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RETIS – Real-Time Sensitive Wireless Communication Solution for Industrial Control Applications
(2020)
Ultra-Reliable Low Latency Communications (URLLC) has been always a vital component of many industrial applications. The paper proposes a new wireless URLLC solution called RETIS, which is suitable for factory automation and fast process control applications, where low latency, low jitter, and high data exchange rates are mandatory. In the paper, we describe the communication protocol as well as the hardware structure of the network nodes for implementing the required functionality. Many techniques enabling fast, reliable wireless transmissions are used – short Transmission Time Interval (TTI), Time-Division Multiple Access (TDMA), MIMO, optional duplicated data transfer, Forward Error Correction (FEC), ACK mechanism. Preliminary tests show that reliable end-to-end latency down to 350 μs and packet exchange rate up to 4 kHz can be reached (using quadruple MIMO and standard IEEE 802.15.4 PHY at 250 kbit/s).
Industrie 4.0 bedeutet nicht nur einen Wandel der technischen Möglichkeiten und Arbeitsbedingungen, sondern auch einen Bedarf an neuen, sich kontinuierlich weiterentwickelnden Kompetenzen und die Bereitschaft der Beschäftigten, Veränderungen mitzugestalten. Spielerische Ansätze der Kompetenzentwicklung können v.a. bei weiterbildungsfernen Mitarbeitern hilfreich sein, um das komplexe Thema verständlich zu vermitteln. Der Beitrag beschreibt ein Seminarkonzept mit integriertem Brettspiel, mit dem Teilnehmer anhand eines fiktiven Unternehmens (Müller GmbH) die Transformation eines Unternehmens in die Industrie 4.0 spielerisch nachvollziehen. Dieses Konzept erweist sich in einer ersten Evaluation als durchaus vielversprechend.
BACKGROUND:
While hearing aids for a contralateral routing of signals (CROS-HA) and bone conduction devices have been the traditional treatment for single-sided deafness (SSD) and asymmetric hearing loss (AHL), in recent years, cochlear implants (CIs) have increasingly become a viable treatment choice, particularly in countries where regulatory approval and reimbursement schemes are in place. Part of the reason for this shift is that the CI is the only device capable of restoring bilateral input to the auditory system and hence of possibly reinstating binaural hearing. Although several studies have independently shown that the CI is a safe and effective treatment for SSD and AHL, clinical outcome measures in those studies and across CI centers vary greatly. Only with a consistent use of defined and agreed-upon outcome measures across centers can high-level evidence be generated to assess the safety and efficacy of CIs and alternative treatments in recipients with SSD and AHL.
METHODS:
This paper presents a comparative study design and minimum outcome measures for the assessment of current treatment options in patients with SSD/AHL. The protocol was developed, discussed, and eventually agreed upon by expert panels that convened at the 2015 APSCI conference in Beijing, China, and at the CI 2016 conference in Toronto, Canada.
RESULTS:
A longitudinal study design comparing CROS-HA, BCD, and CI treatments is proposed. The recommended outcome measures include (1) speech in noise testing, using the same set of 3 spatial configurations to compare binaural benefits such as summation, squelch, and head shadow across devices; (2) localization testing, using stimuli that rove in both level and spectral content; (3) questionnaires to collect quality of life measures and the frequency of device use; and (4) questionnaires for assessing the impact of tinnitus before and after treatment, if applicable.
CONCLUSION:
A protocol for the assessment of treatment options and outcomes in recipients with SSD and AHL is presented. The proposed set of minimum outcome measures aims at harmonizing assessment methods across centers and thus at generating a growing body of high-level evidence for those treatment options.
Die drei großen Hersteller von Cochlea-Implantat (CI)-Systemen ermöglichen es klinischen Audiologen, die Mikrofoneigenschaften der meisten CI-Sprachprozessoren zu prüfen. Dazu können bei diesen Sprachprozessoren Monitorkopfhörer angeschlossen und das/die Mikrofon(e) inklusive eines Teils der Signalvorverarbeitung abgehört werden. Präzise Angaben dazu, mit welchen Stimuli, bei welchem Pegel und nach welchem Kriterium diese Prüfung stattfinden soll, machen die CI-Hersteller nicht. Auf Basis dieser Prüfung soll der Audiologe dann über die Funktion der Mikrofone und damit darüber entscheiden, ob der betreffende Sprachprozessor an den Hersteller eingeschickt wird oder nicht.
