Herausforderungen in der Vergleichbarkeit von SNR-Messungen in der Hörsystemforschung

Von Sven Kreher, Michael Preuss & Stefan Raufer (Phonak) / Fotos & Abbildungen: Phonak

Eine Analyse von bestehenden Messansätzen und Einflussfaktoren auf die Bewertung von SNR-Ergebnissen.

Der Signal-Rausch-Abstand (SNR) wird häufig als Indikator für die Leistung eines Hörsystems oder eines Features zur Verbesserung des Sprachverständnisses im Störgeräusch bemessen. Bekannt ist, dass ein schwerhöriger Mensch im Vergleich zu einem Normalhörenden ein besseres SNR-Verhältnis benötigt, um die gleiche Sprachverständlichkeit in akustisch schwierigen Umgebungen zu erreichen (Killion, 1997). Die Entwicklung von audiologischen Funktionen zur Verbesserung des SNR ist somit von großer Bedeutung und zentraler Bestandteil der Hörsystemforschung.

Die Vorteile der SNR-Verbesserung werden gerade durch das Marketing von allen Herstellern genutzt, um ein Hörsystem oder eine bestimmte Funktion auf dem Markt strategisch zu platzieren, zu bewerben oder mit anderen Mitbewerbern zu vergleichen. Da es keine standardisierten Messaufbauten für SNR-Messungen gibt, sind die Ergebnisse zwischen den Herstellern oft nicht vergleichbar. 

In der Hörsystemforschung unterscheidet man verschiedene Arten der Qualitätssicherung. Die Verifikation und die Validierung werden häufig genutzt, um die Leistungsfähigkeit von Hörsystemfunktionen zu beschreiben. Die Verifikation stellt sicher, dass eine bestimmte Funktion oder ein Feature den technischen und funktionalen Anforderungen entspricht. Das Ergebnis solcher technischen Messungen wird z.B. in Datenblättern niedergeschrieben. Hierfür gibt es eine einheitliche Norm, die IEC 60118-16, die auch den Umgang mit Geräuschreduktionen beschreibt. 

Die Validierung stellt durch Studien sicher, dass eine Funktion oder ein Feature nachweislich einen Vorteil für den Endkunden in realen Hörumgebungen erzielt. Der nachgewiesene Nutzen wird vom Marketing genutzt, um Werbebotschaften zu erstellen. Für die Validierung von SNR-Werten gibt es keinen einheitlich geltenden Standard. Dies ermöglicht es jedem Hörsystemhersteller, einen eigenen Messaufbau zu entwickeln, der darauf abzielt, die Vorteile der eigenen Produkte stärker hervorzuheben, als sie in der Praxis möglicherweise erzielt werden können, um deren Leistung zu validieren und zu bewerben.

Auf Grundlage der Marketing-Kommunikation ergibt sich eine Erwartungshaltung auf Seiten von Akustiker und Endkunde. Wenn diese Erwartungen nicht erfüllt werden, hat das negative Auswirkungen auf den Hersteller und die gesamte Branche. Für eine objektivere und gesicherte Wettbewerbsfähigkeit wäre es daher sinnvoll, sich für einheitliche Standards für eine objektive Vergleichbarkeit einzusetzen. 

Die kommenden Einblicke sollen Ihnen dabei helfen, die SNR-Werte und Marketingbotschaften verschiedener Marken zu interpretieren und eine kritische Beurteilung wissenschaftlicher Veröffentlichungen und der Studienaufbauten zu ermöglichen. Ein Bekenntnis aller Hersteller zu einem fairen, objektiven Miteinander für eine gesicherte Wettbewerbsfähigkeit der Branche würde diesen Ansatz weiter unterstützen.

Bekenntnis #1 – Nutzung eines realistischen Messaufbaus

Die Anzahl und Ausrichtung der Lautsprecher in einem Studiendesign ist entscheidend in Bezug auf das Ziel der Studie und hat Einfluss auf die gemessenen SNR-Werte.

