Fit für die Cocktailparty Wie Hörgeräte erkennen können, wem man zuhören will

Unübersichtliche Gesprächs­situationen überfordern aktuelle ­Hörgeräte. Deutsche Forscher arbeiten an neuen Systemen, die anhand von Hirnströmen erkennen, wessen Stimme sie verstärken sollen.
Von c’t-Redakteur Arne Grävemeyer
Foto: David Strassburger/ Uni Siegen / Ubiquitous Design

Von den heute in Deutschland verkauften Hörgeräten liegen schätzungsweise 70 Prozent ungenutzt in der Schublade. Viele Menschen mit eingeschränktem Gehör scheitern zum Beispiel am Cocktailparty-Effekt: In komplexen Hörsituationen mit vielen Geräuschquellen und Sprechern sind sie überfordert und können einem Gesprächspartner nicht folgen. Aktuelle Hörhilfen unterstützen das selektive Hören nur bedingt. Zwar kommen schon heute Richtmikrofone zum Einsatz, die Hörgeräte richten sich aber nicht zielgenau auf einen Sprecher aus. Dazu fehlt ihnen die notwendige Rückmeldung vom Gehirn.

Jetzt zeigten Forscher aus dem Verbund mEEGaHStim (siehe Kasten unten), wie sie den Sprecher, dem der Zuhörer folgt, aus den Signalen eines EEGs (Elektroenzephalogramm) ermitteln. Das funktioniert nicht nur im Labor, sondern inzwischen auch mit mobilen EEG-Sen­soren unterwegs.

Überdies bestätigen Versuchsreihen, dass Elektrostimulation an der Kopfhaut das Hörverständnis in Bezug auf einen ausgewählten Gesprächspartner steigert. Die neu entwickelten Hörhilfen erfordern also zusätzlich zu Mikrofonen und Laut­sprechern im Ohr noch eine Reihe von EEG-Sensoren sowie weitere Elektroden zur Stimulation bestimmter Hirnregionen. Die Forscher arbeiten auch daran, die Technik weiterzuentwickeln und zu miniaturisieren.

Hirnströme und Hüllkurven

Mit einem EEG lässt sich die Hirnaktivität anhand von Spannungsschwankungen an der Kopfoberfläche beobachten. An der Universität Oldenburg entwickelten Wissenschaftler ein mobiles EEG-System: das sogenannte cEEGrid. Je zehn Elektroden auf einem flexiblen Träger in Form des Buchstabens C kleben links und rechts hinter den Ohren. Ein damit ausgestattetes Hörgerät misst mobil die Hirnströme, ohne dass der Anwender im Alltag eine störende, große EEG-Standardhaube aufsetzen muss.

Im Labor zeigten Forscher des Fraunhofer IDMT mit mobilen EEG-Sensoren, dass eine Korrelation zwischen dem Sprachsignal eines Sprechers und der Hirnaktivität des Zuhörers besteht. Konkret ermittelten die Wissenschaftler die sogenannte Einhüllende des verfolgten Sprachsignals - eine Funktion, die die Ausschläge der Lautstärkepegel miteinander verbindet. Und tatsächlich findet sich diese Hüllkurve im EEG-Signal wieder.

In ihren experimentellen Studien simulierten die Forscher zunächst mit zwei im Raum verteilten Lautsprechern zwei unterschiedliche Sprecher. Statt zweier Hörgeräte setzten sie ein Demosystem ein, bestehend aus zwei Richtmikrofonen, ­Mini-PC und Ausgabekanälen. Der PC ­ermittelte die jeweiligen Hüllkurven der beiden Sprachsignale. Im EEG eines Testteilnehmers erkannten die Forscher eine dieser Hüllkurven deutlich wieder, wenn sich der Zuhörer auf einen der beiden Sprecher konzentrierte.

Richtung hören

Mit zwei Mikrofonen beziehungsweise Hörgeräten lässt sich die Position zweier Sprecher automatisiert ermitteln. HörTech in Oldenburg hat einen Lokalisator entwickelt, der anhand der Ankunftszeiten von Schallwellen eine Wahrscheinlichkeitskarte berechnet, die jede Richtung einer Geräuschquelle als Peak markiert. Ein zusätzlicher Tracker soll später den einmal lokalisierten Quellen folgen, wenn sie wandern. Die Software Master Hearing Aid (MHA) wertet die Signale aus und berechnet die Richtungen .

Das Hörgerät der Zukunft integriert ­mobile EEG-Sensoren an jedem Ohrclip. Ein Diadem platziert Elektroden für die hörunterstützende Elektrostimulation.

Das Hörgerät der Zukunft integriert ­mobile EEG-Sensoren an jedem Ohrclip. Ein Diadem platziert Elektroden für die hörunterstützende Elektrostimulation.

