sistem aplikasi - Unika Atma Jaya

Lydia Sari, Theresia Ghozali, Simulasi Perangkat Implan Koklea … 1
SIMULASI PERANGKAT IMPLAN KOKLEA DENGAN
CONTINUOUS INTERLEAVE SAMPLING
Lydia Sari1, Theresia Ghozali2
Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik
Universitas Katolik Indonesia Atma Jaya
e-mail: [email protected], [email protected]
1,2
ABSTRAK
Perangkat bantu dengar implan koklea telah diketahui dapat membantu penyandang tuna rungu
mempersepsikan suara secara signifikan. Perangkat ini terdiri atas bagian eksternal dan internal,
masing-masing berfungsi untuk menangkap sinyal suara serta mengolah sinyal suara menjadi sinyal
listrik yang akan digunakan untuk menstimulasi saraf-saraf pendengaran. Salah satu skema
pengolahan sinyal yang umum dipakai pada perangkat implan koklea adalah Continuous Interleave
Sampling (CIS), yang memisahkan frekuensi sinyal suara asli menjadi beberapa frekuensi untuk
menstimulasi koklea manusia pada titik-titik berbeda. Pada makalah ini, cara kerja implan koklea
dengan skema CIS disimulasikan menggunakan peranti lunak LabView. Hasil simulasi menunjukkan
bahwa sinyal yang disintesis dari sinyal asli yang telah diproses dengan delapan filter sesuai skema
CIS dapat dipersepsikan oleh subjek tes berpendengaran normal. Peningkatan jumlah filter hingga 12
buah tidak menambah inteligibilitas sinyal hasil sintesis, sebaliknya penggunaan kurang dari 5 (lima)
filter akan mengakibatkan sinyal hasil sintesis sulit dipahami.
Kata kunci: implan koklea, continuous interleave sampling, simulasi ujaran
ABSTRACT
Cochlear implants have been known to significantly help the profoundly deaf to perceive sounds.
This device comprises of external and internal parts, each functions to capture auditory signal and
convert the signal into electrical signals which will in turn be used to stimulate the auditory nerves.
One of the most widely used schemes in cochlear implants is Continuous Interleave Sampling (CIS),
where original auditory signal is separated into several frequencies to stimulate the cochlea in
different points. This paper discusses the simulation of a CIS-based cochlear implant using LabView.
Simulation results show that the signal synthesized from original auditory signal, which has been
processed using eight filters as required in CIS scheme can be perceived by a test subject with normal
hearing. Increasing the number of filters up to 12 does not increase the intelligibility of the
synthesized signal. On the contrary, using less than 5 filters will decrease the inteligibility of the
synthesized signal.
Keywords: cochlear implant, continuous interleave sampling, speech simulation
2 JURNAL ELEKTRO, Vol. 9, No. 1, April 2016: 1-10
PENDAHULUAN
Data Organisasi Kesehatan Dunia
(WHO) menunjukkan bahwa jumlah
penyandang tuna rungu, yaitu mereka
yang
mengalami
kehilangan
pendengaran (hearing loss) hingga 40
dB pada orang dewasa atau hingga 30
dB pada anak-anak, mencapai 360 juta
orang pada tahun 2015 [1]. Penyandang
tuna rungu dapat mengalami dampak
fungsional, sosial dan ekonomi akibat
kesulitan komunikasi. Penggunaan alat
bantu dengar dapat membantu mengatasi
dampak-dampak
tersebut.
Bagi
penyandang tuna rungu total, alat bantu
dengar yang tepat berupa perangkat
implan koklea.
Implan koklea telah digunakan di
seluruh dunia sejak pertama kali
dikembangkan pada tahun 1982. Pada
implan koklea, impuls-impuls listrik
digunakan untuk menstimulasi sarafsaraf pendengaran pada penyandang
tuna rungu. Bagian terpenting dari alat
bantu dengar ini adalah modul
pengolahan sinyal yang memungkinkan
penggunanya mengenali suara.
