Development of a Logatome Test for the Evaluation of Signal Processing Algorithms in Hearing Aids on a Microscopic Level

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2016-09-07
Issue Year
2016
Authors
Bellanova, Martina
Editor
Abstract

Background and Goals

The differences between modern signal processing algorithms in hearing aids of the various manufacturers diminish more and more due to the high state of the art. For benchmarking reasons and for the measurements of potential benefits, new methods are to be developed one of which is the logatome test. A logatome test is a speech test which offers three important advantages in comparison to other tests:

  1. Firstly, logatomes provide little linguistic context, i.e. contain hardly any redundancy and thus prevent a corruption of speech test results by cognitive association.
  2. The logatome test allows for an analysis of consonant confusions by means of confusion matrices. This serves in the answering of research questions on the level of phonemes. Hereby, continuative investigations on the microscopic level (e.g. analysis of formants, spectral centroid, kurtosis etc) are possible.
  3. Since the speech material of the test consist of random phoneme combinations which do not occur in the everyday life of the patients, the familiarness of the participant with the test word does not influence recognition ratios of different logatomes. The aim of this work is to develop a logatome test which is suitable for the evaluation of signal processing algorithms in hearing aids and hearing aid settings on the microscopic level.

Methods

The development of the logatome tests comprises three investigations.

  1. The first study conducted a subjective loudness adjustment of the recorded speech material which aimed at the homogenization of the perception of loudness of the four untrained German speakers.
  2. During the second study, the influence of different noises (stationary, fluctuating, interrupted) on the performance of normal hearing listeners was investigated.
  3. Another study investigated the influence of a typical signal processing algorithm on speech intelligibility by means of a logatome test.

Results

The results of the subjective loudness adjustment show that a decrease of the standard deviation of the speech test results of about 50% in all of the four speakers was possible without a significant change of the speech test results themselves. Fluctuation or interrupted noises lead to an extremely low test-retest correlation. The results from the logatome test in noise correspond to those of the Oldenburg sentence test in terms of resulting signal-to-noise ratios and variance of the speech intelligibility results. Distortions resulting from a typical signal processing algorithm in hearing aids could be detected by means of the logatome test.

Conclusions

Huge differences can be found regarding the behaviour of the different logatomes in quiet and in noise. These effects vary due to the phonemes contained in a stimulus. Only stationary noises are recommended as maskers for logatome material since fluctuation or interrupted noises lead to a extremely low test-retest correlation and do not allow for the most important analyses step, i.e. the computation of a confusion matrix. Small differences in the adjustment of a typical signal processing algorithm in hearing aids can be displayed by means of a logatome test. The logatome test thus proves to be a suitable tool for the evaluation of hearing aid settings and signal processing algorithms.

Abstract

Hintergrund und Ziele

Die Evaluation von Hörgeräten und deren Signalverarbeitungsalgorithmen wird heute mit Sprachverständlichkeitsmessungen überprüft. Bedingt durch den hohen Stand der Hörgerätetechnik werden diese Unterschiede zunehmend spezifischer und lassen sich mit bereits existierenden standardisierten Sprachtests nicht nachweisen. Deshalb sind spezifische Tests erforderlich. Ein solcher spezifischer Test ist der sogenannte Logatomtest. Logatome sind einoder mehrsilbige sinnfreie Phonemkombinationen, die als Testwörter des Sprachtests dienen, z.B. /amma/. Es handelt sich beim Logatomtest um einen Sprachtest, der drei entscheidende Vorteile gegenüber anderen Sprachtests bietet:

  1. Das Material des Logatomtests ist sehr wenig redundant und bietet deshalb die Möglichkeit kognitive Einflüsse des Probanden auf das Testergebnis zu minimieren.
  2. Darüber hinaus erlaubt der Logatomtest eine Analyse von Phonemverwechslungen anhand von Verwechslungsmatrizen. Dies dient der Beantwortung von Forschungsfragen auf Lautebene, wobei weiterführende Analysen auf mikroskopischer Ebene (z.B. Untersuchung von Formanten, spektralem Gewicht, Kurtosis etc) möglich sind.
  3. Da sich das Sprachmaterial aus sinnfreien Phonemkombinationen zusammensetzt, die im Alltag eines Probanden nicht auftreten, hat der Bekanntheitsgrad der Testwörter kaum einen Einfluss auf das Testergebnis. Das Ziel der Arbeit ist es, einen Logatomtest zu entwickeln, der sich zur Evaluation von Signalverarbeitungsalgorithmen in Hörgeräten auf mikroskopischer Ebene eignet.

Methoden und Ergebnisse

Es wurde Sprachmaterial von vier ungeschulten deutschen Muttersprachlern (zwei männliche und zwei weibliche Sprecher) im schallarmen Raum über ein Freifeldmikrofon aufgenommen und auf einem Standard-PC bei 44.1kHz mit 16- bit Auflösung digitalisiert. Das aufgenommene Sprachmaterial bestand aus Logatomen sowie Einführungssätzen („Bitte wählen Sie das Wort…“, „Bitte markieren Sie das Wort…“). Die aufgezeichneten Logatome umfassten 18 deutsche Konsonanten [b d g p t k m n ʀ l s ʃ h x ç f v j] verpaart mit fünf Kurzvokalen [a ɛ ɪ ɔ ʊ] in den Formaten KVK (Konsonant-Vokal-Konsonant) und VKV (Vokal- Konsonant- Vokal) und fünf Langvokalen im Format KV:K (Konsonant- Langvokal- Konsonant). Die Auswahl der Konsonanten basierte auf zwei Faktoren:

  1. Das Hauptziel war es, ein möglichst umfassendes Set der gesprochenen Konsonanten des Hochdeutschen zu erstellen.

  2. Das zweite Ziel war es eine möglichst große Zahl von möglichen Konsonant-Vokal-Transitionen darzustellen. Die Allophone /x/ und /ç/ kommen dabei in verschiedenen Vokalkontexten vor, d.h. /x/ wurde mit [a: o: u: a ɔ ʊ] kombiniert, wohingegen /ç/ nur im Kontext mit [e: i: ɛ ɪ] vorkommt. Aus dem Korpus der zufälligen Kombinationen aus Konsonanten und Vokalen wurden dann jene Logatome entfernt, die sinnvolle deutsche Wörter darstellen. Als Ergebnis enthielt das Sprachkorpus 243 Logatome von jedem der vier Sprecher, also 972 Logatome insgesamt. Die Entwicklung des Logatomtests setzt sich aus drei Untersuchungen zusammen.

  3. Ähnlich der von Kliem (1993) durchgeführten Untersuchung diente die erste Studie dem subjektiven Lautheitsausgleich des aufgenommenen Sprachmaterials, um eine Homogenisierung des Schalldruckpegels der vier verschiedenen ungeschulten Sprecher zu erzielen. Die Hypothese war, dass die Angleichung des Schalldruckpegels der Logatome durch zehn normalhörende Probanden zu einer Verringerung der Standardabweichungen der Sprachverständlichkeitsergebnisse im angeglichenen Sprachmaterial im Vergleich zum Originalsprachmaterial führen würde. Zur Überprüfung der Hypothese wurde das Sprachmaterial von zehn normalhörenden Probanden in der Lautheit an einen Einführungssatz angeglichen. Der Einfluss der verschiedenen Konsonantengruppen auf die Lautheitsangleichung wurde untersucht. In einem zweiten Schritt wurde eine Verifikationsstudie mit zehn weiteren Normalhörern durchgeführt. Dabei wurden drei Arten von Sprachmaterial präsentiert: a) Originalmaterial, b) Sprachmaterial mit durchschnittlichem rms SPL des Sprechers und c) Sprachmaterial nach Lautheitsangleichung. Die Sprachverständlichkeits-schwellen wurden gemessen und die Standardabweichungen verglichen. Die Ergebnisse des subjektiven Lautheitsausgleichs zeigten, dass eine Senkung der Standardabweichung der Sprachtestergebnisse um ca 50% in allen vier Sprechern möglich war, ohne dabei die Sprachtestergebnisse selbst signifikant zu verändern.