Foto: David Strassburger/ Uni Siegen / Ubiquitous Design

Im Projekt mEEGaHStim kommen heute vier omnidirektionale Mikrofone zum Einsatz. Ein sogenannter Beamformer von HörTech berechnet zur vorgegebenen Richtung aus den Mikrofonsignalen eine Richtungscharakteristik in Form einer Keule. Diese kann er laut Entwickler Dr. Kamil Adiloglu frei ausrichten und so die ausgewählte Quelle verstärken. Die Hauptkeule des Beamformers ist etwa 60 Grad breit, Nebenkeulen an den Seiten schwächen ihre Signale ab. Zudem erzeugt der Beamformer ein binaurales Signal, der Geräteträger hört damit räumlich.

Die Forscher entwickeln eine Gesten­steuerung, mit der sich Sprecher gezielt in den Fokus rücken lassen.

Die Forscher entwickeln eine Gesten­steuerung, mit der sich Sprecher gezielt in den Fokus rücken lassen.

Foto: David Strassburger/ Uni Siegen / Ubiquitous Design

Im Laborversuch richtet sich der Beam­former nach der erforderlichen EEG-Analyse innerhalb von 30 Sekunden auf den gewünschten Sprecher aus. Die Forscher arbeiten daran, diese Latenz so weit zu verringern, dass das System nahezu echtzeitfähig wird. Auf der anderen Seite sollen Versuche mit Testpersonen zeigen, ob eine solche Zeitspanne im Alltag stört oder sogar angenehmer ist als ein schneller umspringendes System. Außerdem tüfteln die Forscher daran, wie sie Sprecher von anderen Geräuschquellen unterscheiden. Ein Gyroskop könnte Kopfbewegungen erkennen und den Beam­former kurzfristig nachführen.

Das Demosystem läuft auf einem Intel NUC und lässt sich mit einer Powerbank, einem Audio-Interface sowie Hörgeräte-­Dummys mit je zwei Mikrofonen in einem Aktenkoffer transportieren. Es existieren aber auch Portierungen für den Raspberry Pi und den Beaglebone Black. Eine Embedded-Lösung auf einem Hörgerätechip namens SmartHeap soll Ende März 2021 folgen.

Noch zu miniaturisieren: Derzeit umfasst die Hörgerätetechnik aus dem Labor noch einen Mini-PC, eine ­externe Soundkarte, zwei Hörgeräte-Dummys mit je zwei Mikrofonen und eine Powerbank - in einem Aktenkoffer.

Noch zu miniaturisieren: Derzeit umfasst die Hörgerätetechnik aus dem Labor noch einen Mini-PC, eine ­externe Soundkarte, zwei Hörgeräte-Dummys mit je zwei Mikrofonen und eine Powerbank - in einem Aktenkoffer.

Foto: Tim zum Hoff/ c't

Elektroreize für Schwerhörige

Das Hörgerät der Zukunft richtet sich automatisch auf einen Sprecher aus und schärft zusätzlich das Hörverständnis mithilfe von Elektrostimulation. Man weiß, dass die sogenannte transkranielle Stimulation im Bereich des auditiven Kortex kurzzeitig die Aufmerksamkeit und die Erkennung von Tönen verbessert. In Oldenburg koppelte das Team um Professor Herrmann die Elektrostimulation mit der Hüllkurve eines Sprachsignals und konnte damit das Hörverständnis steigern.

Das Schallsignal und die Hüllkurve eines gesprochenen Satzes: Forscher konnten diese Hüllkurve im EEG des Zuhörers wiederfinden, solange dieser das Sprachsignal konzentriert verfolgte.

Das Schallsignal und die Hüllkurve eines gesprochenen Satzes: Forscher konnten diese Hüllkurve im EEG des Zuhörers wiederfinden, solange dieser das Sprachsignal konzentriert verfolgte.

Foto: Herrmann / Uni Oldenburg

In Laborversuchen zeigte sich, dass Testpersonen gesprochene Sätze bei einem sich verschlechternden Signal-Rausch-Verhältnis signifikant besser verstanden, wenn zu diesem Sprecher die Hüllkurven-Stimulation ihren Kortex anregte. Laut Herrmann profitieren Schwerhörige besonders stark von der Stimulation. Bei Menschen mit ­gesundem Gehör sei der Effekt hingegen gering.

"In unseren Versuchen stellten wir fest, dass die Hüllkurve im EEG mit kurzer zeitlicher Verzögerung zum akustischen Signal erscheint", schildert Herrmann. Die Stimulation sollte demnach mit einer Latenz von etwa 100 Millisekunden erfolgen, wobei die optimale Zeitspanne für jeden Anwender individuell zu ermitteln wäre.