Zur Objektivierung der CI-Sprachprozessor-Mikrofon-Prüfung haben wir eine Testbox entwickelt, mit der alle abhörbaren aktuellen CI-Sprachprozessoren der drei großen Hersteller geprüft werden können. Die Box wurde im 3D-Druck-Verfahren hergestellt. Der zu prüfende Sprachprozessor wird in die Messbox eingehängt und über einen darin verbauten Lautsprecher mit definierten Prüfsignalen (Sinustöne unterschiedlicher Frequenz) beschallt. Das Mikrofonsignal wird über das Kabel der Monitorkopfhörer herausgeführt und mit einer Shifting- and Scaling-Schaltung in einen Spannungsbereich transformiert, der für die AD-Wandlung mit einem Mikrokontroller (ATmega1280 verbaut auf einem Arduino Mega) geeignet ist. Derselbe Mikrokontroller übernimmt über einen eigens gebauten DA-Wandler die Ausgabe der Sinustöne über den Lautsprecher. Signalaufnahme und –wiedergabe erfolgen mit jeweils 38,5 kHz Samplingrate. Der für jede Frequenz über mehrere Perioden des Prüfsignals ermittelte Effektivwert wird mit dem Effektivwert, der mit einem neuwertigen Referenzprozessor für diese Frequenz gemessen wurde, verglichen. Die Messergebnisse werden graphisch auf einem Display ausgegeben.
Derzeit läuft eine erste Datenerhebung mit in der Klinik subjektiv auffällig gewordenen CI-Sprachprozessoren, die anschließend in der Messbox untersucht werden. So sollen realistische Schwellen für kritische Abweichungen von den Referenz-Effektivwerten ermittelt werden. Im weiteren Verlauf sollen dann Hit und False Alarm-Raten der subjektiven Prüfung bestimmt werden.
Die Hersteller von Cochlea-Implantat (CI)-Systemen sehen für klinische Audiologen die Möglichkeit vor, die Mikrofonleistung der meisten aktuellen CI-Sprachprozessoren mittels anschließbarer Monitorkopfhörer zu prüfen. Nähere Angaben dazu, nach welchem Prozedere diese Prüfung stattfinden soll, z. B. welche Stimuli mit welchen Pegeln verwendet werden sollen, sind nach Wissen der Autoren seitens der CI-Hersteller nicht verfügbar. Auf der Basis dieser subjektiven Prüfung entscheidet dann der Audiologe, ob der betreffende Sprachprozessor an den Hersteller eingeschickt wird oder nicht. Wir haben eine Messbox entwickelt, mit der die Mikrofonleistung aller abhörbaren CI-Sprachprozessoren der Hersteller Advanced Bionics, Cochlear und MED-EL objektiv geprüft werden kann. Die Box wurde im 3-D-Druckverfahren hergestellt. Der zu prüfende Sprachprozessor wird in die Messbox eingehängt und über einen verbauten Lautsprecher mit definierten Prüfsignalen (Sinustönen unterschiedlicher Frequenz) beschallt. Das Signal des Mikronfons bzw. der Mikrofone wird über das in der Audio-/Abhörbuchse des Prozessors eingesteckte Kabel der Monitorkopfhörer herausgeführt und mit einer Shifting and Scaling-Schaltung in einen Spannungsbereich transformiert, der für die A/D-Wandlung mit einem Mikrokontroller (ATmega1280 verbaut auf einem Arduino Mega) geeignet ist. Derselbe Mikrokontroller übernimmt über einen eigens gebauten D/AWandler die Ausgabe der Prüfsignale über den Lautsprecher. Signalaufnahme und –wiedergabe erfolgt jeweils mit einer Samplingrate von 38,5 kHz. Der frequenzspezifische Effektivwert des abgegriffenen Mikrofonsignals wird mit einem Referenzwert verglichen. Die (frequenzspezifischen) Referenzwerte wurden mit einem neuwertigen Sprachprozessor gleichen Typs ermittelt und im Speicher des Mikrokontrollers abgelegt. Das Ergebnis wird nach Abschluss der Messung grafisch auf einem Touchscreen ausgegeben. Derzeit läuft eine erste Datenerhebung mit in der Klinik subjektiv auffällig gewordenen CI-Sprachprozessoren, die anschließend in der Messbox untersucht werden. Längerfristiges Ziel ist es, die hit und false alarm Raten der subjektiven Prüfung zu ermitteln.