Sistem implan koklea modern pada
dasarnya terdiri atas prosesor eksternal
yang dipasang di bagian belakang
telinga pengguna, dan di dalamnya
terdapat mikrofon yang mengubah
sinyal suara menjadi sinyal listrik.
Setelah sinyal diubah ke bentuk digital,
prosesor akan mengubahnya menjadi
sinyal RF dan mengirimkannya ke
antena yang terdapat di dalam headpiece
yang dikenakan di sisi kepala. Sebuah
stimulator kedap udara yang berisi
rangkaian elektronik akan mendekode
sinyal RF, mengubahnya menjadi arus
listrik, dan mentransmisikannya pada
kawat-kawat yang dipasang pada koklea
pengguna. Beberapa elektrode pada
bagian ujung kawat akan menstimulasi
saraf-saraf pendengaran yang terhubung
ke sistem saraf pusat, di mana impuls-
impuls listrik akan diinterpretasikan
sebagai suara [2].
Tujuan dari beberapa penelitian
mengenai implan koklea meliputi
perbaikan pengenalan suara dalam
lingkungan yang bising, persepsi musik,
dan persepsi bahasa tonal [2-5]. Bagian
terpenting dari penelitian mengenai
pengembangan implan selalu terkait
dengan strategi pengolahan sinyal untuk
mengubah sinyal audio menjadi sinyal
listrik [5].
Strategi pengolahan sinyal pada
beberapa penelitian di bidang implan
koklea bertujuan untuk mempertahankan
informasi bentuk gelombang atau
mengekstrak envelope dan fitur spektral
dari sinyal suara. Pada dasarnya, untuk
memastikan sinyal bunyi dapat dikenali,
informasi bentuk gelombang dan
envelope-nya harus utuh. Pada sejumlah
penelitian terdahulu, sinyal suara yang
diterima akan dipecah atas beberapa pita
frekuensi
berbeda
menggunakan
himpunan filter bandpass [3, 5-11].
Namun demikian, pendekatan ini
menimbulkan interaksi antar elektrode
yang digunakan untuk stimulasi.
Stimulasi dua atau lebih elektrode secara
simultan akan mengakibatkan medan
elektromagnetik di sekitar tiap-tiap
elektrode, yang akan mempengaruhi
seluruh elektrode yang digunakan. Hal
ini akan menurunkan inteligibilitas
sinyal bunyi, dan karenanya memotivasi
penelitian-penelitian
yang
secara
spesifik bertujuan untuk memitigasi efek
interaksi multikanal [4].
Skema Continuous Interleaved
Sampling (CIS) adalah salah satu skema
untuk
mempertahankan
bentuk
gelombang suara hingga stimulasi yang
dihasilkan pada saraf pendengaran
memiliki fidelity yang tinggi. CIS adalah
strategi stimulasi berbasis analisis
spektral dari sinyal suara berbentuk
digital, menggunakan kumpulan filter
Lydia Sari, Theresia Ghozali, Simulasi Perangkat Implan Koklea … 3
bandpass. Bandwidth dari kumpulan
filter yang digunakan bervariasi dari 100
hingga 8000 Hz, dan jumlah filter sesuai
dengan jumlah kanal stimulasi dalam
antarmuka antara array elektrode dan
saraf
pendengaran.
Setiap
filter
dihubungkan ke sedikitnya satu
elektrode dalam koklea. Sinyal suara
yang dipersepsikan oleh pengguna alat
bantu dengar ini dibentuk dari
kombinasi envelope yang diekstrak dari
sinyal suara asli.
Makalah ini membahas skema CIS
dan
memodelkan
skema
CIS
menggunakan peranti lunak LabView.
Pemodelan akan membantu pemahaman
mengenai proses pengolahan sinyal yang
diperlukan
dalam
implan,
dan
merupakan pendahuluan dari riset ke
arah modifikasi parameter kritis pada
implan koklea untuk memperbaiki
persepsi suara.
