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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Analyse
und Synthese von Audiosignalen, wie sie insbesondere im Bereich
der Tinnitustherapie eingesetzt werden kann. Die Erfindung bezieht
sich darüberhinaus auch auf entsprechende Verfahren.
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Etwa
5 bis 10 Prozent der Erwachsenen leiden an einem mehr oder minder
starken Tinnitus, der meist nach wenigen Monaten nach dem Entstehen chronisch
wird, also dauerhaft anhält. Durch zunehmende Lärmbelastung,
beispielsweise in Diskotheken oder durch Hören von Kopfhörermusik,
klagen heute bereits mehr als 5 Prozent der Jugendlichen über
die Symptome eines Tinnitus. Das sind alleine in Deutschland ca.
4 bis 8 Millionen vom Tinnitus Betroffene.
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Durch
eine steigende Lärmbelastung (Arbeitsplatz, Disco, Verkehrslärm,
Knallgeräusche wie Silvesterknaller, Spielzeugpistolen,
etc.) und die immer häufigere Verwendung von Kopfhörern
(„Walkman", „iPod") bei Jugendlichen ist neben
dem bereits hohen Stand der Betroffenen eine Verschärfung
des Problems in den kommenden Jahren zu erwarten. Dadurch sind enorme
Kosten für die Volkswirtschaft durch häufige krankheitsbedingte
Ausfälle bis hin zur permanenten Arbeitsunfähigkeit
zu erwarten.
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Man
unterscheidet den subjektiven Tinnitus (wird nur vom Betroffenen
selbst „gehört") bei ca. 98% der Betroffenen und
den objektiven Tinnitus im Gehörgang (teils lokalisierbar
mit Analysemethoden) bei ca. 2% der Betroffenen. Ein von Tinnitus
Betroffener hört zeitweise oder kontinuierlich Störgeräusche in
einem Ohr (einseitig), in beiden Ohren (unterschiedlich oder gleich)
oder auch im ganzen Kopf. Diese Geräusche treten in extrem
unterschiedlichen Klangformen und Lautstärken auf. Dabei
variiert die Lautstärke der subjektiv wahrgenommenen Tinnitusgeräusche
der Betroffenen von leise bis extrem laut. Die Störgeräusche
bzw. Klang-Formen treten in extrem unterschiedlicher Art in Form
von konstanter, pochender, schwebender, pulsierender, laut leiser werdender,
etc. Geräusche auf, und werden von den Betroffenen beispielsweise
als Zischen, Dröhnen, Klingeln, Pfeifen, pochendes Zischen,
Quietschen, Rauschen, Sirren, Summen etc. oder eine Kombination
unterschiedlicher Geräusche beschrieben. Durch die hohe
Tinnitus-Belastung entstehen häufig stressbedingte Folgeerkrankungen
wie Hypertonie, psychosomatische Störungen, u. a. und die
Lebensqualität der Betroffenen ist oftmals dramatisch vermindert,
bis hin zu Depressionen.
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Eine
Therapie kann momentan nur auf Verminderung der Auswirkung der Symptome
abzielen: Die angewandten Therapiearten sind neurologischer Art
(medikamentös), durch Hörgeräte mit Noiser- oder
Maskerfunktion und mittels psychotherapeutischer Behandlungen, die
zusammengefasst auch als TRT-Methode bekannt ist, die teils sehr
konträr diskutiert wird. Siehe hierzu auch „Einige
kritische Bemerkungen zur Tinnitus-Retraining-Therapie (TRT) von Dr.
med. Lutz Wilden, Verlag Bad Füssing, Februar 2004, ISBN
3-00-014004-2. Einzeltherapien (medikamentös oder
Hörgerät oder psychotherapeutisch) alleine sind
laut Expertenmeinung nur in wenigen Fällen erfolgreich.
Die sogenannte TRT-Methode, die alle drei Therapiemaßnahmen
umfasst, soll bisher laut Expertenmeinung die besten Erfolge zeigen.
Als wichtige Voraussetzung für die unterschiedlichen Therapien,
insbesondere für die Therapie mittels Hörgeräte
mit Masker- (Anwendung seit etwa 20 Jahren) oder Noiserfunktion
(in jüngster Zeit favorisiert), ist bei den bisher durchgeführten
Untersuchungen immer eine verbale Beschreibung der auftretenden, individuellen
Tinnitusgeräusche durch den Patienten erforderlich.
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Für
ungeschulte Patienten, im Allgemeinen die Regel, ist es meist sehr
schwer das bei ihnen auftretende Tinnitusgeräusche realitätsnah
zu beschreiben und zu quantifizieren. Eine für den Patienten
geeignete Auswahl und Anpassung von Noisern oder Maskern ist daher
meist sehr schwierig und häufig gar nicht zielführend
möglich und resultiert somit heute häufig in insgesamt
unbefriedigenden Ergebnissen in diesem Teilbereich der Tinnitustherapie.
Nicht zu vernachlässigen ist bei der Anwendung von Noisern oder
Maskern die Tatsache, dass eine für den Patienten zusätzliche
Ge räuschquelle zu einer entsprechenden biologischen Zusatzbelastung
des Hörorgans über die Umfeldbelastung hinaus
führt, worauf dieses mit einer entsprechenden „Dämpfungs-
oder Filterfunktion" reagieren kann. Hörgeräteakustiker oder
HNO-Arzte und -Kliniken analysieren nach Klärung der Vorgeschichte
des Patienten (Eintritt des Ereignisses, Ursache und Auswirkungen)
mit am Markt etablierten Analysesystemen insbesondere das persönliche
Hörvermögen und die Eigenschaft des personenbezogenen
Tinnitusgeräusches und versuchen dieses unter Mitwirkung
des Patienten einzugrenzen. Bei der Analyse des persönlichen
Tinnitusgeräusches werden mittels Analysegeräten
dem Patienten unterschiedliche, ausgewählte Geräuschmuster über Kopfhörer
präsentiert, welche der Patient mit seinem Tinnitusgeräusch
vergleicht und kommentiert. Das Ergebnis dieser Analyse zum patientenspezifischen Tinnitusgeräusch
ist wenn überhaupt nur eine grob angenäherte Geräuschart.
Diese ist aus nahe liegenden Gründen bei einem konstanten
Tinnitusgeräusch eher einzugrenzen. Bei variierendem Tinnitusgeräusch
ist die Eingrenzung mit heutigen Analysegeräten in der
Regel nicht möglich. Anhand der nach der beschriebenen
Methode eingegrenzten, patientenspezifischen Geräuschart
entscheidet der Hörgeräteakustiker ob eine akustische
Therapie überhaupt zweckmäßig ist und
wenn ja ob eine Masker- oder, heute bevorzugt, eine Noiseranwendung
sinnvoll erscheint: Die Maskergeräte erzeugen in der Regel
ein konstantes, relativ intensives Geräuschmuster mit wählbarer
Lautstarke; die Noiser erzeugen unterschiedliche Rauschsignale (weiß oder
rosa) mit wählbarer Lautstärke. Aufbauend auf
dem Analyseergebnis erfolgt durch den Hörgeräteakustiker
eine Auswahl der akustischen Hilfsmittel in Form eines Maskers oder
Noisers mit der analysebedingt zweckmäßigen Geräuschfunktion
und inklusive der Anpassung des Gehäu sekörpers
des Hörgerätes an die Ohrenform(en) des Patienten.
Am Hörgerät sind teils leicht unterschiedliche
Geräuschvarianten und die Lautstärke durch den
Patient einstellbar. Daran anschließend erfolgt in der
Regel eine über einen längen Zeitraum dauernde,
mehrfache Feinanpassung des gewählten Geräusches
durch den Hörgeräteakustiker. Der Patient unterliegt
bei der Anwendung der genannten Hörgeräte einer
nahezu konstanten, zusätzlichen Geräuschkulisse,
die über die gewählte Anwendungsdauer (z. B. ganze
Nacht) ansteht.
