聴覚障害者を対象とした音の位置特定テストの自動化システム

サマリー

このプロトコルは、正常聴者および片側難聴参加者で検証された、正確なスピーカー配置と統合応答分析を備えた自動音声定位テストシステムを導入します。空間聴覚を評価する再現可能な方法を提供し、国際機能・障害・健康分類(ICF)フレームワークを用いた機能分類を支援します。

要約

健全な局在は聴覚知覚の基本的な要素ですが、その臨床評価は技術的には依然として困難です。半円形スピーカーアレイを用いた自由場定位試験はゴールドスタンダードとされていますが、多くの既存のプロトコルは試験官主導の手順に依存しており、定位誤差の機能的解釈に関しては限定的な指針しか提供していません。

標準化された刺激の伝達と応答獲得を機能指向の解釈フレームワークと組み合わせた自動音声定位プロトコルが提示されます。刺激はあらかじめ定められた方位角位置から制御された条件下で提示され、参加者の回答はグラフィカルインターフェースを通じて収集され、テスト完了時に自動的に位置定位性能指標が計算されます。重要なのは、定量的な局在誤差が、国際機能・障害・健康分類(ICF)に基づく分類フレームワークを用いて臨床的に意味のあるカテゴリーに翻訳される点です。

このプロトコルは34人の成人に適用され、そのうち20人は正常な聴力、14人は片側難聴(SSD)の人でした。参加者は標準化された条件下でテストされ、そのパフォーマンスは二乗平均誤差(RMSE)と平均絶対誤差(MAE)を用いて定量化されました。アウトカムはICFフレームワークに従って機能的に分類されました。正常聴者の聴者は一貫して低い局所誤差を示し、障害なしまたは軽度の障害を示した一方、SSD群はより大きな角度誤差とより高いICF定義障害レベルを示しました。

自動局在プロトコルとICFベースの解釈尺度を統合することで、水平音の局在化の再現性評価を促進し、空間的聴覚障害の臨床的に関連性の高い解釈を可能にします。提案されたフレームワークは試験官に依存しない検査を支援し、臨床および研究現場でリスナーグループや介入における局所化のパフォーマンスを特徴づけるために応用可能です。

概要

難聴は通常、純音聴力計(ピュアトーンオーオメトリー)を用いて定量化され、聴覚の閾値を明確に測定し、臨床医が障害の重症度を分類し、日常生活での困難を予測できるようにします。しかし、聴力損失による機能的帰着である音の定位能力の低下 ^は、1.閾値検査とは異なり、局在化は両耳手がかりの統合を必要とし、客観的に評価したり機能障害の観点で分類したりするのがはるかに困難です。

従来の自由場局在試験は長らくゴールドスタンダードと考えられてきましたが、いくつかの制約があります。信頼性の高い^{試験を確保する}ためには、少なくとも7台のスピーカーを半円形(-90°から90°)に正確に配置する必要があります。正確な空間キャリブレーションや複数のスピーカーを同時に制御する必要性など、その要件は技術的に要求が高いこともあります。さらに、音響局在手法は伝統的に刺激の伝達、反応モニタリング、結果記録など複数の段階にわたる試験官の関与に依存し^{てきました。}近年の研究では自動化の程度は様々ですが、試験開始から完了までは試験官の監督や手動介入が通常依然として必要です^5,6。その結果、試験官依存的な要因や現場特有の実装によってローカライゼーションの結果が影響を受け、テスト実行のばらつきや機関間での標準化の制限が生じます。これらの課題は、特に長時間の検査セッションでの注意と遵守を維持することが困難な小児集団でさらに深刻化します⁵。これらの要因は総合的に検査者や現場間でばらつきをもたらし、試験間の比較を複雑にし、音響定位プロトコルの標準化を制限します^1,7。

これらの課題に対処するためには、効率的で試験官に依存しない音響定位試験を可能にする自動化かつ標準化されたシステムが必要です。このようなシステムは、試験手順を効率化するだけでなく、臨床および研究環境全体での再現性も高めます。さらに、角度誤差やバイアスの定量化を超えて、局在性の性能を機能的カテゴリーに翻訳することで、より臨床的に意味のある解釈を支持できます。

本研究では、自動音声定位テストシステムの統合アプローチを提示し、国際機能・障害・健康分類(ICF)分類スケール ¹を用いてその応用を実証します。このアプローチは、従来の方法の実用的な限界に対応しつつ、難聴者の局在能力を評価するための標準化された機能指向の枠組みを提供します。提案されたシステムは、水平音響局在の標準化された評価が必要な管理された臨床および研究現場での使用を想定しています。現在のプロトコルは、固定された頭部位置条件下での方位定位に焦点を当てており、頭部の動きを伴う垂直位置化や動的な聴取シナリオには対応していません。これらの制約は、余計な手がかりを最小限に抑え、試験官や試験セッション間で再現可能な評価を確保するという目標に内在しています。

プロトコル

研究プロトコルはハリム大学セイクレッドハート病院の機関審査委員会(承認番号:HALLYM 2023-07-015-001)によって審査・承認されました。参加者全員が参加前に書面によるインフォームド・コンセントを提供しました。

1. 楽器

注:試験中、ブース内の背景雑音レベルは約35 dBA未満に抑えられ、外部雑音が音の定位性能に干渉しないようにしました。

防音ブース(内部寸法は約3,800 × 2,200 × 2,100 mm)は、最小限の環境音を抑えつつ、制御された自由場の聴取環境を提供していました。ブース内部には半径3,000mmの半円形スピーカーラックが設置されました。7つのスピーカーは−90°から+90°方位まで30°間隔で設置され、すべてのスピーカーは同じ高さ(座った時の頭の高さ、約1,050mm)に配置され、参加者の頭から等しい距離に置かれていました(図1)。スピーカーはバランス制御のシールド付きXLRオーディオケーブルでマルチチャンネルオーディオインターフェースに接続されていました。

注意:防音ブースの外にあるパーソナルコンピュータに複数のスピーカーを接続する場合、ブースの壁に取り付けられたケーブルパネルまたはフィードスルーが設置されています。これにより、ブースの内外間で安定したケーブル配線が可能になり、音響遮断とケーブルの雑多さを最小限に抑えました。
刺激の提示とデータ取得は、カスタム開発ソフトウェアを実行するWindowsベースのパーソナルコンピュータで制御されました(図2;材料表参照)。ヘッドレスト付きの高さ調整可能な椅子が準備され、刺激提示時に参加者の頭部位置を安定させました。個々の参加者の人体測定に対応するために、座面の高さとヘッドレスト位置を調整できる特注の椅子が使用されました。ヘッドレストは触覚フィードバックを提供し、刺激提示時に参加者が一貫した前向きの頭部姿勢を維持できるよう支援しました。

注:このカスタムソフトウェアは自動音声ローカライゼーションテストをサポートするために社内で開発されました。テスト開始後、ソフトウェアは刺激の提示と試験のシーケンスを制御し、タッチスクリーンインターフェースを通じて参加者の回答を収集し、テスト終了時に平均二乗根誤差(RMSE)、平均絶対誤差(MAE)、局在バイアスなどの定位性能指標を自動的に計算しました。

図1。水平音響定位テスト用のスピーカーアレイ この図の拡大版はこちらをクリックしてください。

図2。実験システムの回路図。このシステムは 、オーディオインターフェースに接続されたパーソナルコンピュータで構成されており、信号をパワーアンプへ、さらにスピーカーアレイへと送っていました。全スピーカーの出力レベルを一貫させるため、音レベル計が校正されました。この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

2. セットアップ01

テスト開始前に、すべてのテストスピーカーで一貫した音の表示レベルを確保するための校正手順が実施されました。各スピーカーから順次、平均二乗根(RMS)の広帯域ノイズ刺激を提示しました。クラス1の精密音響計とフリーフィールドマイクが、参加者の位置で頭部の高さ(約1,050mm)に三脚に設置されました。同等の連続音速レベル(LZeq;各スピーカーからのZ重み、時間平均音圧レベルを測定し、出力レベルを調整して測定されたLZeqは全スピーカーで約60 dB SPL(±0.5 dB)となるように調整されました。

注:スピーカー出力レベルの調整はオーディオインターフェースレベルで行われ、スピーカー間のキャリブレーションが一貫しているよう行われました。このカスタムソフトウェアにはレベル制御機能は含まれておらず、刺激提示、試験対照、応答収集、局在指標の計算にのみ使用されました。

3. 実験

参加者は特注の椅子に座り、頭部が前方スピーカー(0°方位角、半円状スピーカーの中心位置)と揃い、半円形スピーカーアレイの中心に位置していました。ヘッドレストは後頭突出部にしっかりとフィットするように調整され、参加者はテスト中ずっとヘッドレストとの接触を維持するよう指示されました。参加者の目の前にタッチパッドを置き、回答を記録し、その使い方の説明が提供されました。

注意:テスト開始時の位置調整が不適切な場合、効果的なスピーカー角度に影響を与え、測定精度を損なう可能性があります。ヘッドレストは触覚フィードバックを提供し、参加者が頭部が正しい位置に保たれているかを監視できるようにしました。応答装置は視覚的または聴覚の障壁として機能してはならず、タッチパッドは参加者と中央スピーカーの間の直接的な視線を遮ってはなりません。