Im Falle der Untersuchung des erwarteten Nutzens der Richtmikrofontechnologie und/oder der Algorithmen zur Geräuschreduzierung ist die Anzahl und Position der Lautsprecheranordnung für die Schaffung einer realistischen Szene von entscheidender Bedeutung. Es ist bekannt, dass die Richtmikrofontechnik den SNR erheblich verbessern kann, insbesondere bei Geräuschquellen, die von hinten kommen. Abbildung 1A und B zeigen zwei verschiedene Ansätze für ein Messaufbau, wobei N für Geräusche (Noise) und S für ein Sprachsignal steht. Abbildung 1A ist die Phonak-Anordnung, die zur Messung des SNR-Vorteils durch unsere DNN-basierte Störgeräuschreduzierung Spheric Speech Clarity verwendet wurde. Eine realistische, komplexe und schwierige Kommunikationssituation wird mit zwölf Lautsprechern simuliert, wobei Störgeräusche aus allen Richtungen, auch aus 0 Grad, auf die Hörsysteme eintreffen. 

Abbildung 1B zeigt einen approximierten technischen Aufbau, der in Veröffentlichungen von zwei anderen Herstellern beschrieben wird. Bei dieser Anordnung wurden zwei Lautsprecher von hinten, in etwa bei 240 Grad und 120 Grad, für die Störgeräusche und ein Lautsprecher von vorne bei 0 Grad für das Sprachsignal verwendet.

Die grau schraffierten Bereiche in Abbildung 1A und B zeigen eine Polardiagramm, welches die Empfindlichkeit für ein Richtmikrofon mit der bekannten Nierencharakteristik beschreibt. Je weiter der grau schattierte Bereich von der Umrandung entfernt ist, desto stärker wird der Lärm durch das Richtmikrofon gedämpft. Die maximale Schalldämpfung für diesen Typ von Richtmikrofonen liegt in der hinteren Hemisphäre, etwa bei 240 Grad und 120 Grad, wie an der Kerbe im Polardiagramm zu erkennen ist.

In der Anordnung von Abb. 1B fällt der Ort der Lärmquellen mit dem Ort der maximalen Dämpfung des Richtmikrofons zusammen, was zu einer Überschätzung bzw. Überbewertung des durch das Richtmikrofon erzielten SNR-Vorteils führt. 

In realen Umgebungen sind wir dem Lärm nicht nur von 120 Grad und 240 Grad ausgesetzt, sondern von vielen Richtungen, oft einschließlich Reflexionen und Nachhall. Die Wiedergabe in einem 12-Kanal-Lautsprechersystem, wie in Abb. 1A gezeigt, spiegelt eine realistischere Hörsituation wider. 

Um die Auswirkung der Lautsprecherkonfiguration und die Positionierung der Störgeräusch- Lautsprecher zu demonstrieren, haben wir den SNR-Vorteil der UltraZoom-Funktion von Phonak mit den beiden oben beschriebenen Aufbauten gemessen. Das Ergebnis dieser technischen Messung zeigt, dass mit der gleichen Funktion zwei sehr unterschiedliche SNR-Werte erzielt werden können – die Auswahl des Lautsprecher-Setups ist also entscheidend für die Ergebnisse und Bewertung der SNR-Ergebnisse.

Der linke Balken in Abb. 2 zeigt den SNR-Vorteil von UltraZoom mit dem in Abb. 1B beschriebenen Aufbau. Das Ergebnis ist ein SNR-Vorteil von ca. 9dB, bei der Verwendung von zwei Störgeräusch-Lautsprechern in der hinteren Hemisphäre.

Auf der rechten Seite ist der SNR-Vorteil dargestellt, unter Verwendung des in Abb. 1A beschriebenen Messaufbaus mit 12 Lautsprechern. Das Ergebnis ist ein deutlich geringerer SNR-Vorteil von nur noch ca. 4dB.

Nehmen wir an, ein Hersteller untersucht mit beiden o.g. Methoden sein eigenes Hörsystem und dessen Funktion. Für die Veröffentlichung muss eine Entscheidung getroffen werden, die zur selbst gewählten Marktplatzierung passt. Die audiologische Expertise möchte, dass die zu testenden Hörsysteme keine falschen Erwartungen wecken und daher mit einem realistischen Testaufbau gemessen werden sollten. Jedoch wird auch der künstliche Aufbau für die Marktplatzierung bevorzugt, mit dem Wissen, das diese Werte unter realistische Bedingungen wohl nie erreicht werden können. 