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Es
sind bisher aus dem Stand der Technik keine Ansätze bekannt,
die eine geschlossene Lösung für die Bestimmung
des patientenspezifischen Tinnitusgeräusches, im nachfolgenden
auch Phantomgeräusch genannt, mit einer entsprechenden Umsetzung
der gewonnenen Analyseergebnisse hin zu einem patientenspezifischen
Kompensationsgeräusch wie unten beschrieben aufzeigen.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
(bzw. ein entsprechendes Verfahren) zur Verfügung zu stellen,
mit dem auf einfache, insbesondere auch durch den Betroffenen selbst
steuerbare Art und Weise, eine möglichst optimale Kompensation
des patientenspezifischen Tinnitusgeräusches bzw. Phantomgeräusches
möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung
nach Anspruch 24 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen dieser
Vorrichtungen ergeben sich jeweils aus den abhängigen Ansprüchen.
Ebenso wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 27 gelöst,
dessen vorteilhafte Ausgestaltungsformen sich ebenfalls aus den
abhängigen Ansprüchen ergeben.
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Die
einzelnen erfindungsgemäßen Merkmale, wie sie
nachfolgend auch in Ausführungsbeispielen näher
beschrieben werden, können im Rahmen der vorliegenden Erfindung
nicht nur in den konkret beschriebenen Kombinationen auftreten,
sondern können im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch in
beliebigen anderen Kombinationen ausgebildet sein oder verwendet
werden.
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Die
grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung basiert darauf, in
einem ersten Schritt (nachfolgend auch als Analyse bezeichnet) weitestmöglich automatisiert
interaktiv eine möglichst optimale Nachbildung des patientenspezifischen
Tinnitusgeräusches bzw. Phantomgeräusches zu erzeugen. Diese
Nachbildung wird nachfolgend auch als Analysesignal bezeichnet.
Bevorzugt geschieht dies, wie nachfolgend noch näher beschrieben,
in mehreren iterativ aufeinanderfolgenden Einzelschritten. In einem
zweiten Schritt wird dann basierend auf den Ergebnissen dieser automatisierten,
interaktiven Analyse ebenfalls weitestmöglich automatisiert
interaktiv eine Erzeugung eines möglichst optimalen Kompensationssignals
(hierunter wird nachfolgend ein Signal verstanden, welches beim
Betroffenen das Phantomgeräusch möglichst optimal
kompensiert und/oder unterdrückt und/oder überlagert)
durchgeführt. Dieses Signal wird nachfolgend auch als Synthesesignal bezeichnet.
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Die
Grundidee dieser Erfindung besteht somit darin, ein speziell den
Bedürfnissen des Patienten angepasstes Kompensationsgeräusch,
auf digitalem oder analogen Wege, entsprechend den Tinnitusbelastungen
des Patienten zu generieren, ohne auf eine unzureichende mündliche
Beschreibung des Phantomgeräuschs durch den Patienten zurückgreifen
zu müssen. Dazu ist es zunächst notwendig, das patientenspezifische
Tinnitusgeräusch, also das Phantomgeräusch, mit
einer entsprechenden Gerätetechnik und entsprechenden Methoden
möglichst genau zu reproduzieren und mit dem Patienten
in Vergleichmustern abzustimmen (Analyse). Mit einer möglichst
genauen Kenntnis des Phantomgeräuschs ist es dann möglich,
ein patientenspezifisches Kompensationssignal bzw. -geräusch
zu erzeugen, das komplexere Signalformen beinhalten kann, als diejenigen
die mit den derzeit verwendeten Hörgeräten realisierbar
sind (Synthese).
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Der
Ablauf der vorbeschriebenen Analyse und der vorbeschriebenen Synthese
wird nachfolgend noch ausführlich anhand eines Ausführungsbeispiels
dargestellt.
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Die
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen
darin, dass das Auffinden des relevanten Phantomsignales und das
Auffinden des bzw. der geeigneten Kompensationssignals/e vom Patienten
aktiv mitgestaltet und dadurch vereinfacht wird, da er nur aus vorgegebenen
Mustern interaktiv und schrittweise auswählen muss. Die
dabei mögliche Signalkomposition ist nahezu unbegrenzt.
Sie bleibt jedoch aufgrund der nachfolgend beschriebenen Vorgehensweise
trotz des immensen Umfanges an denkbaren Mustervarianten handhabbar.
Die fehleranfällige und schwierige Kommunikation zwischen
Akustiker und Patient, die häufig zu einer Fehlinterpretation des
Phantomsignals führt, wird so auf ein Minimum reduziert.
Für eine ungeschulte Person, was bei den meisten Patienten
zutrifft, ist es nahezu unmöglich ein Geräusch
treffend zu beschreiben. Dadurch ist die auf mündlicher
Beschreibung der Signale basierende Anpassung wenig zielführend
und gleicht eher einem Raten des Akusti kers, als einem gerichteten Prozess.
Ein optimales Ergebnis im Auffinden des patientenbezogenen Phantomgeräusches
ist bei einer solchen Vorgehensweise kaum zu erwarten. Dies ist
auch der Grund, warum bisher keine Hörgeräte mit patientenbezogenen
Kompensationsgeräuschen verfügbar sind. Die hier
vorgeschlagene iterative, durch Computeralgorithmen unterstützte
Annäherung, sowohl beim Auffinden des patientenbezogenen
Phantomgeräusches als auch bei den patientenbezogenen Kompensationsgeräuschen,
bewirkt deutlich bessere, dem Optimum näher liegenden Ergebnisse
als bei der jetzige Vorgehensweise. Die dadurch möglich
werdende Generierung von patientenspezifischen Kompensationsgeräuschen
stellt einen neuen, deutlich verbesserten Weg in der akustischen Behandlung
von Tinnituspatienten dar. Schlussendlich führt diese Erfindung
dazu, die Lebensqualität von Tinnituspatienten deutlich
zu verbessern und damit auch Krankheitskosten und Kosten durch Arbeitsausfälle
zu vermindern.
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Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
näher beschrieben.
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Es
zeigt
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1 eine
erfindungsgemäße Tinnitustherapievorrichtung zur
Analyse und Synthese von Audiosignalen,
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2 eine
erfindungsgemäße Tinnitustherapievorrichtung zur
Synthese von Audiosignalen bei fest eingespeicherten patientenspezifischen
Tinnitussignalen,
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3 wesentliche
Komponenten der gezeigten Vorrichtungen,
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4 den
grundlegenden Ablauf der erfindungsgemäßen Analyse
und Synthese,
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5 ein
Flussdiagramm der erfindungsgemäßen Analyse,
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6 das iterative Vorgehen bei der erfindungsgemäßen
Analyse,
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7 ein
Flussdiagramm der erfindungsgemäßen Synthese.
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1 zeigt
schematisch den grundlegenden Aufbau einer erfindungsgemäßen
Tinnitustherapievorrichtung zur Analyse und Synthese von Audiosignalen.
Die Vorrichtung weist zunächst einen Speicherabschnitt 1 auf.
In diesem Speicherabschnitt 1 ist eine Mehrzahl von Basissignalen
(nachfolgend auch Grundsignale, Grundgeräusche, Grundsignalformen oder
Grundmuster genannt) abgespeichert. Die Basissignale bzw. Grundmuster
können dabei z. B. Fourierkomponenten oder eine andere
Darstellung von Tönen (Kombination aus Frequenz, Lautstärke,
Phase, etc.) sein. Diese Basissignale bzw. Grundmuster spannen einen
Merkmalsraum auf (Sie sind also die Einheitsvektoren des Merkmalsraums).
Als ein Grundmuster bzw. Basissignal kann jedoch auch bereits eine
bestimmte Kombination von mehreren solcher Komponenten verwendet
werden. Z. B. entsprechen solche (kombinierten) Grundmuster einer Sammlung
von Tinnitusgeräuschen. Durch die Variation der Anteile
der einzelnen Basissignale am Gesamtsignal eines Geräusches
werden somit alternative Grundmuster generiert.
