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Schallquelle für die objektive Untersuchung der auditorischen Wahrnehmung von Infraschall mittels Magnetoenzephalographie (MEG) und Magnetresonanztomographie (MRT)

31.07.2014

Entgegen der allgemeinen Meinung ist das Hören von Infraschall (f < 16 Hz) möglich und führt zu individuell unterschiedlicher Belästigung. Die Mechanismen dieser auditorischen Wahrnehmung durch den Menschen sind aber bis heute weitgehend ungeklärt. Im Rahmen des europäischen Forschungsprojektes „EARS“ werden diese Mechanismen mit Hilfe von objektiven Verfahren der Medizintechnik, wie z.B. Magnetresonanztomopraphie (MRT) und Magnetoenzephalographie (MEG) näher untersucht und objektive Schwellen ermittelt.

Entgegen der allgemeinen Meinung ist das Hören von Infraschall (f < 16 Hz) möglich und führt zu individuell unterschiedlicher Belästigung. Die Mechanismen dieser auditorischen Wahrnehmung durch den Menschen sind aber bis heute weitgehend ungeklärt. Im Rahmen des europäischen Forschungsprojektes „EARS“ werden diese Mechanismen mit Hilfe von objektiven Verfahren der Medizintechnik, wie z.B. Magnetresonanztomopraphie (MRT) und Magnetoenzephalographie (MEG) näher untersucht und objektive Schwellen ermittelt.

Die Untersuchung der durch einen akustischen Stimulus ausgelösten neuronalen Gehirnaktivität mittels Magnetresonanztomographie (MRT) und Magnetoenzephalographie (MEG) ist eine Herausforderung für die Beschallungstechnik. Durch die hohe Empfindlichkeit der MEG-Sensoren gegenüber kleinsten Magnetfeldänderungen und wegen des starken statischen Magnetfelds des MRT (> 3 Tesla) können herkömmliche Audiometriekopfhörer auf Grund der enthaltenen Metallkomponenten nicht verwendet werden. Desweiteren erzeugen diese Kopfhörer keine verzerrungsarmen Stimuli mit ausreichend hohem Schallpegel. Die in der PTB entwickelte Schallquelle basiert auf der Idee, die Schallübertragung mittels Schlauch, ähnlich wie bei einem Hörgerät, zu gewährleisten. Die Quelle besteht aus einem elektrodynamischen Lautsprecher mit starkem Magneten und verwindungssteifem Chassis und ist in der Lage, sehr hohe Schalldruckpegel mit sehr geringen harmonischen Verzerrungen im zu untersuchenden Frequenzbereich (2,5 Hz < f < 125 Hz) zu erzeugen. Der Lautsprecher ist luftdicht in eine gedämpfte Holzbox eingebaut. Die Ankopplung an das Ohr erfolgt über einen Polyethylenschlauch und einen audiometrischen Gehörgangsstopfen, siehe Bild 1. Durch die Verwendung dieses Schallschlauches kann der aktive Teil der Quelle zur Vermeidung elektromagnetischer Beeinträchtigungen außerhalb des Erfassungsbereiches der bildgebenden Sensoren platziert werden. Das abgeschlossene Volumen zwischen Lautsprechermembran, Schlauch und Ohr einer Testperson stellt für tiefe Frequenzen eine Druckkammer dar und ermöglicht eine verlustarme akustische Anregung im Infraschallbereich. Der Schalldruckpegel wird über ein optisches Mikrofon überwacht, das keine magnetische Störquelle darstellt und deshalb in der Nähe des Ohres angebracht werden kann.

Bild 1: Schematischer Aufbau der Infraschall-Quelle. Harmonische Verzerrungen höherer Frequenz werden durch einen Tiefpass 2. Ordnung und akustisches Dämpfungsmaterial innerhalb des Schlauches minimiert.

Zur Validierung der Infraschall-Quelle wurden die subjektiven Hörschwellen für 14 Reintöne im Frequenzbereich von 2,5 Hz bis 125 Hz von 18 normalhörenden Testpersonen im Alter zwischen 18 und 25 Jahren für das jeweils bessere Ohr bestimmt. Bild 2 zeigt die ermittelten Hörschwellen für die in der PTB entwickelte Infraschall-Quelle. Die mittlere Hörschwelle für einen Reinton mit 125 Hz wurde bei einem Wert von 26,4 dB SPL erreicht. Bei der tiefsten Frequenz (2,5 Hz) wurde im Mittel ein Schalldruckpegel von 120,7 dB SPL für das Auslösen einer Hörempfindung benötigt.

Bild 2: Mit Hilfe der Infraschall-Quelle ermittelte monaurale Hörschwellen für Reintöne zwischen 2,5 Hz und 125 Hz für 18 normal-hörende Testpersonen im Alter von18 bis 25 Jahren. Zum Vergleich sind die standardisierten Hörschwellen für einen Einsteckhörer (Etymotic Research ER-3A, ISO389-2:1994) und für das Freifeld (ISO226:2003) dargestellt. Unterhalb von 20 Hz ist zusätzlich die binaurale Hörschwelle nach [1] dargestellt.

Die mit der neu konstruierten Quelle ermittelten Hörschwellen zeigen eine gute Übereinstimmung mit standardisierten Hör- und Infraschall-Schwellen (blau in Bild 2) aus der Literatur [1, 2] und verknüpfen erstmals Schwellenwerte oberhalb von 20 Hz mit Hörschwellen im Infraschallbereich. Bei Betrachtung der Einzelhörschwellen (grau in Bild 2) im Infraschallbereich (f < 20 Hz) ist die Streuung der Werte um den Median größer als im "normalen" Hörfrequenzbereich. Weiterhin ist zu erkennen, dass einzelne Testpersonen gegenüber der mittleren Hörschwelle eine deutlich verringerte Schwelle für Frequenzen im Infraschallbereich aufweisen, d. h. diese Personen nehmen bei bestimmten Frequenzen Infraschall schon dann wahr, wenn der Schalldruckpegel noch weit unterhalb der mittleren Hörschwelle (schwarz in Bild 2) liegt. Die individuellen Hörschwellen stellen Orientierungswerte für nachfolgende Untersuchungen im MEG und MRT in der PTB in Berlin dar.

Literatur:

[1] Moeller H., Pedersen C. S.: Hearing at low and infrasonic frequencies. Noise Health 2004; 6:37-57

[2] DIN ISO 226:2006-04: Akustik – Normalkurven gleicher Lautstärkepegel (ISO 226:3003)

Ansprechpartner:

Robert Kühler, FB 1.6, AG 1.61, E-Mail: robert.kuehler@ptb.de
Johannes Hensel, FB 1.6, AG 1.61, E-Mail: johannes.hensel@ptb.de