Electroacoustic and Behavioural Evaluation of Hearing Aid Digital Signal Processing Features

Modern digital hearing aids provide an array of features to improve the user listening experience. As the features become more advanced and interdependent, it becomes increasingly necessary to develop accurate and cost-effective methods to evaluate their performance. Subjective experiments are an accurate method to determine hearing aid performance but they come with a high monetary and time cost. Four studies that develop and evaluate electroacoustic hearing aid feature evaluation techniques are presented. The first study applies a recent speech quality metric to two bilateral wireless hearing aids with various features enabled in a variety of environmental conditions. The study shows that accurate speech quality predictions are made with a reduced version of the original metric, and that a portion of the original metric does not perform well when applied to a novel subjective speech quality rating database. The second study presents a reference free (non-intrusive) electroacoustic speech quality metric developed specifically for hearing aid applications and compares its performance to a recent intrusive metric. The non-intrusive metric offers the advantage of eliminating the need for a shaped reference signal and can be used in real time applications but requires a sacrifice in prediction accuracy. The third study investigates the digital noise reduction performance of seven recent hearing aid models. An electroacoustic measurement system is presented that allows the noise and speech signals to be separated from hearing aid recordings. It is shown how this can be used to investigate digital noise reduction performance through the application of speech quality and speech intelligibility measures. It is also shown how the system can be used to quantify digital noise reduction attack times. The fourth study presents a turntable-based system to investigate hearing aid directionality performance. Two methods to extract the signal of interest are described. Polar plots are presented for a number of hearing aid models from recordings generated in both the free-field and from a head-and-torso simulator. It is expected that the proposed electroacoustic techniques will assist Audiologists and hearing researchers in choosing, benchmarking, and fine-tuning hearing aid features

Learning-Based Reference-Free Speech Quality Assessment for Normal Hearing and Hearing Impaired Applications

Accurate speech quality measures are highly attractive and beneficial in the design, fine-tuning, and benchmarking of speech processing algorithms, devices, and communication systems. Switching from narrowband telecommunication to wideband telephony is a change within the telecommunication industry which provides users with better speech quality experience but introduces a number of challenges in speech processing. Noise is the most common distortion on audio signals and as a result there have been a lot of studies on developing high performance noise reduction algorithms. Assistive hearing devices are designed to decrease communication difficulties for people with loss of hearing. As the algorithms within these devices become more advanced, it becomes increasingly crucial to develop accurate and robust quality metrics to assess their performance. Objective speech quality measurements are more attractive compared to subjective assessments as they are cost-effective and subjective variability is eliminated. Although there has been extensive research on objective speech quality evaluation for narrowband speech, those methods are unsuitable for wideband telephony. In the case of hearing-impaired applications, objective quality assessment is challenging as it has to be capable of distinguishing between desired modifications which make signals audible and undesired artifacts. In this thesis a model is proposed that allows extracting two sets of features from the distorted signal only. This approach which is called reference-free (nonintrusive) assessment is attractive as it does not need access to the reference signal. Although this benefit makes nonintrusive assessments suitable for real-time applications, more features need to be extracted and smartly combined to provide comparable accuracy as intrusive metrics. Two feature vectors are proposed to extract information from distorted signals and their performance is examined in three studies. In the first study, both feature vectors are trained on various portions of a noise reduction database for normal hearing applications. In the second study, the same investigation is performed on two sets of databases acquired through several hearing aids. Third study examined the generalizability of the proposed metrics on benchmarking four wireless remote microphones in a variety of environmental conditions. Machine learning techniques are deployed for training the models in the three studies. The studies show that one of the feature sets is robust when trained on different portions of the data from different databases and it also provides good quality prediction accuracy for both normal hearing and hearing-impaired applications

KAVUAKA: a low-power application-specific processor architecture for digital hearing aids