Für Phonak ist die Positionierung klar.  Wir bevorzugen einen realistischen Testaufbau, der die technische Innovation von Audeo Sphere Infinio unter realistischen Bedingungen darstellen kann. Denn Spheric Speech Clarity wurde entwickelt, um Hintergrundgeräusche richtungsunabhängig zu reduzieren und dadurch einen klaren Fokus auf Sprache zu setzen und Alltagssituationen bestmöglich zu unterstützen. Um zu untersuchen, wie Phonak Audéo Sphere Infinio mit Spheric Speech Clarity in realistischen und anspruchsvollen Hörumgebungen arbeitet, haben wir ein Setup mit 12 Lautsprechern, wie in Abbildung 1A dargestellt, benutzt. Wir spielten Hintergrundgeräusche aus allen 12 Lautsprechern ab, einschließlich der Richtung der Sprache bei 0°. Dieser technische Messaufbau simuliert ein komplexes Kommunikationsszenario, wie eine Cocktailparty, bei der Geräusche aus allen Richtungen, einschließlich aus 0° Grad, zu hören sind. 

Bekenntnis #2 – Nutzung realistischer Störgeräusche von öffentlich verfügbaren Datenbanken

Konventionelle Störgeräuschreduzierungen wie z.B. Phonaks NoiseBlock sind am effektivsten, wenn sie auf statisches Breitbandrauschen abzielen (z. B. Staubsauger, Klimaanlagen). Sprachsituationen in komplexen Hörumgebungen im realen Leben bestehen selten aus statischem Breitbandrauschen. Die Sprache ist vielmehr verdeckt von einer Kombination aus modulierten Geräuschen wie Sprachgemurmel, Besteck- und Geschirrklirren, oder auch Hintergrundmusik. Spheric Speech Clarity von Phonak ist eine DNN-basierte Störgeräuschreduzierung, die mit über 22 Millionen Klangbeispielen trainiert wurde, um Sprache von Lärm zu trennen. Spheric Speech Clarity ist daher in der Lage, komplexe Hintergrundgeräusche zu reduzieren. Herkömmliche Störgeräuschreduzierungen erreichen in selbiger Umgebung nicht dieselbe Performance. Für die SNR-Messungen mit Spheric Speech Clarity wurden publizierte und öffentlich frei zugängliche Geräuschszenen aus der Ambisonic Recordings of Typical Environments (ARTE) Datenbank verwendet. (Weisser et al., 2019). 

Für die Messungen wurden insbesondere die Szenen eines Cafés, einer Dinnerparty und eines Food-Courts als Hintergrundgeräusch verwendet. Das sind die drei Szenen der ARTE-Datenbank, die über einem Schalldruckpegel von 70 dB SPL liegen und somit Spheric Speech Clarity aktivieren. Um eine realistisch laute und anspruchsvolle Umgebung nachzubilden, wurden Eingangs-SNRs von –6 dB für den Food-Court, -3 dB für die Dinner-Party und 0 dB für das Café gewählt (Weisser und Buchholz, 2019). 

In anderen aktuellen Publikationen von Mitbewerbern werden Störgeräusche aus einer internen Datenbank verwendet und zusätzlich mit statischen Geräuschquellen vermischt, die von herkömmlichen Algorithmen zur Geräuschreduzierung gut verarbeitet werden können – aber kein realistisches Testszenario darstellen. Der Einfluss auf das Gesamtergebnis kann enorm sein und die Erwartungshaltung des Akustikers und Kunden verzerren, da solch künstliche Situationen im realen Leben selten vorkommen. Für die Bewerbung von Performance Ergebnissen ist ein solch künstliches Set-up nützlich, um die eigenen Hörsysteme vorteilhaft darzustellen. Zusätzlich ist es für andere Hersteller nicht möglich, die Ergebnisse zu reproduzieren, da die verwendeten Soundbeispiele aus einer eigenen, nicht-öffentlichen Datenbank stammen. 

Abbildung 3 zeigt ein Beispiel dafür, wie unterschiedlich herkömmliche Störgeräuschreduzierungen und Spheric Speech Clarity auf zwei Geräuscharten wirken. Wie auf der linken Seite in Abb. 3 zu erkennen ist, kommen unter Verwendung von statischem, künstlichem Rauschen (z.B. IF-Noise oder Rosa Rauschen) herkömmliche Störgeräuschreduzierungen und Spheric Speech Clarity zu einem ähnlichen SNR-Vorteil. Bei Verwendung der ARTE-Food-Court-Szene, die einer realistischen Klangumgebung entspricht, wird deutlich, dass konventionelle Störgeräuschreduzierungen an SNR-Vorteil um mehr als 50% verlieren, während Spheric Speech Clarity im Audéo Sphere Infinio den SNR-Vorteil beibehalten kann , (vgl. rechte Seite von Abb. 3).

