Articolo di ricerca

Un sistema automatizzato per il test di localizzazione del suono in ascoltatori con problemi di udito

DOI:

10.3791/70048

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13 marzo 2026

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1Laboratory of Hearing, Balance and Integrated Neuroscience (HBIN), Hallym University College of Medicine, 2Ear and Interaction Center, Doheun Institute for Digital Innovation in Medicine (D.I.D.I.M.), Hallym University Medical Center, 3Department of Speech Pathology and Audiology, Graduate School, Hallym University, 4SKK Business School, Sungkyunkwan University, 5Department of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery, Hallym University College of Medicine

In questo articolo

Sommario

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Questo protocollo introduce un sistema automatizzato di localizzazione del suono con posizionamento preciso degli altoparlanti e analisi integrata della risposta, validato sia nei partecipanti con udito normale sia nei partecipanti con sordità monolato. Fornisce un metodo riproducibile per valutare l'udito spaziale e supporta la classificazione funzionale utilizzando il quadro della Classificazione Internazionale del Funzionamento, della Disabilità e della Salute (ICF).

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La localizzazione del suono è un componente fondamentale della percezione uditiva, eppure la sua valutazione clinica rimane tecnicamente impegnativa. Sebbene i test di localizzazione in campo libero che utilizzano array di altoparlanti semicircolari siano considerati lo standard d'oro, molti protocolli esistenti si basano su procedure guidate dall'esaminatore e forniscono indicazioni limitate per l'interpretazione funzionale degli errori di localizzazione.

Viene presentato un protocollo automatizzato di localizzazione del suono che combina la consegna standardizzata dello stimolo e l'acquisizione della risposta con un quadro interpretativo orientato alle funzioni. Gli stimoli vengono presentati da posizioni azimutali predefinite in condizioni controllate, le risposte dei partecipanti vengono raccolte tramite un'interfaccia grafica e le metriche di performance di localizzazione vengono calcolate automaticamente al completamento del test. È importante sottolineare che gli errori di localizzazione quantitativa vengono successivamente tradotti in categorie clinicamente significative utilizzando il quadro di classificazione basato sulla Classificazione Internazionale del Funzionamento, Disabilità e Salute (ICF).

Il protocollo è stato applicato a 34 adulti, inclusi 20 con udito normale e 14 con sordità monolato (SSD). I partecipanti sono stati testati in condizioni standardizzate e la loro performance è stata quantificata utilizzando l'errore quadratico medio (RMSE) e l'errore assoluto medio (MAE). Gli esiti sono stati classificati funzionalmente secondo il quadro ICF. Gli ascoltatori con udito normale hanno costantemente mostrato bassi errori di localizzazione corrispondenti a nessuna o lieve alterazione, mentre il gruppo SSD ha mostrato errori angolari maggiori e livelli di compromissione definiti dall'ICF più elevati.

Integrando un protocollo di localizzazione automatizzato con una scala interpretativa basata su ICF, questo approccio facilita la valutazione riproducibile della localizzazione sonora orizzontale consentendo al contempo un'interpretazione clinicamente rilevante dei deficit dell'udito spaziale. Il framework proposto supporta test indipendenti dall'esaminatore e può essere applicato in contesti clinici e di ricerca per caratterizzare le prestazioni di localizzazione tra gruppi di ascoltatori e interventi.

Introduzione

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La perdita uditiva viene tipicamente quantificata tramite audiometria a toni puri, che fornisce una misura diretta delle soglie uditive e permette ai clinici di classificare la gravità del deficit e prevedere le difficoltà associate nella vita quotidiana. Tuttavia, il declino della capacità di localizzazione del suono, conseguenza funzionale della perdita uditiva, non può essere catturato altrettanto facilmente 1. A differenza dei test a soglia, la localizzazione richiede l'integrazione di segnali binaurali ed è molto più difficile da valutare oggettivamente o da classificare in termini di disabilità funzionale.

