Die Erfindung betrifft ein programmierbares Hörgerät mit einem in seinen Übertragungseigenschaften zwischen Mikrofon und Hörer auf verschiedene Übertragungscharakteristika einstellbaren Verstärker- und Übertragungsteil.
Aus der WO 91-08654 ist ein programmierbares Hörgerät mit einem in seinen Übertragungseigenschaften zwischen Mikrofon und Hörer auf verschiedene Übertragungscharakteristika einstellbaren Verstärker- und Übertragungsteil bekannt. Mehrere unterschiedliche Übertragungsfunktionen sind in einem Speicher einer Steuereinheit hinterlegt und können von einem Benutzer ausgewählt werden zur Anpassung des Hörgerätes an eine akustische Umgebung.
Aus der EP 0 540 168 A2 ist ein Simulator bekannt, bei dem Eigenschaften eines zu regelnden Gerätes, z.B. zur Wasserversorgung, modelliert werden. Der Simulator umfasst ein neuronales Netz, welches in Bezug auf einen realen Regelungsparameter des simulierten Gerätes lernfähig ist. Dadurch wird die Qualität der Simulation des realen Gerätes verbessert.
Aus der US 5,101,361 ist eine analoge Hardware eines lernfähigen neuronalen Netzwerks bekannt, bei dem eine Anzahl programmierbarer Widerstands-Speicherelemente als synaptische Verbindungselemente dienen, die einen einstellbaren, gewichteten Pfad zwischen den Neuronen bilden. Die Patentschrift offenbart eine Implementierung des Delta-Backpropagation-Algorithmus in analoger VLSI-Technologie.
Aus der US 5,253,300 ist ein solar betriebenes Batterieladegerät für wiederaufladbare Hörgeräte-Batterien bekannt. Durch Kontakte am Ladegerät und am Gehäuse des Hörgerätes ist ein Wiederaufladen ohne Entnahme der Batterien aus dem Hörgeräte-Gehäuse möglich. Eine Ausführungsform des Ladegerätes umfasst eine den Ladezustand der Batterie überwachende Einrichtung.
In ELEKTRONIK, Bd. 41, Nr. 2, 21. Januar 1992 GERMANY, Seiten 100-101, G. Trautzl "NEURONALE NETZE UNTERSTÜTZEN FUZZY LOGIK TOOL" wird eine Datenverarbeitungsanlage beschrieben, durch die mit Hilfe neuronaler Netze automatisch Fuzzy-Logik-Regeln generiert werden können. Es erfolgt somit eine Verknüpfung verschiedener künstlicher Intelligenzen.
Bei einem aus der EP-A-0 064 042 bekannten Hörgerät sind in einem Hörgerätespeicher acht Parametersätze für unterschiedliche Übertragungscharakteristika für verschiedene Umgebungssituationen abgespeichert. Durch Betätigen eines Schalters können nacheinander die verschiedenen Parametersätze für die acht gespeicherten Programme abgerufen werden. Eine Steuereinheit steuert einen zwischen Mikrofon und Hörer eingeschalteten Signalprozessor, der dann eine erste, für eine vorgesehene Umgebungssituation bestimmte Übertragungsfunktion einstellt. Über den Schalter können jedoch die gespeicherten Signalübertragungsprogramme nur nacheinander abgerufen werden, bis nach Meinung des Hörgeräteträgers die gerade zur gegebenen Umgebungssituation passende Übertragungsfunktion gefunden ist. Andererseits soll nach der EP-B-0 064 042 auch ein automatisches Umschalten auf eine andere Übertragungsfunktion vorgesehen sein, wenn der Benutzer z.B. von einer geräuschvollen Umgebung in eine ruhige Umgebung kommt oder umgekehrt. Ohne daß für die automatische Umschaltung eine Lösung angegeben ist, soll diese Umschaltung wie die manuelle Umschaltung zyklisch erfolgen. Möchte man andere als die gespeicherten Übertragungsfunktionen einstellen, dann muß der nicht flüchtige Speicher durch eine externe Programmiereinheit gelöscht und durch diese erneut programmiert werden. Auf diese Weise ist auch eine Anpassung des programmierbaren Hörgerätes an eine sich ändernde Gehörschädigung möglich.
In dem bekannten programmierbaren Hörgerät werden demnach im allgemeinen mehrere vom Benutzer wählbare Parametersätze, sogenannte Hörsituationen, abgespeichert. Jeder dieser Parametersätze stellt die sinnvoll aufeinander abgestimmte Einstellung aller Signalverarbeitungsparameter für eine bestimmte akustische Situation dar, z.B. in Ruhe, d.h. ohne störende Hintergrundgeräusche oder Gesprächssituation mit tieffrequentem Störgeräusch usw. Der Hörgeräteträger wählt die jeweils gewünschte Situation durch Betätigen einer Taste am Hörgerät aus.
