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Elektrotechnik & Informationstechnik 2015 (Sonderheft) » Wenn Oma abschaltet

Wenn Oma abschaltet

Algorithmen für Hörgeräte verbessern

von Meike Drießen und Julia Weiler  

5. Februar 2015

 

Hörgeräte sollen erwünschte Geräuschquellen erkennen und unerwünschten Schall aus dem Signal herausrechnen. Flexibel und in Echtzeit.

Beim „Spiel der 20 Fragen“ und beim NASA-Überlebenstest entstehen zwischen den Versuchsteilnehmern realistische Gesprächssituationen. Sensoren ähnlich wie im Smartphone detektieren die Kopfbewegungen der Probandinnen und Probanden. Alan Archer-Boyd bereitet einen seiner Probanden für den Versuch vor. Mit Hörgeräten zeichnet der Forscher die Unterhaltung während des Versuchs auf.Alan Archer-Boyd erfasst die Kopfbewegungen, die Menschen während realistischer Gesprächssituationen machen.

Fast jeder hat einen Verwandten, der bei Familientreffen leicht den Anschluss verliert und irgendwann im Gespräch „abschaltet“: 13 bis 15 Prozent der Deutschen sind schwerhörig. Gerade in großer Runde, bei vielen Geräuschquellen, bei Nebengeräuschen wie im Straßenverkehr oder Hall, etwa im Treppenhaus oder in der Kirche, fällt es Betroffenen besonders schwer, einem Gespräch zu folgen. Hörgeräte können zwar helfen, aber nur in begrenzter Weise. Denn da sie den Schall verstärken, so dass der Träger ihn besser wahrnehmen kann, verstärken sie sowohl erwünschten als auch unerwünschten Schall. Die erwähnten Nebengeräusche oder Raumhall sind auch für sie problematisch.

Forscher am Institut für Kommunikationsakustik der Ruhr-Universität um Prof. Dr. Rainer Martin arbeiten daran, Hörgeräte und andere akustische Technik wie etwa die Sprachqualität von Telefonen zu verbessern. „Es geht darum, störende Einflüsse aus dem Signal herauszurechnen“, sagt Rainer Martin, „das heißt, wir müssen das Gerät dazu bringen, eine Zielquelle zu identifizieren und zu verstärken und den ganzen Rest auszublenden.“ Was das Ganze nicht einfacher macht: Das muss sehr schnell gehen, nämlich in Echtzeit, damit der Hörgeräteträger keine Verzögerung wahrnimmt. Es stehen also nur Millisekunden für komplizierte Rechenverfahren zur Verfügung, die die Ingenieure stetig weiterentwickeln.

Ihr tägliches Handwerkszeug sind Algorithmen, also Rechenverfahren, die auf der statistischen Struktur der Signale basieren. Mehrere Algorithmen müssen miteinander kooperieren, damit das Hörgerät erkennt, ob es sich bei dem zu verstärkenden Klang zum Beispiel um Sprache, um Musik oder eben nur um Geräusche handelt. „Das Gerät soll sich selbstständig an die Hörsituation anpassen, der Nutzer soll ja nicht ständig von Hand umschalten müssen“, erklärt Rainer Martin.

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter seines Lehrstuhls sind an verschiedenen Projekten beteiligt, deren Ziel die Verbesserung von Hörgeräten und anderen Hörhilfen ist. Dazu gehört zum Beispiel das Cochlea-Implantat, das es ertaubten Menschen erlaubt, einen Höreindruck zu erlangen, sofern ihr Hörnerv intakt ist. Um die Verbesserung dieser Technik geht es auch im Sonderforschungsbereich 823 „Statistik nichtlinearer dynamischer Prozesse“ (Sprecherhochschule: TU Dortmund) und im EU Marie Curie Initial Training Network „ICanHear“, das der Lehrstuhl koordiniert.