I test convenzionali di localizzazione in campo libero sono da tempo considerati lo standard d'oro, ma presentano diverse limitazioni. È necessario un posizionamento accurato di almeno sette altoparlanti in una disposizione semicircolare (-90° a 90°) per garantire un test affidabile 2. I requisiti, tra cui una calibrazione spaziale precisa e la necessità di controllare più altoparlanti contemporaneamente, possono rendere l'installazione tecnicamente impegnativa. Inoltre, le procedure di localizzazione del suono si sono tradizionalmente basate su un coinvolgimento sostanziale degli esaminatori in molteplici fasi di test, inclusi la consegna degli stimoli, il monitoraggio della risposta e la registrazione deirisultati 3,4. Sebbene in studi più recenti siano stati introdotti diversi gradi di automazione, la supervisione degli esaminatori o un intervento manuale sono tipicamente ancora necessari dall'inizio del test fino alcompletamento 5,6. Di conseguenza, i risultati della localizzazione possono essere influenzati da fattori dipendenti dall'esaminatore e da implementazioni specifiche per il sito, portando a variabilità nell'esecuzione dei test e limitando la standardizzazione tra le istituzioni. Queste sfide sono ulteriormente aggravate nelle popolazioni pediatriche, dove mantenere l'attenzione e la compliance durante sessioni di test prolungate può essere particolarmentedifficile 5. Collettivamente, questi fattori introducono variabilità tra esaminatori e sedi, complicando i confronti tra studi e limitando la standardizzazione dei protocolli di localizzazione delsuono 1,7.

Per affrontare queste sfide, è necessario un sistema automatizzato e standardizzato che consenta test efficienti e indipendenti dall'esaminatore per la localizzazione del suono. Un tale sistema non solo semplificherebbe la procedura di test, ma migliorerebbe anche la riproducibilità in ambienti clinici e di ricerca. Inoltre, oltre a quantificare l'errore angolare o il bias, tradurre le prestazioni di localizzazione in categorie funzionali può supportare interpretazioni più clinicamente significative.

In questo lavoro, presentiamo un approccio integrato per un sistema automatizzato di localizzazione del suono e ne dimostriamo l'applicazione utilizzando la scala 1 della Classificazione Internazionale del Funzionamento, Disabilità e Salute (ICF). Questo approccio affronta i limiti pratici dei metodi tradizionali, fornendo al contempo un quadro standardizzato e orientato alla funzione per valutare la capacità di localizzazione negli individui con perdita uditiva. Il sistema proposto è destinato all'uso in contesti clinici e di ricerca controllati, dove è richiesta una valutazione standardizzata della localizzazione orizzontale del suono. L'attuale protocollo si concentra sulla localizzazione azimutale in condizioni di posizione fissa della testa e non affronta la localizzazione verticale o scenari di ascolto dinamico che coinvolgono il movimento della testa. Questi vincoli sono insiti all'obiettivo di minimizzare i segnali superflui e garantire una valutazione riproducibile tra esaminatori e sessioni di test.

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Protocollo

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Il protocollo dello studio è stato esaminato e approvato dal Consiglio di Revisione Istituzionale dell'Hallym University Sacred Heart Hospital (numero di approvazione: HALLYM 2023-07-015-001). Tutti i partecipanti hanno fornito un consenso informato scritto prima della partecipazione.

1. Strumenti

NOTA: Durante i test, il livello di rumore di fondo all'interno della cabina è stato mantenuto sotto circa 35 dBA, assicurando che il rumore esterno non interferisse con le prestazioni di localizzazione del suono.

Una cabina insonorizzata (dimensioni interne di circa 3.800 × 2.200 × 2.100 mm) offriva un ambiente di ascolto controllato in campo libero con rumore ambientale minimo. All'interno della cabina fu installato un rack semicircolare per altoparlanti con un raggio di 3.000 mm. Sette altoparlanti erano montati a intervalli di 30° che vanno da −90° a +90° di azimut, e tutti gli altoparlanti erano posizionati alla stessa altezza (altezza della testa quando seduti; circa 1.050 mm) e a una distanza uguale dalla testa del partecipante (Figura 1). Gli altoparlanti erano collegati a un'interfaccia audio multicanale tramite cavi audio XLR bilanciati e schermati.

