Optimale Klangqualität durch Ultraschnelle Signalverarbeitung: Die neue Hörsystem-Plattform Widex Moment

Innovationen in bester Tradition: der Widex-Sound

Gemäß der Philosophie des besseren Hörens ist es das Ziel, Menschen mit Hörminderung uneingeschränkten und unverfälschten Zugang zur Welt der Klänge zu eröffnen. Zentraler Faktor aller Innovationen in der langjährigen Widex-Historie ist die Signalverarbeitungsstrategie für die Natürlichkeit des Klangs. Die Entwicklungsabteilung von Widex setzt dabei den Fokus auf folgende Faktoren: Dem Gehirn sollen alle relevanten Signal-Informationen für einen natürlichen Höreindruck zur Verfügung gestellt und die akustische Charakteristik der Hörumgebung bewahrt werden. Gleichzeitig muss die bestmögliche Sprachverständlichkeit gewährleistet werden, ohne dass die Reinheit des Klangs und die Klangfülle verloren gehen.

Die technologische Umsetzung realisiert Widex seither mit einer detailgetreuen Digitalisierung und Erfassung des gesamten Klangspektrums mit einer linearen Eingangsdynamik von 5 dB bis 113 dB SPL. Die hohe Abtastrate von 33 kHz sorgt für eine originalgetreue Reproduktion des Eingangssignals, während die 15-Kanal-Filterbank mit Einsatz von Infinity-Impulse-Response-Filtern geringe Durchlaufzeiten ermöglicht. Zusätzlich wird das Signal anhand der realen Hörsituation adaptiv in SoundClasses kategorisiert, von unerwünschten Schalleindrücken bereinigt und die Sprachinhalte hervorgehoben. Ausschlaggebend für die natürliche Klangqualität ist zudem das Kompressionssystem mit schnellen und langsam wirkenden Kompressoren, das ein ausgewogenes Verhältnis aus Hörbarkeit, Sprachverständlichkeit sowie Störlärmreduktion gewährleistet.

Mit der neuen MOMENT-Chipplattform stehen erstmals zwei parallel arbeitende Signalverarbeitungswege in einem Hörsystem zur Verfügung. Denn für die bestmögliche Versorgung unterschiedlicher Hörminderungen ist nicht nur die benötigte Verstärkung relevant, sondern auch weitere Parameter, wie z. B. die Durchlaufzeit des Hörsystems.

Der klassische Verarbeitungspfad beinhaltet alle Signalverarbeitungen, die man von Widex-Hörsystemen kennt.

Zusätzlich bietet der neuentwickelte ZeroDelay-Pfad inklusive PureSound-Technologie eine beschleunigte Signalverarbeitung, um eine verbesserte Klangcharakteristik zu ermöglichen.

Neben der Signalverarbeitung ist für Widex die Anpassung des Hörsystems an das individuelle Ohr des Hörgeräte-Trägers von Beginn an ein Schlüsselfaktor für eine hohe Klangqualität. Widex entwickelte daher das In-situ-Sensogramm und bietet heute mit TruAcoustics die präziseste Methode, die individuellen biometrischen Eigenschaften des Gehörs in der Hörsystem-Anpassung zu berücksichtigen.

