Investigación para mejorar la percepción del habla y la música en el Implante Coclear. Integración núm. 62. Enero 2013

Waldo Nogueira, ingeniero de Telecomunicaciones que durante la obtención de su doctorado ya desarrolló varias estrategias para los implantes cocleares y miembro del Music Technology Group de la Universidad Pompeu Fabra de Barcelona, está trabajando desde finales del 2011 en una línea de investigación sobre las estrategias de procesado en la música y los implantes cocleares. Para ello, la Federación AICE y el Music Technology Group ha firmado un convenido de colaboración.

Introducción

La investigación y el desarrollo de los implantes cocleares (ICs) es esencial para seguir mejorando la percepción sonora con estos dispositivos. Desde octubre de 2011, en el Music Technology Group de la Universidad Pompeu Fabra, en Barcelona, se diseñan nuevos algoritmos y estrategias de procesado de señal para mejorar la percepción del habla y de la música con implantes cocleares.

Hoy en día los implantes cocleares se componen de una parte externa y una parte interna. La parte externa está formada por el micrófono, el procesador de sonido y un transmisor que sirve para enviar la información desde el procesador de sonido a través de la piel hacia la parte interna. La parte interna consta de un receptor que decodifica la información y una serie de electrodos insertados dentro de la cóclea. El receptor es el encargado de enviar pulsos eléctricos a los electrodos que sirven para estimular directamente el nervio auditivo. Finalmente el nervio auditivo transmite estos pulsos a través de sinapsis hacia el cerebro que más tarde los interpreta como sonido.

De forma general se puede considerar que el proceso por el cual estos pulsos eléctricos son interpretados como sonido por parte del cerebro, es conocido. Sin embargo, todavía falta explorar de forma más minuciosamente como se puede optimizar la transmisión de estos pulsos eléctricos hacia el cerebro. Es de esperar que la optimización de este proceso de transmisión produzca una mejor percepción de las frecuencias, que conlleve una rehabilitación de la audición más rápida y mejor con los ICs.

Con este propósito, el Music Technology Group ha empezado una investigación que consiste en entender como se percibe la música en usuarios de ICs. El motivo por el cual hemos empezado por la música, es porque en la mayoría de usuarios de IC, este tipo de señales se perciben de forma diferente que con un oído sano. Por tanto, entender si llegamos a entender la percepción de la música con un IC, nos permitirá detectar que falla en la transmisión de los pulsos eléctricos hacia el nervio auditivo comparado con una cóclea normal.

Además, gracias a una mejor percepción de la música con implantes cocleares esperamos una mejora en la calidad de vida así como una mejora de la percepción del sonido (incluyendo mejora de la percepción del habla). Recientemente se ha podido demostrar que la experiencia musical modula funciones auditivas en oyentes normales, los cual lleva a una mejor percepción del habla en situaciones difíciles. Esto implica que la experiencia musical puede afectar positivamente la percepción del habla en ruido.

Hasta hace poco se creía que los ICs no pueden transmitir la altura o pitch de forma fina o suficientemente exacta desde los electrodos hacia el nervio auditivo [6]. Esto es debido a que los electrodos dentro de la cóclea producen unos patrones de excitación muy grandes que dificultan una percepción clara de las frecuencias. Actualmente, la comunidad científica considera que una mejor percepción de las frecuencias, o altura, puede mejorar la percepción musical así como la percepción del habla en condiciones de ruido.

Percepción de la Altura o Pitch con ICs

La percepción de la altura o pitch se puede obtener con ICs a través de dos mecanismos conocidos [1]: mecanismo temporal (temporal pitch) y el mecanismo de lugar (place pitch). El primer mecanismo está relacionado con el patrón temporal de estimulación. Cuanta más alta sea la tasa de estimulación, más alta será la altura o pitch percibida. Sin embargo, este mecanismo en la mayoría de usuarios de IC sólo funciona hasta alrededor de los 300 Hz. Tasas más altas que 300 Hz producirán una percepción similar a 300 Hz [10]. El mecanismo de temporal pitch sirve para discriminar la frecuencia fundamental del sonido [11] y el reconocimiento de melodías [9]. La frecuencia fundamental además es importante para reconocer al hablante y así mejorar la inteligibilidad del habla.

La percepción de la altura o pitch se puede obtener con ICs a través de dos mecanismos conocidos [1]: mecanismo temporal (temporal pitch) y el mecanismo de lugar (place pitch). El primer mecanismo está relacionado con el patrón temporal de estimulación. Cuanta más alta sea la tasa de estimulación, más alta será la altura o pitch percibida. Sin embargo, este mecanismo en la mayoría de usuarios de IC sólo funciona hasta alrededor de los 300 Hz. Tasas más altas que 300 Hz producirán una percepción similar a 300 Hz [10]. El mecanismo de temporal pitch sirve para discriminar la frecuencia fundamental del sonido [11] y el reconocimiento de melodías [9]. La frecuencia fundamental además es importante para reconocer al hablante y así mejorar la inteligibilidad del habla.