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Der
Speicherabschnitt 1 ist mit einem Ausgabeab schnitt 2,
welcher aus einer mit dem Speicher 1 verbundenen Ausgabeeinheit 2a und
einem damit verbundenen Kopfhörer 2b besteht,
verbunden. Durch diese Verbindung können im Speicher gespeicherte
Basissignale (oder auch aus diesen mittels der nachfolgend noch
näher beschriebenen Analyse- und Syntheseeinheit 4 generierte
Kombinationssignale) an den Ausgabeabschnitt übermittelt
und über den Kopfhörer 2b einem Benutzer
bzw. Patienten eingespielt werden. Die Ausgabeeinheit 2a kann hierbei
beispielsweise eine Soundkarte aufweisen. Auch kann sie einen Bildschirm
aufweisen, an dem die einzelnen Basissignale oder Kombinationssignale
durch sie beschreibende Schlagwörter darstellbar sind.
Im Speicherabschnitt 1 ist eine Datenbank 5 (relationale
Datenbank, siehe nachfolgende Beschreibung) ausgebildet, in der
wie nachfolgend noch näher beschrieben, aus den Basissignalen
generierte Kombinationssignale, welche einer möglichst
optimalen Annäherung an das patientenspezifische Phantomsignal
(welche nachfolgend alternativ auch als Analysesignale bezeichnet
werden) sowie ihre zugehörigen Kompensationssignale (nachfolgend
alternativ auch als Synthesesignal bezeichnet), also diejenigen
Signale, welche (situationsabhängig, z. B. abhängig
von zusätzlich vorhandenen Hintergrundgeräuschen)
zur möglichst optimalen Kompensation des patientenspezifischen
Tinnitusgeräusches dienen, abgespeichert sind.
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Der
Speicherabschnitt 1 ist zum bidirektionalen Datenaustausch
mit der Analyse- und Syntheseeinheit 4 verbunden. Der Datenfluss
vom Speicherabschnitt 1 zur Einheit 4 dient dabei
der Übertragung der Basissignale, welche die Einheit 4 zur
Analyse bzw. Synthese der Kombinationssignale benötigt. Der
Datenfluss von der Einheit 4 in Richtung des Speicherabschnitts 1 dient
sowohl dem Abspeichern von generierten Kombinationssignalen im Speicherabschnitt 1 bzw.
in der Datenbank 5 desselben, als auch der Übertragung
von über den Ausgabeabschnitt 2 zu reproduzierenden,
generierten Kombinationssignalen. Um dem Benutzer bzw. Patienten
eine Auswahl von geeigneten Kombinationssignalen (welche dann wie
nachfolgend noch näher beschrieben, iterativ zur Generation
weiterer, dem Phantomgeräusch bzw. Analysesignal noch näher
kommender Kombinationssignale oder weiterer, dem Kompensationsgeräusch
bzw. Synthesesignal noch näher kommender Kombinationssignale
verwendet werden können) zu erlauben, weist die Analyse-
und Syntheseeinheit 4 eine Verbindung mit einem Auswahlabschnitt 3 auf.
Dieser besteht im vorliegenden Fall aus einer Tastatur, mittels
derer der Patient sukzessive aus den mittels der akustischen Ausgabe über
die Einheit 2b angebotenen Signalen die geeigneten Signale
auswählen kann.
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Speicherabschnitt 1,
Datenbank 5 und Analyse- und Syntheseeinheit 4 sind
im vorliegenden Fall als frei programmierbarer Signalgenerator 7 mit
graphischer Programmierung ausgebildet.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung weist darüberhinaus
einen Reproduzierabschnitt 8 auf. Dieser besteht aus einer
Reproduziereinheit 8a, welche mit dem Speicherabschnitt 1 verbunden
ist und einem drahtgebunden oder drahtlos 9 mit dieser
Einheit 8a verbundenen Hörgerät 8b.
Mit dem Reproduzierabschnitt 8a ist es möglich,
im Speicherabschnitt 1 gespeicherte Synthesesignale bzw.
Kompensationsgeräusche über die eine I/O-Funktionalität
aufweisende Reproduziereinheit 8a an das vom Patienten
getragene Hörgerät 8b zu übermitteln.
Das Hörgerät 8b gibt dann das ausgewählte Synthesesignal entsprechend
der normalen Funktionsweise eines Hörgerätes wieder
und ermöglicht somit eine optimale Kompensation des Phantomgeräusches.
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Die
Einheiten 1, 5, 2a, 3, 4 und 8a sind
hier als Steuereinheit 6 in Form eines PC ausgebildet.
Sie können jedoch auch als Steuereinheit 6 in
Form eines PDAs ausgebildet sein.
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Die
erforderlichen Analyse- und Synthesekomponenten sind somit im vorbeschriebenen
Fall in einer Einheit (A/S-Einheit 4) in einem Gerät
(Steuereinheit bzw. PC 6) ausgeführt. Die Analyse-
und Synthesefunktionen sind hierbei als ein gemeinsames, als Softwarelösung
realisiertes Computerprogramm, welches in einem Festspeicher der
Steuereinheit 6 abgelegt ist, realisiert. Sie können
jedoch auch als jeweils eigenständige Computerprogramme
und/oder auch als Hardwarelösung ausgeführt sein.
Anstelle der Ausbildung auf einem mit einer Soundkarte ausgestatteten
Personal-Computer können die entsprechenden Einheiten jedoch
auch beispielsweise in einem Handgerät realisiert sein.
Die vorbeschriebene Ausgestaltungsform erlaubt es dem Patienten
auf sehr einfache Art und Weise, die notwendige Analyse und Synthese
bzw. die Adaption der Signale selbständig durchzuführen
und bei Bedarf anzupassen.
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Das
mit der Analyse- und Syntheseeinheit erzeugte Kompensationssignal
wird somit auf ein tragbares, hörgeräteähnliches
Kompensationsgerät 8b übertragen, welches
der Patient ständig mit sich führen kann. Hierbei
handelt es sich im einfachsten Fall um ein Im-Ohr- oder ein Hinter-Ohr-Gerät.
Dieses Gerät kann die gespeicherten Kompensationsgeräusche
kontinuierlich, in Wogenform oder auch in Intervallen wiederge ben
(die Auswahl des Wiedergabemodus kann hierbei beispielsweise durch
den Patienten in Abhängigkeit vom Vorhandensein zusätzlicher
Hintergrundgeräusche gewählt werden). Hierbei ist
eine Regelung von der Lautstärke und der Phase (der Grundfrequenz)
des Kompensationssignals möglich. Das Gerät 8b kann
auch mehrkanalig ausgeprägt sein, um beispielsweise bekannte
Hörgerätefunktionen mit der Funktion des Kompensationssignals
zu kombinieren. Liegen beim Tinnituspatienten keine Hörprobleme
vor, so kann als Übertragungsgerät 8b anstelle
eines Hörgeräts auch ein komfortables Abspielgerät,
wie beispielsweise ein Walkman oder ein MP3-Player, welche mit entsprechenden
Kopfhörern oder Bluetooth-Headsets ausgestattet sein können,
verwendet werden. Auch mit solchen Geräten ist das Kompensationssignal
(bzw. sind die Kompensationssignale) bedarfsgerecht, also kontinuierlich
oder vom Patienten gesteuert abspielbar. Es ist somit möglich,
nach entsprechender Analyse und Synthese eine Anzahl unterschiedlicher Kompensationssignale
bereitzustellen, die der Tinnituspatient dann situativ auswählen
kann.
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Das
vorstehende Beispiel beschreibt somit eine Kombination aus einem
Im-Ohr- oder einem Hinter-Ohr-Gerät, welches über
eine drahtlose (z. B. Bluetooth) oder alternativ auch eine drahtgebundene Verbindung
auf Bedarf die Kombinationssignale aus einem PDA-ähnlichen,
tragbaren Steuergerät empfängt, speichert und
anschließend autonom abspielt. Diese Steuerfunktionalität
kann auch von einem Handy, einem Smartphone etc. anstelle eines
PDAs übernommen werden. Solche Geräte erlauben
heute bereits benutzerdefinierte Programmanwendung und eine Kommunikation
mit externen Geräten.