参加者識別コードと試験番号を入力し、補聴器の状態(人工内耳、補聴器、補聴器の有無)をグラフィカルユーザーインターフェース(GUI)で選択しました。慣れさせる手順が始まりました。GUIでは、 慣れ親しみ ボタンを選択して慣れ順位シーケンスを開始しました。参加者はシーケンス中ずっと中央のスピーカーを見つめるよう指示されました。慣れさせる過程では、システムは各スピーカーから自動的に聴覚刺激を順番に提示しました。

注意:参加者はこのステップで頭を前方に向け、音源に向かって向きないように指示されました。音の定位試験では、20,000Hzから20,000Hzの広帯域ノイズ刺激を2つのスペクトル形状で生成し、3つの強度レベル(55、60、65 dB HL)で提示されました。すべての刺激は500msの持続時間を持ち、開始・オフセットのランプは5msで、確立された局在プロトコル^1,2に準拠していました。合計で、7台のスピーカーそれぞれから6つのユニークな刺激がランダム順に提示され、参加者1人あたり42件の試験が行われました。

図3。参加者の回答に使用されるスピーカーマップインターフェース。この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

GUIでは、事前テストモードを有効にするために Pre-test ボタンを選択していました。参加者はフロントスピーカーに向き直り、準備ができたらタッチパッドの スタート ボタンを押すように指示され、頭を前方に向けたまま維持しました。 スタート ボタンを押すと、システムから最初のテスト音がスピーカーの一つから流れました。音声プレゼンテーションの後、タッチパッドディスプレイはスピーカーマップに切り替わり、参加者は認識される音源の位置を選択します(図3)。

各応答の後、システムは即座にフィードバックを提供しました。正解の場合は、次の試験に進む前に確認メッセージが表示されました。誤答の場合は、正しいスピーカーの位置が地図上でハイライトされ、そのスピーカーから音声が3回再生されました。事前試験は3回の試験で構成され、3回目の試験終了時にシステムによって自動的に終了されました。

注:参加者はフィードバックシーケンス中、頭部が前面スピーカーの方を向いているか監視されました。頭部を動かすことは空間的な手がかりの正確な知覚を妨げるためです。個々の試験は自動化された順序内で繰り返せなかったため、参加者が明らかに前方の頭部位置を維持できなかった場合は、試験レベルの繰り返しではなくセッションの再開が引き起こされました。これらの再開セッションは最終分析には含まれていません。事前試験の試験数はシステム上で事前に定められており(試験は3回に制限)、^{試験官は8,9}を修正できませんでした。

事前テスト終了後、 メインテスト ボタンを押し、メインテストシーケンスを開始しました。参加者はタッチパッドの スタート ボタンを押すと、スピーカーから音が再生されます。音声プレゼンテーションの後、タッチパッドのディスプレイはスピーカーマップに切り替わり、参加者はその上で知覚される音の位置を選択します。各応答の後、システムは 「次へ 」ボタンを表示します。参加者は 「次」 ボタンを押す前に休息し、適切な頭部の向きを確認してから次の試験を開始する時間が与えられました。システムは自動的にあらかじめ定められた試行回数を進め、試行の連続を繰り返し、メインテストが完了するまで続けました。

注:テスト中は頭部がフロントスピーカーの方を向いていたことが強調されました。この姿勢により空間的な手がかりを一貫して知覚でき、意図しない頭部の動きによるバイアスを防ぎました。刺激が終わった後、参加者は頭を動かして、視覚的に知覚されたスピーカーを特定し選択することが許されました。しかし次の試験開始前に、すべての刺激が同じ標準化された条件下で知覚されることを確認するため、最初の前方姿勢に戻った。システムには統合的な頭部トラッキングは含まれていませんでしたが、試験官は試験中ずっと頭部の向きを視覚的に監視し、参加者が刺激を受ける前に必要な前方位置を維持しているか確認しました。

テスト終了時にシステムは自動的にセッションを終了し、ログファイルを生成しました。ログには、提示された刺激、音源の方向、参加者の反応など、各試行の記録が含まれていました。これらの回答に基づき、RMSE、MAE、応答バイアスを計算し、試験ログとともに保存して後続解析に備えました。

注:ログファイルはセッション後に適切に保存されており、生の応答データとさらなる分析に必要な計算されたパフォーマンス指標の両方が含まれていました。

4. データ処理と分析

音の位置特定テストが完了すると、システムは記録された試験回答に基づき、各参加者のRMSE、MAE、応答バイアスを自動的に計算しました。可視化や図の準備のために、エクスポートされたデータはカスタム開発のスクリプトで処理されました。