Nuevas técnicas para mejorar la percepción de la altura con ICs

Durante los últimos años investigadores de diferentes grupos internacionales así como las mayores casas comerciales que producen implantes cocleares se han esforzado por diseñar técnicas que produzcan una mejora en la percepción del pitch. Algunos ejemplos se describen a continuación de forma general.

La primera técnica consiste en utilizar canales virtuales [12]. Esta técnica consiste en estimular dos electrodos simultáneamente de manera que el pico del campo eléctrico total quede situado entre dos electrodos físicos, produciendo por tanto, una sensación de pitch intermedia a la que se obtendría si los dos electrodos físicos fueran estimulados por separado. Utilizando canales virtuales es posible crear decenas o incluso cientos de canales. Esta técnica ya ha sido comercializada por la empresa Advanced Bionics [11]. Otras técnicas, intentan crear canales virtuales estimulando dos electrodos secuencialmente de forma muy rápida para crear pseudo-canales virtuales. De esta manera se puede explicar la buena percepción frecuencial que presentan todos los sistemas de implante coclear actuales.

Otra técnica para mejorar la percepción de la frecuencia, en este caso utilizando el mecanismo de temporal pitch, consiste en estimular los electrodos a un tasa frecuencial que sincronice con la periodicidad del sonido que estamos escuchando. Esto es posible para frecuencias bajas, más o menos alrededor de 300 Hz. Este tipo de estrategia también ha sido comercializada, en este caso por la empresa MED-El. La técnica es prometedora, por ejemplo para percibir mejor la frecuencia fundamental de la voz y así poder distinguir mejor las voces o la música, pero todavía no se ha podido demostrar una ventaja que significativa frente a las estrategias estandard.

Finalmente otra técnica que se ha utilizado para transmitir la información de forma más clara, consiste en introducir modelos psicoacústicos para seleccionar las bandas de frecuencia que son más relevantes para el nervio auditivo [12]. Esta técnica, inspirada en el concepto del mp3 para codificar música, ha sido comercializada bajo el nombre de MP3000 por la empresa Cochlear. Con esta técnica tampoco ha sido posible mejorar significativamente la percepción del habla y de la música con el IC, pero si que ha sido posible aumentar la vida de las baterías.

Finalmente otros grupos de investigación intentan crear nuevas formas de estimulación que permitan extender los límites de temporal pitch así como crear percepciones de pitch que vayan más allá de los electrodos físicos. Más información sobre estas técnicas se puede encontrar en [7] [8] [9].

Percepción Musical con ICs

Varios investigadores y estudios han investigado diferentes propiedades del sonido para identificar las mayores dificultades al percibir la música en usuarios de IC [2][3]. Los resultados de estos estudios han mostrado que las estructuras rítmicas se perciben igual de bien con un IC que en normal oyentes [4]. El reconocimiento de melodías es una tarea difícil para usuarios de IC debido a que la percepción de la altura con un IC es peor que con un oído normal [5]. La percepción de la altura es importante para reconocer melodías [6] y para identificar intervalos musicales [2]. Por ejemplo, normoyentes pueden distinguir frecuencias que están solo separadas por 0.2 semitonos, mientras que los usuarios de IC distinguen frecuencias que están separadas entre 2 y 7 semitonos [13]. La percepción del timbre, que está relacionada con la capacidad de detectar instrumentos, parece que es similar entre usuarios de IC y normal oyentes. Por este motivo, se suele considerar que los ICs proporcionan información significativa sobre información tímbrica, aunque esta información sea diferente a la que se transmite en un oído normal oyente [2].

Métodos para evaluar la percepción musical en usuarios de IC

Durante las últimas décadas se han desarrollado muchos métodos para evaluar la percepción del habla y así poder comparar el rendimiento con diferentes dispositivos (audífonos e implantes cocleares) o diferentes programas de IC. Sin embargo para evaluar la música es necesario desarrollar nuevos métodos que nos permitan su evaluación. Estos métodos incluyen tests subjetivos basados en cuestionarios o medidas subjetivas de propiedades básicas del sonido (incluyendo la altura, la sonoridad, etc) y medidas más cognitivas (incluyendo la memoria musical, la percepción de las melodías, etc). Hasta el día de hoy, se han diseñado pocostests para cuantificar la percepción musical de una forma clínica [13].

Finalmente mencionar, que los mismos tests que se realizan para evaluar nuevos desarrollos en el implante coclear, también pueden ser usados por los usuarios de estos dispositivos para entrenarse así mismos y de esta manera hacer una mejor y más rápida rehabilitación con el IC.