Wünschenswert ist nun eine weitgehend automatische Auswahl der jeweils nötigen Hörsituation oder das automatische Einstellen einzelner Signalverarbeitungsparameter durch Auswertung des Signals nach vorzugebenden Regeln.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Hörgerät zu schaffen, das sich durch ein Regelungssystem auszeichnet, das die gewünschte automatische oder weitgehend automatische, von Eingangs- oder Meßsignalen abhängige Anpassung ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem programmierbaren Hörgerät der eingangs genannten Art gelöst durch eine dem Signalpfad vom Mikrofon zum Hörer nebengeordnete neuronale Struktur, der ein Datenträger zugeordnet ist, wobei aus dem Signalpfad aus einer oder mehreren Abgriffstellen Signale abgegriffen und einem Modul zur Signalaufbereitung zugeführt werden und wobei die aufbereiteten Signale der neuronalen Struktur zuführbar sind, welche Steuersignale erzeugt zur automatischen signalabhängigen Auswahl von im Datenspeicher abgelegten Hörsituationen.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung bildet die neuronale Struktur einen Controller zur automatischen signalabhängigen Auswahl von im Datenspeicher abgelegten Hörsituationen. Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Hörgerätes ist damit ein Controller, basierend auf dem Prinzip der neuronalen Strukturen, zur automatischen signalabhängigen Auswahl von Hörsituationen oder zur Einstellung von einzelnen Signalverarbeitungsparametern im Hörgerät. Dieses Grundprinzip erlaubt es, eine beliebiges Auswahlverhalten einzustellen. Für die schaltungstechnische Realisierung des Prinzips der neuronalen Strukturen bietet sich die analoge Schaltungstechnik an.
Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind durch die Patentansprüche gekennzeichnet.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
Das in Figur 1 schematisch dargestellte erfindungsgemäße Hörgerät 1 nimmt über ein Mikrofon 2 Schallsignale auf. Diese akustische Information wird im Mikrofon in elektrische Signale umgesetzt. Nach einer Signalbearbeitung in einem Verstärkungs- und Übertragungsteil 4 wird das elektrische Signal einem Hörer 3 als Ausgangswandler zugeführt.
Um ein zusätzliches Mikrofon oder einen sonstigen Sensor zu erübrigen, werden aus dem Signalpfad des Hörgerätes 1 zwischen seinem Mikrofon 2 und seinem Hörer 3 an bestimmten, gewünschten Abgriffstellen 7 Signale 8 abgegriffen. Diese Signale 8 werden einer im Hörgerät zum Signalpfad nebengeordneten neuronalen Struktur 5 zugeführt. Dabei gelangen die Signale 8 zuerst zu einem Modul 9 zur Signalaufbereitung und von dessen Ausgängen werden aufbereitete Signale 10, 10', 10'' der neuronalen Struktur 5 zugeführt. Der neuronalen Struktur 5 ist ein Datenträger 6 zugeordnet, in dem Konfigurationsinformation der neuronalen Struktur abgespeichert ist. Unter Berücksichtigung der Konfigurationsinformation des Datenträgers 6 erzeugt die neuronale Struktur 5 aus den aufbereiteten Signalen 10, 10', 10'' Steuersignale 11, welche dem Verstärker- und Übertragungsteil 4 zur Anpassung seiner Übertragungscharakteristika zuführbar sind. Dabei können diese Steuersignale 11 zur Auswahl von in einem dem Signalpfad des Hörgerätes zugeordneten Datenspeicher 12 gespeicherte Parameter des Verstärker- und Übertragungsteils dienen oder zur Veränderung der Verstärker- und Übertragungscharakteristik an das Verstärker- und Übertragungsteil 4 abgegeben werden.
Wie auch Figur 2 zur Struktur eines Controllers zeigt, werden aus dem Signalpfad des Hörgerätes an allen relevanten Punkten bzw. Abgriffstellen 7 Signale abgegriffen und in geeigneter Weise aufbereitet. Diese aufbereiteten Signale sowie eventuelle weitere Systeminformationen, z.B. ob Mikrofon- oder Telefonbetrieb gewünscht ist, werden dem Block "Neuronale Struktur" zugeführt. Die Ausgänge des Controllers sind Signale, welche die Einstellung der Hörsituationen bewirken oder die Einstellgrößen einzelner Signalverarbeitungsparameter repräsentieren. Dabei muß das Verhalten des Controllers nicht notwendigerweise unveränderlich (also durch die Hardware-Struktur vollständig beschrieben) sein, sondern kann konfigurierbar sein (z.B. durch Programmierung). In einem Speicher im Hörgerät kann Konfigurationsinformation des Controllers abgespeichert sein.