NOTA: Quando si collegano più altoparlanti a un computer personale situato fuori dalla cabina insonorizzata, è stato installato un pannello caviale o un passaggio a parete montato a parete sulla cabina. Questo ha facilitato un instradamento stabile dei cavi tra l'interno e l'esterno della cabina, mantenendo l'isolamento acustico e minimizzando il disordine dei cavi.
La presentazione dello stimolo e l'acquisizione dei dati venivano controllate tramite un personal computer basato su Windows che eseguiva software sviluppato su misura (Figura 2; vedi Tabella dei Materiali). È stata preparata una sedia regolabile in altezza dotata di poggiatesta per stabilizzare la posizione della testa del partecipante durante la presentazione dello stimolo. Una sedia su misura con altezza del sedile e posizione di poggiatesta regolabili veniva utilizzata per consentire l'antropometria individuale dei partecipanti. Il poggiatesta forniva un feedback tattile per aiutare i partecipanti a mantenere un orientamento costante verso la testa in avanti durante la presentazione dello stimolo.

NOTA: Il software personalizzato è stato sviluppato internamente per supportare i test automatizzati di localizzazione del suono. Una volta avviato il test, il software controllava la presentazione degli stimoli e il sequenziamento delle prove, raccoglieva le risposte dei partecipanti tramite un'interfaccia touchscreen e calcolava automaticamente metriche di performance di localizzazione, inclusi l'errore quadratico medio (RMSE), l'errore assoluto medio (MAE) e il bias di localizzazione al completamento del test.

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Figura 1. Array di altoparlanti per il test di localizzazione sonora orizzontale Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 2. Schema del sistema sperimentale. Il sistema era composto da un computer personale collegato a un'interfaccia audio, che trasmetteva i segnali a un amplificatore di potenza e successivamente all'array degli altoparlanti. Per la calibrazione veniva utilizzato un fonometro per garantire livelli di uscita coerenti su tutti gli altoparlanti. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

2. Setup01

Prima di iniziare il test, è stata eseguita una procedura di calibrazione per garantire livelli di presentazione sonora coerenti su tutti gli altoparlanti di prova. Uno stimolo del rumore a banda larga che fosse a radice quadratica media (RMS) abbinato agli stimoli di prova è stato presentato sequenzialmente da ciascun altoparlante. Un misuratore di livello sonoro di Classe 1 dotato di microfono a campo libero era posizionato su un treppiede all'altezza della testa (circa 1.050 mm) nella posizione del partecipante. Il livello sonoro continuo equivalente (LZeq; Livello di pressione sonora pesato in Z, mediato nel tempo) da ogni altoparlante è stato misurato, e i livelli di uscita sono stati regolati in modo che il LZeq misurato fosse di circa 60 dB SPL (±0,5 dB) su tutti gli altoparlanti.

NOTA: La regolazione dei livelli di uscita degli altoparlanti è stata effettuata a livello dell'interfaccia audio per garantire una calibrazione coerente tra gli altoparlanti. Il software personalizzato non includeva funzioni di controllo dei livelli ed era utilizzato esclusivamente per la presentazione degli stimoli, il controllo delle prove, la raccolta delle risposte e il calcolo delle metriche di localizzazione.

3. Esperimento

Il partecipante era seduto sulla sedia realizzata su misura in modo che la testa fosse allineata con l'altoparlante frontale (azimut 0°, la posizione centrale della matrice semicircolare) e posizionata al centro dell'array semicircolare. Il poggiatesta è stato regolato per adattarsi saldamente alla protuberanza occipitale e al partecipante è stato istruito a mantenere il contatto con il poggiatesta durante tutto il test. Un touchpad veniva posizionato direttamente davanti al partecipante per registrare le risposte e venivano fornite istruzioni sull'uso.

