Selbstversuche mit neuem Signalverarbeitungsalgorithmus

[fast-foot]

Hallo,

eventuell gibt es eine Möglichkeit, Schäden an den OHCs durch geeignete Signaltransformation zumindest partiell auszugleichen. Wie mir nach einigen Ueberlegungen scheint, dürften geschädigte OHCs vielleicht in näherer oder auch etwas fernerer Zukunft mit das Gehör nicht belastenden Signalen so angesprochen werden, dass ein deutlicheres Hören möglich sein könnte.
Ich habe zu diesem Zweck einen Algorithmus entworfen, welcher auf Basis von vorverarbeiteten Signalen (durch FFT etc.) Verwendung finden könnte. Die Berechnungen müssten allerdings mindestens jede Zehntel-Millisekunde neu angestossen werden, was PRO(!) Frequenz Grössenordnung einige Billionen Gleitkomma-Operationen erfordern dürfte, und dies nur für einen einzigen Algorithmus.
Wollte man dies in Echtzeit durchführen, wäre man vermutlich auf Rechner des amerikanischen Verteidigungsministeriums angewiesen (die Rechner, welche sie für Atombombentests verwende(te)n, könnten geeignet (gewesen) sein).
Bis die in den Hörgeräten verbauten Mikroprozessoren so weit sind, dürfte es allerdings noch etwas dauern. Ich sehe allerdings die Möglichkeit, Audiomaterial mittels speziell für diesen Zweck zu entwickelnder Software z.B. über Nacht (oder während Wochen; kommt auch darauf an, ob sich der Algorithmus entscheidend auf Effizienz trimmen lässt) entsprechend aufzubereiten. So könnte man dann Musik-CDs, Audiospuren von Filmen, Hörspiele etc. in Sounddateien umwandeln, welche durch Schäden an den OHCs bedingte Schwerhörigkeiten in dem Sinne ausgleichen könnten, dass differenzierteres Hören ermöglicht wird.
Natürlich muss die Eingabe diverser Parameter möglich sein. Auch bei der Anwendung in Hörgeräten muss der Algorithmus im Idealfall bei jedem Tupel bestehend aus Frequenz und Pegel abgestimmt auf die individuellen Zustände der OHCs anders arbeiten. Probleme ergeben sich hier dadurch, dass die Erfassung des individuellen Zustandes der OHCs eine Herausforderung darstellt. Ausserdem wird dadurch die erforderliche Rechenleistung nochmals um ein Vielfaches erhöht. Vorteilhaft könnte sich auswirken, dass sich die individuellen Verhältnisse in der Cochlea, sind sie in einem Teilbereich einmal einigermassen genau erfasst, vermutlich zumindest in Bezug auf gewisse Aspekte zum grossen Teil generalisieren lassen dürften. Ich sehe jedoch auch eine Herausforderung darin, die erforderliche Genauigkeit erreichen zu können (sowohl in der Erfassung des individuellen Zustandes der OHCs (dieses Problem liesse sich allerdings durch Ausprobieren lösen) als auch in Bezug auf die Berechnungen selbst sowie auch in Bezug auf das Wissen um das möglichst präzise grundlegende Verhalten der Cochlea in Bezug auf Antworten auf Reize, welches als Basis für die Berechnungen dient).
Durch die im Zusammenhang mit der Entwicklung dieses Algorithmus durchgeführten Ueberlegungen bin ich ausserdem zur Erkenntnis gelangt (bzw. wurde ich in dieser bestätigt), dass bei Hörstörungen generell vermutlich mehr (zusätzliche) Probleme als bisher angenommen existieren, die nicht bei den OHCs liegen (sondern "danach"). Sonst würden die ucls meiner Einschätzung nach infolge von Recruitment relativ tief liegen, also eher in der Gegend um 90 dB (na gut, ob ein Recruitment immer zwingend einher geht mit einer Einschränkung des cochleären Verstärkungsmechanismus bzw. wie der Zusammenhang genau aussieht, weiss ich jetzt nicht im Detail). Diese Ueberlegungen bestätigen meine bisherige Sichtweise, die ich an dieser Stelle nicht näher spezifizieren möchte.

Als Fazit sehe ich eine Möglichkeit, durch Schäden an den OHCs bedingte Schwerhörigkeiten ausgleichen zu können, wobei vor allem das verloren gegangene Differenzierungsvermögen und gerade Probleme im Störschall speziell profitieren könnten, da sie so zu sagen direkt angegangen werden, indem versucht wird, das natürliche Verhalten der voll funtkionstüchtigen Cochlea zu erreichen.