Nach einer ersten Ausführung bildet danach die neuronale Struktur 5 zusammen mit dem Modul 9 zur Aufbereitung der Signale und dem Datenträger 6 einen Controller zur automatischen signalabhängigen Auswahl von im Datenspeicher 12 abgelegten Hörsituationen.
Nach einer zweiten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die neuronale Struktur 5 einen Controller zur automatischen Einstellung einzelner Signalverarbeitungsparameter des Verstärker- und Übertragungsteils 4 bildet.
In weiterer Ausbildung des Hörgerätes nach der Erfindung sind Mittel 13 zur Erfassung von Systemzuständen des Hörgerätes 1 vorgesehen, deren Ausgangssignale 14 dem Modul 9 zur Signalaufbereitung und/oder der neuronalen Struktur 5 zuführbar sind, wobei diese Ausgangssignale bei der Erzeugung der Steuersignale 11 berücksichtigbar sind.
Als Mittel 13 zur Erfassung von Systemzuständen des Hörgerätes 1 können vom Hörgeräteträger betätigbare Steuerelemente, wie Schalter, Taster, Potentiometer od.dgl., vorgesehen sein. Danach kann das Hörgerät z.B. mit einem Situationsumschalter ausgerüstet sein, der es dem Hörgeräteträger - wie eingangs zur EP-B-0 064 042 beschrieben - ermöglicht, eine seiner Meinung nach zur gegebenen Umgebungssituation passende gespeicherte Übertragungsfunktion zu wählen. Andererseits kann das Hörgerät z.B. einen Schalter zum Umschalten von Mikrofonbetrieb auf Telefonspulenbetrieb aufweisen. Des weiteren besitzt das Hörgerät regelmäßig einen Lautstärkeregler, mit dem der Hörbehinderte die Lautstärke beeinflußt.
Schließlich kann sich das Hörgerät noch dadurch auszeichnen, daß zusätzlich als Mittel zur Erfassung von Systemzuständen des Hörgerätes 1 eine den Ladezustand der nicht dargestellten Hörgerätebatterie überwachende Einrichtung 15 vorgesehen ist. Danach ist es möglich, daß der jeweilige Ladezustand der Hörgerätebatterie ebenfalls Berücksichtigung bei der Erzeugung der Ausgangssignale 11 der neuronalen Struktur 5 bzw. des Controllers findet, die für einzelnen Hörsituationen und/oder Signalverarbeitungsparameter mit bestimmbar sind.
Bei den bekannten sogenannten Mehrkanalgeräten, d.h. bei Hörgeräten mit mehreren Frequenzkanälen, werden nach der Erfindung die Signale 8 aus den von den einzelnen Kanälen gebildeten Signalpfaden abgegriffen. Wie in Figur 3 gezeigt ist, werden die Signale 8 aus den Signalpfaden und die Ausgangssignale 14 der Mittel 13, 13' zur Erfassung von Systemzuständen des Hörgerätes z.B. durch Gleichrichtung, Bildung geeigneter zeitlicher Mittelwerte sowie.eventuell von deren Ableitungen aufbereitet. In der Signalaufbereitung - Modul 9 - werden aus wenigstens einer Eingangsgröße, z.B. Signale 8, 14, durch eine Komponente 16 zur Gleichrichtung und/oder eine Komponente 17 zur Mittelwertbildung (Bildung eines zeitlichen Mittelwertes) und/oder eine Komponente 18 zur zeitlichen Ableitung (Ableitungsblock d/dt) aus den Signalen 8, 14 aufbereitete Signale 10, 10', 10'' gewonnen, die der neuronalen Struktur 5 zugeführt werden. Gleichermaßen können die Signale 14 auch direkt der neuronalen Struktur zugeführt werden (Figur 2).
Anhand der Figuren 4-10 werden Beispiele zur Realisierung der neuronalen Struktur beschrieben.
Neuronale Strukturen bestehen aus vielen gleichartigen Elementen bzw. Neuronen 19. Die Funktion der neuronalen Struktur als Ganzes hängt im wesentlichen von der Art der Verschaltung dieser Neuronen untereinander ab.
