Sisäkorvaistutteen äänenkäsittely

Sisäkorvaistute kuulee eri tavalla kuin normaali kuulo ja sen tavasta prosessoida ääntä kertoo meille fysiologiainsinööri Ville Sivonen.

Tonotopia ja taajuusalue:

Normaalitoimisessa kuulojärjestelmässä pienet taajuudet (matalat äänet) stimuloivat sisäkorvan kärkiosaa ja suuret taajuudet (korkeat äänet) sisäkorvan tyviosaa. Sisäkorva toimii täten taajuusanalysaattorina, yhtäältä tyvikalvon (engl. basilar membrane) mekaanisten ominaisuuksien ja toisaalta uloimpien aistinsolujen tarkan taajuusvirittyneisyyden ansiosta. Tätä sisäkorvan paikka-taajuus –riippuvuutta kutsutaan tonotopiaksi.

Sisäkorvaistute ohittaa sisäkorvan aistinsolut ja stimuloi kuulohermoa suoraan sähköisesti. Sisäkorvaan asetetun elektrodijohdon (elektrodiketju, engl.electrode array) kontaktipinnat asetetaan kattamaan riittävä alue stimuloitavista kuulohermosäikeistä ja -soluista. Kontaktipintojen lukumäärä vaihtelee valmistajasta riippuen 12 ja 22 kappaleen välillä. Kullekin kontaktipinnalle ohjataan äänen tietty taajuusalue tonotopiaperiaatteen mukaisesti.

Sisäkorvaistutteen puheprosessorin kattama taajuusalue on tyypillisesti noin 100 – 8500 Hz. Vaikka normaalitoimisen kuulojärjestelmän taajuusalue onkin laajempi (20 – 20000 Hz), valtaosa puheen sisältämästä informaatiosta on puheprosessorin kattaman taajuusalueen sisällä eli sisäkorvaistute pyrkii varmistamaan puheen kannalta keskeisten taajuuksien kuuluvuuden. Tarvittaessa taajuusalueen rajoja sekä elektrodijohdon kontaktipintakohtaisia taajuusalueita voidaan muuttaa istutteen ohjelmoinnissa.

Taajuuserottelu:

Kun sisäkorvaistutteella stimuloidaan pistetaajuutta (esim. 1000 Hz:n äänes) sähköisesti nesteisessä sisäkorvassa, leviää stimulaatio ja tämän herättämä vaste (aktiopotentiaali) kuulohermossa laajemmalle alueelle kuin normaalitoimisessa sisäkorvassa. Tämän vuoksi taajuuserottelu sisäkorvaistutteella on normaalikuuloista huonompaa. On huomattava, että sisäkorvan uloimpien aistinsolujen rappeutuminen iän mukana heikentää kuulojärjestelmän taajuuserottelua myös tavallisessa akustisessa kuulossa.

Puhe on toisteisuutensa (redundanttisuutensa) ansiosta ymmärrettävää hiljaisissa olosuhteissa kuitenkin jopa vain neljää erillistä taajuuskaistaa käyttäen (Shannon et al., 1995). Koska sisäkorvaistutteen käyttäjät kykenevät tyypillisesti havaitsemaan useita eri äänenkorkeuksia elektrodijohdon kahden kontaktipinnan välillä (Donaldson et al., 2005), on taajuuserottelu istutteella täysin riittävää puheen ymmärtämiseksi. Taajuuserottelussa istutekäyttäjien välillä on kuitenkin huomattavia eroja, ja tarkemmasta taajuuserottelusta on hyötyä niin melussa kuulemisessa kuin musiikin melodian seuraamisessa.

Äänenvoimakkuus, dynamiikka ja kompressio:

Normaalitoimisen kuulojärjestelmän kuulokynnys keskitaajuuksilla on n. 0 dB SPL ja kipukynnys noin 120 dB SPL. Näin laaja äänenvoimakkuuden dynaaminen alue perustuu sisäkorvan uloimpien aistinsolujen epälineaariseen toimintaan, kuulohermon säikeiden erilaiseen aktiivisuuteen ja tiettyyn satunnaisuuteen (stokastisuuteen) kuulohermosignaaleissa. Sisäkorvaistutteilla äänenvoimakkuuden pääasiallinen vihje aivoille on sähkövirran mukaan kasvavan stimuloidun hermostopopulaation koko. Tästä syystä istutekäyttäjän havaitsema dynaaminen alue on tyypillisesti huomattavasti suppeampi (3-20 dB; Moore, 2003).

Näin ollen puheprosessori joutuu rajaamaan (kompressoimaan) mikrofonien poimimien äänien dynamiikkaa. Tämä tapahtuu usein kahdessa tai useammassa vaiheessa: hitaasti toimiva kompressio pyrkii sopeuttamaan käyttäjän tiettyyn ääniympäristöön säätämällä puheprosessorin mikrofonin herkkyyttä ja nopeasti toimiva kompressio rajaa voimakkaat äänet istutteen ohjelmoinnissa asetetulle suurimmalle sallitulle stimulaatiotasolle. Lisäksi puheprosessoreissa voi olla keskimääräisellä nopeudella toimivia kompressiotoimintoja, joiden tarkoitus on parantaa puheen ymmärrettävyyttä nopeasti vaihtelevissa ääniympäristöissä.