NOTA: Un posizionamento improprio all'inizio del test può influire sugli angoli effettivi degli altoparlanti e compromettere l'accuratezza della misurazione. Il poggiatesta forniva un feedback tattile, permettendo ai partecipanti di monitorare se la testa rimanesse correttamente posizionata. Il dispositivo di risposta non deve agire come barriera visiva o audio e il touchpad non deve ostruire la linea di vista diretta tra il partecipante e l'altoparlante centrale.

Venivano inseriti il codice di identificazione del partecipante e il numero dello studio, e lo stato del dispositivo acustico (impianto cocleare, apparecchio acustico o assenza di apparecchio acustico) veniva selezionato tramite l'interfaccia grafica utente (GUI). La sequenza di familiarizzazione è stata avviata. Nell'interfaccia grafica, il pulsante Familiarization veniva selezionato per avviare la sequenza di familiarizzazione. Il partecipante è stato istruito a mantenere lo sguardo rivolto verso l'altoparlante centrale per tutta la sequenza. Durante la sequenza di familiarizzazione, il sistema presentava automaticamente stimoli uditivi in sequenza da ciascun altoparlante.

NOTA: Il partecipante è stato istruito a tenere la testa rivolta in avanti ed evitare di girarsi verso la fonte sonora durante questo passaggio. Il test di localizzazione del suono ha utilizzato stimoli di rumore a banda larga (20-20.000 Hz) generati in due forme spettrali e presentati a tre livelli di intensità (55, 60 e 65 dB HL). Tutti gli stimoli avevano una durata di 500 ms con rampe di inizio e offset di 5 ms, coerenti con i protocolli di localizzazioneconsolidati 1,2. In totale, sei stimoli unici sono stati presentati una volta da ciascuno dei sette altoparlanti in ordine randomizzato, risultando in 42 studi per partecipante.

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Figura 3. Interfaccia speaker-map utilizzata per le risposte dei partecipanti. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Nell'interfaccia grafica, il pulsante Pre-test era selezionato per attivare la modalità pre-test. Al partecipante è stato istruito a rivolgersi verso l'altoparlante frontale e a premere il pulsante Start sul touchpad quando pronto, mantenendo l'orientamento della testa in avanti. Premendo il pulsante Start , il sistema mostrava il primo suono di prova proveniente da uno degli altoparlanti. Dopo la presentazione sonora, il display touchpad passava a una mappa degli altoparlanti, su cui il partecipante selezionava la posizione percepita della sorgente sonora (Figura 3).

Dopo ogni risposta, il sistema forniva un feedback immediato. Per le risposte corrette, veniva mostrato un messaggio di conferma prima che fosse consentito il passaggio alla prova successiva. Per le risposte errate, la posizione corretta dell'altoparlante veniva evidenziata sulla mappa e il suono veniva riprodotto tre volte da quell'altoparlante. Il pre-test consisteva in tre prove ed è stato automaticamente terminato dal sistema al completamento della terza prova.

NOTA: Il partecipante è stato monitorato per assicurarsi che la testa rimanesse rivolta verso l'altoparlante frontale durante la sequenza di feedback, poiché ruotare la testa interferiva con la percezione accurata dei segnali spaziali. Poiché le singole prove non potevano essere ripetute all'interno della sequenza automatica, qualsiasi caso in cui il partecipante non mantenesse chiaramente la posizione richiesta della testa in avanti attivava un riavvio della sessione anziché una ripetizione a livello di prova. Queste sessioni riavviate non sono state incluse nell'analisi finale. Il numero di prove pre-test era predefinito nel sistema (limitato a tre prove) e non poteva essere modificatodall'esaminatore 8,9.

