1. 대학원 생체신호처리 - 4
이상민

2. Anatomy of the Ear

3. Anatomy of the Ear

4. Conduction of the Sound
Air conduction
Pinna - EAC - TM - Ossicles - Cochlea
Bone conduction
Vibration of the skull and temporal bone - Cochlea

5. Central Pathways auditory cortex medial geniculate body
inferior colliculus
lateral lemniscus
superior olivary complex
cochlear nucleus
spiral ganglion
medial geniculate body
cochlea
auditory cortex

6. Central Pathways
The majority of the ascending fibers from LL(lateral lemniscus ) project to IC, which means major ascending auditory pathway converge here. IC appears as an integrative station and switchboard as well. It is involved integration and routing of multi-model sensory perception, mainly startle reflex and vestibulo-ocular reflex. It is also responsive to specific amplitude modulation frequencies and this might be responsible for detection of pitch. In addition, spatial localization by binaural hearing is a related function of IC as well.
The Medial Geniculate Nucleus or Medial Geniculate Body (MGB) is part of the auditory thalamus and represents the thalamic relay between the inferior colliculus (IC) and the auditory cortex (AC). It is made up of a number of sub-nuclei that are distinguished by their neuronal morphology and density, by their afferent and efferent connections, and by the coding properties of their neurons. It is thought that the MGB influences the direction and maintenance of attention.

7. Outer Ear Pinna External Auditory Canal Sound collection (6dB)
Amplification (10-15dB)
Resonant frequency (2.5KHz)

8. Middle Ear Tympanic Membrane(Ear Drum) vibration protection
Middle Ear: bone (ossicles) + air
mechanical energy
impedance matching
amplification (34 dB) (TM + ME)
Eustachian tube
ventilation

9. Middle Ear as a Transformer
tympanic membrane li lm As At
incus
malleus
Impedance matching
air(EAC) vs. fluid(IE)
Amplification
area ratio = At/As
lever ratio = lm/li
catenary effect
Santos-Sacchi (p 103 -)
일반적으로 공기에서 물로 소리가 전달될 때에는 물의 acoustic impedance가 공기의 acoustic impedance보다 약 3470 배 크기 때문에 계산상으로는 공기 진동에너지의 약 99.9%가 반사하고 0.1%만 물 속으로 전달된다.
만일 중이의 기능이 없다면 실제 외이를 통한 소리에너지의 3%만 cochlea로 들어가게 되어 약 15 dB의 에너지 손실을 가져온다. 그러나 중이의 transformer로서의 역할이 이루어지면 oval window에서의 cochlear fluid의 acoustic impedance는 TM에서의 acoustic impedance의 수준으로 내려가게 되어 계산상으로 약 1-2 dB의 청력 손실만을 가져오는 것으로 알려져 있다.
위의 모델에서 stapes footplate는 통상적인 piston으로 생각할 수 있으나 실제 고막의 움직임은 통상적인 piston의 움직임과는 다르기 때문에 effective area를 다시 구해야 하는데 이 effective area는 실제 면적의 약 60-80% 정도 된다. 또한 malleus와 incus의 lever action도 계산상으로는 umbo에 모든 force가 가해지는 것으로 계산되지만 실제로는 manubrium의 전장에 걸쳐 effective lever를 구하여야 한다. 마지막으로 manubrium에 연결되지 않은 고막은 움직임이 크기 때문에 pressure는 감소하게 되지만 manubrium에서는 velocity가 많이 떨어지기 때문에 이 부분에서의 pressure는 증가하게 된다(에너지 PxU는 일정). 이 것이 catenary effect라고 하며 Khanna와 Tondorff는 중이의 transformer로서의 가장 중요한 역할을 한다고 하였다.

10. Frequency Selectivity
600 Hz
3000 Hz
Traveling wave
우선 주파수에 대해서 알아보도록 하겠습니다. Bekesy가 처음 발표한 것과 같이 cochlea 내로 소리가 전달되면 basal turn에서부터 기저막이 진동을 하여 apical turn으로 향해 가는데 apical turn으로 갈수록 파형의 크기가 점점 커지다가 자극음의 각각의 주파수에 따라 그 주파수에 맞는 특정부위에서 가장 큰 파형을 만들고는 에너지가 사라지는 traveling wave를 형성함으로써 자극음의 주파수를 선별하는 것으로 알려져 있습니다. 해부학적으로는 이러한 일을 맡아서 하는 곳이 basilar membrane인데 이 basilar membrane은 기저부에서는 두껍고 좁으며 아주 stiff하지만 첨부로 갈수록 점점 넓어지고 얇아지면서 stiffness가 떨어지게 됩니다. 또한 basilar membrane 위에 붙어 있는 유모세포의 경우에는 기저부에서는 짧고 그 위에 붙어 있는 stereocilia도 짧지만 첨부로 갈수록 점점 길어지면서 질량이 커지게 됩니다. 이렇게 basilar membrane의 특성에 의해서 주파수 선별력을 갖기는 하지만 이 것 만으로는 뛰어난 주파수 선별력을 가질 수가 없습니다.
12000 Hz
Passive Process(von Bekesy, 1960)

11. Cochlea : analyzer
Hydraulic energy

12. Stereocilia

13. Function of Stereocilia
Displacement toward scala vestibuli
Displacement toward scala tympani
Resting position
Displacement force
Shear force
Pivot point for basilar membrane
Pivot point for tectorial membrane SL
OSL
Basilar membrane
OHCs
Tectorial membrane
Excitation
Inhibition
Transduction links stretched
Transduction links compressed

