 Hz zu entsprechen, stimuliert man den Hörnerv mit der richtigen Rate und ahmt so die natürliche Phasenverriegelung nach, was eine viel natürlichere Wahrnehmung des Klangs ermöglicht.^3,4,5,6

Warum befassen wir uns mit solchen Details? Die MED-EL Elektrodenträger sind lange genug, um im Hinblick auf ein breites Frequenzspektrum auch die zweite Cochlea-Windung stimulieren zu können.

Für Hersteller mit kürzeren Elektrodenträgern, die nur etwa die Hälfte der Cochlea (360-450°) abdecken, spielt die für die zweite Windung charakteristische Ratenkodierung klarerweise keine Rolle. Und umgekehrt wäre es für Hersteller, welche die natürliche Ratenkodierung nicht technologisch erreichen können, in gleicher Weise sinnlos, längere Elektrodenträger zu verwenden. Nur durch lange Elektrodenträger UND das richtige Timing kann die Stimulation letztlich eine korrekte Tonhöhenwahrnehmung in den niederen Frequenzen bewirken.

Die Kombination aus der richtigen örtlichen und zeitlichen Kodierung ist die Voraussetzung für eine möglichst naturgetreue Tonhöhenwahrnehmung. Aus diesem Grund gibt es FineHearing, die einzigartige ratenspezifische Kodierungsstrategie von MED-EL.^3,4,6,12,15

FineHearing: Das richtige Timing
FineHearing ist die einzige Klangkodierung für Cochlea-Implantate, welche die Stimulationsrate für Elektrodenkontakte in der zweiten Cochlea-Windung ohne Verzögerung an die Frequenz anpasst, um die natürlichen Tonhöhen der vom Audioprozessor aufgenommenen Klänge möglichst naturgetreu zu stimulieren. Ein Ton mit 120 Hz wird automatisch mit 120 pps kodiert, einer mit 144 Hz erhält eine Rate von 144 pps und so weiter.

FineHearing unterscheidet bis zu 250 virtuelle Stimulationskanäle um Klänge differenziert, voll und möglichst natürlich wiedergeben zu können. Darüber hinaus berücksichtigt FineHearing natürliche interaurale Zeitdifferenzen, was die Lokalisierung von Klängen erleichtern kann. Diese kraftvolle Kombination aus möglichst naturgetreuer Frequenzwahrnehmung und besserem Lokalisierungsvermögen liefert nur FineHearing.^12,19,24

Greifen diese auf die Frequenz abgestimmte zeitliche Kodierung und die durch lange Elektrodenträger ermöglichte tonotope Kodierung exakt ineinander, kann das CI die natürliche Stimulation der Cochlea präzise nachahmen. Das Ergebnis: eine Hörerfahrung, die dem natürlichen Hören möglichst nahe kommt.^1–20

Langer Elektrodenträger (richtiger Ort) + FineHearing Kodierung (richtiges Timing)

= möglichst natürliches Hören mit CI

Möglichst natürliches Hören

Eine höhere Klangqualität ist mehr als eine technologische Errungenschaft. Sie ist ein täglich zu spürender Vorteil in sämtlichen Lebensbereichen. Gern Gehörtes klingt bekannter, gewohnter und natürlicher. Insbesondere beim Musikhören ist ein voller, farbenreicher Klang enorm wichtig für ein genussvolles Erlebnis, wie etliche unserer CI-Nutzer erzählen.

Natürlichere Klangqualität bewirkt letzten Endes, dass unser faszinierendes auditorisches Verarbeitungssystem so arbeitet, wie es das beim natürlichen Hören tun würde. Diese natürliche Verarbeitung spielt ihre Stärken vor allem in komplexen, herausfordernden Hörsituationen aus. Konkret erhöht sie die Verständlichkeit von Sprache in geräuschvollen Umgebungen.^1–20

• Möglichst natürliche Klangqualität
• Nutzung des gesamten Cochlea-Potenzials
• Vollere, detailreichere Hörwahrnehmung
• Mehr Musikgenuss
• Klareres Hören in stiller und lauter Umgebung
• Verbesserte Geräuschlokalisation
• Schnellerer Hörfortschritt

Sie möchten die Thematik des möglichst natürlichen Hörens mit CI Ihren Patienten näherbringen? Genau für solche Fälle haben wir eine auf medizinische Laien ausgerichtete und dennoch äußerst detaillierte Info-Website erstellt, die Sie mit Kandidaten sowie Nutzern eines Cochlea-Implantat-Systems teilen können.

Wie klingt das Hören mit einem MED-EL Cochlea-Implantat?

Ähnlich wie das Erlernen eines Musikinstruments benötigt auch das Hörenlernen mit einem Cochlea-Implantat Zeit, Übung und Geduld. Eindruck und Geschwindigkeit des Hörerfolgs sind individuell sehr unterschiedlich. Unmittelbar nach der Aktivierung des CI-Systems nehmen manche Nutzer lediglich unbekannte und nicht zuordenbare Geräusche wahr, während andere vielleicht bereits Gesprochenes erkennen. Was aber grundsätzlich gilt: Der Aufwand des regelmäßigen Hörtrainings lohnt sich.