Susunan makalah ini adalah sebagai
berikut: bagian kedua dari makalah akan
mendeskripsikan cara kerja implan
koklea dan skema CIS, bagian ketiga
memaparkan model sistem yang
digunakan
serta
hasil
simulasi,
sedangkan bagian terakhir berisi
simpulan.
IMPLAN KOKLEA DAN SKEMA
CIS
Perangkat implan koklea dapat
membantu penyandang tunarungu secara
signifikan. Perangkat yang tersedia
secara komersial saat ini telah
memungkinkan penyandang tunarungu
mengenali suara bahkan melalui
telepon[10]. Perangkat ini termasuk
yang terbaik untuk seluruh jenis alat
bantu yang pernah diciptakan manusia,
dalam arti dapat membantu merestorasi
sebagian kemampuan pendengaran pada
penyandang tunarungu. Sebuah implan
koklea mengubah sinyal suara yang
ditangkap oleh mikrofon menjadi
stimulus listrik yang mengaktifkan saraf
pendengaran manusia.
Pada sistem pendengaran normal,
suara ditangkap oleh telinga luar,
terutama oleh pinna (daun telinga) dan
kanal telinga, untuk kemudian diubah di
telinga tengah menjadi gerakan cairan
dan membran di dalam koklea atau
telinga dalam. Pengubahan sinyal suara
menjadi pergerakan cairan dan membran
dilakukan oleh ossicle, yaitu tulangtulang kecil yang memiliki fungsi
impedance matching mekanis. Koklea
memiliki struktur spiral dengan lebar 10
mm dan tinggi 5 mm. Di dalam koklea
terdapat sejumlah struktur transduser
berupa sel-sel rambut dalam dan luar
yang memiliki stereocilia yang akan
membengkok sesuai dengan gelombang
suara yang masuk. Pada telinga normal,
gerakan stereocilia dari sel-sel rambut
dalam akan menghasilkan potensial pada
serat-serat saraf pendengaran. Aktivitas
kelistrikan ini memiliki karakteristik
temporal dan tonotopi yang memungkinkan identifikasi dan interpretasi suara,
termasuk musik, percakapan, dan bahasa
pada level saraf yang lebih tinggi [7].
Penyebab utama dari gangguan
pendengaran adalah kerusakan atau
kehilangan stereocilia dan sel-sel
rambut akibat infeksi, trauma, paparan
pada bising berintensitas tinggi, efek
samping dari obat-obatan tertentu dan
sejumlah penyakit fisiologis. Saat sel-sel
rambut rusak atau tidak ada, transduksi
dari gerakan di koklea yang diinduksi
oleh sinyal akustik untuk menghasilkan
potensial listrik akan terganggu. Bila
kerusakan pendengaran yang terjadi
sangat parah, alat bantu akustik yang
bersifat penguat suara tidak dapat
membantu
mengatasi
gangguan
pendengaran yang terjadi.
Perangkat implan koklea menghasilkan sinyal listrik pada lokasi saraf
pendengaran menggunakan stimulasi
4 JURNAL ELEKTRO, Vol. 9, No. 1, April 2016: 1-10
listrik secara langsung. Sistem implan
koklea memiliki bagian internal dan
eksternal. Diagram blok perangkat
implan koklea diberikan pada Gambar 1.
Sebagaimana
diilustrasikan
pada
Gambar 1, suara ditangkap oleh
mikrofon (perangkat eksternal). Prapemrosesan dilakukan antara lain untuk
mengoptimalkan jangkauan dinamik
masukan relatif terhadap level sinyal
masukan dan menyesuaikan bentuk
spektrum menggunakan filter preemphasis.
Strategi pengolahan sinyal mengacu
pada perubahan sinyal suara masukan
menjadi pola pulsa listrik. Pola ini
dikodekan pada transmisi RF, yang juga
mencatu daya untuk bagian internal dari
implan koklea. Beberapa fitur sinyal lalu
didekodekan dari sinyal RF. Perangkat
elektronik dari implan mencakup satu
atau lebih sumber arus untuk
menghantar stimulasi elektrik ke
beberapa elektrode pada koklea. Sebuah
kanal didefinisikan sebagai himpunan
satu atau lebih elektrode yang dialiri
arus [7].