Figur 4 zeigt das Blockschaltbild eines einzelnen Neurons 19. Das Neuron erzeugt das Ausgangssignal aj(t+ΔT) zum Zeitpunkt t+ΔT aus theoretisch beliebig vielen Eingangssignalen ei(t) zum Zeitpunkt t. Seine Funktion läßt sich in drei Grundfunktionen zerlegen:
Nach Figur 5a stellt der Verlauf der Ausgabefunktion W eine Sprungfunktion am Schwellenwert s dar.
Nach den Figuren 5b und 5c besitzt die Ausgab efunktion W einen stetigen Verlauf um den Schwellenwert s. In Figur 5b ist ein stetiger, sogenannter sigmoider Verlauf der Ausgangsgröße mit Begrenzung auf einen maximalen und einen minimalen Ausgangswert dargestellt. Eine häufig verwendete Kennlinie ist hierbei das Sigmoid: w(t )=1/(1+exp(-(v(t)-s))). Figur 5c zeigt einen linearen Verlauf im Übergangsbereich.
Die Signale, welche von der neuronalen Struktur verarbeitet werden, können als Spannungssignale, Stromsignale oder als frequenzvariable Impulssignale ausgeführt sein. Im letzteren Fall muß das Signal eventuell an manchen Stellen der neuronalen Struktur mit Hilfe geeigneter Schaltungen in ein kontinuierliches Strom- oder Spannungssignal und wieder zurück umgewandelt werden.
Figur 6 zeigt die beispielhafte Verschaltung von drei Neuronen 19 zur typischen Struktur eines einlagigen rückgekoppelten Netzes mit den Eingängen ei(t) und den Ausgängen aj(t+ΔT).
Figur 7 zeigt beispielhaft die Struktur eines mehrlagigen rückkopplungsfreien Netzes. Je nach zu implementierender Funktion der neuronalen Struktur ist die eine oder andere Netzstruktur anzuwenden. Auch Mischformen aus beiden Strukturen sind dabei möglich.
Die Funktion einer neuronalen Struktur im Ganzen wird im wesentlichen von der Netzstruktur und von den Gewichtungsfunktionen der Eingangssignale an jedem Neuron 19 bestimmt. Diese Parameter können durch die schaltungstechnische Realisierung fest eingestellt werden, wenn ein immer gleichbleibendes Verhalten erwünscht ist. Soll dagegen eine Veränderung des Verhaltens möglich sein, so sind einige oder alle dieser Parameter programmierbar auszuführen. Ihre jeweiligen Werte müssen dann in einem Konfigurationsspeicher bzw. Datenträger 6 gespeichert werden. Hierbei können die einzelnen Speicherelemente in konzentrierter Form angeordnet sein oder lokal dem jeweiligen Neuron zugeordnet sein.
Die Modifikation der gespeicherten Parameter kann entweder durch externes Programmieren der Speicherelemente geschehen und/oder durch einen in der Schaltung implementierten Algorithmus. Hierbei ist auch die Modifikation während des laufenden Betriebs der neuronalen Struktur möglich.
Figur 8 zeigt ein Beispiel für die schaltungstechnische Realisierung eines einlagigen rückgekoppelten Netzes. Als Schwellenelemente wirken Verstärker 24 mit komplementären Ausgängen. Die Gewichtung der Verbindungen (Synapsen) zwischen den Aus- und Eingängen der Neuronen erfolgt über die Leitwerte Rij. Die Addition der Eingangssignale für jedes Neuron (Ströme Iij=Ui/Rij) geschieht in den Schaltungsknoten am Eingang eines jeden Verstärkers. Die Ausgangssignale der Verstärker und damit der neuronalen Struktur sind die Spannungssignale Ui. Mit e1 bis e4 sind die Eingänge der Schaltung und mit a1 bis a4 sind invertierende und nichtinvertierende Ausgänge der Schaltung bezeichnet.
Figur 9 zeigt eine mögliche schaltungstechnische Realisierung einer Synapse (gewichteter Eingang eines Neurons) mit programmierbarer Verbindungsstärke. Hierbei sind nur die Verbindungsstärken +1, -1 und 0 möglich und die von dieser Synapse zu übertragenden Signale können nur die logischen Werte 0 und 1 annehmen. Sind beide Speicherzellen 25, 26 so programmiert, daß sie den jeweiligen zugehörigen Schalttransistor 27 bzw. 28 sperren, so ist der Ausgang a unabhängig vom Eingang e; die Synapse stellt also eine Unterbrechung dar (Verbindungsstärke 0). Ist dagegen die Speicherzelle 25 so programmiert, daß sie den Schalter schließt und die Speicherzelle 26 so, daß sie den zugehörigen Schalter öffnet, so fließt aus dem Ausgang a dann ein Strom (logisch 1), wenn der Eingang logisch 1 ist, und kein Strom (logisch 0), wenn der Eingang logisch 0 ist. Die Synapse wirkt also als Verbindung der Stärke +1. Sind beide Speicherzellen 25, 26 hierzu invers programmiert, so ergibt sich das inverse logische Verhalten. Die Synapse wirkt dann als Verbindung der Stärke -1. Vdd gibt in der Zeichnung den Schaltungsanschluß zur Versorgungsspannung an.
