Please use this identifier to cite or link to this item: doi:10.22028/D291-30841
Title: Neural Correlates of Binaural Interaction Using Aggregate-System Stimulation in Cochlear Implantees
Author(s): Schebsdat, Erik
Language: English
Year of Publication: 2019
Place of publication: Homburg/Saar
SWD key words: Cochlea-Implantat
Free key words: Cochlear Implant
Auditory Brainstem Response
Binaural Interaction
Interaural Time Difference
Free-Field
Stimulus Sequencing
Deconvolution
Full-Range-Potential
DDC notations: 500 Science
570 Life sciences, biology
610 Medicine and health
Publikation type: Doctoral Thesis
Abstract: The importance of binaural cues in auditory stream formation and sound source differentiation is widely accepted. When treating one ear with a cochlear implant (CI) the peripheral auditory system gets partially replaced and processing delays get added potentially, thus important interaural time encoding gets altered. This is a crucial problem because factors like the interaural time delay between the receiving ears are known to be responsible for facilitating such cues, e.g., sound source localization and separation. However, these effects are not fully understood, leaving a lack of systematic binaural fitting strategies with respect to an optimal binaural fusion. To gain new insights into such alterations, we suggest a novel method of free-field evoked auditory brainstem response (ABR) analysis in CI users. As a result, this method does not bypass the technically induced intrinsic delays of the hearing device while leaving the complete electrode array active, thus the most natural way of stimulation is provided and the comparable testing of real world stimuli gets facilitated. Unfortunately, ABRs acquired in CI users are additionally affected by the prominent artifact caused by their electrical stimulation, which severely distorts the desired neural response, thus challenging their analysis. To circumvent this problem, we further introduce a novel narrowband filtering CI artifact removal technique capable of obtaining neural correlates of ABRs in CI users. Consequently, we were able to compare brainstem-level responses collected of 12 CI users and 12 normal hearing listeners using two different stimuli (i.e., chirp and click) at four different intensities each, what comprises an adaption of the prominent brainstem evoked response audiometry serving as an additional evaluation criterion. We analyzed the responses using the average of 2,000 trials in combination with synchronized regularizations across them and found consistent results in their deflections and latencies, as well as in single trial relationships between both groups. This method provides a novel and unique perspective into the natural CI users’ brainstem-level responses and can be practical in future research regarding binaural interaction and fusion. Furthermore, the binaural interaction component (BIC), i.e., the arithmetical difference between the sum of both monaurally evoked ABRs and the binaurally evoked ABR, has been previously shown to be an objective indicator for binaural interaction. This component is unfortunately known to be rather fragile and as a result, a reliable, objective measure of binaural interaction in CI users does not exist to the present date. It is most likely that implantees would benefit from a reliable analysis of brainstem-level and subsequent higher-level binaural interaction, since this could objectively support fitting strategies with respect to a maximization of interaural integration. Therefore, we introduce a novel method capable of obtaining neural correlates of binaural interaction in bimodal CI users by combining recent advances in the field of fast, deconvolution-based ABR acquisitions with the introduced narrowband filtering technique. The proposed method shows a significant improvement in the magnitude of resulting BICs in 10 bimodal CI users and a control-group of 10 normal hearing subjects when compensating the interaural latency difference caused by the technical devices. In total, both proposed studies objectively demonstrate technical-driven interaural latency mismatches. Thus, they strongly emphasize potential benefits when balancing these interaural delays to improve binaural processing by significant increases in associated neural correlates of successful binaural interaction. These results and also the estimated latency differences should be investigated in larger group sizes to further consolidate the results, but confirm the demand for rather binaural solutions than treating hearing losses in an isolated monaural manner.