Secara umum, cara mempresentasikan informasi ke elektrode dapat
dibagi menjadi dua tipe, yaitu stimulasi
analog dan stimulasi digital. Saat
informasi
dalam
bentuk
analog
digunakan untuk menstimulasi elektrode,
stimulasi disebut stimulasi analog.
Istilah stimulasi digital digunakan saat
informasi dikirimkan dalam bentuk
pulsa ke elektrode [12]. Jumlah kanal
frekuensi yang digunakan dalam implan
bervariasi. Strategi multi-kanal umum
digunakan pada implan koklea modern.
Berbeda dari implan kanal tunggal,
implan multi-kanal membangkitkan
stimulasi listrik pada beberapa titik pada
koklea
menggunakan
sekumpulan
elektrode. Beberapa elektrode yang
berbeda distimulasi tergantung dari
frekuensi sinyal, semakin dekat sebuah
elektrode ke bagian dasar koklea,
semakin tinggi frekuensi sinyal yang
digunakan untuk menstimulasinya, dan
sebaliknya. Masalah pada implan multikanal adalah interaksi antar kanal yang
disebabkan oleh penjumlahan medan
listrik dari setiap elektrode [12].
Ada beragam strategi pengolahan
sinyal yang pernah diajukan, seperti CIS,
Spectral Peak (SPEAK), Advanced
Combination Encoder (ACE), Spectral
Maxima Sound Processor (SMSP),
Simultaneous Analog Strategy (SAS)
dan berbagai strategi berbasis formant.
Selain itu terdapat pula berbagai
algoritma berdasarkan transformasi
wavelet, paket wavelet, dan transformasi
bionic wavelet [8]. Walaupun kinerja
pengolahan sinyal menunjukkan hasil
yang berbeda-beda untuk setiap
pengguna, penelitian menunjukkan
bahwa skema CIS memberikan angka
keberhasilan yang tertinggi [8].
CIS adalah strategi stimulasi pada
implan multikanal berbasis analisis
spektral dari sinyal suara masukan
digital, yang dilakukan oleh kumpulan
filter bandpass. Kumpulan filter
memiliki bandwidth keseluruhan dari
100 hingga 8000 Hz, dan jumlah filter
biasanya sama dengan jumlah kanal
stimulasi pada antarmuka array
elektrode dengan saraf. Setiap filter
dihubungkan dengan setidaknya satu
elektrode intrakoklea sesuai dengan
pengaturan tonotopik frekuensi-posisi
dari koklea.
Untuk dapat mengimplementasikan
strategi ini, diperlukan rumusan cara
membangkitkan sekumpulan sinyal
termodulasi guna mensintesis suara
berdasarkan envelope sinyal.
Lydia Sari, Theresia Ghozali, Simulasi Perangkat Implan Koklea … 5
Perangkat eksternal
Mikrofon
Prapemrosesan
Strategi
Stimulasi
Pemancar
RF
Dekoder
Penerima
RF
Perangkat internal
Array
Elektrode
Pembangkit
Pulsa
Gambar 1 Diagram blok implan koklea
Skema CIS mengatasi masalah
interaksi kanal dengan menggunakan
sekumpulan pulsa non-simultan yang diinterleave. Pulsa-pulsa dikirimkan ke
beberapa elektrode sedemikian sehingga
hanya satu elektrode yang distimulasi
pada satu waktu.
Pada skema ini, suara asli yang akan
dipersepsikan
dilewatkan
pada
sekumpulan filter bandpass, dan
envelope dari semua gelombang yang
telah
difilter
diekstrak
untuk
menghasilkan pulsa amplitudo yang
akan dikirimkan ke elektrode. Ekstraksi
amplitudo
umumnya
dilakukan
menggunakan penyearah gelombang
penuh
dan
lowpass
filtering,
menggunakan frekuensi cutoff 400 Hz.