Viele Cochlea-Implantate können irgendwann ein vernünftiges Sprachverständnis liefern, insbesondere in leisen Umgebungen. Wir bei MED-EL sind aber überzeugt, dass „halbwegs vernünftiges“ oder „im Alltag ausreichendes“ Sprachverständnis nicht unser Anspruch ist. Uns geht es darum, dass unsere Nutzer in allen Lebensbereichen das an ihrer Situation gemessen bestmögliche Hören erreichen.

Um herauszufinden, inwieweit unsere Implantate diesem hohen Anspruch gerecht werden, haben wir Nutzer nach ihrer subjektiven Einschätzung der Nützlichkeit ihrer MED-EL Implantate sowie der Natürlichkeit ihrer Hörerfahrung gefragt.

Insgesamt haben mehr als 100 MED-EL CI-Nutzer angegeben, wie sehr sie den folgenden Aussagen zustimmen (von 0 „ich stimme überhaupt nicht zu“ bis 10 „ich stimme vollkommen zu“).²⁹

An Unterhaltungen teilnehmen

Sprache klingt für mich natürlich und verständlich.

8,1/10

Einer Person in ruhiger Umgebung zuzuhören, erfordert keine besonders große Konzentration.

8,9/10

Ich kann auch in einer Geräuschkulisse einer Unterhaltung folgen (z. B. im Restaurant).

7,2/10

Telefonieren

Ich kann problemlos telefonieren, wenn ich meinen Audioprozessor verwende.

7,6/10

Musik hören

Musik klingt für mich natürlich.

7,5/10

Ich kann Musik mit meinem Cochlea-Implantat-System genießen.

7,7/10

Gesamteindruck beim Hören

Bitte bewerten Sie die Klangqualität mit Ihrem Audioprozessor, etwa in Bezug auf Musik, Outdoor-Aktivitäten und Gespräche.

8,0/10

Zusammengefasst zeigt sich, dass Cochlea-Implantate weit mehr zu erfüllen vermögen als nur das Bedürfnis, Wörter zu verstehen. MED-EL Cochlea-Implantate ermöglichen ungezwungene Gespräche, stressfreies Telefonieren und die Wiederentdeckung der Freude an Musik. Weiter gedacht bedeuten diese wiedergewonnen Fähigkeiten nicht weniger als eine grundlegende Veränderung des Lebens: Sie unterstützen Freiheit, Unabhängigkeit und Selbstbestimmung, sie schenken das Selbstbewusstsein, sich Herausforderungen zu stellen, manches leichter zu nehmen und soziale Kontakte zu pflegen.

Die nächsten Schritte

Der Artikel konnte zeigen, dass MED-EL Cochlea-Implantate sich von jenen anderer Hersteller absetzen, wenn es um natürliche Klangqualität geht.

Die Klangqualität ist aber nicht der einzige Grund, warum sich CI-Kandidaten für MED-EL entscheiden: belegte langfristige Zuverlässigkeit, hervorragende MRT-Sicherheit*, kabellose Verbindungsmöglichkeiten, kabelloses Laden, bimodale Abstimmung, Single-Unit-Prozessoren, die das Ohr komplett frei lassen, und vieles mehr.

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Referenzen

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2. Dorman, M. F., Natale, S. C., Butts, A. M., Zeitler, D. M. & Carlson, M. L. (2017). The Sound Quality of Cochlear Implants: Studies With Single-sided Deaf Patients. Otology & Neurotology, 38(8), e268–e273.
3. Schatzer, R., Vermeire, K., Visser, D., Krenmayr, A., Kals, M., Voormolen, M., Van de Heyning, P., & Zierhofer, C. (2014). Electric-acoustic pitch comparisons in single-sided-deaf cochlear implant users: frequency-place functions and rate pitch. Hear Res., 309, 26–35.
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5. Landsberger, D.M., Vermeire, K., Claes, A., Van Rompaey, V., & Van de Heyning, P. (2016). Qualities of single electrode stimulation as a function of rate and place of stimulation with a cochlear implant. Ear Hear., 37(3), 149–159.
6. Prentiss, S., Staecker, H., & Wolford, B. (2014). Ipsilateral acoustic electric pitch matching: a case study of cochlear implantation in an up-sloping hearing loss with preserved hearing across multiple frequencies. Cochlear Implants Int., 15(3), 161–165.
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9. Dorman, M. F., Natale, S. C., Zeitler, D. M., Baxter, L., & Noble, J. H. (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 : JSLHR, 62(9), 3493–3499.
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* Alle MED-EL Cochlea-Implantate ab 1994 sind bedingt MR-sicher. Nutzer können sich problemlos einer MRT-Untersuchung unterziehen, sofern die Voraussetzungen gemäß dem Handbuch für Medizinische Verfahren für MED-EL CI/ABI Systeme eingehalten werden.