Das mobile EEG ermöglicht die automatische Sprechererkennung und Nutzung von Richtmikrofonen.

Das mobile EEG ermöglicht die automatische Sprechererkennung und Nutzung von Richtmikrofonen.

Foto: cEEGrid

Der eingesetzte Stimulator von Hersteller neuroConn hat derzeit noch die Größe einer Zigarettenschachtel. Bei etwa einem Mikroampere und 20 Volt genügen ihm Lithium-Ionen-Batterien für ein bis zwei Wochen Betriebszeit. Die Entwickler um Projektkoordinator Klaus Schellhorn wollen das System verkleinern, sodass es künftig in ein Ohr passt.

Verstecken oder zeigen

Konkrete Gestaltungsvorschläge und Ideen für die Handhabung der künftigen Hör­geräte macht die Uni Siegen. Ein Team um Professor Marc Hassenzahl führte Studien zur Gestaltung durch: Sollte man die Hörgeräte besser unter der Frisur verstecken oder als Hightech-Gerät auffällig betonen?

Offenbar hat sich in Siegen die Vorstellung eines auffälligen Mode-Accessoires durchgesetzt. Der Entwurf besteht aus drei Teilen mit zwei Ohrclips und einem Diadem. Dieses Design berücksichtigt alle vorgegebenen Punkte für die Elektroden des EEGs, die heute die cEEGrid-­Aufkleber abdecken, sowie oben auf dem Kopf die Elektroden für die transkranielle Elektrostimulation. Damit sich der Träger nicht die Kopfhaut rasieren muss, ist der Gebrauch von Elektrolyten vorgesehen. Die befinden sich in kleinen Pumpbällchen am Diadem. Wenn die Elektroden den Kontakt verlieren, drückt der Anwender auf die Bällchen und feuchtet nach.

Forschungsverbund für besseres Hören

Der Forschungsverbund mEEGaHStim entwickelt Hörgeräte der nächsten Generation. Diese sollen Hirnströme auswerten und stimulieren, damit der ­Träger einem Gesprächspartner in einer unübersichtlichen Situation besser folgen kann. Beteiligt sind Institute und Unternehmen: Forscher vom Fraunhofer-Institut für Digitale Medientechnologien IDMT und der Uni Oldenburg lesen an Hirnströmen ab, auf welches Sprachsignal sich ein Mensch konzentriert. Die HörTech gGmbH entwickelt Algorithmen, die anhand dieser Daten die Richtung des Sprechers ermitteln, den lokalisierten Quellen folgen und Mikrofone ausrichten. Professor Christoph Herrmann von der Uni Oldenburg entwickelt zusammen mit der neuroConn GmbH eine zusätzliche Elektrostimulation, die Schwerhörigen hilft, besser zu verstehen. Professor Marc Hassenzahl von der Uni Siegen baut anhand der ­Ergebnisse erste Prototypen von ­Hörgeräten mit passenden Kopfhautelektroden.

Eine ähnliche Diskussion um "offen oder versteckt" führten die Siegener über die Steuerung des Hörgeräts der Zukunft. Sicherlich könnte dazu eine Bluetooth-Fernbedienung zum Einsatz kommen oder eine Smartphone-App. Aber wie wäre es mit Handgesten im freien Raum? Studien mit Testpersonen haben einen interes­santen Aspekt gezeigt. Diese Personen wurden von einem Schauspieler mit einem auffälligen Hörhilfssystem in ein Gespräch verwickelt. Dabei kam es zu kurzen ­Störungen durch Lärm aus dem Nachbarraum. Der Schauspieler sah sich um und musste anschließend den Fokus seines Hörgeräts zurückholen. Das tat er entweder versteckt hinter vorgehaltener Hand oder ganz offen mit auffälligen Gesten. Das Feedback der unvoreingenommenen Testpersonen zeigte, dass heimliche Manipulationen neurotisch erscheinen und Misstrauen wecken. Offene Gesten wirkten einladender und passten besser zu einem offen getragenen Hörsystem.

Die Technik zur Ausrichtung der Mikrofone mithilfe von EEG-Auswertungen könnte bereits im kommenden Jahr so weit miniaturisiert sein, dass Hersteller damit ihre Hörgeräte ausrüsten. Bis Hörhilfen den auditiven Kortex elektrisch stimulieren, dauert es jedoch noch länger. Bei ­neuroConn rechnet Schellhorn mit etwa fünf Jahren, bis der Elektrostimulator von Zigarettenschachtelgröße so weit komprimiert ist, dass er in ein Hörgerät passt. Konkrete Gespräche mit Herstellern ­laufen bereits.

Open-Source-Projekt Master Hearing Aid. 

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