Dopo il completamento del pre-test, si premeva il pulsante principale per iniziare la sequenza principale. Il partecipante premeva il pulsante Start sul touchpad per attivare la presentazione di un suono proveniente da uno degli altoparlanti. Dopo la presentazione del suono, il display touchpad passava a una mappa degli altoparlanti, su cui il partecipante selezionava la posizione percepita del suono. Dopo ogni risposta, il sistema mostrava il pulsante Avanti . Al partecipante è stato permesso di prendersi un tempo aggiuntivo prima di premere il pulsante Successivo per riposare e verificare la corretta orientazione della testa prima di iniziare la prova successiva. Il sistema avanzava automaticamente attraverso il numero predefinito di prove, ripeteva la sequenza delle prove e continuava fino al completamento del test principale.

NOTA: È stato sottolineato che la testa è rimasta rivolta verso l'altoparlante frontale per tutto il test. Questa posizione garantiva una percezione coerente dei segnali spaziali e preveniva bias dovuti a movimenti involontari della testa. Dopo la fine dello stimolo, ai partecipanti è stato permesso di girare la testa per identificare e selezionare visivamente l'altoparlante percepito. Prima che iniziasse la prova successiva, tuttavia, sono tornati alla posizione frontale iniziale per assicurarsi che tutti gli stimoli successivi fossero percepiti sotto la stessa condizione standardizzata. Sebbene il sistema non includesse il tracciamento integrato della testa, l'esaminatore monitorava visivamente l'orientamento della testa durante tutto il test per assicurarsi che i partecipanti mantenessero la posizione in avanti richiesta prima di ogni stimolo.

Al termine del test, il sistema terminava automaticamente la sessione e generava un file di log. Il registro conteneva registrazioni di ogni tentativo, inclusi lo stimolo presentato, la direzione della fonte sonora e la risposta del partecipante. Sulla base di queste risposte, il sistema calcolò RMSE, MAE e bias di risposta, che furono salvati insieme al log dello studio per analisi successive.

NOTA: Il file di log è stato correttamente archiviato dopo la sessione, poiché conteneva sia i dati grezzi delle risposte sia le metriche di performance calcolate necessarie per ulteriori analisi.

4. Elaborazione e analisi dei dati

Dopo il completamento del test di localizzazione del suono, il sistema ha calcolato automaticamente RMSE, MAE e bias di risposta per ciascun partecipante sulla base delle risposte registrate dello studio. Per la visualizzazione e la preparazione delle figure, i dati esportati venivano successivamente elaborati utilizzando script sviluppati su misura.

Per facilitare un'interpretazione clinicamente significativa delle prestazioni di localizzazione del suono, le metriche di errore di localizzazione sono state inoltre categorizzate utilizzando un quadro basato sulla Classificazione Internazionale del Funzionamento, Disabilità e Salute (ICF). Questo approccio è stato adottato sulla base di un precedente sistema di classificazione consensuale proposto per la localizzazione orizzontale del suono, che mappava gli errori quantitativi di localizzazione su livelli gradati di compromissionefunzionale 1. In questo contesto, la performance di localizzazione è stata classificata in cinque categorie: nessuna, lieve, moderata, grave e completa - in base alla distribuzione dell'errore di localizzazione in un gruppo di riferimento a udito normale (NH) e al livello di probabilità associato alla configurazione specifica del test. È importante sottolineare che questa classificazione non sostituiva le metriche di errore convenzionali (ad esempio, RMSE o MAE), ma fungeva da strato interpretativo che traduceva le misure numeriche di performance in categorie funzionalmente rilevanti. La classificazione basata sull'ICF è stata applicata a posteriori risultati di localizzazione ottenuti nel presente studio per supportare l'interpretazione standardizzata e facilitare il confronto tra partecipanti e gruppi di ascoltatori.

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Risultati

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In questo studio sono stati iscritti in totale 34 partecipanti, di cui 20 adulti con udito normale (NH) e 14 adulti con sordità monolato (SSD), definiti come con perdita uditiva da grave a profonda nell'orecchio compromesso (> 70 dB HL) e un orecchio controlaterale con una media tonale pura ≤30 dB HL fino a 4.000 Hz, seguendo una definizione di SSD stabilita tramite consensointernazionale 2. 10. Il gruppo NH comprendeva 12 maschi...