Zusammenfassung

Abschließend lässt sich sagen, dass SNR-Messungen nicht gleich SNR-Messungen sind, da es erhebliche Unterschiede gibt, wie die jeweiligen Hersteller eine Funktionsüberprüfung durchführen. Bei der Interpretation der von verschiedenen Herstellern veröffentlichten Daten ist es wichtig, den Aufbau und die verwendeten Stimuli zu berücksichtigen sowie ob die Tests reale Szenarien widerspiegeln.

Ein standardisiertes Vorgehen würde mehr Transparenz und eine verbesserte Vergleichbarkeit für Akustiker und Endkunden schaffen. 

Das Ausbalancieren der eigenen Reputation zwischen audiologisch und wissenschaftlich fundierten Informationen und marketinggetriebenen Aussagen sollte zugunsten der Verbraucher entschieden werden, um die nachhaltige Wettbewerbsfähigkeit der gesamten Branche zu stärken. Einheitliche Standards für einen objektiven und fairen Vergleich, verbunden mit der Möglichkeit der Reproduzierbarkeit, würden der Branche helfen, auf kommende Entwicklungen und Herausforderungen optimal vorbereitet zu sein.

Der Umgang mit nicht definierten Standards im Bereich der Hörsysteme stellt eine wachsende Herausforderung dar. Technische Innovationen entwickeln sich rasant weiter, wodurch herkömmliche Evaluierungsverfahren zunehmend an ihre Grenzen stoßen. Verfahren, die in der Vergangenheit zur Bewertung audiologischer Funktionen herangezogen wurden, bieten nicht mehr die notwendige Flexibilität und Präzision, um modernen Entwicklungen gerecht zu werden. Eine selbstkritische Reflexion zeigt, dass das Festhalten an diesen klassischen Methoden zu einer unzureichenden Bewertung führen kann, da neuartige Technologien wie künstliche Intelligenz andere Anforderungen an die Messung stellen. Es ist daher essenziell, die Evaluierungsmethoden kontinuierlich weiterzuentwickeln, um sowohl Verbrauchern als auch Akustikern realistische und verlässliche Ergebnisse zu bieten, die den tatsächlichen Leistungsstand der Produkte widerspiegeln.

Die Autoren: 

Sven Kreher (Leitung der Audiologie, Phonak Deutschland / geb. 1990) ist im Geschäftsbereich Phonak bei der Sonova Deutschland GmbH in Fellbach-Oeffingen bei Stuttgart tätig. Er ist Experte in der Kundenbetreuung in allen Belangen rund um Hörlösungen und deren Anpassung. Der ausgebildete Hörakustikmeister verfügt über ein tiefgreifendes Wissen in diesem Bereich, das er durch langjährige Verkaufs- und Fachgeschäftserfahrung stark erweitert hat. Die profunden Kenntnisse im Führungs-, Verkaufs- und Kundenmanagement sowie den umfassenden Erfahrungen beim Training von Hörakustikern setzt er gemeinsam mit Marketing und Vertrieb gewinnbringend ein, um Phonak strategisch am Markt zu platzieren sowie nach innen und außen zu repräsentieren. Aufgewachsen mit einem schwerhörigen Vater wurde er schon sehr früh mit dem Thema Hörverlust vertraut. Das war auch seine Inspiration, Hörakustiker zu werden, um Menschen mit Hörminderung zu helfen.

Stefan Raufer (Audiological Researcher, Sonova) kam 2021 zu  Sonova und entwickelt audiologische Kon-zepte für neue Hörgerätefunktionen. Zusammen mit anderen Teams bringt Stefan Raufer die neueste Technologie in unsere Produkte ein und stellt sicher, dass neue Technologien für den Benutzer von Vorteil sind. Zudem verfügt er über einen Doktortitel in Sprach- und Hörwissenschaften von der Harvard University.

Michael Preuss (Audiology Manager, Phonak) kam 2020 zu Phonak nach Stäfa. Dank seiner Lehrtätigkeit an der Akademie für Hörakustik in Lübeck und seiner eigenen Hörminderung bietet er umfassende Expertenschulungen und liefert audiologischen Input bei der Produktentwicklung. Michael Preuss studierte Hörakustik an der Fachhochschule Lübeck, Deutschland.