 

Ratespiel und Überlebenstest

„Befindet sich der Gegenstand innerhalb des Hauses?“

„Ja.“

„Im Bad?“

„Nein.“

„In der Küche?“

„Ja.“

 „Ist er ein Möbelstück?“

„Als Möbelstück würde ich ihn nicht bezeichnen.“

„Ist es ein Gerät?“

„Ja.“

„Kann es die Temperatur verändern?“

„Ja.“

„Ist es der Kühlschrank?“

„Ja.“

Zwei Männer sitzen sich gegenüber in einem kargen Raum, dem nur die blau schimmernden Stoffvorhänge, die die Wände verkleiden, etwas von der technischen Atmosphäre nehmen. Kabelstraßen scheinen aus allen Ecken zu kommen, einige von ihnen verschwinden in kleinen schwarzen Boxen, verzweigen sich, laufen über den Tisch, zurück auf den Boden und enden in Computern. Sie sind ein Teil der Technik, die Alan Archer-Boyd hilft, alles aufzuzeichnen, was beim „Spiel der 20 Fragen“ passiert. Am Institut für Kommunikationsakustik wird es nicht aus Spaß gespielt, sondern für die Forschung.

Dr. Archer-Boyd analysiert, welche Kopfbewegungen Menschen in Unterhaltungen machen. Sein Ziel ist es, diese Informationen zu nutzen, um die Leistung von Hörgeräten zu steigern. Über Bewegungssensoren, wie sie auch im Smartphone eingebaut sind, könnten die Hörgeräte der Zukunft Kopfbewegungen erfassen.  Zurzeit operieren die technischen Helfer basierend auf der Annahme, dass die Quelle für das Gehörte direkt vor der Person liegt. Bewegt diese aber den Kopf, verschiebt sich die Schallquelle, und das Gerät hört quasi in die falsche Richtung. Hätte es Informationen über Kopfbewegungen, könnte es sich entsprechend darauf einstellen. Informationen über typische Kopfbewegungen beim Sprechen, Zuhören und beim Sprecherwechsel könnten darüber hinaus auch in die Algorithmen der Hörgeräte einfließen. So könnten diese anhand der Kopfbewegungen Veränderungen in der Gesprächssituation vorausahnen.

Bislang gibt es jedoch nur wenige quantitative Analysen zu Kopfbewegungen in Gesprächen. Alan Archer-Boyd erhebt genau solche Daten, und zwar in unterschiedlichen Situationen: ohne Hintergrundgeräusche und mit Stimmenwirrwarr, mit viel Hall und mit wenig Hall. Für diesen Zweck zeichnet der schottische Gastwissenschaftler in Bochum simultan Ton, Video und Kopfbewegungen auf. Die Computer im Labor sind in schallisolierende Pappboxen verpackt, damit die Lüftergeräusche nicht die Aufzeichnungen stören.

Ein dehnbarer Gurt, ähnlich wie bei einer Stirnlampe, hält die Bewegungssensoren auf dem Kopf. Mit den Mikrofonen von Hörgeräten wird das Gespräch aufgezeichnet. Kleine Webcams schauen von der Tischplatte auf die Probanden und speichern ein Video des Versuchs. „Das Video hilft mir, aus den Audiodaten herauszubekommen, welche der Personen gerade spricht“, sagt Archer-Boyd. Das ist besonders dann schwierig, wenn er Gesprächssituationen mit vier Personen erfasst. Neben dem „Spiel der 20 Fragen“ für zwei Personen lässt Archer-Boyd seine Probanden auch einen NASA-Überlebenstest durchführen. Eine Gruppe von vier Leuten muss sich vorstellen, in einer bestimmten Situation festzustecken, und eine Liste mit Gegenständen nach ihrer Überlebenswichtigkeit sortieren. Dabei entsteht eine realistische Gesprächssituation, die mit verschiedenen Probanden in ähnlicher Form reproduzierbar ist.

Nach den Tests unterteilt Alan Archer-Boyd die Audiodaten in Phasen des Zuhörens und des Sprechens, und analysiert, welche Arten von Kopfbewegungen wann auftreten. Noch läuft die Datenerhebung und er muss weiter Geduld haben, bis die ersten Ergebnisse vorliegen. Seine Vermutung: „Ich gehe davon aus, dass wir erst einmal nur ganz allgemeine Aussagen machen können“. Denn Kopfbewegungen sind vielfältig, unter anderem auch kulturabhängig, und bislang gibt es noch wenig quantitative Daten in diesem Forschungsbereich, auf die er aufbauen kann. „Aber irgendwo muss man ja anfangen“, so der Forscher.

 

Kontakt zum Fachbereich

Prof. Dr.-Ing. Rainer Martin, Dr. Alan Archer-Boyd
Institut für Kommunikationsakustik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Ruhr-Universität Bochum
44780 Bochum
Tel. 0234/32-22495, -28984
E-Mail: rainer.martin@rub.de, alan.archer-boyd@rub.de

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