Resumen

Este artículo sirve como presentación de una nueva línea de investigación iniciada por el Dr. W. Nogueira en la Universidad Pompeu Fabra. En el artículo se ha dado un breve resumen de como funciona un implante coclear y de como se percibe la altura o pitch, así como la música con este dispositivo. También se ha presentado una serie de técnicas que permitirán la mejora de la percepción de la altura o pitch con estos dispositivos, incluidos los canales virtuales, la transmisión de las bajas frecuencias con estructura fina, la extensión de las bajas frecuencias, la utilización de modelos psicoacústicos,etc. Es de esperar que la mejora en la percepción de la altura o pitch conduzca a una mejora en la percepción musical con el IC.

Si estas técnicas tienen éxito, una mejora en la percepción musical puede producir mejoras en la calidad de vida en usuarios de IC así como mejorar la comunicación.

Además para poder evaluar todas estas nuevas técnicas que se están proponiendo es necesario desarrollar nuevos métodos que permiten evaluar si realmente se ha producido una mejora en la percepción musical. Esto incluye el desarrollo de nuevos cuestionarios, métodos para evaluar la percepción del timbre, la melodía, las emociones, etc.

Estos métodos también podrán ser usados directamente por los usuarios de IC para obtener una rehabilitación más eficaz con el IC.

El Music Technology Group de la Universidad Pompeu Fabra está trabajando en todos los ámbitos. Si usted está interesado en participar en estos proyectos puede ponerse en contacto con la Federación AICE.

Agradecimientos

Agradezco muy especialmente a la Federación AICE su gran apoyo que ha permitido comenzar la investigación presentada en este artículo. Gracias al apoyo de la Federación AICE, permitirá el progreso en el desarrollo de nuevas tecnologías para el implante coclear que serán beneficiosos para los usuarios de IC.

• [1] B. C. J. Moore, “Coding of sounds in the auditory system and its relevance to signal processing and coding in cochlear implants,” Otol. &Neurotology, vol. 24, pp. 243–254, 2003.
• [2] D. Pressnitzer, J. Bestel, and B. Fraysse, “Music to electric ears: Pitch and timbre perception by CI patients,” Annals new york academy of sciences, vol. 1060, pp.343–345, 2005.
• [3] M. C. Leal, Y. J. Shin, M. Laborde, M. Calmels, S. Verges, S. Lugardon, S. Andrieu, O. Deguine, and B. Fraysse, “Music perception in adult cochlar implant recipients,” ActaOtoLaryngologica, vol. 123, , 2003.
• [4] K. Gfeller, S. Witt, J. Stordahl, M. Mehr, and G. Woodworth, “Perception of rhythmic and sequential pitch patterns by normally hearing adults and adult CI users,” Ear and Hearing, vol. 18, pp. 252–260, 1997.
• [5] R. P. Carlyon and J. M. Deeks, “Limitations on rate discrimination,” JASA, vol. 112, pp. 1009–1025, 2002.
• [6]S. Pijl and D.W.F. Schwarz, “Melody recognition an musical interval perception by deaf subjects stimulated with electrical pulse trains through single CI electrodes, “JASA, vol. 98, no. 2, pp. 886–895, 1998.
• [7]Ben H. Bonhama, Leonid M. Litvak, ”Current focusing and steering: Modeling, physiology, and psychophysics,” Hearing Research 242 (2008) 141–153.
• [8]O. Macherey, J. M. Deeks, R. P. Carlyon, “Extending the limits of place and temporal pitch perception in cochlear implant users”, JARO, 12 233-251, 2011.
• [9] Saoji AA, Litvak LM, “Use of “phantom electrode” technique to extend the range of pitches available through a CI,” Ear Hear. 2010 Oct; 31(5):693-701.
• [10] W. Nogueira, L. M. Litvak, B. Edler, J. Ostermann, and A. Büchner, “Signal Processing Strategies for Cochlear Implants Using Current Steering,” EURASIP Journal on Advances in Signal Processing, vol. 2009, Article ID 531213, 20 pages, 2009.
• [11] W. Nogueira, A. Buechner, Th. Lenarz, and B. Edler, “A psychoacoustic nofm-type speech coding strategy for cochlear implants,” EURASIP Journal on Applied Signal Processing, Special Issue DSP in Hearing Aids and Cochlear Implants, vol. 2005, no. 18, pp. 3044–3059, 2005.
• [12] B. Townshend, N. Cotter, D. van Compernolle, and R. L. White, “Pitch perception by cochlear implant subjects,” Journal of the Acoustical Society of America, vol. 82, pp. 106–115, 1987.
• [13] R. Kang, G.L. Nimmons, W. Drennan, J. Longnion, C. Ruffin, K. Nie, J.H. Won, T. Worman, B. Yueh, J. Rubinstein, „Development and validation of the University of Washington Clinical Assessment of Music Perception test” Ear Hear. 2009 Aug;30(4):411-8.