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Das
vom Steuergerät bzw. der Steuereinheit jeweils übertragene
Kompensationssignal kann dann dabei in einem dem Hörgerät 8b entsprechend
eingesetzten Gerät gespeichert werden, damit keine ständige
Datenverbindung notwendig ist, welche eventuell zu Überlagerungen
von Störgeräuschen des Umfeldes führen
kann. Im PC bzw. der tragbaren Steuereinheit 6 ist somit
eine Software enthalten, mit der der Patient das Kompensationssignal über
das nachfolgend noch näher beschriebene adaptive, interaktive Verfahren
in einem vorbestimmten Rahmen verändern kann, um so beispielsweise
auch auf wechselnde Umgebungsbedingungen oder veränderliche
Tinnitusgeräusche mit einer persönlichen Anpassung des
Kompensationssignals zu reagieren. In diesem Fall muss dann für
die Auswahlphase ein Transfer vom Steuergerät 6 zum
Kompensationsgerät 8b gewählt werden.
Im Steuergerät 6 können zudem auch bereits
erzeugte, unterschiedliche Kompensationssignale, also persönliche
Kompensationssignalvarianten, in der Einheit 1, 5 gespeichert
und der Situation entsprechend abgerufen werden. So können
bei veränderlichem Tinnitusgeräusch auch mehrere
unterschiedliche Kompensationssignale gespeichert werden, aus denen
der Patient dann situationsbezogen das momentan geeignetste Kompensationssignal wählen
kann. Ebenfalls ist es möglich, der Situation entsprechend
(beispielsweise Tag, Nacht, laute oder leise Umgebung, Autofahrt)
angepasste Signale, beispielsweise kontinuierlich, in Wogenform
oder in Intervallen, zu erzeugen, zu speichern und abzurufen.
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Die
vorliegend dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung
kann nicht nur als tragbares Gerät ausgeführt
sein, sondern sie kann auch in einer alternativen Variante erfindungsgemäß als
stationäres Analyse- und Synthesegerät (insbesondere
in einem PC) in Akustiklabors, HNO-Praxen und -Kliniken zur Vor-Ort-Analyse von
patientenspezifischen Tinnitussignalen zur Verfügung gestellt
werden. Damit ist eine individuelle Anpassung von Anwendungsgeräten
mit entsprechenden Kompensationssignalen möglich. Hierbei
kann es auch ausreichend sein, als Bedienungselemente am Gerät
lediglich Elemente vorzusehen, welche einen eingeschränkten
Funktionsumfang (beispielsweise lediglich Veränderung der
Lautstärke und/oder Phase des Kompensationssignals etc.)
ermöglichen. Neben einem solchen stationären Gerät
kann, wie vorstehend bereits ausführlich beschrieben, auch
mittels eines Handsteuergeräts samt drahtloser oder drahtgebundener Übertragungstechnik
der Signale auf ein Ausgabegerät ein komfortables, mitführbares
System realisiert werden, das dem Patienten eine ständige
Feinanpassung der Signale im Alltag erlaubt (siehe auch nachfolgende 3)
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2 zeigt
eine alternative Ausgestaltung des in 1 gezeigten
Gerätes, welches sich lediglich vom in 1 gezeigten
Gerät dadurch unterscheidet, dass hier eine Syntheseeinheit 4 anstelle der
Analyse- und Syntheseeinheit 4 vorgesehen ist. Bei diesem
tragbaren Gerät weist dann die Datenbank 5 des
Speicherabschnitts 1 bereits eine Mehrzahl von vorab bestimmten,
patientenspezifischen Phantomsignalen auf, welche aus ihr abgerufen
werden können. Auf Basis der dergestalt abrufbaren Phantomgeräusche
kann dann die Syntheseeinheit 4 ggf. in mehreren Schritten
entsprechende Kombinationssignale generieren, so dass mittels der
Auswahleinheit 3 dann (ggf. situationsbedingt) die passenden
Kompensationsgeräusche aus den generierten Kombinationssignalen
auswählbar sind.
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3 zeigt
hierbei, wie eine solche Variante der 2 realisierbar
ist: A zeigt hierbei eine Analy se- und Syntheseeinheit 4,
welche in einem Laptop A realisiert ist (Laborgerät). Hiermit
kann auf die vorbeschriebene Art und Weise eine Datenbank 5 mit
patientenspezifischen Phantomgeräuschen und ihren zugehörigen
Kompensationssignalen generiert bzw. gefüllt werden. Ein
ausgewählter Datenumfang aus dem Inhalt der Datenbank 5 des
Laptops A kann dann auf ein tragbares Gerät (PDA) B übertragen werden.
Erweist sich im Alltagsbetrieb dann der ausgewählte Inhalt
von Synthesesignalen (welche in einem Speicher des PDA B abgelegt
wurden) als nicht ausreichend, so kann das tragbare Gerät
B, welches zusätzlich eine Syntheseeinheit 4 aufweist,
zur Generierung weiterer situationsangepasster Kompensationssignale
aus der Sammlung der verfügbaren Synthesesignale (welche
das variable Phantomgeräusch des Benutzers situationsbedingt
möglichst optimal annähern) wie vorbeschrieben
verwendet werden. Die Kompensationssignale können dann
drahtlos 9 über ein Ausgabegerät in Form
eines angepassten Hörgeräts 8b dem Benutzer übermittelt
werden.
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4 zeigt
nun schematisch den groben Ablauf bei der erfindungsgemäßen
Analyse und Synthese. Als Basis sei hier ein subjektiv empfundenes
Tinnitusgeräusch in Form eines Pfeiftons) wie früher
das Sendeschlusssignal beim Fernsehen) angenommen. Das Tinnitusgeräusch
wird vom Betroffenen als stark schwebend empfunden und tritt kontinuierlich
auf. Ein solches Signal ist dann beispielsweise mittels einem frei
parametrisierbaren Signalgenerator 1, 5, 4 mit
akustischer Ausgabe (über die Ausgabeeinheit 2) analysierbar.
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Der
untersuchte Patient ist seit Jahren in Behandlung wegen chronischem
Tinnitus. Eine der Teilbehandlungen mit am Markt befindlichen Noisern
gemäß dem Stand der Technik ist allerdings gescheitert.
Der Patient hat einen solchen adaptierten Noiser nachts wie empfohlen
angewandt. Abends waren die Geräusche der Noiser deutlich
vom Patienten hörbar, morgens waren sie trotz eingeschaltetem
Geräts nicht mehr hörbar. Nach Absetzen der beidseitigen Noiser
am Morgen war das empfundene Tinnitusgeräusch deutlich
lauter. Dies bedeutet, dass der Patient sich kognitiv oder durch
dämpfende Wirkungsmechanismen der biologischen Vorgänge
im Hörorgan auf das Noisergeräusch eingelernt
hatte und dieses in den Hintergrund drängte. Dies bedeutet
nun, dass zwar eine Lern-Ausblendfunktion tatsächlich vorhanden
ist, dass die Geräusche der angepassten Noiser aber nicht
zu einem Ausblenden des subjektiv empfundenen Tinnitusgeräusches
führte.
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Der
betroffene Patient hat nun mit der erfindungsgemäßen
Tinnitustherapievorrichtung sein persönliches Tinnitusgeräusch
bzw. Phantomgeräusch nachgebildet. Dies erfolgt wie nun
nachfolgend beschrieben auf der Verknüpfung bekannter,
unterschiedlicher Grundsignalformen (Basissignale) zu einem Analysesignal,
welches das persönlich empfundene Phantomgeräusch
optimal nachbildet (4). Die Basissignale, die hierbei
zur iterativen Generierung des Analysesignals benutzt wurden, entsprechen
einer Sammlung bekannter Signalarten aus dem Bereich der Signalverarbeitung
(siehe vorstehende Aufzählung bei der Beschreibung des
Standes der Technik). Aus dieser Sammlung vorbekannter Basissignale
wurde nunmehr eine Mehrzahl von Basissignalen als Ausgangsbasis
wie folgt ausgewählt:
Es wurden erfahrungsbasiert
mittels eines Signalgenerators Grundsignale, wie Sinus- und Rauschsignale, überlagert
und iterativ mit Phasenverschiebung und Offset so lange modifiziert,
bis der vorbeschriebene Tinnitusgeräuschtyp möglichst
vollständig abgedeckt wird.