Suuntamikrofonit:

Nykyaikaisissa kuulokojeissa ja uusimmissa sisäkorvaistutteiden puheprosessoreissa hyödynnetään suuntamikrofonitekniikkaa. Suuntamikrofonin tarkoitus on vaimentaa kuulijan sivusta ja takaa saapuvaa ääntä ja parantaa edestä saapuvan äänen (puheen) ymmärrettävyyttä. Suuntamikrofoneilla tehdyt laboratoriotutkimukset ovat osoittaneet johdonmukaisia tuloksia puheen ymmärrettävyyden merkittävästä parantumisesta tilanteissa, joissa melu saapuu eri suunnista kuin edestä saapuva puhe. Suuntamikrofonit voivat parantaa hälypuhekynnystä jopa 6 dB (Wolfe et al., 2012). Hälypuhekynnys tarkoittaa sitä puheen ja hälyn voimakkuussuhdetta (häiriöetäisyys, engl. signal-to-noise ratio), jolla annetusta puhemateriaalista kuulee 50 % oikein.

Kuulolaite voi olla suuntaavuudeltaan ympärisuuntaava, kiinteän suuntakuvion omaava tai takana olevien äänilähteiden sijainnin mukaan adaptiivisesti suuntakuviotaan muokkaava. On myös huomioitava, että kuulolaitteen asettaminen korvalle vaimentaa vastakkaiselta puolelta tulevia ääniä pään varjostuksen vuoksi, etenkin suurilla taajuuksilla. Viimeisimmät kansainväliset julkaisut ja kokemukset suosittelevat suuntamikrofonien käyttöä melutilanteissa ja niiden välttämistä hiljaisissa tai tuulisissa olosuhteissa. Tämä asettaa haasteita automaattisesti suuntakuviota vaihtavan kuulolaitteen oikea-aikaiselle toiminnalle vaihtuvissa ääniympäristöissä. Kaikki istutekäyttäjät eivät myöskään pidä suuntamikrofonien äänimaisemaa muokkaavasta vaikutuksesta.

Melunhallinta:

Suuntamikrofonien lisäksi sisäkorvaistutteiden puheprosessoreissa voi olla käytössä melunhallintaa, joka pyrkii vähentämään voimakkuudeltaan tasaisen taustamelun tai tuulen kohinan aiheuttamaa häiritsevyyttä. Nämä toiminnot perustuvat yleensä taajuuskaistakohtaiseen arvioon puheen ja hälyäänien voimakkuudesta. Jos jollain taajuusalueella on pääsääntöisesti tasaista hälyääntä, toiminto vaimentaa tuon alueen elektrodikontaktille vietävän signaalin voimakkuutta. Melunhallinnan hyödyt ovat suuntamikrofoneja vähäisempiä antaen noin 1 dB parannuksen hälypuhekynnykseen.

Stimulaatiostrategia:

Sisäkorvaistutteen stimulaatiostrategia määrittelee miten puheprosessorin poimiman äänen aika- ja taajuuspiirteet muutetaan sähköisiksi impulsseiksi. Eri valmistajien strategiat pyrkivät hyödyntämään implantin elektroniikan ja elektrodijohdon kontaktien stimulaatiomahdollisuuksia mahdollisimman laajasti. Koska sisäkorvaistutteen välittämään ääneen totuttelu vaatii aikansa, on eri strategioiden välinen suora vertailu kuitenkin haastavaa. Tämän hetkisten stimulaatiostrategioiden välillä ei ole puheen vastaanoton kannalta merkittäviä eroja.

Viitteet:

Donaldson GS, Kreft HA, Litvak L (2005) Place-pitch discrimination of single- versus dual-electrode stimuli by cochlear implant users, J Acoust Soc Am, 118:623-6.

Moore BCJ (2003) Coding of Sounds in the Auditory System and Its Relevance to Signal Processing and Coding in Cochlear Implants, Otol Neurotol, 24-243-254.

Shannon RV, Zeng FG, Kamath V, Wygonski J, Ekelid M (1995) Speech recognition with primarily temporal cues, Science 270:303-4.

Wolfe J, Parkinson A, Schafer EC, Gilden J, Rehwinkel K, Mansanares J, Coughlan E, Wright J, Torres J, Gannaway S (2012) Benefit of a commercially available cochlear implant processor with dual-microphone beamforming: a multi-center study, Otol Neurotol, 33:553-60.

Teksti: Ville Sivonen, Fysiologiainsinööri, TkT, HUS
Kuva: Rubinstein, 2004

Lisää uusi kommentti

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *