Een geautomatiseerd systeem voor geluidslokalisatietests bij gehoorgerelateerde luisteraars

Samenvatting

Dit protocol introduceert een geautomatiseerd geluidslokalisatietestsysteem met precieze luidsprekerplaatsing en geïntegreerde responsanalyse, gevalideerd bij deelnemers met normaal horen en deelnemers met enkelzijdige doofheid. Het biedt een reproduceerbare methode om ruimtelijk gehoor te beoordelen en ondersteunt functionele classificatie volgens het International Classification of Functioning, Disability and Health (ICF) kader.

Samenvatting

Geluidslokalisatie is een fundamenteel onderdeel van auditieve waarneming, maar de klinische beoordeling ervan blijft technisch veeleisend. Hoewel vrije-veld lokalisatietests met halfronde luidsprekerarrays als de gouden standaard worden beschouwd, vertrouwen veel bestaande protocollen op door de examinator gestuurde procedures en bieden ze beperkte richtlijnen voor de functionele interpretatie van lokalisatiefouten.

Een geautomatiseerd geluidslokalisatieprotocol dat gestandaardiseerde stimuluslevering en responsacquisitie combineert met een functioneel georiënteerd interpretatief kader wordt gepresenteerd. Stimuli worden gepresenteerd vanuit vooraf gedefinieerde azimutale posities onder gecontroleerde omstandigheden, de antwoorden van deelnemers worden verzameld via een grafische interface en lokalisatieprestatie-metrics worden automatisch berekend na afronding van de test. Belangrijk is dat kwantitatieve lokalisatiefouten vervolgens worden vertaald naar klinisch betekenisvolle categorieën met behulp van het International Classification of Functioning, Disability and Health (ICF)-gebaseerde classificatiekader.

Het protocol werd toegepast bij 34 volwassenen, waaronder 20 met normaal gehoor en 14 met enkelzijdige doofheid (SSD). Deelnemers werden getest onder gestandaardiseerde omstandigheden en hun prestaties werden gekwantificeerd met behulp van de root mean square error (RMSE) en mean absolute error (MAE). Uitkomsten werden functioneel geclassificeerd volgens het ICF-kader. Luisteraars met normaal gehoor vertoonden consequent lage lokalisatiefouten die overeenkwamen met geen of milde stoornis, terwijl de SSD-groep grotere hoekfouten en hogere door ICF gedefinieerde stoorniveaus vertoonde.

Door een geautomatiseerd lokalisatieprotocol te integreren met een op ICF gebaseerde interpretatieschaal, faciliteert deze aanpak reproduceerbare beoordeling van horizontale geluidslokalisatie, terwijl klinisch relevante interpretatie van ruimtelijke gehoortekorten mogelijk is. Het voorgestelde kader ondersteunt onderzoekeronafhankelijke tests en kan worden toegepast in klinische en onderzoeksomgevingen om lokalisatieprestaties tussen luistergroepen en interventies te karakteriseren.

Inleiding

Gehoorverlies wordt doorgaans gekwantificeerd met pure-tone audiometrie, die een eenvoudige maat biedt voor auditieve drempels en clinici in staat stelt de ernst van de beperking te classificeren en bijbehorende moeilijkheden in het dagelijks leven te voorspellen. De achteruitgang van het vermogen tot geluidslokalisatie, een functioneel gevolg van gehoorverlies, kan echter niet zo gemakkelijk worden vastgelegd ¹. In tegenstelling tot drempeltesten vereist lokalisatie de integratie van binaurale signalen en is het veel moeilijker objectief te beoordelen of te classificeren op basis van functionele beperking.

Conventionele vrije-veld lokalisatietests worden al lange tijd beschouwd als de gouden standaard, maar ze vertonen verschillende beperkingen. Nauwkeurige plaatsing van ten minste zeven luidsprekers in een halfronde opstelling (-90° tot 90°) is nodig om betrouwbare tests ^{te garanderen 2}. De vereisten, waaronder nauwkeurige ruimtelijke kalibratie en de noodzaak om meerdere luidsprekers gelijktijdig te bedienen, kunnen de opstelling technisch veeleisend maken. Daarnaast zijn geluidslokalisatieprocedures traditioneel afhankelijk geweest van aanzienlijke betrokkenheid van onderzoekers in meerdere testfasen, waaronder stimuluslevering, responsmonitoring en resultaatregistratie ^3,4. Hoewel in recentere studies verschillende graden van automatisering zijn geïntroduceerd, is toezicht van de examinator of handmatige interventie doorgaans nog steeds vereist vanaf teststart tot voltooiing ^5,6. Als gevolg hiervan kunnen lokalisatie-uitkomsten worden beïnvloed door factoren die afhankelijk zijn van de examinator en locatie-specifieke implementatie, wat leidt tot variabiliteit in testuitvoering en een beperking van standaardisatie tussen instellingen. Deze uitdagingen worden verder verergerd bij pediatrische populaties, waar het behouden van aandacht en naleving tijdens langdurige testsessies bijzonder moeilijk kan zijn⁵. Gezamenlijk introduceren deze factoren variabiliteit tussen onderzoekers en locaties, wat kruisvergelijkingen bemoeilijkt en de standaardisatie van degelijke lokalisatieprotocollen^{beperkt 1,7}.

Om deze uitdagingen aan te pakken, is een geautomatiseerd en gestandaardiseerd systeem nodig dat efficiënte, examinatoronafhankelijke degelijke lokalisatietests mogelijk maakt. Zo'n systeem zou niet alleen de testprocedure stroomlijnen, maar ook de reproduceerbaarheid verbeteren in klinische en onderzoeksomgevingen. Bovendien kan, naast het kwantificeren van hoekfouten of bias, het vertalen van lokalisatieprestaties naar functionele categorieën meer klinisch betekenisvolle interpretaties ondersteunen.

In dit werk presenteren we een geïntegreerde benadering voor een geautomatiseerd geluidslokalisatietestsysteem en demonstreren we de toepassing ervan met behulp van de International Classification of Functioning, Disability and Health (ICF) classificatieschaal ¹. Deze aanpak pakt de praktische beperkingen van traditionele methoden aan en biedt een gestandaardiseerd, functiegericht kader voor het evalueren van het lokalisatievermogen bij mensen met gehoorverlies. Het voorgestelde systeem is bedoeld voor gebruik in gecontroleerde klinische en onderzoeksomgevingen waar gestandaardiseerde beoordeling van horizontale geluidslokalisatie vereist is. Het huidige protocol richt zich op azimutale lokalisatie onder vaste hoofdpositiecondities en behandelt verticale lokalisatie of dynamische luisterscenario's met hoofdbeweging niet. Deze beperkingen zijn inherent aan het doel om overbodige aanwijzingen te minimaliseren en te zorgen voor reproduceerbare beoordeling tussen examinatoren en testsessies.

Protocol

Het studieprotocol werd beoordeeld en goedgekeurd door de Institutional Review Board van het Hallym University Sacred Heart Hospital (goedkeuringsnummer: HALLYM 2023-07-015-001). Alle deelnemers gaven schriftelijke geïnformeerde toestemming vóór de deelname.

1. Instrumenten

OPMERKING: Tijdens het testen bleef het achtergrondgeluidsniveau in de cabine onder ongeveer 35 dBA, zodat externe ruis de geluidslokalisatie niet verstoorde.

Een geluidsdichte cabine (interne afmetingen van ongeveer 3.800 × 2.200 × 2.100 mm) bood een gecontroleerde vrije luisteromgeving met minimale omgevingsgeluiden. Een halfronde luidsprekerrek met een straal van 3.000 mm werd in de cabine geïnstalleerd. Zeven luidsprekers waren gemonteerd met 30° tussenpozen van −90° tot +90° azimut, en alle luidsprekers waren op dezelfde hoogte geplaatst (hoofdhoogte bij zit; ongeveer 1.050 mm) en op gelijke afstand van het hoofd van de deelnemer (Figuur 1). De luidsprekers waren aangesloten op een multikanaals audio-interface met gebalanceerde, afgeschermde XLR-audiokabels.

OPMERKING: Bij het aansluiten van meerdere luidsprekers op een personal computer buiten de geluidsdichte cabine, werd er een aan de muur gemonteerde kabelpaneel of feedthrough op de cabinemuur geïnstalleerd. Dit zorgde voor stabiele kabelverbindingen tussen het interieur en de buitenkant van de cabine, terwijl de akoestische isolatie behouden bleef en kabelrommel werd geminimaliseerd.
De presentatie van stimulus en gegevensverzameling werden geregeld met een Windows-gebaseerde personal computer met speciaal ontwikkelde software (Figuur 2; zie Materiaaltabel). Een in hoogte verstelbare stoel met hoofdsteun werd voorbereid om de hoofdpositie van de deelnemer tijdens stimuluspresentatie te stabiliseren. Een op maat gemaakte stoel met verstelbare zithoogte en hoofdsteun werd gebruikt om individuele deelnemers te kunnen verschaffen aan antropometrie. De hoofdsteun gaf tastbare feedback om deelnemers te helpen een consistente naar voren gerichte hoofdoriëntatie te behouden tijdens stimuluspresentatie.

OPMERKING: De aangepaste software is intern ontwikkeld om geautomatiseerde geluidslokalisatietests te ondersteunen. Zodra de test was gestart, controleerde de software de stimuluspresentatie en trialsequencing, verzamelde deelnemers antwoorden via een touchscreen-interface en berekende automatisch lokalisatieprestatie-indicatoren, waaronder root mean square error (RMSE), mean absolute error (MAE) en localization bias na afloop van de test.

Figuur 1. Luidsprekerarray voor de horizontale geluidslokalisatietest Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2. Schema van het experimentele systeem. Het systeem bestond uit een personal computer die was aangesloten op een audio-interface, die signalen naar een eindversterker en vervolgens naar de luidsprekerarray stuurde. Een geluidsniveaumeter werd gebruikt voor kalibratie om consistente uitgangsniveaus over alle luidsprekers te garanderen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

2. Setup01

Voordat de test werd gestart, werd een kalibratieprocedure uitgevoerd om consistente geluidsweergaveniveaus op alle testluidsprekers te garanderen. Een breedbandruisstimulus die root mean square (RMS) was gekoppeld aan de teststimuli, werd sequentieel gepresenteerd vanaf elke luidspreker. Een klasse 1 precisie-geluidsniveaumeter uitgerust met een vrijveldmicrofoon werd op een statief op hoofdhoogte (ongeveer 1.050 mm) geplaatst op de positie van de deelnemer. Het equivalente continue geluidsniveau (LZeq; Z-gewogen geluidsdrukniveau) van elke luidspreker werd gemeten, en de uitgangsniveaus werden aangepast zodat de gemeten LZeq ongeveer 60 dB SPL (±0,5 dB) was over alle luidsprekers.

OPMERKING: Er werd het geluidsuitgangsniveau aangepast op het audio-interfaceniveau om consistente kalibratie tussen luidsprekers te garanderen. De aangepaste software bevatte geen niveaucontrolefuncties en werd uitsluitend gebruikt voor stimuluspresentatie, proefcontrole, responsverzameling en het berekenen van lokalisatiemetriek.

3. Experimenteren

De deelnemer zat op de op maat gemaakte stoel zodat het hoofd uitgelijnd was met de frontale luidspreker (0° azimut, de centrale positie van de halfronde array) en in het midden van de halfronde luidsprekerarray werd geplaatst. De hoofdsteun werd zo versteld dat deze stevig tegen de occipitale uitstulping past, en de deelnemer kreeg de instructie om gedurende de hele test contact met de hoofdsteun te houden. Een touchpad werd direct voor de deelnemer geplaatst om antwoorden vast te leggen, en instructies voor het gebruik ervan werden gegeven.

OPMERKING: Een verkeerde plaatsing aan het begin van de test kan de effectieve luidsprekerhoeken beïnvloeden en de meetnauwkeurigheid verminderen. De hoofdsteun gaf tastbare feedback, waardoor deelnemers konden monitoren of het hoofd correct gepositioneerd blijft. Het responsapparaat mag niet fungeren als een visuele of audiobarrière en het touchpad mag de directe zichtlijn tussen de deelnemer en de centrale luidspreker niet blokkeren.

De deelnemeridentificatiecode en het proefnummer werden ingevoerd, en de status van het gehoorapparaat (cochleair implantaat, hoortoestel of geen gehoorapparaat) werd geselecteerd via de grafische gebruikersinterface (GUI). De vertrouwdheidssequentie werd gestart. Op de GUI werd de knop Vertrouwdheid geselecteerd om de vertrouwdheidsvolgorde te starten. De deelnemer kreeg de instructie om gedurende de hele sequentie op de centrale luidspreker te blijven kijken. Tijdens de vertrouwdheidssequentie presenteerde het systeem automatisch auditieve prikkels sequentieel van elke luidspreker.

OPMERKING: De deelnemer kreeg de instructie om het hoofd naar voren te richten en tijdens deze stap te vermijden om naar de geluidsbron te draaien. De geluidslokalisatietest gebruikte breedbandruisstimuli (20-20.000 Hz) die in twee spectrale vormen werden gegenereerd en werden gepresenteerd bij drie intensiteitsniveaus (55, 60 en 65 dB HL). Alle stimuli hadden een duur van 500 ms met 5 ms in- en offset-ramps, wat consistent is met de gevestigde lokalisatieprotocollen ^1,2. In totaal werden zes unieke stimuli één keer gepresenteerd uit elk van de zeven luidsprekers in gerandomiseerde volgorde, wat resulteerde in 42 onderzoeken per deelnemer.

Figuur 3. Luidspreker-map-interface gebruikt voor deelnemers antwoorden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Op de GUI werd de Pre-testknop geselecteerd om de pre-testmodus te activeren. De deelnemer kreeg de instructie om naar de frontale luidspreker te kijken en op de Startknop op het touchpad te drukken wanneer hij klaar was, terwijl hij een voorwaartse hoofdhouding behield. Bij het indrukken van de Startknop toonde het systeem het eerste testgeluid van een van de luidsprekers. Na de geluidspresentatie schakelde het touchpad-display over naar een luidsprekerkaart, waarop de deelnemer de waargenomen locatie van de geluidsbron selecteerde (Figuur 3).

Na elke reactie gaf het systeem directe feedback. Voor correcte antwoorden werd een bevestigingsbericht weergegeven voordat de voortgang naar de volgende proef werd toegestaan. Bij onjuiste antwoorden werd de juiste locatie van de luidspreker op de kaart gemarkeerd en werd het geluid drie keer afgespeeld vanaf die luidspreker. De pre-test bestond uit drie proeven en werd automatisch beëindigd door het systeem na voltooiing van de derde proef.

OPMERKING: De deelnemer werd gemonitord om te waarborgen dat het hoofd tijdens de feedbacksequentie naar de frontale luidspreker gericht bleef, omdat het draaien van het hoofd de nauwkeurige waarneming van ruimtelijke signalen verstoorde. Omdat individuele proeven niet binnen de geautomatiseerde sequentie konden worden herhaald, veroorzaakte elke keer dat de deelnemer duidelijk niet de vereiste voorste koppositie aanhield, een sessieherstart in plaats van een herhaling op proefniveau. Deze herstartte sessies werden niet meegenomen in de eindanalyse. Het aantal pre-test proeven was vooraf gedefinieerd in het systeem (beperkt tot drie proeven) en kon niet worden aangepast door de onderzoeker ^8,9.

Na voltooiing van de pre-test werd op de hoofdtestknop geklikt om de hoofdtestreeks te starten. De deelnemer drukte op de Startknop op het touchpad om de presentatie van een geluid uit een van de luidsprekers te activeren. Na de geluidspresentatie schakelde het touchpad-display over naar een luidsprekerkaart, waarop de deelnemer de waargenomen geluidslocatie selecteerde. Na elke reactie toonde het systeem de Volgende-knop . De deelnemer mocht extra tijd nemen voordat hij op de Next-knop drukte om te rusten en de juiste hoofdoriëntatie te controleren voordat de volgende proef werd gestart. Het systeem ging automatisch door het vooraf gedefinieerde aantal proeven, herhaalde de proefreeks en ging door tot de hoofdtest was afgerond.

OPMERKING: Er werd benadrukt dat het hoofd gedurende de hele test naar de frontale luidspreker gericht bleef. Deze positie zorgde voor een consistente waarneming van ruimtelijke aanwijzingen en voorkwam bias door onbedoelde hoofdbewegingen. Nadat de stimulus was afgelopen, mochten deelnemers hun hoofd draaien om de waargenomen luidspreker visueel te identificeren en selecteren. Voordat de volgende proef begon, keerden ze echter terug naar de oorspronkelijke frontale positie om ervoor te zorgen dat alle volgende prikkels onder dezelfde gestandaardiseerde voorwaarde werden waargenomen. Hoewel het systeem geen geïntegreerde headtracking bevatte, hield de onderzoeker visueel de hoofdoriëntatie gedurende de test in de gaten om ervoor te zorgen dat de deelnemers de vereiste voorwaartse positie behielden vóór elke stimulus.

Aan het einde van de test beëindigde het systeem automatisch de sessie en genereerde een logbestand. Het logboek bevatte gegevens van elke proef, inclusief de gepresenteerde stimulus, de richting van de geluidsbron en de respons van de deelnemer. Op basis van deze antwoorden berekende het systeem de RMSE, MAE en responsbias, die samen met het proeflogboek werden opgeslagen voor latere analyse.

OPMERKING: Het logbestand werd correct opgeslagen na de sessie, omdat het zowel de ruwe responsgegevens als de berekende prestatie-indicatoren bevatte die nodig zijn voor verdere analyse.

4. Gegevensverwerking en -analyse

Na voltooiing van de geluidslokalisatietest berekende het systeem automatisch de RMSE, MAE en responsbias voor elke deelnemer op basis van de opgenomen trialreacties. Voor visualisatie en figuurvoorbereiding werden de geëxporteerde gegevens vervolgens verwerkt met behulp van op maat ontwikkelde scripts.

Om een klinisch betekenisvolle interpretatie van de prestaties van een gezonde lokalisatie te vergemakkelijken, werden lokalisatiefoutmetrics bovendien gecategoriseerd met behulp van een International Classification of Functioning, Disability and Health (ICF)-gebaseerd kader. Deze benadering werd aangenomen op basis van een eerder voorgesteld consensusclassificatiesysteem voor horizontale geluidslokalisatie, dat kwantitatieve lokalisatiefouten koppelde aan gegradueerde niveaus van functionele beperking¹. In dit kader werd de lokalisatieprestatie ingedeeld in vijf categorieën – nee, mild, matig, ernstig en volledig beperkt – op basis van de verdeling van lokalisatiefouten in een referentiegroep voor normaal horen (NH) en het kansniveau dat hoort bij de specifieke testopstelling. Belangrijk is dat deze classificatie conventionele foutmetingen (bijv. RMSE of MAE) niet verving, maar diende als een interpretatieve laag die numerieke prestatiematen vertaalde naar functioneel relevante categorieën. De op ICF gebaseerde classificatie werd post hoc toegepast op de lokalisatieresultaten die in de huidige studie werden verkregen, om gestandaardiseerde interpretatie te ondersteunen en de vergelijking tussen deelnemers en luistergroepen te vergemakkelijken.