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Das
dergestalt analysierte Phantomgeräusch (welches in der
Auswahl eines entsprechenden Analysesignals resultierte), wurde
dann vom Patienten mit Hilfe der Syntheseeinheit so modifiziert, beispielsweise
durch Bildung von Kompensationssignalen über Signaloperationen,
welche einem Invertieren, einer Amplituden- und/oder einer Phasenmodifikation
des Analysesignals entsprechen, dass ein synthetisches Kompensationsgeräusch
bzw. -signal generiert wurde, dass das subjektive Tinnitusgeräusch
des Patienten überspielte bzw. in den Hintergrund verdrängte.
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Bei
der erfindungsgemäßen Tinnitustherapievorrichtung
ist eine wesentliche Funktion das Auffinden relevanter Grundmuster
beim Start der Adaption. Diese erfolgt anhand der patientenseitigen
Grobauswahl anhand eines angebotenen Menüs unterschiedlicher
Geräusch- und Klanggrundmuster (verbal beschrieben). Beispielsweise
ist dies im einfachen Falle ein Klingelton mit Unterfunktion hell,
hochtönend, schwebend, der aus einem Eingabemenü ausgewählt
wird. Diese Eingabe führt dann zur Generierung von mehreren
variierten Klingeltönen an der Ausgabe. Die Startwerte
sind also beispielsweise Grundmuster, die den auftretenden Bereich
der Phantomgeräusche möglichst vollständig
abdecken (z. B. Ton 1: tiefes Brummen ↔ Ton 2: hohes Pfeifen – deckt
die Komponente Tonhöhe ab; Ton 3: einfacher Sinuston ↔ Ton
4: weißes Rauschen – deckt die Anzahl der enthaltenen
Frequenzen ab; und Ton 5: konstant ↔ Ton 6: pochend – deckt
den Bereich der Lautstärkemodulation ab).
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Der
Klingelton ist dann eines der Grundmuster, der durch die spezifizierten
Unterfunktionen am Geräuschgenerator zu unterschiedlichen
Ausgangsgeräuschen für die Startmuster führt.
Die Grundmuster können alle natürlichen Geräuschearten
sein, wie sie vorstehend bei der Beschreibung des Standes der Technik
bereits erwähnt wurden. Sie können in einer Datenbank
sowohl in digitalisierter Form, als auch in vektorisierter Form
aller Dimensionen des Merkmalsraums vorliegen. Die Kombinationsgeräusche
aus den Basissignalen, welche dann dem Patienten vorgespielt werden,
können hierbei im weitesten Sinne mit einem „Synthesizer"
verknüpfte und modifizierte Basissignale sein.
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Beispielsweise
bedeutet dies, wenn der Patient aus dem verfügbaren Startmenü des
Systems „Pfeifton, hoch, schwebend" auswählt,
dass die Synthesefunktion z. B. einen Pfeifton mit 7000 Hz auswählt,
und mit einer niedrigen Sinusfrequenz, z. B. 2 Hz, überlagert.
Dies ist das Startsignal, das durch selbstgenerierte Modifikation
der Signalparameter zu einer Gruppe an synthetischen Startsignalen
erweitert wird.
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5 zeigt
nun ein Beispiel für eine iterative, erfindungsgemäße
Analyse zur Generierung eines das patientenspezifische Phantomgeräusch
optimal nähernden Analysesignals (erste Stufe des erfindungsgemäß zweistufigen
Verfahrens). Hierbei wird durch eine interaktive Auswahl und eine
akustische Reproduktion bzw. Ausgabe von synthetisch generierten
Geräuschmustern mit Hilfe der Analyse- und Syntheseeinheit 4 (Phantomgeräuschgenerator)
das Tinnitusgeräusch des Patienten durch das Vorspielen selektiv
gewählter Muster und durch ggf. wiederholte Auswahl des ähnlichsten
Musters sukzessive bzw. iterativ durch mehrere Schritte angenähert.
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Es
werden während des Ablaufs der Analyse die nachfolgend
beschriebenen Schritte durchgeführt:
Der Patient wählt
zuerst anhand eines interaktiven Menüs die prinzipielle
Art seines Phantomgeräusches aus. Die gewählten
Signale bestehen hierbei aus Kombinationen bzw. Mischungen der Grundmuster
bzw. Basissignale aus dem hochdimensionalen Musterraum, wie er durch
die Menge der vorhandenen Basissignale aufgespannt wird. Dies kann
beispielsweise Pfeifen, hoch, schwebend, pulsend oder Sägegeräusch
an- und abschwellend sein. Dies führt zur groben Auswahl
der/des Grundmuster(s). Eine Signalkombination bzw. -mischung ist
dabei die Zusammenführung zweier oder mehrerer Basissignale für
die Ausgabe, dabei erfolgt vorliegend eine getrennte Handhabung
im Analyseteil und Syntheseteil der Einheit 4 bei der schrittweisen
Modifikation bei den Adaptionsschritten (z. B: schwebendes, verrauschtes
Pfeifen; Einzelsignale: Pfeifen + Rauschen + Schwebefrequenz einzeln
variierbar bzw. verknüpfbar in unterschiedlicher Linearkombination;
Signalmischung: zischend + stampfend, Signal einer fahrenden Dampflok
als zusammengesetztes Signal).
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Hierbei
sind sämtliche mathematischen (z. B. Linearkombination)
und logischen Verknüpfungen möglich. Zudem sind
diese davon abhängig, ob die Signalmodifikation im Zeit-
oder Frequenzbereich erfolgt.
-
Dem
Patienten wird danach von der Einheit 4 interaktiv gesteuert
eine Auswahl unterschiedlicher Muster (etwa 8 bis 10 verschiedene
Klangvarianten der vorgewählten Grundmuster) über
die Kopfhörer 2b vorgespielt. Diese Varianten
der Grundmuster decken einen möglichst breiten Bereich
um das auftretende Tinni tusgeräusch beim Patienten ab.
-
Der
Patient wählt aus den ihm interaktiv dargebotenen Audiosignalen
bzw. Grundmustern dasjenige aus, welches seinem Phantomgeräusch
am ähnlichsten ist. Hierbei ist es möglich, dass
der Patient die ihm vorgespielten Geräusche in einer Rangfolge
von „sehr ähnlich" bis „völlig
verschieden" bewertet.
-
Sind
alle angebotenen (8–10) Signalmuster vom Patienten bewertet,
wird mit dem am besten bewerteten Muster oder aus der Reihenfolge
der Bewertung eine neue Mustergruppe generiert, indem die Signalparameter
(Frequenz, Phase, Amplitude, Offset, Mischfaktor bei mehreren Grundsignalen, etc.)
durch die Signalverarbeitungseinheit (5) in bestimmten
Grenzen variiert werden.
-
Durch
den Analyseteil der Analyse- und Syntheseeinheit 4 wird
nun anhand der selektiven Wahl und Bewertung, genauer: anhand desjenigen
ausgewählten Signals, welches in der Menge der dem Patienten
vorgespielten Basissignale dem Phantomgeräusch am nächsten
kommt, eine neue Auswahl mit variierten Mustern generiert, welche
einen höheren Ähnlichkeitsgrad aufweisen, als
das zuvor ausgewählte Mustersignal. Auch diese Signale
bestehen hierbei aus Kombinationen bzw. Mischungen der Grundmuster
bzw. Basissignale aus dem hochdimensionalen Musterraum, wie er durch
die Menge der vorhandenen Basissignale aufgespannt wird. Die neuen
Signale bzw. Muster können hierbei durch Veränderung
der Anteile der Basissignale an einem kombinierten Grundmuster entstehen.
Der Patient hat z. B. die tiefen, konstanten Töne als seinem Phantomgeräusch ähnlicher
ausgewählt als die hohen pulsierenden. Die neu generierten
Muster werden daher weniger hohe Frequenzen beinhalten und weniger
stark lautstärkemoduliert sein.