The effect of fluctuating maskers on speech understanding of high-performing cochlear implant users
(2016)
Objective: The present study evaluated whether the poorer baseline performance of cochlear implant (CI) users or the technical and/or physiological properties of CI stimulation are responsible for the absence of masking release. Design: This study measured speech reception thresholds (SRTs) in continuous and modulated noise as a function of signal to noise ratio (SNR). Study sample: A total of 24 subjects participated: 12 normal-hearing (NH) listeners and 12 subjects provided with recent MED-EL CI systems. Results: The mean SRT of CI users in continuous noise was −3.0 ± 1.5 dB SNR (mean ± SEM), while the normal-hearing group reached −5.9 ± 0.8 dB SNR. In modulated noise, the difference across groups increased considerably. For CI users, the mean SRT worsened to −1.4 ± 2.3 dB SNR, while it improved for normal-hearing listeners to −18.9 ± 3.8 dB SNR. Conclusions: The detrimental effect of fluctuating maskers on SRTs in CI users shown by prior studies was confirmed by the current study. Concluding, the absence of masking release is mainly caused by the technical and/or physiological properties of CI stimulation, not just the poorer baseline performance of many CI users compared to normal-hearing subjects. Speech understanding in modulated noise was more robust in CI users who had a relatively large electrical dynamic range.
Unterschiedliche Stimulationszeitpunkte bei bimodaler Versorgung mit Hörgerät und Cochleaimplantat
(2023)
Die bimodale Versorgung von Patienten mit Hörgerät (HG) ipsilateral und Cochleaimplantat (CI) kontralateral bei asymmetrischem Hörverlust ist aufgrund vieler inhärenter Variablen die komplizierteste Versorgungsart im Kontext der Versorgung mit CI. Im vorliegenden Übersichtsartikel werden alle systematischen interauralen Unterschiede zwischen elektrischer und akustischer Stimulation dargestellt, die bei dieser Versorgungsart auftreten können. Darüber hinaus werden Methoden zur Quantifizierung des interauralen Latenzoffsets, also des Zeitunterschieds zwischen der akustischen und elektrischen Stimulation des Hörnervs, mittels Registrierung auditorisch evozierter Potenziale – erzeugt durch akustische bzw. elektrische Stimulation – und Messungen an den Sprachprozessoren und Hörgeräten vorgestellt. Die technische Kompensation des interauralen Latenzoffsets und ihre positive Auswirkung auf die Schalllokalisationsfähigkeit bimodal mit CI und HG versorgter Patienten wird ebenfalls beschrieben. Zuletzt werden neueste Erkenntnisse diskutiert, die Gründe dafür aufzeigen, warum die Kompensation des interauralen Latenzoffsets das Sprachverstehen im Störgeräusch bei bimodal versorgten CI-/HG-Trägern nicht verbessert.
In bimodal cochlear implant (CI) / hearing aid (HA) users a constant interaural time delay in the order of several milliseconds occurs due to differences in signal processing of the devices. For MED-EL CI systems in combination with different HA types, we have quantified the respective device delay mismatch (Zirn et al. 2015). In the current study, we investigate the effect of the device delay mismatch in simulated and actual bimodal listeners on sound localization accuracy.
To deal with the device delay mismatch in actual bimodal listeners we delayed the CI stimulation according to the measured HA processing delay and two other values. With all delay values highly significant improvements of the rms error in the localization task were observed compared to the test without the delay. The results help to narrow down the optimal patient-specific delay value.
Zeitliche Anpassung führt zu verbesserter Schalllokalisation bei bimodal versorgten CI-/HG-Trägern
(2021)
Bei bimodal versorgten Cochlea-Implantaten (CI) / Hörgerät (HG)-Trägern entsteht durch die unterschiedliche Signalverarbeitung der Geräte eine konstante interaurale Zeitverzögerung in der Größenordnung von mehreren Millisekunden. Für MED-EL CI-Systeme in Kombination mit verschiedenen HG-Typen haben wir den jeweiligen Device-Delay-Mismatch quantifiziert. In der aktuellen Studie untersuchen wir den Einfluss der Device-Delay-Mismatch bei simulierten und tatsächlichen bimodalen Hörern auf die Genauigkeit der Schalllokalisation.