Wie verzögerungsbedingte Artefakte in digitalen Hörsystemen entstehen

Digitale Hörsysteme sind seit ihrer Erfindung – vor allem bei offenen und Vent-Anpassungen – durch die Wiedergabe einer typischen Klangcharakteristik gekennzeichnet. Diese unnatürliche Klangcharakteristik ist als sogenannter Kammfiltereffekt bekannt und entsteht durch das zeitverzögerte Eintreffen des im Hörsystem verarbeiteten Schalls gegenüber dem Direktschall. Die Verzögerung ergibt sich zwangsläufig durch die Durchlaufzeit, die ein Signal benötigt, um vom Mikrofon des Hörsystems über den Hörer in den Gehörgang zu gelangen. Bereits eine Verzögerung von nur wenigen Millisekunden bewirkt eine Phasenverschiebung zwischen beiden Signalen (Direktschall und verstärktem Schall) im Gehörgang und führt zu additiven und subtraktiven Interferenzen bereits vor dem Trommelfell. Die daraus resultierenden Summenpegel ähneln den Zähnen eines Kamms und manifestieren sich über alle Frequenzen hinweg (siehe Abbildung 1 und 2). Weisen beide Schallquellen eine nahezu gleiche Amplitude auf, ist der Kammfiltereffekt am stärksten. Typischerweise liegt dieser Bereich zwischen 0,5 und 2 kHz, ist jedoch abhängig von der akustischen Ankopplung, dem Gehörgang und der Hörsystem-Verstärkung. Der aus direktem und verstärktem Schall zusammengesetzte Klang entspricht in seiner Qualität nicht mehr dem Originalsignal. Die verzögerungsbedingten Artefakte wirken sich bei geringen und mittleren Hörverlusten bzw. bei offenen und Vent-Anpassungen negativ auf die Klangqualität aus. Abgesehen von komplett geschlossener Anpassung war dies bislang unvermeidbar.

PureSound: die schnellste Klangverarbeitung für ein neues Hörerlebnis

Die MOMENT-Chipplattform bietet mit PureSound einen neuen ZeroDelay-Signalverarbeitungsweg, der diese verzögerungsbedingten Artefakte eliminiert. Um den Kammfiltereffekt zu vermeiden, müssen der Direktschall und der vom Hörsystem verarbeitete Schall gleichzeitig am Trommelfell eintreffen. Herkömmliche Hörsysteme verfügen über Durchlaufzeiten von 5-8 ms, während Widex-Hörsysteme eine durchschnittliche Durchlaufzeit von 2,5 ms erzielen. Obwohl durchschnittliche Durchlaufzeiten herkömmlicher Hörsysteme der aktuellen Generation von 3, 5 oder 8 ms als kurz erscheinen, führen sie zu wahrnehmbaren Verzerrungsartefakten (Abbildung 2).

Die PureSound-Verarbeitung mit WIDEX MOMENT ermöglicht eine Durchlaufzeit zwischen Mikrofon und Hörer von weniger als 0,5 ms in allen Kanälen, wodurch der Summenpegel vor dem Trommelfell keinen Kammfiltereffekt aufweist (Abbildung 2, hellblaue Linie). Widex setzt seit Entwicklung des ersten digitalen Hörsystems auf die Verwendung von Infinity-Impulse-Response-Filtern (IIR-Filter). Nur durch die charakteristische Filterstruktur und deren direkte Verarbeitung innerhalb der zeitlichen Domäne sind sehr schnelle Durchlaufzeiten möglich (wie in Abbildung 2 dargestellt). Die PureSound-Verarbeitung basiert auf dem Einsatz von IIR-Filtern. Um eine weitere Beschleunigung der Durchlaufzeit – bei gleichzeitigem Erhalt der Kanalanzahl – zu erreichen, musste eine neue Verarbeitungsstruktur entwickelt werden. Diese umfasst ebenfalls die Integration und Neustrukturierung des Feature-Settings und bündelt alle Schlüsselkomponenten zur vorliegenden Hörumgebung. Dies beinhaltet z. B. Features zur SNR-Verbesserung, oder die SoundClass-Technologie.

Neben der Eliminierung des Kammfiltereffekts geben erste Untersuchungen Hinweise darauf, dass die Signalverarbeitung mit PureSound bei offenen Anpassungen mehr temporale Feinstrukturen des Originalsignals bewahrt als bei herkömmlichen Signalverarbeitungen. Temporale Feinstrukturen des akustischen Signals haben eine hohe Bedeutung für die natürliche Wahrnehmung. Nachgewiesen werden kann der Einfluss der Durchlaufzeit auf temporale Strukturen mittels KEMAR-Messungen. Durch die Abbildung eines Breitbandrauschens über den KEMAR-Ausgangspegeln und die Verwendung unterschiedlich langer Signalunterbrechungen (Gaps) von 3 ms, 9 ms und 24 ms wurde PureSound mit der Signalverarbeitung zweier Premium-Hörsysteme der aktuellen Generation verglichen. Während sich die Durchlaufzeit von MOMENT mit PureSound auf < 0,5 ms belief, wiesen Hersteller 1 und Hersteller 2 eine durchschnittliche Verzögerung von 8 ms und 6 ms auf (Kuk et al. 2020).