健全な局在性性能の臨床的に意味のある解釈を促進するために、局在誤差指標は国際機能障害健康分類(ICF)に基づく枠組みを用いてさらに分類されました。このアプローチは、水平音響局在化に関する以前に提案されたコンセンサス分類システムに基づいて採用されており、定量的な局在誤差を機能障害の段階的なレベルにマッピング^{していました。}この枠組みでは、局在性表現は正常聴力(NH)参照群における局在誤差の分布と特定の検査設定に関連する確率レベルに基づき、ノー、軽度、中等度、重度、完全障害の5つのカテゴリーに分類されました。重要なのは、この分類が従来の誤差指標(例:RMSEやMAE)を置き換えるものではなく、数値的パフォーマンス指標を機能的に関連したカテゴリーに翻訳する解釈層として機能したことです。ICFに基づく分類は、本研究で得られた局在化結果に事後的に適用され、標準化された解釈を支援し、参加者と聴取グループ間の比較を容易にしました。

結果

本研究には合計34名の参加者が登録され、そのうち20名が正常聴力(NH)の成人と14名の片側難聴(SSD)成人で、SSDは障害>耳に重度から重度の難聴(70 dB HL)を持つと定義され、対側耳は純音平均≤30 dB HLから4,000 Hzまで)と定義され、国際コンセン^サス2に基づくSSDの定義に従っています^。10。NHグループは男性12名、女性8名で構成され、平均年齢は28.85歳±5.88歳、平均聴覚閾値は3.99 ± 4.12 dB HLでした。

SSD群には男性9名、女性5名(左側SSD7名)が含まれ、平均年齢は36.37歳±16.24歳でした。障害耳の平均聴覚閾値は95.18±24.36 dB HLであったのに対し、対側耳の平均聴閾値は7.32 ±10.24 dB HLでした。平均して、SSDグループはNHグループよりも年長でした。

ディスカッション

提案された局在システムの性能を文脈に置くため、本研究で観察された局在誤差を、以前の自由場局在在研究で報告された値と関連付けて検証しました。研究間の直接的な定量比較は、実験構成、刺激パラメータ、応答方法の違いによって本質的に制限されますが、以前の研究では、広帯域ノイズ条件下でのNHリスナーにおける水平音の局在性能は、さまざまな実験パラダイムにおいてほぼ同等の桁違いに収まることが報告されています².過去の自由場研究では、NHリスナーの局在誤差は約10°まで数度の範囲で報告されており、より広い水平範囲や粗い空間サンプリング区間^を用いる場合、より大きな誤差が^3,11,12で観察されました。本研究では、NH参加者は30°の空間サンプリングで±90°の水平範囲で平均RMSEが7.82°(±3.50°)を示しました。実験装置は以前の研究で用いられたもの...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
カスタム音源ローカライゼーションテストソフトウェア	社内で開発	該当なし	自動刺激提示、試験シーケンス、タッチスクリーンベースの応答収集、RMSE、MAE、ローカライゼーションバイアスの自動計算に使用されたカスタム開発ソフトウェア(Pythonベースバージョン3.14.2)。
Rソフトウェア	R統計計算財団	該当なし	事後データ可視化および図表示に用いられる統計計算環境(バージョン4.4.2)
RME Fireface UFX+オーディオインターフェース	RME	ファイアフェイス UFX+	刺激再生およびレベルキャリブレーションに使用されるマルチチャンネルASIO互換サウンドカード。個々のスピーカーの出力レベルはインターフェースレベルで調整されました。
Genelec 8010A スピーカー	ジェネレック	8010A	自由場の音の定位試験に使われるフルレンジスピーカー。すべてのスピーカーは同一モデルで、方位角間での一貫した音響出力を確保していました。
カスタム半円形スピーカーラック	社内製造	該当なし	半径3000mm、高さ1050mm、7つのスピーカーを等角間隔(30°)で搭載する設計。
高さ調整可能なチェア	社内製造	該当なし	テスト中に安定したヘッドポジションを維持するための触覚フィードバックを提供するカスタムメイドの高さ調整可能なヘッドレストチェア。
Windowsベースのパーソナルコンピュータ	ASUS	PN64	刺激提示、試験管理、データ取得に使用されるミニPC(Intel Core i5-13500H)
バランスオーディオケーブル	最上	W2594	低静電容量のバランスオーディオケーブル、スピーカーとオーディオインターフェースの接続に使用されます
騒音計	ブラウムル;エル&Kjær	2250型	スピーカー出力のキャリブレーションに使用されます。クラス1精密計測器(IEC 61672-1)
自由フィールドマイク	ブラウムル;エル&Kjær	4189式	½インチのプリ偏波自由フィールドマイク、Type 2250対応、正確なSPL測定に使用されます。
タッチスクリーンモニター	ジュヨン	キャリービューB	参加者の回答収集用のタッチスクリーンモニター。
防音室	ソンテック(カスタムメイド、韓国)	該当なし	外部:4050 &2450 および2575 mm(Wと時間;D & times;H);内部:3800 & times;2200年以降;2100 mm、自由フィールド試験のための騒音隔離環境を提供するよう設計