14. Sensory Process in Cochlea

15. Normal Cochlear Physiology
0.35 nm
1.2 nm
3.5 nm 1 2 20 50 10 30 90 70
Frequency (kHz)
Threshold (dB SPL) 20 40 80 60 30 3
0.3 1 10
BM displacement (nm)
dB SPL 6 14 19 18
1.5 16
Tuning Curves
I-O Function Curves

16. Cochlear Damage Increased auditory threshold Decreased dynamic range
Decreased frequency selectivity

17. Increased Threshold
Mild
Moderate

18. Changes in Frequency Selectivity
Tuning Curve
Auditory Filter
 Normal
 Cochlear damage
 Post-mortem
(kHz)
Relative Response, dB
Impaired Ear
와우의 한 곳에서 주파수 선별력이 얼마나 뛰어난가를 보는 것이 tuning curve인데 정상적인 경우에는 특정 주파수에 대해서는 아주 작은 음의 크기에도 예민하게 반응을 하지만 그 이 외의 주파수에 대해서는 아주 큰 자극에 대해서만 반응을 하게 됩니다.
그러나 와우를 손상받게 되면 특정 주파수에 대한 sharp tuning이 없어지게 되고 이와 더불어 역치도 크게 증가하게 됩니다.
음과 언어를 연구하는 psychoacoustics에서는 이러한 주파수 선별력 때문에 와우가 여러 개의 주파수에 아주 예민한 filter 덩어리라고 생각을 합니다. 그래서 다른 연구를 통하여 와우가 어떤 모양의 filter를 가지고 있는지 연구하여 각 부위에서의 filter 모양을 알아보았는데 이 것을 auditory filter라고 합니다. 정상적인 모양의 auditory filter도 와우 손상을 받게 되면 좌측 그림에서 tuning curve가 smooth해지는 것처럼 주파수 대역이 넓어지는 것을 알 수가 있습니다.
Normal Ear

19. Hearing test DPOAE Speech test ABR Pure tone test ASSR Behavioral test
Generally, there are several method to estimate the hearing ability.
Broadly, It’s a divided a two test protocol.
First, it is a behavioral test like a pure tone assessment. Behavioral hearing tests are used with children and adults who are able to respond to sounds.
Hearing healthcare professional will examine by letting you listen to a number of different pure tones through the headphone or earplug.
And then, if you hear the a tone, you press a button or raise your hand.
The other is a electrophysiological test, such as a Click ABR, DPOAE, and Auditory steady state response. There are used with infant or animal for estimate of hearing ability. Because those protocol based upon electrical information from the auditory nervous system. Without behavioral response.
Today, in my presentation, I will introduce a ASSR which is one of the physiological hearing test. [next]
Behavioral test
Physiological test

20. DPOAE (Distortion Product Otoacoustic Emissions)
DEFINITION
Acoustic signals generated by the normal inner ear
Closely associated with the action of Outer Hair Cells in cochlea
DPOAE Pathway
-78.69dBv F1 F2
Ear Canal
Middle Ear
Cochlea
Outer Hair
Cells
Speaker 1
Speaker 2
2F1-F2
Microphone
First, I explain DPOAE simply for Grace.
DPOAE is abbreviation of “Distortion product otoacoustic emission).
The definition of that is “Acoustic signals generated by the normal inner ear”
We can know whether the cochlear function is normal or not.
That is associated with the action of outer hair cells in cochlea.
The method of measurement is as follows.

21. Click ABR Cochlea ? Sound Response Click auditory brainstem response
High
Low ?
time
spectrum
Sound
Response
Click ABR is a very useful tool for measuring hearing threshold in clinically. It has both advantage and disadvantage.
The merit of Click ABR is a fast screening of hearing. However it has some physical restrictions to measure hearing ability of animal.
Let’s see the slide. The click stimuli has an wide spectrum power, but it has some defects such as not flatness of sound energy in high frequency regions because the click duration only up to 100uS. It means that the stimulating frequency range only up to 10kHz.
However, the audible frequency of the rodents is very wide between 0.5kHz and 120kHz.
As we can shorten the duration for cover the high frequency region, it’s cause the limitation of sound intensity.
On the basis of this characteristics, the click ABR is a inappropriate for measure hearing of animal.
Audible range : 0.5~120kHz

22. ASSR Auditory Steady-State Response Basilar membrane
Recently, Auditory steady state response was clinically introduced.
ASSR is brain potential evoked by periodic amplitude modulation of a carrier frequency.
The modulated signal present to ear through the ear tube or speakers.
The modulation component can be detected by the frequency analysis of EEG.
We can seek the hearing threshold response by step-by-step lower the stimulus intensity.

23. ASSR

24. What is Hearing Aids Amplification To Brain
Cochlear implant
Hearing
Aid
Amplification
To Brain
Wave(Acoustic) Energy -> Mechanical -> Hydro -> Bio-Electro Energy

25. 착용위치에 따른 분류 BTE (Behind The Ear) : 귀걸이형 ITE (In The Ear) : 외이형
ITC (In The Canal) : 외이도형
CIC (Completely In the Canal) : 비노출 외이도형
Body-Worn : 상자형
Eyeglass : 안경형

26. 음전도 방식에 따른 분류 1) Air Conduction Hearing Aid : 외이도에 장착하는 일반 보청기
(BTE, ITE, ITC, CIC Types)
2) Bone Conduction Hearing Aid
: Air conduction HA를 사용할 수 없는 경우,
최대 출력 적고, 음의 왜곡이 심한 것이 단점.
(안경형, 헤어 밴드형 etc.)

27. Signal Processing Linear and Non-Linear Processing
Multi-channels Filtering
Noise Reduction & Increase SNR
Feedback Reduction
Directivity / Localization
Speech enhancement

28. Cognitive Psychology
Tables in space