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Discussione

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Per contestualizzare le prestazioni del sistema di localizzazione proposto, sono stati esaminati gli errori di localizzazione osservati nel presente studio in relazione ai valori riportati in precedenti studi di localizzazione in campo libero. Sebbene i confronti quantitativi diretti tra studi siano intrinsecamente limitati dalle differenze nelle configurazioni sperimentali, nei parametri di stimolo e nei metodi di risposta, lavori precedenti hanno riportato che le prestazioni di localiz...

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Dichiarazioni

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Gli autori dichiarano di non avere conflitti di interesse.

Ringraziamenti

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Questa ricerca è stata supportata dal Programma di Ricerca Scientifica di Base attraverso la National Research Foundation of Korea (NRF) (NRF-RS-2023-00244421, NRF-RS-2023-00243712 e NRF-RS-2022-NR069203); il Ministero della Salute e del Welfare della Repubblica di Corea (RS-2025-02215795 e RS-2024-KH145084); e il Fondo di Ricerca dell'Università Hallym.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Software personalizzato per il test di localizzazione del suonoSviluppo internoN/ASoftware sviluppato su misura (basato su Python, versione 3.14.2) utilizzato per la presentazione automatica di stimoli, sequenziamento delle prove, raccolta di risposte tramite touchscreen e calcolo automatico di RMSE, MAE e bias di localizzazione.
Software RR Foundation for Statistical Computing  N/AAmbiente di calcolo statistico utilizzato per la visualizzazione post hoc dei dati e la generazione di figure (versione 4.4.2)
Interfaccia audio RME Fireface UFX+RMEFireface UFX+Scheda audio multicanale ASIO compatibile utilizzata per la riproduzione di stimoli e la calibrazione dei livelli. I livelli di uscita dei singoli altoparlanti venivano regolati a livello di interfaccia.
Altoparlanti Genelec 8010AGenelec8010AAltoparlanti a gamma completa utilizzati per test di localizzazione sonora in campo libero. Tutti gli altoparlanti erano modelli identici per garantire un'uscita acustica costante nelle posizioni azimutali.
Rack speaeker semicircolare personalizzatoFabbricazione internaN/ARaggio 3000 mm, altezza 1050 mm, progettato per montare 7 altoparlanti a pari distanza angolare (30°)
Sedia regolabile in altezza  Fabbricazione internaN/ASedia personalizzata con altezza regolabile e poggiatesta regolabile utilizzata per fornire un feedback tattile e mantenere una posizione stabile della testa durante i test.
Personal computer basato su WindowsASUSPN64Mini PC (Intel Core i5-13500H) utilizzato per la presentazione di stimoli, il controllo delle sperimentazioni e l'acquisizione dati
Cavo audio bilanciatoMogamiW2594Cavo audio bilanciato a bassa capacità, usato per collegare gli altoparlanti all'interfaccia audio
FonometroBrü El & Kjæ rTipo 2250Utilizzato per la calibrazione dell'uscita degli altoparlanti; Strumento di precisione di Classe 1 (IEC 61672-1)
Microfono a campo liberoBrü El & Kjæ rTipo 4189Microfono a campo libero prepolarizzato ½ pollici, compatibile con il Tipo 2250, utilizzato per una misurazione accurata dell'SPL.
Monitor touch screenJooyonVista di trasporto BMonitor touch screen per la raccolta delle risposte dei partecipanti.
Stanza insonorizzataSontek (su misura, Corea)N/AEsterno: 4050 e volte; 2450 e volte; 2575 mm (W e i tempi; D e tempi; H); Interno: 3800 e volte; 2200 e volte; 2100 mm, progettato per fornire un ambiente isolato dal rumore per i test in campo libero

Riferimenti

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