Sprachprozessor (SP)

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Hinter dem Ohr getragener Sprachprozessor mit Überträger (Sendespule, Magnet)

Ein Sprachprozessor (SP), auch bekannt als Audioprozessor, Klangprozessor oder Soundprozessor, ist Teil eines CI-Hörsystems mit Cochlea-Implantat. Er ist der äußere, sichtbare Teil des Hörsystems.

Ähnlich wie ein Hörgerät empfängt der Sprachprozessor Schallwellen mit seinen Mikrofonen und wandelt sie in elektrische Signale um. Diese werden dann jedoch nicht wieder in Schall gewandelt sondern an das Cochlea-Implantat übertragen.

Geschichte

siehe auch: Geschichte_des_CI

Forschungsbeginn

In der Anfangszeit der CI-Forschung waren die Sprachprozessoren noch sehr groß. Die ersten Sprachprozessoren aus dem Jahr 1979 waren in der Größe eines Mini-Koffers verfügbar. Die damaligen CI-Benutzer und -Benutzerinnen konnten eine Reihe von Sprachkodierungsstrategien und Stimulationsfeldkonfigurationen für die Grundlagenforschung zur Nervenstimulation ausprobieren. Später wurden die Sprachprozessoren deutlich kleiner und konnten direkt am Körper getragen werden. Das Mikrofon, das das Audiosignal in dem am Körper getragenen Sprachprozessor aufnahm, befand sich nicht an der Ohrmuschel. Die externe Sendespule war mit dem Hörhaken verbunden, der bereits viel näher am Implantat platziert wurde, um über eine induktive Verbindung mit dem Implantatstimulator zu kommunizieren. Dennoch handelte es sich um ein Forschungsgerät, und es fehlte ein Magnet in der externen Sendespule, um eine gezielte induktive Verbindung mit dem Implantatstimulator herzustellen.

Erste Anwendungen und Weiterentwicklung

Die Hersteller von Sprachprozessoren arbeiten ständig an neuen Entwicklungen, um die Leistung und den Komfort der Geräte zu verbessern. Der erste kommerzielle Sprachprozessor, der auf den Markt kam, wurde am Körper getragen und enthielt den Akku und die Verarbeitungseinheit. Das Mikrofon war in Höhe der Ohrmuschel angebracht und die externe Sendespule wurde zusammen mit einem Magneten so konstruiert, dass sie eine gezielte induktive Verbindung mit dem Implantatstimulator herstellen konnte.

Es dauerte weitere zehn Jahre der Forschung und Entwicklung, bis ein Sprachprozessor entwickelt wurde, der praktischer zu verwenden war. Dieser Sprachprozessor verwendete eine AA-Batterie, da die Signalverarbeitungsstrategie einen hohen Stromverbrauch hatte. Dank dieser verbesserten Technologie wurde es CI-Tragenden ermöglicht, eine bessere Sprachwahrnehmung und Hörqualität zu erleben.

Die Signalverarbeitungsstrategien wurden kurz nach der Freigabe der kommerziellen Sprachprozessoren feinabgestimmt, um den Stromverbrauch zu reduzieren. Statt AA-Batterien wurden kleinere Zink-Luft-Batterien eingesetzt, was dazu führte, dass die Sprachprozessoren kleiner wurden und viel praktischer und komfortabler hinter dem Ohr (HdO) getragen wurden. 1991 entwickelte MED-EL den weltweit ersten HdO-Prozessor; dieser blieb in den folgenden 20 Jahren der neueste Stand der Technik. Eine Weiterentwicklung war das Doppelmikrofon, das es CI-Tragenden ermöglichte, die Schallquelle besser zu lokalisieren. Diese Technologie verbesserte die Klangqualität und half den CI-Tragenden, sich in geräuschvollen Umgebungen zurechtzufinden. Schließlich folgte die Entwicklung des direkten Audio-Streamings von externen Audiogeräten wie Mobiltelefonen und Mediaplayern, was den CI-Tragenden noch mehr Flexibilität und Komfort beim Hören ermöglichte.

Aufbau

Der Sprachprozessor eines Cochlea-Implantats besteht aus mehreren Komponenten, die zusammenarbeiten, um Schallsignale in elektrische Impulse umzuwandeln, die das Gehirn interpretieren kann. Dazu gehören folgende Komponenten:

  • Mikrofon(e) zur Aufnahme des Schalls
  • Prozessoreinheit (Chip) für die Signalverarbeitung und Sprachcodierung
  • Spule (Überträger), die sich im Headpiece (Kopfstück) befindet und die drahtlose Kommunikation zwischen dem Sprachprozessor und dem Implantat ermöglicht.

Des Weiteren gehören zum Sprachprozessor folgende Elemente:

  • Bedienelemente für folgende Einstellungen (abhängig von Modell und Hersteller):
    • Ein-/Ausschalten des Sprachprozessors
    • Klangregelung
    • Lautstärkeregelung
    • Programmwahl
  • Anzeigeelemente
  • Anschluss für Stromversorgungseinheit (HdO-Prozessor)
  • Anschluss für Verbindung zur Überträgereinheit/Spule (HdO-Prozessor)

Der Sprachprozessor wird entweder hinter dem Ohr oder seitlich am Kopf getragen. Er kann aber auch, beispielsweise bei kleinen Kindern, an der Kleidung befestigt werden.