Jetzt werde ich als Nächstes den Algorithmus implementieren und einige Modellversuche vornehmen. Dadurch hoffe ich dann abschätzen zu können, ob sich mit meinem Ansatz etwas anfängen lässt (negative Resultate heissen jedoch nicht zwingend, dass der Ansatz grundsätzlich falsch ist).

Gruss fast-foot

[JND]

Da bin ich mal gespannt auf erste Testumsetzungen und Hörbeispiele.
Und ich hoffe es gibt noch ein paar Details (Formeln? Blockdiagramm?)

Vllt. noch ein, zwei Tipps zur Umsetzung:
-DSP-Chips, wie sie in HGs verbaut sind, können Faltungen äußerst effektiv durchführen (also vllt. den Algorithmus als (adaptiven) Filter desigen
- Die Signalverarbeitung geschieht meistens in Blöcken, von z.B. 5 ms. (Meistens durch Anzahl der FFT-Bins und Samplingfrequenz ungefähr abzuschätzen), eine Neu-Berechnung von irgendwelchen Daten jede Zehntel-Millisekunde ist also nicht möglich.
- Für Betrags-Bewegungen der Basiliarmembran kann man z.B. die ERB-Filter (nach Moore) nehmen. Eine Phasenrekonstruktion der Bewegungen lässt sich wohl nur mit invasiven Mitteln (Laser-Interferometrie) oder mit sehr aufwändigen DPOAE-Messungen unter Berücksichtigung der DPOAE-Feinstruktur durchführen.

Schöne Grüße,

JND

[fast-foot]

Hallo JND,

danke für Deine Tipps (der eine hat mir etwas aufgezeigt).

Vielleicht habe ich mich nicht ganz klar ausgedrückt. Ich ging von der Annahme aus, dass sich die Aufgabenstellung (bzw. das Erreichen des Ziels) letztlich auf die Lösung eines mathematischen Problems reduzieren lässt.

Ich wollte abschätzen, ob sich dieses mathematische Problem (wenn es erst ein Mal hinreichend genau definiert werden kann) grundsätzlich überhaupt lösen liesse. Die Resultate meiner Berechnungen sind nicht eindeutig (ich vermute, dass das Problem in der Rechengenauigkeit liegt). Jetzt müsste ich mit der Implementierung des Algorithmus herum experimentieren. Ich könnte mich vielleicht auch an Mathematiker wenden, die vielleicht eine Lösung sehen (eventuell ist die allgemeine Problemstellung (und im Idealfall auch die Lösung) bereits bekannt).

Gruss fast-foot

[Sukram]

Hallo fast-foot,

das hört sich ja nach einer guten Nachricht an. Wenn ich das als Laie richtig verstehe hälst du es für möglich "intelligente" Hörgeräte zu entwickeln die nicht einfach nur Schallverstärker sind sondern die Funktion der äusseren Haarzellen übernehmen ohne das Gehör zu belasten oder weiter zu schädigen? Habe ich das richtig verstanden? Wäre ganz toll und würde vielen Betroffenen sicher sehr helfen. Bin gespannt auf deine Ergebnisse.

Gruß Sukram

[fast-foot]

Hallo Sukram,

das war nur so eine Idee von mir. Vielleicht sind die Hörgerätehersteller längst daran, diese Möglichkeiten zu erforschen.

Ich sehe im Moment vor allem zwei grosse Probleme und ein drittes, das ich nicht gut abschätzen kann:

Die Rechenungenauigkeit ((m)eines Rechners) und die Ungenauigkeit des mathematischen Modells der Cochlea.

Falls das, was ich untersuche (wenn ich weiterhin genügend Zeit und Energie habe), möglich ist, wäre eine wichtige (aber bei Weitem nicht die einzige) Voraussetzung erfüllt.

Gruss fast-foot

[JND]

Hallo,

ok jetzt verstehe ich das etwas besser. Das die mathematische Formel / mathematische Modell nichtlinear ist, versteht sich wohl von selbst. Ein computergestützter Ansatz zur Lösung ist also sicherlich sinnvoll.

Für den Fall dass du Zugriff auf eine entsprechende Bibliothek hast, wäre dieses Buch(kapitel) vllt. interessant.
Ansonsten google mal nach "Auditory model", da findet man SEHR viel zu (Begrenzt sind diese Modelle häufig in ihrer Anwendbarkeit).

Schönen Gruß,
JND