-
Die
Analyse- und Syntheseeinheit 4 weist hierzu ein Computerprogramm
auf, welches Methoden zur Signalselektion und -adaption beinhaltet: Dies
sind evolutionäre Algorithmen, genetische Algorithmen,
leistungsfähige Klassifikatoren (Support Vector Machines,
SVM) und/oder neuronale Netze (hier Learning Vector Quantization,
LVQ mit unüberwachtem Lernen). Die Signalselektion und
-adaption kann in unterschiedlicher Form bzw. mit unterschiedlichen
Methoden realisiert werden. Die erwähnten Methoden sind
dem Fachmann dabei aus der Literatur bekannt und dort auch formuliert.
-
Beispielsweise
können mit den Klassifisatoren, wie SVM oder den neuronalen
Netzen anhand der interaktiven Definition die Startmuster und Varianten
gewählt werden. Evolutionäre Algorithmen und genetische
Algorithmen können dagegen zum Erzeugen der Varianten in
den nachfolgenden Adaptionsschritten dienen.
-
Diese
Algorithmen erlauben unterschiedliche Vorgehensweisen bei der „Adaption
eines optimalen Zustands" d. h. bei dem Generieren eines optimalen Musters,
welches am Ende der Adaptionskette steht: Der eingesetzte Algomrithmus
muss es ermöglichen, von einem ausgewählten quasi
optimalen Muster der angebotenen Mustergruppe eine neue Mustergruppe zu
generieren, die mindestens ein optimales Muster aufweist. Dies erfolgt
durch schrittweise Änderung der Parameter des quasi optimalen,
davor gefundenen Signalmusters.
-
Dem
Patienten werden somit zunächst verschiedene prinzipiell
geeignete Basissignale vorgespielt und er wählt aus diesen
das dem Phantomgeräusch nächstkommende Basissignal
aus. Mittels der vorbeschriebenen Algorithmen wird dann eine Mehrzahl
(Mustergruppe) von modifizierten Signalen (Kombinationssignalen)
auf Basis des ausgewählten Basissignals erzeugt. Auch aus
diesen neuen Kombinationssignalmustern, welche dann zumindest teilweise
dem patientenspezifischen Phantomgeräusch bereits näher
kommen, wählt der Patient wiederum eines aus (der Patient
kann eines auswählen oder in mehreren Stufen von „sehr ähnlich"
bis „völlig verschieden" bewerten; durch die Bewertung
stehen dann genauere Informationen zur Erzeugung der neuen Muster
zur Verfügung). Das Verfahren der Generierung neuer Kombinationssignale
als adaptierte Muster, der Vorspielung derselben und der Auswahl eines
dieser adaptierten Muster wird solange fortgesetzt (Iteration),
bis das Ergebnis zufriedenstellend ist, d. h. bis ein Analysesignal
aufgefunden ist, welches das Phantomgeräusch optimal annähert (5).
Nach welchem Iterationsschritt dies der Fall ist, entscheidet der
Patient durch eine entsprechende Festlegung mit Hilfe des Auswahlabschnitts.
-
Zu
dieser optimalen Annäherung zeigt 6 eine
einfache Darstellung bezogen auf einen zweidimensionalen Musterraum
(Muster A und Muster B sind hierbei zwei Muster aus der Menge der
beispielsweise beim Adaptionsstart zur Verfügung gestellten
Basissignale). Während der weiteren Adaption stellt der
dargestellte Musterraum beispielsweise den Parameterraum (Signalparameter)
der ausgewählten Grundmuster A und B dar. Die durch die obenstehend
beschriebenen Methoden zur Signalselektion und -adaption verwendeten
Suchstrategien für das hinsichtlich der Annäherung
an das Phantomgeräusch optimale Analysesignal variieren
hierbei die Ausprägungen der einzelnen Signalmuster bzw. Die
Zusammensetzung der Kombinationssignale so, dass mittels der neu
generierten Kombinationssignale bzw. Signalmuster und der interaktiven
Auswahl desjenigen Kombinationssignals bzw. Mustersignals, welches
dem Phantomgeräusch am nächsten kommt, ein Auffinden
eines lediglich lokalen Geräuschoptimums (d. h. nicht des
globalen Geräuschoptimums, d. h. desjenigen Signals, welches
auf Basis aller möglichen Basismusterkonfigurationen bzw. -kombinationen
dem Phantomgeräusch am nächsten kommt) verhindert
wird. Die eingesetzten Suchstrategien optimieren somit global im
angebotenen Musterraum hinsichtlich des Phantomgeräusches
(6a).
-
Der
Optimierungsalgorithmus merkt sich hierzu die Wertung der vorhergehenden
Optimierungsschritte während der Adaption. Tritt nach einer Generierung
einer neuen Mustergruppe (z. B. 8 bis 10 Signale) bei der Bewertung
durch den Patienten keine Verbesserung der Musterbewertung auf,
wird also kein besseres Muster gefunden, kann eine Generierung eines
neuen Mustersatzes eingeleitet werden. Der neu gebildete Mustersatz
wird so gewählt, dass das Verfahren bei weiteren Iterationsstufen nicht
immer wieder in ein bereits gefundenes lokales Optimum konvergiert.
Das Verfahren „merkt" sich somit diese lokalen Optima und
meidet sie in den nachfolgenden Optimierungsschritten. Die vom Patienten bewerteten
Muster entsprechen Punkten im Merkmalsraum, gebildet aus den entsprechenden
Gewichtungen der Basiskomponenten. Das Optimum entspricht einem
noch unbekannten Punkt im Merkmalsraum. Bei den neu zu generierenden
Mustern werden die Gewichtungen der Basiskomponenten so gewählt,
dass sie in der Umgebung der als am ähnlichsten bewerteten
Muster liegen und einen engeren Bereich überdecken, als
die vorherigen Muster. Durch mehrfache Wiederholung des Auswahl-
und Bewertungsprozesses wird der Bereich, in dem das Optimum liegen
muss, immer enger eingegrenzt. In Bild 6b ist das Verfahren grafisch
dargestellt. Als Berechnungsvorschrift für die neuen Signale
können im einfachsten Fall z. B. die Distanzen zwischen
den Punkten halbiert und mit einem Zufallswert addiert werden, um
eine gewisse Variationsbreite um den als am ähnlichsten
ausgewählten Punkt zu gewährleisten. Dieses Verfahren
wird sicherlich sehr langsam zum Optimum konvergieren, so dass der
Einsatz von Suchstrategien hier wesentlich schnellere und genauere
Ergebnisse liefert.
-
Solche
Suchstrategien sind dem Fachmann bekannt (es kommen bevorzugt randomisierte
Suchheuristiken zum Einsatz, insbesondere die evolutionären
und genetischen Algorithmen):
- – Richard
O. Duda, Peter E. Hart, David G. Stork: Pattern Classification,
John Wiley & Sons,
Inc. New York, 2001,
- – Thomas Back: Evolutionary Algorithms in Theory and
Practice: Evolution Strategies, Evolutionary Programming, Genetic
Alogrithms. Oxford University Press Inc, USA, January 1996,
- – Trevor Hastie, Robert Tibshirani, Jerome
Friedmann: The Element of Statistical Learning, Data Mining, Inference
and Prediction, Springer-Verlag New York, Berlin Heodelberg, 2003,
- – Ian H. Witten, Eibe Frank: Data Mining, Praktische Werkzeuge
und Techniken für das maschinelle Lernen. Carl Habser Verlag
München Wien, 2001,
- – Hogl, O.; Müller, M.; Stoyan, H.;
Stühlinger, W.: On Supporting Medical Quality with Intelligent
Data Mining in: Proceedings ofthe Hawaii International Conference
an Systems Sciences Konferenz: Hawaii International Conference an
Systems Sciences, Maui (Hawaii), 03.06.2001,
- – David E. Golderg: Genetic Alogrithms in Search, Optimization
and Machine Learning, Addison-Wesley Longman, Bonn, 1989,
- – Andreas Zell: Simulation Neuronaler Netze,
Addison-Wesley, Bonn, Paris, Reading, (u. a.), 1994.