Die erste Reihe in Abbildung 3 zeigt das Originalsignal als Referenz. Die zweite Reihe stellt das Ergebnis für PureSound dar. Es zeigt sich, dass alle Unterbrechungen sowie die Form des Originalsignals zeitgenau von PureSound repräsentiert werden. Ein anderes Bild zeigt sich für Hersteller 1 (Reihe 3, dunkelgrau) und Hersteller 2 (Reihe 4, hellgrau). Die Unterbrechungen im Hörsystemsignal sind im Vergleich zum Originalsignal zeitversetzt. Zudem unterscheidet sich die Form der Amplitude innerhalb der Unterbrechungen vom Originalsignal. Dies ist besonders gut für eine Signalunterbrechung von 9 ms und 24 ms erkennbar (mittlere und rechte Spalte).

Auch vermeintlich kurze Durchlaufzeiten von 6 ms bzw. 8 ms beeinflussen die temporale Feinstruktur negativ. Die ultraschnelle Durchlaufzeit von PureSound schützt die maßgeblichen Feinheiten der temporalen Informationen aus dem Originalsignal und minimiert spektrale Verzerrungen. Moderat lauter Impulsschall klingt natürlicher und kann leichter toleriert werden. Ebenfalls ist eine Verbesserung der Verständlichkeit von bestimmten Sprachinhalten wie okklusive und frikative Konsonanten zu erwarten, da diese besonders auf den Erhalt der temporalen Feinstrukturen angewiesen sind (Ergebnisse aus Kuk et al., 2020).

Studie belegt Steigerung der Klangqualität mit PureSound

Widex PureSound bietet gerade für offene bzw. Vent-Anpassungen und damit einhergehende geringe bis mittelgradige Hörminderungen eine entscheidende Steigerung der Klangqualität.

In einer Feldstudie (Balling et al., 2020) bewerteten Studienteilnehmer Hörsystem-Eigenschaften, die ausschlaggebend für eine positive Trageerfahrung und maßgebliche Entscheidungskriterien für die Auswahl eines Hörsystems sind. Hierzu gehören die Bewertung der Klangqualität sowie die Bewertung audiologischer Merkmale, z. B. Sprachverständlichkeit und Orientierungsfähigkeit. Die Probanden der Feldstudie waren Hörsystem-Träger mit gering- bis mittelgradiger Hörminderung und unterschiedlich langen Hörsystem-Erfahrungen (n = 13) sowie Normalhörende (n = 8), die unter anderem als Referenz für die Klangqualität dienten. Die Probanden gaben in 20 verschiedenen Hörumgebungen aus dem Alltag ihre Präferenz für PureSound (Durchlaufzeit < 0,5 ms) oder für die Standardverarbeitung (durchschnittliche Durchlaufzeit = 2,5 ms) an.

Gesamtpräferenz: 85 Prozent der Probanden mit einer Hörminderung und 100 Prozent der normalhörenden Probanden, bevorzugten PureSound gegenüber der Standardsignalverarbeitung. Die Präferenz für PureSound ist hochgradig signifikant (Binominaltest, p < 0,001). Dass sich normalhörende Probanden zu 100 Prozent für PureSound entschieden haben, zeigt, dass Durchlaufzeiten einen starken Einfluss darauf haben, was als natürlicher Klang wahrgenommen wird.

Präferenz in unterschiedlichen Hörumgebungen: Studienteilnehmer mit einer Gesamtpräferenz für PureSound haben sich größtenteils auch in den unterschiedlichen Hörsituationen für PureSound entschieden. Ein Wilcoxon- Vorzeichen-Rang-Test zeigte für PureSound eine signifikant höhere Präferenz über alle Hörsituationen hinweg (W = 222, p = 0,0002). Gleichzeitig wurde PureSound dreimal mehr bevorzugt als die Standardverarbeitung. Über alle Teilnehmer hinweg erreichte PureSound in jeder Kategorie eine signifikante Präferenz (alle p-Werte < 0,02) (Balling et al., 2020).