Um den Device-Delay-Mismatch bei bimodal versorgten Patienten zu verringern, haben wir die CI-Stimulation um die gemessene HG-Signallaufzeit und zwei weitere Werte verzögert. Nach einer Angewöhnungsphase war der effektive Winkelfehler bei Verzögerung um die HG-Signallaufzeit hochsignifikant reduziert im Vergleich zu der Testkondition ohne CI-Verzögerung (mittlere Verbesserung: 11 % ; p < .01, Wilcoxon Signed Rank Test). Aber auch mit den beiden weiteren Verzögerungswerten wurden Verbesserungen erreicht. Anhand der Ergebnisse lässt sich der optimale patientenspezifische Verzögerungswert näher eingrenzen.
The ability to detect a target signal masked by noise is improved in normal-hearing listeners when interaural phase differences (IPDs) between the ear signals exist either in the masker or in the signal. To improve binaural hearing in bilaterally implanted cochlear implant (BiCI) users, a coding strategy providing the best possible access to IPDs is highly desirable. Outcomes of a previous study (Zirn, Arndt et al. 2016) revealed that a subset of BiCI users showed improved IPD detection thresholds with the fine structure processing strategy FS4 compared to the constant rate strategy HDCIS using narrowband stimuli. In contrast, little differences between the coding strategies were found for broadband stimuli with regard to binaural speech intelligibility level differences (BILD) as an estimate of binaural unmasking. Compared to normalhearing listeners (7.5 ± 1.2 dB) BILD were small in BiCI users (around 0.5 dB with both coding strategies).
In the present work, we investigated the influence of binaural fitting parameters on BILD. In our cohort of BiCI users many were implanted with electrode arrays differing in length left versus right. Because this length difference typically corresponded to the distance of two electrode contacts the first modification of bilateral fitting was a tonotopic adjustment by deactivation of the most apical electrode contact on the side with the deeper inserted array (tonotopic approach).
The second modification was the isolation of the residual, most apical electrode contacts by deactivation of the basally adjacent electrode contact on each side (tonotopic sparse approach). Applying these modifications, BILD improved by up to 1.5 dB.
The ability to detect a signal masked by noise is improved in normal-hearing (NH) listeners when interaural phase differences (IPD) between the ear signals exist either in the masker or the signal. We determined the impact of different coding strategies in bilaterally implanted cochlear implant (BiCI) users with and without fine-structure coding (FSC) on masking level differences. First, binaural intelligibility level differences (BILD) were determined in NH listeners and BiCI users using their clinical speech processors. NH subjects (n=8) showed a significant mean BILD of 7.5 dB. In contrast, BiCI users (n=9) without FSC as well as with FSC revealed a barely significant mean BILD (0.4 dB respectively 0.6 dB). Second, IPD thresholds were measured in BiCI users using either their speech processors with FS4 or direct stimulation with FSC. With the latter approach, synchronized stimulation providing an interaural accuracy of stimulation timing of 1.67 µs was realized on pitch matched electrode pairs. The resulting individual IPD threshold was lower in most of the subjects with direct stimulation than with their speech processors. These outcomes indicate that some BiCI users can benefit from increased temporal precision of interaural FSC and adjusted interaural frequency-place mapping presumably resulting in improved BILD.
Das normalhörende auditorische System ist in der Lage, interaurale Zeit- bzw. Phasendifferenzen zur verbesserten Signaldetektion im Störgeräusch zu nutzen. Dieses Phänomen wird häufig als binaurale Entmaskierung bezeichnet und ist sowohl bei einfachen Signalen wie Sinustönen, als auch bei Sprachsignalen im Störgeräusch wirksam. Vorangegangene Studien haben gezeigt, dass binaurale Entmaskierung eingeschränkt auch bei bilateralen CI-Trägern beobachtbar ist (Zirn et al., 2016).