The power consumption of digital hearing aids is very restricted due to their small physical size and the available hardware resources for signal processing are limited. However, there is a demand for more processing performance to make future hearing aids more useful and smarter. Future hearing aids should be able to detect, localize, and recognize target speakers in complex acoustic environments to further improve the speech intelligibility of the individual hearing aid user. Computationally intensive algorithms are required for this task. To maintain acceptable battery life, the hearing aid processing architecture must be highly optimized for extremely low-power consumption and high processing performance.The integration of application-specific instruction-set processors (ASIPs) into hearing aids enables a wide range of architectural customizations to meet the stringent power consumption and performance requirements. In this thesis, the application-specific hearing aid processor KAVUAKA is presented, which is customized and optimized with state-of-the-art hearing aid algorithms such as speaker localization, noise reduction, beamforming algorithms, and speech recognition. Specialized and application-specific instructions are designed and added to the baseline instruction set architecture (ISA). Among the major contributions are a multiply-accumulate (MAC) unit for real- and complex-valued numbers, architectures for power reduction during register accesses, co-processors and a low-latency audio interface. With the proposed MAC architecture, the KAVUAKA processor requires 16 % less cycles for the computation of a 128-point fast Fourier transform (FFT) compared to related programmable digital signal processors. The power consumption during register file accesses is decreased by 6 %to 17 % with isolation and by-pass techniques. The hardware-induced audio latency is 34 %lower compared to related audio interfaces for frame size of 64 samples.The final hearing aid system-on-chip (SoC) with four KAVUAKA processor cores and ten co-processors is integrated as an application-specific integrated circuit (ASIC) using a 40 nm low-power technology. The die size is 3.6 mm2. Each of the processors and co-processors contains individual customizations and hardware features with a varying datapath width between 24-bit to 64-bit. The core area of the 64-bit processor configuration is 0.134 mm2. The processors are organized in two clusters that share memory, an audio interface, co-processors and serial interfaces. The average power consumption at a clock speed of 10 MHz is 2.4 mW for SoC and 0.6 mW for the 64-bit processor.Case studies with four reference hearing aid algorithms are used to present and evaluate the proposed hardware architectures and optimizations. The program code for each processor and co-processor is generated and optimized with evolutionary algorithms for operation merging,instruction scheduling and register allocation. The KAVUAKA processor architecture is com-pared to related processor architectures in terms of processing performance, average power consumption, and silicon area requirements

Receiver position and acceptance of noise, speech understanding, and sound quality ratings

The effect of receiver position in a hearing aid on acceptance of background noise, speech intelligibility, sound quality judgments, and listener preference was measured in adults with normal to mild sloping to moderate to severe sensorineural hearing loss. Participants were fit with open-fit behind-the-ear (BTE) and receiver-in-the-ear (RITE) hearing aids. After a 3-week trial with each device, acceptance of noise levels, speech understanding in quiet and in noise, and sound quality ratings were conducted. At the conclusion of the study, listener preference between the devices was evaluated. Results revealed that receiver position did not significantly affect acceptance of background noise, speech understanding in quiet or in noise, sound quality ratings, or listener preference, indicating that no difference in objective or subjective benefit was observed based on the position of the receiver in a BTE hearing aid