Folgende Gründe wurden unter allen Teilnehmern für die PureSound-Präferenz am häufigsten genannt: weniger Störgeräusch, natürlicherer Klang, klarerer Klangeindruck und nuancierterer/detailreicherer Klang. Für individuell unterschiedliche Hörsituationen wurden bei offenen Fragen mit freier Nennung insgesamt 310 Gründe angegeben.

Die Hälfte entfiel entweder auf “weniger Störgeräusch” (76) oder auf “natürlicherer Klang“ (78). Andere wichtige Gründe beinhalteten “angenehmer Klang” (24), “klarer Klang” (23), “weniger Halleindrücke” (19) und “besseres Sprachverstehen” (10) (Balling et al., 2020).

Laut EuroTrak-Studie 2018 ist die Klangqualität eines der ausschlaggebenden Entscheidungskriterien für ein Hörsystem. Gleichzeitig ist bekannt, dass bislang geringe und mittlere Hörminderungen, im Vergleich zu höhergradigen, häufiger unversorgt blieben – unter anderem auch wegen eines unnatürlichen Höreindrucks trotz Hörsystems. Zentrale Erkenntnis der Untersuchung (Balling et al., 2020) ist, dass MOMENT mit der PureSound- Verarbeitung gerade bei diesen Hörminderungen das natürliche Hörerlebnis erheblich steigert und damit zu einer besseren Akzeptanz von Hörsystemen beiträgt.

TruAcoustics: präzise Verstärkungsberechnung für eine klare, natürliche Klangqualität

Die akustische Ankopplung und die Gehörgangsresonanz sind maßgebliche Faktoren, um dem Hörsystem-Träger seine individuell benötigte Verstärkung bereitzustellen und einen klaren, natürlichen Klang zu gewährleisten.

TruAcoustics steigert die umfassende, präzise Berücksichtigung der biometrischen Eigenschaften des individuellen Gehörs bei der Anpassung durch den Hörakustiker mit COMPASS GPS.

TruAcoustics ist eine Weiterentwicklung der Verstärkungs- und Parameterkalibrierung und basiert auf neuen Erkenntnissen aus der In-situ-Vermessung Hunderter realer Ohren mit unterschiedlichsten akustischen Ankopplungen von Otoplastiken und Schirmchen-Varianten. Diese konsequent ermittelte Datenreihe umfasst akustische Parameter, wie den persönlichen Vent-Effekt (VE) und die individuelle Einfügedämpfung (IL) (beispielhafte Veröffentlichung: Balling et al., 2019.). Die gewonnenen Erkenntnisse aus den Vermessungen sind als neue Berechnungsmodelle für jede akustische Ankopplung in COMPASS GPS hinterlegt und ermöglichen mit TruAcoustics für WIDEX MOMENT-Hörsysteme eine Bereitstellung der individuellen Verstärkungsparameter. Die Berechnungsmodelle werden über den Personal Gain Integrator in der Signalverarbeitung berücksichtigt und bereitgestellt, unabhängig von der Anpassformel (Widex, NAL-NL2 sowie DSL v5.0 für Erwachsene und Kinder) und dem aktiven Signalverarbeitungspfad (Widex PureSound oder der klassischen Widex Signalverarbeitung).

TruAcoustics ermöglicht in Verbindung mit den Informationen aus Sensogramm und Rückkopplungstest die individuelle Bereitstellung des jeweils besten Klangs für alle Hörminderungen und ist in allen Hörsystem-Modellen der MOMENT-Serie umsetzbar.

Die Präzision des persönlichen Klangbedarfs anhand der individuellen Verstärkungsfreigabe durch die TruAcoustics-Technologie kann eine mögliche Aufwärtsmaskierung verhindern und mehr Hochtonverstärkung bereitstellen. TruAcoustics verhilft gleichzeitig zu einer angenehmen Empfindung der eigenen Stimme sowie einer Reduktion von Halleffekten.