- – Karsten Weicker, Evolutionäre Algorithmen
Stuttgart: Teubner. 2002,
- – Ingrid Gerdes, Frank Klawonn, Rudolf Kruse,
Evolutionäre Algorithmen: genetische Algorithmen – Strategien
und Optimierungsverfahren – Beispielanwendungen Wiesbaden:
Vieweg. 2004.
-
Der
Patient (oder auch ein Hörgeräteakustiker) umreißt
hierbei beim Start der Adaption verbal die Art des Geräusches,
welches über eine interaktive Eingabe dem System vorgegeben
wird. Das System bietet darauf wie beschrieben dem Patienten eine
Auswahl an Geräuschmustern (also die Kombinationssignale) über
den Kopfhörer 2b an. Das Gerät ist hierbei
so ausgestaltet, dass der Bediener (Patient oder auch Hörgeräteakustiker)
mit den Suchstrategien selbst nicht in Berührung kommt:
Die Suche nach dem im nächsten Schritt der Iteration vorzustellenden Kombinationssignal
verläuft vollständig intern in der Analyse- und
Syntheseeinheit 4, wobei wie vorbeschrieben ausgehend von der
vorausgegangenen Auswahl des Patienten (welche in der Auswahl eines der
angebotenen Kombinationssignale, nachfolgend auch als Auswahlsignal
bezeichnet, resultiert) aus den im letzten Schritt vorgestellten
Beispielgeräuschen die Auswahl der angebotenen Muster generiert
wird.
-
In
jedem Schritt der Iteration wählt somit der Patient das
jeweils ähnlichste Signal aus der Summe der in der Iterationsstufe
angebotenen (in der Interationsstufe vorher ermittelten) Kombinationssignale aus
(Bewertung der vorgestellten Kombinationssignale). Es können
natürlich auch mehrere „ähnlichste" Signale
ausgewählt werden. Durch die iterative Abfolge von Signaländerung,
Vorstellung neuer Kombinationssignale Signale und interaktiver Auswahl
eines Auswahlsignals aus der Menge angebotener Kombinationssignale
wird das erzeugte Näherungssignal dem Tinnitusgeräusch
des Patienten immer weiter angenähert (6b):
Die angegebene Zahl bezeichnet jeweils den Iterationsschritt, die „dritten neu
berechneten Muster" bezeichnen somit denjenigen Kombinationssignalsatz,
der mit den vorbeschriebenen Algorithmen auf Basis des (oder der)
am Ende des zweiten Iterationsschritts ausgewählten Kombinationssignals
generiert wurde(n). Der Benutzer bestimmt hierbei mit dem Auswahlabschnitt 3, wann
die Iteration abgebrochen wird, dies ist in der Regel dann der Fall,
wenn er keine weitere Annäherung an das Phantomgeräusch
mehr wahrnehmen kann.
-
Grundlage
der in der 6 gezeigten Adaption der
Kombinationssignale sind geeignete Grundmuster, d. h. Grundtypen
von Geräuschen, die systemintern im Zeitbereich oder Frequenzbereich
behandelt werden und deren schrittweise Veränderung dem
Benutzer in Form ak tuell erzeugter Kombinationssignale als angenäherte
Phantomgeräusche (in unterschiedlichen Varianten in Form
von Ausgabesignalen) akustisch übermittelt werden.
-
Veränderung im Zeitbereich:
-
Hier
werden die Merkmalswerte des gewählten aktuellen Zeitmusters
gezielt variiert, d. h. die Frequenz, Amplitude, Phase etc. jeweils
und in Kombination um einen bestimmten Betrag angehoben oder abgesenkt.
Die jeweiligen Beträge orientieren sich dabei an der vorangegangenen
Bewertung der angebotenen Signalvarianten durch den Patienten.
-
Veränderung im Frequenzbereich:
-
Analog
dazu werden im Frequenzbereich die Spektren von Amplituden und Phasen
gezielt beeinflusst.
-
Seien
z. B. x, y und z Basissignale bzw. Komponenten des Merkmalsraums
(z. B. Lautstärke, Frequenz und Phasen). Ein konkretes
Geräusch wird dann durch den Punkt [a*x; b*y; c*z] mit
den Gewichtungsfaktoren a, b und c repräsentiert. Durch
Variation der Gewichtungsfaktoren wird dann das neue Geräusch
erzeugt. Bei den Startmustern [a0*x; b0*y; c0*z] würden
dann z. B. Geräusche mit kleinem b (tiefe Töne)
und großem b (hohe Töne) angeboten. Wählt
der Patient dann z. B. die tieferen Töne aus, sollte bei
den neu generierten Mustern [a1*x; b1*y; c1*z] das b jeweils näher
am kleineren Wert liegen. Bei einer großen Anzahl von Merkmalen
(vielen Dimensionen) wird die Erzeugung neuer, besserer Muster sehr
komplex. Dafür werden die beschriebenen Suchstrategien
verwendet.
-
Diese
Grundmuster (Basissignale) spannen einen n-dimensionalen Merkmalsraum
auf, dessen Dimensionen Grundtypen von Klangmustern entsprechen.
Zu diesen Grundtypen gehören im vorgestellten Beispiel
die Schwingungsform, die Tonfrequenz, die zeitliche Änderung
der Frequenz (Phase), die Überlagerung mehrerer solcher
Frequenzen und Schwingungsformen (Modulation, Schwebung), die Lautstärke
(Amplitude), die zeitliche Veränderung der Lautstärke
und/oder Rauschanteile. Im einfachsten Falle, mit nur einem Signal,
wird somit mindestens ein n = 5 dimensionaler Musterraum bzw. Merkmalsraum
aufgespannt. Bei mehreren überlagerten Signalen erhöht
sich die Dimension des Musterraums entsprechend.
-
Das
individuelle Tinnitusgeräusch des Patienten wird dann einem
optimalen Zustandspunkt (globales Optimum) in diesem n-dimensionalen Merkmalsraum
entsprechen. Das Adaptionsverfahren wird somit schrittweise so durchgeführt,
dass dieser optimale Punkt im Zustandsraum getroffen wird und dass
somit das patientenspezifische Phantomgeräusch möglichst
genau getroffen wird. Die neuen Kombinationssignale des nächsten
Iterationsschrittes der Adaption werden bevorzugt durch kleine Änderungen
einer oder mehrerer Komponenten desjenigen Merkmalsvektors des vorangehenden
Iterationsschritts erzeugt, welcher demjenigen Signal entspricht,
welches vom Patienten als das dem Phantomgeräusch nächstliegende
Signal identifiziert wurde. Hierbei können z. B. Gradienten
aus den vorausgegangenen Auswahlschritten oder auch vom Patienten
angegebene Rangfolgen (d. h. Rangfolgen, welche die verschiedenen
Kombinationssignale, die im vorangehenden Iterationsschritt erzeugt
wurden, hinsichtlich ihrer Ähnlichkeit zum Phantomgeräusch bewerten)
in den bisher dargestellten Geräuschvarianten berücksichtigt und
die Änderung der Komponenten daraus extrapoliert werden.
-
Bei
der Gradientenmethode können die Anstiege der einzelnen
Mustermerkmale über davor liegenden Adaptionsschritten
dazu genutzt werden, geeignete, neue Werte für die Merkmale
des nächsten Adaptionsschrittes zu bestimmen.
-
Bei
der Rangfolgemethode werden die „Musterwerte" bzw. die
Geräuschmodifikationen für den nachfolgenden Auswahlschritt
durch gewichtete Bewertung der Merkmalsunterschiede, z. B. die drei
am höchsten bewerteter Auswahlgeräusche, aus dem aktuellen
Adaptionsschritt zur Bestimmung des nächsten Mustersatzes
herangezogen.
-
Als
Ausgangsbasis für die Grundmuster von Geräuschen
wird hierbei die heute bereits bekannte, reichliche Palette von
Geräuschformen Betroffener herangezogen. Diese Palette
wird in geeigneter Form in der Datenbank 5 des Speicherabschnitts 1 abgelegt.