Understanding hearing aid sound quality for music-listening

To improve speech intelligibility for individuals with hearing loss, hearing aids amplify speech using gains derived from evidence-based prescriptive methods, in addition to other advanced signal processing mechanisms. While the evidence supports the use of hearing aid signal processing for speech intelligibility, these signal processing adjustments can also be detrimental to hearing aid sound quality, with poor hearing aid sound quality cited as a barrier to device adoption. Poor sound quality is also of concern for music-listening, in which intelligibility is likely not a consideration. A series of electroacoustic and behavioural studies were conducted to study sound quality issues in hearing aids, with a focus on music. An objective sound quality metric was validated for real hearing aid fittings, enabling researchers to predict sound quality impacts of signal processing adjustments. Qualitative interviews with hearing aid user musicians revealed that users’ primary concern was understanding the conductor’s speech during rehearsals, with hearing aid music sound quality issues a secondary concern. However, reported sound quality issues were consistent with music-listening sound quality complaints in the literature. Therefore, follow-up experiments focused on sound quality issues. An examination of different manufacturers’ hearing aids revealed significant music sound quality preferences for some devices over others. Electroacoustic measurements on these devices revealed that bass content varied more between devices than levels in other spectral ranges or nonlinearity, and increased bass levels were most associated with improved sound quality ratings. In a sound quality optimization study, listeners increased the bass and reduced the treble relative to typically-prescribed gains, for both speech and music. However, adjustments were smaller in magnitude for speech compared to music because they were also associated with a decline in speech intelligibility. These findings encourage the increase of bass and reduction of treble to improve hearing aid music sound quality, but only to the degree that speech intelligibility is not compromised. Future research is needed on the prediction of hearing aid music quality, the provision of low-frequency gain in open-fit hearing aids, genre-specific adjustments, hearing aid compression and music, and direct-to-consumer technology