Pre-emphasized
Signal
Pada umumnya digunakan frekuensi
cutoff di antara 200–400 Hz, sesuai
dengan batas saturasi pitch bagi
kebanyakan pengguna implan koklea.
Diagram blok skema CIS diilustrasikan pada Gambar 2. Kumpulan
filter adalah komponen yang paling
kompleks dari CIS dan memerlukan
waktu eksekusi yang lama. Pemetaan
frekuensi ke koklea bersifat nonlinier
dan sebagian besar informasi pada
sinyal akustik berada di frekuensi
rendah, sehingga bandwidth dari
beberapa
filter
didistribusikan
sedemikian sehingga band yang sempit
digunakan untuk frekuensi rendah dan
band yang lebih besar digunakan untuk
frekuensi tinggi.
BPF 1
Rectifier
1
LPF 1
Nonlinear
map
BPF 2
Rectifier
2
LPF 2
Nonlinear
map



BPF n
Rectifier
n
LPF n
Modulation
Electrode 1
Electrode 2

Nonlinear
map
Gambar 2 Diagram blok skema CIS
Electrode n
6 JURNAL ELEKTRO, Vol. 9, No. 1, April 2016: 1-10
MODEL SISTEM DAN HASIL
SIMULASI
Model sistem untuk implan koklea
diberikan pada Gambar 3. Perangkat
lunak simulasi yang digunakan adalah
LabView 2015. Sinyal suara yang
ditangkap
oleh
mikrofon
akan
diteruskan pada sekumpulan filter
bandpass, untuk menghasilkan sinyalsinyal dengan frekuensi berbeda-beda.
Jangkauan frekuensi yang digunakan
pada simulasi ini adalah 10-300 Hz,
300-800 Hz, 800-2000 Hz, 2000–4000
Hz, 2200-4500 Hz, 2800-5100 Hz,
3000-5300 Hz, and 4000-6000 Hz.
Input
signal
Sinyal masukan yang digunakan
pada percobaan pertama dalam simulasi
ini berupa rekaman ucapan “Unika
Atma Jaya Jakarta” dalam bentuk
Waveform Audio File. Sinyal masukan
ditunjukkan pada Gambar 4. Sinyal
yang diperoleh setelah proses bandpass
filtering diilustrasikan pada Gambar 5.
Gambar 6 menunjukkan hasil proses
penyearahan sinyal yang telah difilter.
Langkah berikutnya adalah lowpass
filtering pada sinyal yang telah
disearahkan, dan hasilnya ditunjukkan
pada Gambar 7.
BPF 1
Rectifier
1
LPF 1
BPF 2
Rectifier
2
LPF 2



BPF 8
Rectifier
8
LPF 8
Sine
signal
Sine
signal
Sine
signal
Gambar 3 Model sistem untuk simulasi
Gambar 4 Sinyal masukan
Synthesized
signal
Lydia Sari, Theresia Ghozali, Simulasi Perangkat Implan Koklea … 7
Gambar 5 Sinyal yang dihasilkan setelah bandpass filtering
Gambar 6 Sinyal yang disearahkan
8 JURNAL ELEKTRO, Vol. 9, No. 1, April 2016: 1-10
Gambar 7 Envelope yang diekstrak dari sinyal
Sinyal hasil sintesis ditunjukkan
pada Gambar 8. Mengingat sinyal asli
diproses dengan filter bandpass dan
hanya envelope dari sinyal hasil
pemfilteran yang digunakan dalam
skema pengolahan CIS, sinyal hasil
sintesis tidak memiliki komponen
frekuensi yang selengkap sinyal asli.
Pada pengguna implan koklea, sintesis
sinyal ini terjadi pada saraf pusat.