Aktuelle Ergebnisse zeigen, dass die binaurale Entmaskierung sensitiv gegenüber der bilateralen CI-Anpassung ist. So lässt sich der Effekt durch tonotopen Abgleich und Herausstellen eines apikalen Feinstrukturkanals modulieren. Steigerungen der binauralen Entmaskierung um bis zu 1,5 dB sind auf diese Weise gegenüber der konventionellen CI-Anpassung möglich. Allerdings variiert der Einfluss der CI-Anpassung interindividuell erheblich.
The ability to detect a target signal masked by noise is improved in normal-hearing listeners when interaural phase differences (IPDs) between the ear signals exist either in the masker or in the signal. To improve binaural hearing in bilaterally implanted cochlear implant (BiCI) users, a coding strategy providing the best possible access to IPD is highly desirable. In this study, we compared two coding strategies in BiCI users provided with CI systems from MED-EL (Innsbruck, Austria). The CI systems were bilaterally programmed either with the fine structure processing strategy FS4 or with the constant rate strategy high definition continuous interleaved sampling (HDCIS). Familiarization periods between 6 and 12 weeks were considered. The effect of IPD was measured in two types of experiments: (a) IPD detection thresholds with tonal signals addressing mainly one apical interaural electrode pair and (b) with speech in noise in terms of binaural speech intelligibility level differences (BILD) addressing multiple electrodes bilaterally. The results in (a) showed improved IPD detection thresholds with FS4 compared with HDCIS in four out of the seven BiCI users. In contrast, 12 BiCI users in (b) showed similar BILD with FS4 (0.6 ± 1.9 dB) and HDCIS (0.5 ± 2.0 dB). However, no correlation between results in (a) and (b) both obtained with FS4 was found. In conclusion, the degree of IPD sensitivity determined on an apical interaural electrode pair was not an indicator for BILD based on bilateral multielectrode stimulation.
BiCI users’ sensitivity to interaural phase differences for single- and multi-channel stimulation
(2016)
In users of a cochlear implant (CI) together with a contralateral hearing aid (HA), so-called bimodal listeners, differences in processing latencies between digital HA and CI up to 9 ms constantly superimpose interaural time differences. In the present study, the effect of this device delay mismatch on sound localization accuracy was investigated. For this purpose, localization accuracy in the frontal horizontal plane was measured with the original and minimized device delay mismatch. The reduction was achieved by delaying the CI stimulation according to the delay of the individually worn HA. For this, a portable, programmable, battery-powered delay line based on a ring buffer running on a microcontroller was designed and assembled. After an acclimatization period to the delayed CI stimulation of 1 hr, the nine bimodal study participants showed a highly significant improvement in localization accuracy of 11.6% compared with the everyday situation without the delay line (p < .01). Concluding, delaying CI stimulation to minimize the device delay mismatch seems to be a promising method to increase sound localization accuracy in bimodal listeners.
Objectives: Speech recognition on the telephone poses a challenge for patients with cochlear implants (CIs) due to a reduced bandwidth of transmission. This trial evaluates a home-based auditory training with telephone-specific filtered speech material to improve sentence recognition. Design: Randomised controlled parallel double-blind. Setting: One tertiary referral centre. Participants: A total of 20 postlingually deafened patients with CIs. Main outcome measures: Primary outcome measure was sentence recognition assessed by a modified version of the Oldenburg Sentence Test filtered to the telephone bandwidth of 0.3-3.4 kHz. Additionally, pure tone thresholds, recognition of monosyllables and subjective hearing benefit were acquired at two separate visits before and after a home-based training period of 10-14 weeks. For training, patients received a CD with speech material, either unmodified for the unfiltered training group or filtered to the telephone bandwidth in the filtered group. Results: Patients in the unfiltered training group achieved an average sentence recognition score of 70.0%±13.6% (mean±SD) before and 73.6%±16.5% after training. Patients in the filtered training group achieved 70.7%±13.8% and 78.9%±7.0%, a statistically significant difference (P=.034, t10 =2.292; two-way RM ANOVA/Bonferroni). An increase in the recognition of monosyllabic words was noted in both groups. The subjective benefit was positive for filtered and negative for unfiltered training. Conclusions: Auditory training with specifically filtered speech material provided an improvement in sentence recognition on the telephone compared to training with unfiltered material.