Speech enhancement algorithms for audiological applications

Texto en inglés y resumen en inglés y españolPremio Extraordinario de Doctorado de la UAH en el año académico 2013-2014La mejora de la calidad de la voz es un problema que, aunque ha sido abordado durante muchos años, aún sigue abierto. El creciente auge de aplicaciones tales como los sistemas manos libres o de reconocimiento de voz automático y las cada vez mayores exigencias de las personas con pérdidas auditivas han dado un impulso definitivo a este área de investigación. Esta tesis doctoral se centra en la mejora de la calidad de la voz en aplicaciones audiológicas. La mayoría del trabajo de investigación desarrollado en esta tesis está dirigido a la mejora de la inteligibilidad de la voz en audífonos digitales, teniendo en cuenta las limitaciones de este tipo de dispositivos. La combinación de técnicas de separación de fuentes y filtrado espacial con técnicas de aprendizaje automático y computación evolutiva ha originado novedosos e interesantes algoritmos que son incluidos en esta tesis. La tesis esta dividida en dos grandes bloques. El primer bloque contiene un estudio preliminar del problema y una exhaustiva revisión del estudio del arte sobre algoritmos de mejora de la calidad de la voz, que sirve para definir los objetivos de esta tesis. El segundo bloque contiene la descripción del trabajo de investigación realizado para cumplir los objetivos de la tesis, así como los experimentos y resultados obtenidos. En primer lugar, el problema de mejora de la calidad de la voz es descrito formalmente en el dominio tiempo-frecuencia. Los principales requerimientos y restricciones de los audífonos digitales son definidas. Tras describir el problema, una amplia revisión del estudio del arte ha sido elaborada. La revisión incluye algoritmos de mejora de la calidad de la voz mono-canal y multi-canal, considerando técnicas de reducción de ruido y técnicas de separación de fuentes. Además, la aplicación de estos algoritmos en audífonos digitales es evaluada. El primer problema abordado en la tesis es la separación de fuentes sonoras en mezclas infra-determinadas en el dominio tiempo-frecuencia, sin considerar ningún tipo de restricción computacional. El rendimiento del famoso algoritmo DUET, que consigue separar fuentes de voz con solo dos mezclas, ha sido evaluado en diversos escenarios, incluyendo mezclas lineales y binaurales no reverberantes, mezclas reverberantes, y mezclas de voz con otro tipo de fuentes tales como ruido y música. El estudio revela la falta de robustez del algoritmo DUET, cuyo rendimiento se ve seriamente disminuido en mezclas reverberantes, mezclas binaurales, y mezclas de voz con música y ruido. Con el objetivo de mejorar el rendimiento en estos casos, se presenta un novedoso algoritmo de separación de fuentes que combina la técnica de clustering mean shift con la base del algoritmo DUET. La etapa de clustering del algoritmo DUET, que esta basada en un histograma ponderado, es reemplazada por una modificación del algoritmo mean shift, introduciendo el uso de un kernel Gaussiano ponderado. El análisis de los resultados obtenidos muestran una clara mejora obtenida por el algoritmo propuesto en relación con el algoritmo DUET original y una modificación que usa k-means. Además, el algoritmo propuesto ha sido extendido para usar un array de micrófonos de cualquier tamaño y geometría. A continuación se ha abordado el problema de la enumeración de fuentes de voz, que esta relacionado con el problema de separación de fuentes. Se ha propuesto un novedoso algoritmo basado en un criterio de teoría de la información y en la estimación de los retardos relativos causados por las fuentes entre un par de micrófonos. El algoritmo ha obtenido excelente resultados y muestra robustez en la enumeración de mezclas no reverberantes de hasta 5 fuentes de voz. Además se demuestra la potencia del algoritmo para la enumeración de fuentes en mezclas reverberantes. El resto de la tesis esta centrada en audífonos digitales. El primer problema tratado es el de la mejora de la inteligibilidad de la voz en audífonos monoaurales. En primer lugar, se realiza un estudio de los recursos computacionales disponibles en audífonos digitales de ultima generación. Los resultados de este estudio se han utilizado para limitar el coste computacional de los algoritmos de mejora de la calidad de la voz para audífonos propuestos en esta tesis. Para resolver este primer problema se propone un algoritmo mono-canal de mejora de la calidad de la voz de bajo coste computacional. El objetivo es la estimación de una mascara tiempo-frecuencia continua para obtener el mayor parámetro PESQ de salida. El algoritmo combina una versión generalizada del estimador de mínimos cuadrados con un algoritmo de selección de características a medida, utilizando un novedoso conjunto de características. El algoritmo ha obtenido resultados excelentes incluso con baja relación señal a ruido. El siguiente problema abordado es el diseño de algoritmos de mejora de la calidad de la voz para audífonos binaurales comunicados de forma inalámbrica. Estos sistemas tienen un problema adicional, y es que la conexión inalámbrica aumenta el consumo de potencia. El objetivo en esta tesis es diseñar algoritmos de mejora de la calidad de la voz de bajo coste computacional que incrementen la eficiencia energética en audífonos binaurales comunicados de forma inalámbrica. Se han propuesto dos soluciones. La primera es un algoritmo de extremado bajo coste computacional que maximiza el parámetro WDO y esta basado en la estimación de una mascara binaria mediante un discriminante cuadrático que utiliza los valores ILD e ITD de cada punto tiempo-frecuencia para clasificarlo entre voz o ruido. El segundo algoritmo propuesto, también de bajo coste, utiliza además la información de puntos tiempo-frecuencia vecinos para estimar la IBM mediante una versión generalizada del LS-LDA. Además, se propone utilizar un MSE ponderado para estimar la IBM y maximizar el parámetro WDO al mismo tiempo. En ambos algoritmos se propone un esquema de transmisión eficiente energéticamente, que se basa en cuantificar los valores de amplitud y fase de cada banda de frecuencia con un numero distinto de bits. La distribución de bits entre frecuencias se optimiza mediante técnicas de computación evolutivas. El ultimo trabajo incluido en esta tesis trata del diseño de filtros espaciales para audífonos personalizados a una persona determinada. Los coeficientes del filtro pueden adaptarse a una persona siempre que se conozca su HRTF. Desafortunadamente, esta información no esta disponible cuando un paciente visita el audiólogo, lo que causa perdidas de ganancia y distorsiones. Con este problema en mente, se han propuesto tres métodos para diseñar filtros espaciales que maximicen la ganancia y minimicen las distorsiones medias para un conjunto de HRTFs de diseño