Gambar 8 Sinyal hasil sintesis
Lydia Sari, Theresia Ghozali, Simulasi Perangkat Implan Koklea … 9
Subjek tes dengan pendengaran
normal dapat mempersepsikan sinyal
hasil sintesis dengan baik, dalam arti
bunyi vokal dan konsonan masih
terdengar jelas, sehingga makna ujaran
tidak rusak. Pengulangan simulasi
dengan sinyal masukan yang sama dan
jumlah filter yang berbeda menunjukkan
bahwa jumlah filter sebanyak 8
(delapan) hingga 10 telah memadai
untuk menyampaikan informasi sinyal
suara yang penting ke koklea.
Inteligibilitas suara akan turun bila
digunakan kurang dari 5 (lima) filter,
namun penambahan jumlah filter hingga
12 buah tidak menambah inteligibilitas
suara.
SIMPULAN
Perangkat implan koklea dengan
skema
CIS
telah
dimodelkan
menggunakan peranti lunak LabView.
Perangkat dengan delapan kanal
menunjukkan bahwa sinyal hasil sintesis
akan serupa dengan sinyal asli,
walaupun terdapat komponen-komponen
frekuensi yang hilang akibat proses
pemfilteran.
Subjek
tes
dengan
pendengaran normal masih dapat
mengenali suara hasil sintesis walaupun
jumlah filter dikurangi hingga menjadi 5
(lima) buah. Penambahan jumlah filter
hingga 12 buah tidak berpengaruh pada
peningkatan inteligibilitas suara.
DAFTAR PUSTAKA
[1] http://www.who.int/mediacentre/fac
tsheets/fs300/en/
[2] Zeng, F.G., et.al. 2008. Cochlear
Implants:
System
Design,
Integration, and Evaluation. IEEE
Reviews In Biomedical Engineering,
Vol. 1, pp. 115-142.
[3] Tierney, J., M.A. Zissman, dan D.K.
Eddington. 1994. Digital Signal
Processing
Applications
in
Cochlear-Implant Research. The
Lincoln Laboratory Journal, vol. 7,
no.1, pp. 31-62.
[4] Srinivas, Y., P. Darwin, dan V.
Sailja.
2012.
Continuous
Interleaved Sampled (CIS) Signal
Processing Strategy for Cochlear
Implants MATLAB Simulation
Program. International Journal of
Scientific & Engineering Research
Volume 3, Issue 12, pp. 1-7.
[5] Reich, R.D. 2002. Instrument
Identification Through A Simulated
Cochlear
Implant
Processing
System. Disertasi. Massachusetts
Institute of Technology.
[6] Nie, K., G. Stickney, dan F. Zeng.
2005.
Encoding
Frequency
Modulation to Improve Cochlear
Implant Performance in Noise.
IEEE Transactions On Biomedical
Engineering, Vol. 52, No. 1, pp. 6473.
[7] Wouters, J., H.J. McDermott dan T.
Francart. 2015. Sound Coding in
Cochlear Implants – From Electric
Pulses to Hearing. IEEE Signal
Processing Magazine, March 2015.
pp. 67-80.
[8] Ahmad, T.J., et.al. 2009. Efficient
Algorithm development of CIS
Speech Processing Strategy for
Cochlear Implants. 31st Annual
International Conference of the
IEEE EMBS, pp. 1270-1273.
[9] Sit, J., et al. A Low-Power
Asynchronous
Interleaved
Sampling Algorithm for Cochlear
Implants That Encodes Envelope
and Phase Information. IEEE
Transactions
On
Biomedical
Engineering, Vol. 54, No. 1, pp.
138-149
[10] An, S.K., et.al. 2007. Design for a
Simplified
Cochlear
Implant
10 JURNAL ELEKTRO, Vol. 9, No. 1, April 2016: 1-10
System. IEEE Transactions On
Biomedical Engineering, Vol. 54,
No. 6, pp. 973-982.
[11] Wang, L., et.al. 2009. Computer
Simulation of Multichannel CIS
Strategy for Cochlear Implant. 3rd
International
Conference
on
Bioinformatics and Biomedical
Engineering, Beijing, pp. 1-4.
[12] Loizou, P.C. 1998. Mimicking the
Human
Ear.
IEEE
Signal
Processing Magazine, vol. 15(5),
pp.101-13.