Neben der Steigerung der Klangqualität für den Hörgeräte-Träger dient TruAcoustics gleichzeitig dem Hörakustiker durch einen optimierten, intuitiven Anpassverlauf mittels Widex-Anpasssoftware COMPASS GPS 4.0.

Es werden abhängig vom Audiogramm intelligente Vorschläge zur akustischen Ankopplung angeboten. Zudem zeigt COMPASS GPS 4.0 dynamische MOMENT-Anpassbereiche in Anhängigkeit vom Hörer und der ausgewählten Ankopplung an. Eine intuitive Benutzeroberfläche mit 3-Schritt-Navigator sorgt für eine übersichtliche Bereitstellung wichtiger Daten.

Zusammenfassung:

Widex MOMENT ist das erste digitale Hörsystem, das dank der ultraschnellen PureSound-Signalverarbeitung Durchlaufzeiten von unter 0,5 ms in allen Frequenzen erreicht. Dies ermöglicht es, Klangartefakte, die durch den Kammfiltereffekt entstehen – und bislang den typischen Hörsystem-Klang gekennzeichnet haben –, zu eliminieren. Hörsystem-Träger mit einer offenen bzw. Vent-Versorgung profitieren durch PureSound von einem bislang unerreicht natürlichen Klangeindruck. Eine Feldstudie zeigt, dass Hörsystem-Träger mit geringen bis mittelgradigen Hörminderungen PureSound gegenüber der Standardsignalverarbeitung mit längeren Durchlaufzeiten bevorzugen. Als Gründe für die PureSound-Präferenz gaben die Probanden die schnelle Gewöhnungsphase, die Klangqualität sowie die geringere Störgeräuschbehaftung an. Auch ein besseres Sprachverstehen sowie eine verbesserte Wahrnehmung der eigenen Sprache und Impulsgeräusche wurden von den Teilnehmern als Präferenzgründe genannt.

Widex MOMENT erhöht die Zufriedenheit von Hörsystem-Trägern nicht allein mit der PureSound- Signalverarbeitung. Die innovative Hörsystem-Serie verfügt darüber hinaus über alle Features der Widex- Signalverarbeitung, inklusive der neuen TruAcoustics-Technologie. TruAcoustic steigert von Beginn an die Präzision über alle Hörminderungen hinweg durch eine effektivere Berücksichtigung der akustischen In-situ- Parameter in Abhängigkeit von der verwendeten Ankopplung. Die neu entwickelte MOMENT-Chipplattform eröffnet Möglichkeiten der Signalverarbeitung, die bis dato nicht umsetzbar waren und ermöglicht seinen Nutzern eine unvergleichlich natürliche Klangqualität von Hörsystemen.

Der Artikel erschien ursprünglich in der Ausgabe 08/2020 der "Hörakustik".

Autor:

Simon Müller ist seit 2017 audiologisch-wissenschaftlicher Leiter bei der Widex Hörgeräte GmbH in Stuttgart. Nach einem Bachelor in Augenoptik und Hörakustik an der Hochschule Aalen im Jahr 2011 erlangte er 2012 den Master of Science in Audiology an der University of Manchester. Praktische Erfahrung sammelte er als Betriebsleiter eines Hörakustikfachgeschäfts und als audiologischer Leiter an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen.

Quellen:

Balling LW, Jensen NS, Caporali S, Cubick J, Switalski W (2019). Challenges of instant-fit ear tips: What happens at the eardrum? Hearing Review. 2019; 26(12)[Dec]: 12–15.

Balling LW, Townend O, Stiefenhofer G, Switalski W (2020). Reducing hearing aid delay for optimal sound quality: a new paradigm in processing. Hearing Review. 2020; 27(4): 20–26.

EuroTrak 2018 Germany. https://www.bvhi.org/….
pdf (Zugriff am 30.06.2020).

Kuk F, Ruperto N, Slugocki C, Korhonen P (2020). Efficacy of directional microphones in open fittings under realistic signal-to-noise ratios using widex moment hearing aids. Hearing Review. 2020; 27(6): 20–23.