Figur 10 zeigt eine mögliche Realisierung einer programmierbaren Synapse mit variabler Verbindungsstärke. Sie arbeitet nach dem Prinzip des Multiplizierers. Die Stärke der synaptischen Verbindung wird als Differenz zweier analoger Spannungswerte auf zwei Kapazitäten 29, 30 gespeichert. Das Ausgangssignal (Strom Iout) ergibt sich als Produkt des Eingangssignals (Spannung Vin) multipliziert mit der auf den Kapazitäten gespeicherten Spannungsdifferenz (VW=VW+-VW-). Werden die Spannungen VW+ und VW- auf den Floating Gates von entsprechenden EEPROM-Transistoren gespeichert, so ist auch eine dauerhafte Speicherung der Synapsenstärke möglich.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der dem Signalpfad vom Mikrofon 2 zum Hörer 3 nebengeordnete Controller 5 zusätzliche Funktionsteile umfaßt, welche nach einem Fuzzy-Logik-System 20 arbeiten. Gemäß Figur 11 weist das Fuzzy-Logik-System 20 Komponenten zur Fuzzyfizierung 21 und zur Inferenzbildung 22 auf und ferner ist eine zugeordnete Entscheidungsmittelkomponente 23 als neuronale Struktur ausgebildet. Nach dem im Blockschaltbild gezeichneten Ausführungsbeispiel weist das Hörgerät - neben seinem hier nicht dargestellten Signalpfad vom Mikrofon über das Verstärker- und Übertragungsteil zum Hörer - einen Controller 5 als neuronale Struktur mit einem Datenträger 6 für Konfigurationsinformation des Controllers sowie eine Signalaufbereitung 9 auf. Der Signalaufbereitung 9 werden Signale 8 aus dem Signalpfad des Hörgerätes zugeführt. Von den Mitteln 13, 13' ausgehende Signale 14 über den Systemzustand des Hörgerätes können der Signalaufbereitung 9 und/oder dem Controller 5 zugeführt werden. Der Controller 5 umfaßt ein Fuzzy-Logik-System 20, welches sich in eine Komponente zur Fuzzyfizierung 21 und in eine Komponente zur Inferenzbildung 22 unterteilt. Dabei werden die aufbereiteten Signale 10, 10', 10'' der Signalaufbereitung 9 und gegebenenfalls Signale 14 der Fuzzyfizierungskomponente 21 zugeführt. Der Fuzzyfizierungskomponente 21 nachgeschaltet ist die Inferenzbildungskomponente 22. Die weitere Entscheidungsmittelkomponente 23 des Controllers 5 ist dann als neuronale Struktur ausgebildet. Alle drei Komponenten 21, 22, 23 stehen in Informationsaustausch zum Datenträger 6. Die erzeugten Steuersignale 11 bilden z.B. Auswahlsignale für einzelne Hörsituationen und/oder Signalverarbeitungsparameter.
Eine weitere vorteilhafte Realisierung des Controllers mit einer Kombination der Prinzipien der neuronalen Strukturen und der Fuzzy-Logik kann darin bestehen, daß die Implementierung der Regeln, welche das Regel- oder Auswahlverhalten des Fuzzy-Logik-Teils bestimmen, mit Hilfe einer neuronalen Struktur realisiert wird.
Die prinzipielle Funktionsweise sowie eine mögliche schaltungstechnische Realisierung der Blöcke Fuzzyfizierung und Inferenzbildung ist in der europäischen Patentanmeldung 94104619.5 beschrieben. Die neuronale Struktur zur 1-aus-N-Auswahl entspricht dabei prinzipiell der in der älteren Anmeldung beschriebenen Struktur, ist jedoch vorteilhafter gelöst.
Wesentliche Vorteile der Erfindung ergeben sich in einer besseren Anpassung des Hörgerätes an den Hörschaden durch fortlaufende signalabhängige Einstellung von Signalverarbeitungsparametern sowie durch die Entlastung des Hörgeräteträgers wegen der automatischen Auswahl von Signalverarbeitungsparametern oder Sätzen von Signalverarbeitungsparametern (Hörsituationen).