Speech enhancement algorithms for audiological applications

Texto en inglés y resumen en inglés y españolPremio Extraordinario de Doctorado de la UAH en el año académico 2013-2014La mejora de la calidad de la voz es un problema que, aunque ha sido abordado durante muchos años, aún sigue abierto. El creciente auge de aplicaciones tales como los sistemas manos libres o de reconocimiento de voz automático y las cada vez mayores exigencias de las personas con pérdidas auditivas han dado un impulso definitivo a este área de investigación. Esta tesis doctoral se centra en la mejora de la calidad de la voz en aplicaciones audiológicas. La mayoría del trabajo de investigación desarrollado en esta tesis está dirigido a la mejora de la inteligibilidad de la voz en audífonos digitales, teniendo en cuenta las limitaciones de este tipo de dispositivos. La combinación de técnicas de separación de fuentes y filtrado espacial con técnicas de aprendizaje automático y computación evolutiva ha originado novedosos e interesantes algoritmos que son incluidos en esta tesis. La tesis esta dividida en dos grandes bloques. El primer bloque contiene un estudio preliminar del problema y una exhaustiva revisión del estudio del arte sobre algoritmos de mejora de la calidad de la voz, que sirve para definir los objetivos de esta tesis. El segundo bloque contiene la descripción del trabajo de investigación realizado para cumplir los objetivos de la tesis, así como los experimentos y resultados obtenidos. En primer lugar, el problema de mejora de la calidad de la voz es descrito formalmente en el dominio tiempo-frecuencia. Los principales requerimientos y restricciones de los audífonos digitales son definidas. Tras describir el problema, una amplia revisión del estudio del arte ha sido elaborada. La revisión incluye algoritmos de mejora de la calidad de la voz mono-canal y multi-canal, considerando técnicas de reducción de ruido y técnicas de separación de fuentes. Además, la aplicación de estos algoritmos en audífonos digitales es evaluada. El primer problema abordado en la tesis es la separación de fuentes sonoras en mezclas infra-determinadas en el dominio tiempo-frecuencia, sin considerar ningún tipo de restricción computacional. El rendimiento del famoso algoritmo DUET, que consigue separar fuentes de voz con solo dos mezclas, ha sido evaluado en diversos escenarios, incluyendo mezclas lineales y binaurales no reverberantes, mezclas reverberantes, y mezclas de voz con otro tipo de fuentes tales como ruido y música. El estudio revela la falta de robustez del algoritmo DUET, cuyo rendimiento se ve seriamente disminuido en mezclas reverberantes, mezclas binaurales, y mezclas de voz con música y ruido. Con el objetivo de mejorar el rendimiento en estos casos, se presenta un novedoso algoritmo de separación de fuentes que combina la técnica de clustering mean shift con la base del algoritmo DUET. La etapa de clustering del algoritmo DUET, que esta basada en un histograma ponderado, es reemplazada por una modificación del algoritmo mean shift, introduciendo el uso de un kernel Gaussiano ponderado. El análisis de los resultados obtenidos muestran una clara mejora obtenida por el algoritmo propuesto en relación con el algoritmo DUET original y una modificación que usa k-means. Además, el algoritmo propuesto ha sido extendido para usar un array de micrófonos de cualquier tamaño y geometría. A continuación se ha abordado el problema de la enumeración de fuentes de voz, que esta relacionado con el problema de separación de fuentes. Se ha propuesto un novedoso algoritmo basado en un criterio de teoría de la información y en la estimación de los retardos relativos causados por las fuentes entre un par de micrófonos. El algoritmo ha obtenido excelente resultados y muestra robustez en la enumeración de mezclas no reverberantes de hasta 5 fuentes de voz. Además se demuestra la potencia del algoritmo para la enumeración de fuentes en mezclas reverberantes. El resto de la tesis esta centrada en audífonos digitales. El primer problema tratado es el de la mejora de la inteligibilidad de la voz en audífonos monoaurales. En primer lugar, se realiza un estudio de los recursos computacionales disponibles en audífonos digitales de ultima generación. Los resultados de este estudio se han utilizado para limitar el coste computacional de los algoritmos de mejora de la calidad de la voz para audífonos propuestos en esta tesis. Para resolver este primer problema se propone un algoritmo mono-canal de mejora de la calidad de la voz de bajo coste computacional. El objetivo es la estimación de una mascara tiempo-frecuencia continua para obtener el mayor parámetro PESQ de salida. El algoritmo combina una versión generalizada del estimador de mínimos cuadrados con un algoritmo de selección de características a medida, utilizando un novedoso conjunto de características. El algoritmo ha obtenido resultados excelentes incluso con baja relación señal a ruido. El siguiente problema abordado es el diseño de algoritmos de mejora de la calidad de la voz para audífonos binaurales comunicados de forma inalámbrica. Estos sistemas tienen un problema adicional, y es que la conexión inalámbrica aumenta el consumo de potencia. El objetivo en esta tesis es diseñar algoritmos de mejora de la calidad de la voz de bajo coste computacional que incrementen la eficiencia energética en audífonos binaurales comunicados de forma inalámbrica. Se han propuesto dos soluciones. La primera es un algoritmo de extremado bajo coste computacional que maximiza el parámetro WDO y esta basado en la estimación de una mascara binaria mediante un discriminante cuadrático que utiliza los valores ILD e ITD de cada punto tiempo-frecuencia para clasificarlo entre voz o ruido. El segundo algoritmo propuesto, también de bajo coste, utiliza además la información de puntos tiempo-frecuencia vecinos para estimar la IBM mediante una versión generalizada del LS-LDA. Además, se propone utilizar un MSE ponderado para estimar la IBM y maximizar el parámetro WDO al mismo tiempo. En ambos algoritmos se propone un esquema de transmisión eficiente energéticamente, que se basa en cuantificar los valores de amplitud y fase de cada banda de frecuencia con un numero distinto de bits. La distribución de bits entre frecuencias se optimiza mediante técnicas de computación evolutivas. El ultimo trabajo incluido en esta tesis trata del diseño de filtros espaciales para audífonos personalizados a una persona determinada. Los coeficientes del filtro pueden adaptarse a una persona siempre que se conozca su HRTF. Desafortunadamente, esta información no esta disponible cuando un paciente visita el audiólogo, lo que causa perdidas de ganancia y distorsiones. Con este problema en mente, se han propuesto tres métodos para diseñar filtros espaciales que maximicen la ganancia y minimicen las distorsiones medias para un conjunto de HRTFs de diseño