Single-Unit-Prozessoren

Frei vom Ohr getragener Single-Unit-Prozessor

Bei einem Single-Unit-Sprachprozessor (Einzelgerätprozessor) bilden der Akku, die Signalverarbeitungseinheit und die externe Sendespule eine Einheit. Wird der Sprachprozessor unter dem Haar platziert, ist er weitgehend unsichtbar. Im Jahr 2013 stellte MED-EL den weltweit ersten "frei vom Ohr" getragenen Single-Unit-Prozessor vor, dem kurz darauf die Cochlear Corporation folgte. Zu den technologischen Fortschritten des Einzelgerät-Sprachprozessors gehören kabelloses Aufladen von Batterien, Bluetooth®-Konnektivität und ein wasserdichtes Gehäuse. Die Position des Mikrofons wurde vom Ohr auf die Seite des Kopfes verlagert.

Funktionsweise

Der Sprachprozessor arbeitet in folgenden Schritten:

  1. Schallaufnahme:
    Die Mikrofone erfassen den Schall aus der Umgebung und wandeln ihn in elektrische Signale um.
  2. Signalverarbeitung:
    Die Signalverarbeitung im Zusammenhang mit CI ist ein Prozess, der das gesamte System steuert. Im Wesentlichen analysiert die Signalverarbeitung das akustische Schallsignal und wendet einen Klangverarbeitungsalgorithmus an. Die Signale werden dabei mithilfe von Elektronik in Form von digitalen Signalprozessor-Chips (DSP-Chips) in digitale Signale umgewandelt (Analog-Digital-Wandler). Dabei werden z.B. Hintergrundgeräusche herausgefiltert, Programmeinstellungen angewendet, der Schall verstärkt und in unterschiedliche Frequenzbereiche aufgeteilt.
    Die genaue Art und Weise, wie der Signalprozessor die Signale analysiert und umwandelt, hängt vom jeweiligen CI-System ab. Es gibt jedoch einige allgemeine Prinzipien, die bei allen CI-Systemen angewendet werden. Einer der wichtigsten Schritte ist die Frequenzanalyse. Dabei wird der Schall in seine einzelnen Frequenzen zerlegt. Die Frequenz ist ein Maß dafür, wie hoch oder tief ein Ton ist. Die menschliche Sprache besteht aus einer Vielzahl von Frequenzen, von tiefen Tönen wie Vokalen bis hin zu hohen Tönen wie Konsonanten.
  3. Codierung:
    Nach der Frequenzanalyse werden die analysierten Signale in spezifische Codierungsformate umgewandelt, die vom Implantat verstanden werden können (Quantisierung).
    Die quantisierten Signale werden dann in Form von elektrischen Impulsen an das Implantat gesendet.
    Diese Codierung kann beispielsweise die Information über die Frequenzbereiche und die Stärke der Stimulation enthalten. Die Anzahl und Dauer der Impulse bestimmen dabei die Art und Lautstärke des Schalls, den der Benutzer hört. Die verschiedenen Frequenzbereiche werden wiederum in elektrische Impulse umgewandelt, die den spezifischen Elektroden in der Cochlea zugeordnet werden. Diese Elektroden stimulieren dann die Hörnervenfasern.
  4. Übertragung zum Implantat:
    Die kodierten Signale werden von der Sendespule über eine induktive Verbindung drahtlos an den Empfängerstimulator im unter der Haut sitzenden Implantat übertragen.[1] Die induktive Verbindung funktioniert durch eine Wechselwirkung zwischen der Außen- und der Empfangsantenne, wenn der externe Sender über dem Implantatmagneten platziert wird. Die Implantatelektronik wandelt diese Signale schließlich in elektrische Impulse um und überträgt sie über die intracochleäre Elektrodenanordnung an das Innenohr.

Austauschbarkeit/Kompatibilität

Der Sprachprozessor ist abnehmbar und kann gegen einen anderen mit dem Implantat kompatiblen Sprachprozessor desselben Herstellers getauscht werden, sofern die Implantattechnik nicht völlig veraltet ist. Ein Sprachprozessor ist in der Regel mit mehreren älteren Implantaten desselben Herstellers kompatibel. Die Sprachprozessoren der verschiedenen Hersteller unterscheiden sich im Aufbau, Design und technischen Details. Sie können daher nicht mit Implantaten eines anderen Herstellers verwendet werden.

Literatur

  • Sandra DeSaSouza: Cochlear Implants. Springer Singapore 2022, ISBN 978-981-19-0451-6.
  • Wiebke Rötz, Bodo Bertram: Cochlea Implantat bei Erwachsenen. Versorgung und Rehabilitation in der Logopädie und Sprachtherapie. Springer-Verlag 2022, ISBN 978-3-662-65201-5.

Einzelnachweise

  1. Zeng FG, Rebscher S, Harrison W, Sun X, Feng H.: Cochlear implants: system design, integration, and evaluation. IEEE Rev Biomed Eng. 2008;1:115-42. doi: 10.1109/RBME.2008.2008250. Epub 2008 Nov 5. PMID: 19946565; PMCID: PMC2782849.