Resultaten

In totaal werden 34 deelnemers aan deze studie deelgenomen, met 20 volwassenen met normaal gehoor (NH) en 14 volwassenen met enkelzijdige doofheid (SSD), gedefinieerd als ernstig tot diep gehoorverlies in het beperkte oor (> 70 dB HL) en een contralateraal oor met een zuiver toongemiddelde ≤30 dB HL tot 4.000 Hz, volgens een definitie van SSD vastgesteld via internationale consensus^{2, 10}. De NH-groep bestond uit 12 mannen en 8 vr...

Discussie

Om de prestaties van het voorgestelde lokalisatiesysteem in context te plaatsen, werden de in deze studie waargenomen lokalisatiefouten onderzocht in relatie tot waarden die in eerdere vrije-veld lokalisatiestudies zijn gerapporteerd. Hoewel directe kwantitatieve vergelijkingen tussen studies inherent worden beperkt door verschillen in experimentele configuraties, stimulusparameters en responsmethoden, heeft eerder onderzoek gerapporteerd dat de horizontale geluidslokalisatieprestaties b...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Custom sound localization testing software	In-house ontwikkeld	N/A	Op maat ontwikkelde software (Python-gebaseerd, versie 3.14.2) gebruikt voor geautomatiseerde stimuluspresentatie, proefsequentie, responsverzameling via touchscreen en automatische berekening van RMSE, MAE en lokalisatiebias.
R software	R Foundation for Statistical Computing	N/A	Statistisch computingomgeving gebruikt voor post hoc datavisualisatie en figuurgeneratie (versie 4.4.2)
RME Fireface UFX+ audio-interface	RME	Fireface UFX+	Meerkanaals ASIO-compatibele geluidskaart gebruikt voor stimulusafspeling en niveaukalibratie. Outputniveaus van individuele luidsprekers werden aangepast op het interfaceniveau.
Genelec 8010A luidsprekers	Genelec	8010A	Full-range luidsprekers gebruikt voor free-field geluidslokalisatietests. Alle luidsprekers waren identieke modellen om consistente akoestische output te garanderen over alle azimutale posities.
Aangepaste halfronde luidsprekerrek	In-house fabricage	N/A	Radius 3000 mm, hoogte 1050 mm, ontworpen om 7 luidsprekers te monteren met gelijke hoekafstand (30°)
In hoogte verstelbare stoel	In-house fabricage	N/A	Op maat gemaakte, in hoogte verstelbare stoel met verstelbare hoofdsteun gebruikt om tactiele feedback te geven voor het handhaven van een stabiele hoofdpositie tijdens testen.
Windows-gebaseerde personal computer	ASUS	PN64	Mini-PC (Intel Core i5-13500H) gebruikt voor stimuluspresentatie, proefcontrole en data-acquisitie
Gebalanceerde audiokabel	Mogami	W2594	Laag-capacitieve gebalanceerde audiokabel, gebruikt voor het aansluiten van luidsprekers op de audio-interface
Geluidsniveaumeter	Brüel & Kjær	Type 2250	Gebaat voor kalibratie van luidsprekeroutput; Klasse 1 precisie-instrument (IEC 61672-1)
Free-field microfoon	Brüel & Kjær	Type 4189	½-inch voorgepolariseerde free-field microfoon, compatibel met Type 2250, gebruikt voor nauwkeurige SPL-meting.
Touchscreen-monitor	Jooyon	Carry view B	Touchscreen-monitor voor responsverzameling van deelnemers.
Geluiddichte ruimte	Sontek (op maat gemaakt, Korea)	N/A	Extern: 4050 × 2450 × 2575 mm (B × D × H); Intern: 3800 × 2200 × 2100 mm, ontworpen om een geluidsgeïsoleerde omgeving te bieden voor free-field-tests