Zusammenfassung Die Notwendigkeit binauraler Verarbeitungsprozesse in der auditorischen Wahrnehmung ist weitestgehend akzeptiert. Bei der Therapie eines Ohres mit einem Cochlea-Implantat (engl. cochlear implant (CI)) wird das periphere auditorische System teilweise ersetzt und verändert, sodass natürliche, interaurale Zeitauflösungen beeinflusst werden. Dieses Problem ist entscheidend, denn Faktoren wie interaurale Laufzeitunterschiede zwischen den aufnehmenden Ohren sind verantwortlich für die Umsetzung der erwähnten binauralen Verarbeitungsprozesse, z.B. Schallquellenlokalisation und -separation. Allerdings sind diese Effekte nicht ausreichend verstanden, weshalb bis heute binaurale Anpassstrategien mit Rücksicht auf eine optimale Fusionierung fehlen. Um neue Einsichten in solche zeitlichen Verzerrungen zu erhalten, schlagen wir ein neues Verfahren der Freifeld evozierten auditorischen Hirnstammpotentiale (engl. auditory brainstem response (ABR)) in CI-Nutzern vor. Diese Methode beinhaltet explizit technisch-induzierte Laufzeiten verwendeter Hörhilfen, sodass eine natürliche Stimulation unter Verwendung von realitätsnahen Stimuli ermöglicht wird. Unglücklicherweise sind ABRs von CI-Nutzern zusätzlich mit Stimulationsartefakten belastet, wodurch benötigte neurale Antworten weiter verzerrt werden und eine entsprechende Analyse der Signale deutlich erschwert wird. Um dieses Problem zu umgehen, schlagen wir eine neue Artefakt- Reduktionstechnik vor, welche auf spektraler Schmalbandfilterung basiert und somit den Erhalt entsprechender, neuraler ABR Korrelate ermöglicht. Diese Methoden erlaubten die Interpretation neuraler Korrelate auf Hirnstammebene unter Verwendung von zwei verschiedenen Stimuli (Chirps und Klicks) unter vier verschiedenen Lautstärken in 12 CI-Nutzern und 12 normalhörenden Probanden. Die beschriebene Prozedur adaptiert somit die weitläufig bekannte Hirnstammaudiometrie (engl. brainstem evoked response audiometry (BERA)), deren Ergebnisse zur zusätzlichen Evaluation des vorgestellten Verfahrens dienten. Die Untersuchung der aus 2000 Einzelantworten erhaltenen Mittelwerte in Kombination mit der Analyse synchronisierter Regularitäten über den Verlauf der Einzelantworten ergab dabei konsistente Beobachtungen in gefundenen Amplituden, Latenzen sowie in Abhängigkeiten zwischen Einzelantworten in beiden Gruppen. Das vorgestellte Verfahren erlaubt somit auf einzigartige Weise neue und ungesehene Einsichten in natürliche, neurale Antworten auf Hirnstammebene von CI-Nutzern, welche in zukünftigen Studien verwendet werden können, um binaurale Interaktionen und Fusionen weiter untersuchen zu können. Interessanterweise hat sich, die auf ABRs basierende, binaurale Interaktionskomponente (engl. binaural interaction component (BIC)) als objektiver Indikator binauraler Integration etabliert. Diese Komponente (d.h. die arithmetische Differenz zwischen der Summe der monauralen Antworten und der binauralen Antwort) ist leider sehr fragil, wodurch ein sicherer und objektiver Nachweis in CI-Nutzern bis heute nicht existiert. Dabei ist es sehr wahrscheinlich, dass gerade Implantatsträger von einer entsprechenden Analyse auf Hirnstammebene und höherrangigen Ebenen deutlich profitieren würden, da dies objektiv Anpassstrategien mit Rücksicht auf eine bestmögliche binaurale Integration ermöglichen könnte. Deshalb stellen wir ein weiteres, neuartiges Verfahren zum Erhalt von neuralen Korrelaten binauraler Interaktion in bimodal versorgten CI-Trägern vor, welches jüngste Erfolge im Bereich der schnellen, entfalltungsbasierten ABR Akquisition und der bereits vorgestellten Schmalband- filterung zur Reduktion von Stimulationsartefakten kombiniert. Basierend auf diesem Verfahren konnten signifikante Verbesserungen in der BIC-Amplitude in 10 bimodal versorgten Patienten sowie 10 normalhörenden Probanden, basierend auf umgesetzte, interaurale Laufzeitkompensationen technischer Hörhilfen, aufgezeigt werden. Insgesamt demonstrieren beide vorgestellten Studien technisch-induzierte, interaurale Laufzeitunterschiede und betonen demnach sehr deutlich potenzielle Vorteile in assoziierten neuralen Korrelaten binauraler Interaktionen, wenn solche Missverhältnisse zeitlich ausgeglichen werden. Die aufgezeigten Ergebnisse sowie die getätigte Abschätzungen technischer Laufzeiten sollte in größeren Gruppen weiter untersucht werden, um die Aussagekraft weiter zu steigern. Dennoch unterstreichen diese Einsichten das Verlangen nach binauralen Lösungsansätzen in der zukünftigen Hörrehabilitation, statt bisheriger isolierter und monauraler Therapien.
Link to this record: urn:nbn:de:bsz:291--ds-308416
hdl:20.500.11880/29118
http://dx.doi.org/10.22028/D291-30841
Advisor: Strauss, Daniel J.
Date of oral examination: 23-Mar-2020
Date of registration: 11-May-2020
Faculty: M - Medizinische Fakultät
Department: M - Medizintechnik
Professorship: M - Keiner Professur zugeordnet
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