  4. In einer zweiten Untersuchung wurde der Einfluss von verschiedenen Störgeräuschen (stationär, fluktuierend, unterbrochen) auf die Phonemverständlichkeit ermittelt. Die Hypothese war, dass unterschiedliche Störgeräusche aufgrund ihrer unterschiedlichen Maskierungseigenschaften zu Unterschieden in a) den Sprachverständlichkeits-schwellen, b) den Arten den Konsonantenverwechslungen und c) den Standardabweichungen der Sprachverständlichkeitsergebnisse führen würden. Zur Untersuchung der Hypothese wurden Logatomtests in fünf verschiedenen Störgeräuschen mit 15 normalhörenden Probanden durchgeführt. Alle Testkonditionen fanden während einer Testsession statt. Retests wurden im Abstand von 1-3 Tagen durchgeführt. Die Reihenfolge der Störgeräusche war in Test und Retest randomisiert. Zusätzlich wurde der Oldenburger Satztest (Wagener et al., 1999a, 1999b, 1999c) als Vergleichsmessung durchgeführt. Als effektive Störgeräusche wurden Pink Noise und ein aus dem Sprachmaterial gewonnener Störer identifiziert. Die Testergebnisse des Logatomtests in fluktuierenden oder unterbrochenen Störgeräuschen konnten nicht reproduziert werden. Die Ergebnisse des Logatomtests korrespondieren mit denen des Oldenburger Satztests hinsichtlich des resultierenden Signal-Rausch-Abstandes und der erzielten Sprachverständlichkeit.

  5. Daneben untersucht eine Studie die Auswirkung eines hörgerätetypischen Algorithmus zur Frequenzkompression auf das Sprachverstehen. Das Ziel der Studie war es, festzustellen, ob die Sensitivität des Logatomtests ausreicht um verschiedene Einstellungen des Algorithmus abzubilden. Das Sprachmaterial wurde in zwei Einstellungen präsentiert, Einstellung A und B, die sich in Grenzfrequenz und Kompressionsverhältnis unterschieden. Beide Einstellungen erzeugten hörgeräte-typische Verzerrungen im Frequenzbereich, wobei Eistellung B die moderatere war. Es wurden zwei Untersuchungen mit 15 normalhörenden Probanden durchgeführt: Ein offener Logatomtest mit 96 Testwörter und ein geschlossener Test mit reduziertem Logatomset (25 Testwörter). Für beide Testformen wurden Langzeit- und Kurzzeit-Retests durchgeführt. Beide Testformen zeigen eine hohe Sensitivität bei der Abbildung der Hörgeräteeinstellungen. Alle Untersuchungen zeigten eine sehr hohe Test-Retest-Korrelation von über 0.9.

Schlussfolgerungen

Es bestehen starke Unterschiede im Verhalten unterschiedlicher Logatome, sowohl in Ruhe als auch im Störgeräusch. Dies ist auf die im Stimulus enthaltenen Einzelphoneme zurückzuführen. Als Maskierer für Logatommaterial eignet sich ausschließlich stationäres Störgeräusch, da fluktuierende oder unterbrochene Störer zu einer extrem niedrigen Test-Retest-Korrelation führen und darüber hinaus der entscheidende Analyseschritt, nämlich das Erstellen einer Verwechslungsmatrix, nicht sinnvoll vollzogen werden kann. Unterschiede in den Einstellungen eines typischen Signalverarbeitungsalgorithmus in Hörgeräten lassen sich sehr gut im Logatomtest abbilden. Der Logatomtest eignet sich somit als Messinstrument zur Evaluation von Hörgeräteeinstellungen und Signalverarbeitungsalgorithmen.

DOI
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