-
7 zeigt
nun in einem Flussdiagramm den zweiten Schritt, welcher in der vorstehend
beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
Analyse und Synthese von Audiosignalen in dem Syntheseteil der A/S-Einheit 4 implementiert
ist. Die Analyse des Tinnitusgeräusches (siehe oben) und
des daraus abgeleiteten Analysesignals, welches dem Phantomgeräusch
am nächsten kommt, bildet die Grundlage zur nachfolgend
beschriebenen Erzeugung eines Kompensationssignals (Synthesesignals),
mit dem für den Patienten die größtmögliche
Linderung seiner Symptome erzielt werden kann. Auch in diesem Schritt
kommt ein adaptives und interaktives Verfahren zur Generierung von
Kombinationssigna len, der Auswahl eines der Kombinationssignale
(Bewertung der Kombinationssignale durch Vergleich mit der Wirkung
auf das Phantomgeräusch), sowie der Erzeugung und der Vorstellung
neuer Kombinationssignale zum Einsatz (iteratives Verfahren, siehe 7).
Die Basis zur Synthese des Kompensationssignals bildet jedoch das
zuvor festgestellte, dem patientenspezifischen Phantomgeräusch
optimal angenäherte Analysesignal.
-
Dieses
Analysesignal kann wie es ist als Basis der nachfolgend beschriebenen
Synthese verwendet werden. Es ist jedoch auch möglich,
ein aus dem Analysesignal abgeleitetes Signal als Startpunkt der
Synthese zu verwenden. Das abgeleitete Signal kann hierbei aus dem
Analysesignal beispielsweise dadurch generiert werden, dass das
Analysesignal invertiert wird, dass es phasenverschoben wird, dass ihm
zusätzliche Elemente (wie beispielsweise Musikanteile oder
Rauschen) hinzuaddiert werden. Es wird dann dieses Analysesignal
bzw. das abgeleitete Analysesignal als Startwert verwendet (siehe 6b und 7),
um durch entsprechende kleine Änderungen einer oder mehrerer
Komponenten des Merkmalsvektors des Startwertes iterativ Kombinationssignale für
das Kompensationssignal zu generieren, welche die bestmögliche Überdeckung
bzw. Ausblendung des Phantomgeräusches erzeugen. Dies soll
bewirken, dass das Phantomgeräusch in den Hintergrund gedrängt
wird, so dass es vom Patienten weniger bis nicht mehr wahrgenommen
wird.
-
Bei
der Erzeugung der Kompensationsgeräusche und Varianten
für die schrittweise Iteration können auch aus
dem Stand der Technik bekannte Werkzeuge aus dem Bereich des Geräuschdesigns verwendet
werden: Es lassen sich Geräuschdatenbanken, Geräuschgeneratoren, Synthesizer, Ton-Editor-Systeme
und Mischsysteme als Bestandteil der Syntheseeinheit anwenden.
-
Die
Abfolge zur Erzeugung des optimierten Kompensationssignals erfolgt
somit in vergleichbaren Schritten, wie bei der dargestellten Phantomgeräusch-Auffindung
bzw. Analyse, jedoch mit dem Unterschied, dass nicht das vom Patienten
gehörte Phantomgeräusch angenähert wird,
sondern dass ein möglichst optimales Kompensationssignal
erzeugt wird, welches den Tinnitus überdeckt oder ausblendet
oder zumindest von diesem ablenkt und ihn in den Hintergrund verdrängt.
Die Grundauswahl der hierzu in Frage kommenden Tonmischungen aus
den Basissignalen erfolgt auf der Basis der Ergebnisse der beschriebenen
Analyse, also unter Einbeziehung des patientenspezifischen Phantomgeräusches
wie vorstehend beschrieben.
-
Durch
effizientes Archivieren der einzelnen bei einem Patienten gefundenen
Zusammenhänge zwischen Phantomgeräusch (situationsabhängig) und
Kompensationsgeräusch kann sukzessiv im Element 5 ein
leistungsfähiges Datenarchiv geschaffen werden, das die
Auffindung des jeweiligen Kompensationsgeräusches zum situationsspezifischen
Phantomgeräusch zumindest angenähert erlaubt.
Die Datenbank 5 kann hierbei insbesondere als relationale Datenbank
ausgeführt sein, welche das Ablegen der gefundenen Zusammenhänge
zwischen Phantomgeräuschen (in Form des Analysesignals)
und Kompensationsgeräuschen in strukturierter und parametrisierter
Form erlaubt. In der Datenbank können dann die Koeffizienten
des Merkmalsvektors, welche anhand der gefundenen Phantomgeräuschart
als Analysesignalkoeffizienten abgeleitet wurden, abgelegt werden.
Das Vorgehen bei der Synthese ist wie folgt: In einer ersten Grobklassifikation
(beispielsweise Verwendung des invertierten Analysesignals oder
eines phasenverschobenen Analysesignals) wird dasjenige Signal vom
Patienten ausgewählt, welches am ehesten sein spezifisches
Phantomgeräusch kompensiert (erste Auswahl). Dann erfolgen
weitere Zwischenschritte, in denen wie vorbeschrieben durch Bildung
neuer Kombinationssignale als potentielle Kompensationssignale,
Auswahl einzelner Kombinationssignale daraus und darauf basierend
weiterer Bildung von Kombinationssignalen und letztgültige Auswahl
ein optimal überdeckendes Signal (Kompensationssignal)
bestimmt wird. Auch für dieses werden dann die zugehörigen
Koeffizienten des Merkmalsvektors im Merkmalsraum (also in kodierter Form)
in der relationalen Datenbank 5 abgelegt, wobei eine Verknüpfung
(Relation) zwischen diesem Synthesesignal und dem situationsbedingt
zugehörigen Phantomsignal bzw. Analysesignal des Patienten
erfolgt. Das Archivieren unterschiedlicher Phantom- und Kompensationsgeräusche
wird insbesondere dadurch effizient, dass nicht zwingend Tonbeispiele
für jeden Patienten einzeln gespeichert werden müssen,
sondern nur die Komponenten der zugehörigen Merkmalsvektoren,
aus denen sich dann die Signale wiederum rekonstruieren lassen.
In der zugehörigen relationalen Datenbank 5 können
dann auch durch Verfahren des Data Minings Zusammenhänge
und Gemeinsamkeiten aufgedeckt werden: Zum Beispiel können
bestimmte Phantomgeräuscharten mit Gemeinsamkeiten in der
Anamnese verschiedener Patienten in Zusammenhang gebracht werden.
-
Data
Mining bedeutet hier eine im weiteren Sinne wissensbasierte Suchstrategie,
um zusammengehörende Musterpaare (Phantomgeräusch/Kompensationsgeräusch)
effizient aus dem gespeicherten Musterraum aufzufinden. Wird beispielsweise
als Tinnitusgeräusch starkes, schwebendes, verrauschtes
Pfeifen in einer bestimmten Art von Patienten in der Analysephase
dem Phantomgeräusch PX (Parameter 1 – Parameter
m) zugewiesen, und danach als bestes Kompensationssignal KX (Parameter
1 – Parameter n) gefunden, kann damit eine Zugehörigkeit
formuliert werden.
-
Beim
Aufbau der relationalen Datenbank bzw. bei der Geräuschkomposition
kann dann auch durch entsprechende Variantenbildung (Abspeichern mehrerer
Synthesesignale für ein situationsspezifisches Phantomgeräusch)
berücksichtigt werden, dass die einzelnen Patienten bei ähnlicher
Phantomgeräuschart durch subjektives Hören teils
sehr unterschiedliche Kombinationsgeräusche favorisieren können.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
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Dr. med. Lutz Wilden, Verlag Bad Füssing, Februar 2004,
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- - Hogl, O.; Müller, M.; Stoyan, H.; Stühlinger,
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- - Karsten Weicker, Evolutionäre Algorithmen Stuttgart:
Teubner. 2002 [0057]
- - Ingrid Gerdes, Frank Klawonn, Rudolf Kruse, Evolutionäre
Algorithmen: genetische Algorithmen – Strategien und Optimierungsverfahren – Beispielanwendungen
Wiesbaden: Vieweg. 2004 [0057]