Cancelamento de realimentação acústica em aparelhos auditivos através do método de erro de predição com comprimento deficiente

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2010A deficiência auditiva é um mal que atinge parcela significativa da população mundial. Sistemas de auxílio à audição têm se apresentado como importantes aliados na minimização dos problemas de comunicação decorrentes dessa limitação. Um importante fator de impacto sobre o desempenho de aparelhos auditivos é a chamada realimentação acústica, causada pela reinjeção do sinal de saída do dispositivo no próprio microfone de captação. Este trabalho apresenta um estudo sobre o método de erro de predição em sistemas com recursos computacionais limitados. Esta característica é relacionada aos aparelhos auditivos comerciais modernos, que apresentam tamanho reduzido associado à necessidade de incorporar diversos subsistemas de processamento. Inicialmente, a partir de modelos teóricos já existentes para a previsão de desempenho do método de erro de predição, é realizada a expansão para o caso de comprimento deficiente. Os resultados obtidos para a predição do comportamento médio dos coeficientes do filtro de cancelamento de realimentação são confrontados com simulações e resultados práticos. Para tanto, foi construída uma câmara acústica para testes onde foram realizados experimentos em tempo real utilizando um processador digital de sinais dedicado para aparelhos auditivos. Como conclusão, verificou-se a validade dos modelos analíticos derivados e, a partir deles, a influência da limitação de recursos computacionais sobre o desempenho do sistema de cancelamento. De forma particular, verificou-se que o método de erro de predição proporciona maior margem de ganho que o método direto de cancelamento de realimentação, inclusive na situação em que os recursos computacionais são limitados e impedem a completa atuação do método de erro de predição