A Binaural Cochlear Implant Sound Coding Strategy Inspired by the Contralateral Medial Olivocochlear Reflex

[EN] Objectives: In natural hearing, cochlear mechanical compression is dynamically adjusted via the efferent medial olivocochlear reflex (MOCR). These adjustments probably help understanding speech in noisy environments and are not available to the users of current cochlear implants (CIs). The aims of the present study are to: (1) present a binaural CI sound processing strategy inspired by the control of cochlear compression provided by the contralateral MOCR in natural hearing; and (2) assess the benefits of the new strategy for understanding speech presented in competition with steady noise with a speech-like spectrum in various spatial configurations of the speech and noise sources. Design: Pairs of CI sound processors (one per ear) were constructed to mimic or not mimic the effects of the contralateral MOCR on compression. For the nonmimicking condition (standard strategy or STD), the two processors in a pair functioned similarly to standard clinical processors (i.e., with fixed back-end compression and independently of each other). When configured to mimic the effects of the MOCR (MOC strategy), the two processors communicated with each other and the amount of backend compression in a given frequency channel of each processor in the pair decreased/increased dynamically (so that output levels dropped/ increased) with increases/decreases in the output energy from the corresponding frequency channel in the contralateral processor. Speech reception thresholds in speech-shaped noise were measured for 3 bilateral CI users and 2 single-sided deaf unilateral CI users. Thresholds were compared for the STD and MOC strategies in unilateral and bilateral listening conditions and for three spatial configurations of the speech and noise sources in simulated free-field conditions: speech and noise sources colocated in front of the listener, speech on the left ear with noise in front of the listener, and speech on the left ear with noise on the right ear. In both bilateral and unilateral listening, the electrical stimulus delivered to the test ear(s) was always calculated as if the listeners were wearing bilateral processors. Results: In both unilateral and bilateral listening conditions, mean speech reception thresholds were comparable with the two strategies for colocated speech and noise sources, but were at least 2 dB lower (better) with the MOC than with the STD strategy for spatially separated speech and noise sources. In unilateral listening conditions, mean thresholds improved with increasing the spatial separation between the speech and noise sources regardless of the strategy but the improvement was significantly greater with the MOC strategy. In bilateral listening conditions, thresholds improved significantly with increasing the speech-noise spatial separation only with the MOC strategy. Conclusions: The MOC strategy (1) significantly improved the intelligibility of speech presented in competition with a spatially separated noise source, both in unilateral and bilateral listening conditions; (2) produced significant spatial release from masking in bilateral listening conditions, something that did not occur with fixed compression; and (3) enhanced spatial release from masking in unilateral listening conditions. The MOC strategy as implemented here, or a modified version of it, may be usefully applied in CIs and in hearing aids

Assistive listening headsets for high noise environments: Protection and communication

© 2015 IEEE. In industrial noise environments, the use of assistive listening headsets is a means to provide adequate access to voice communication while wearing hearing protection. This paper presents a performance evaluation and comparison of two different methods to provide the binaural speech enhancement in real industrial noise scenarios. The investigated binaural methods based on differential beamforming and multichannel Wiener filter show different strengths and weaknesses. A transient noise suppression algorithm is also proposed and evaluated. Performance evaluation shows that this algorithm, together with the binaural multi-channel Wiener filter approach, can successfully reduce the hammering noise. This can be observed from the PESQ scores and the signal characteristics

Effective Binaural Multi-Channel Processing Algorithm for Improved Environmental Presence

Binaural noise-reduction algorithms based on multi-channel Wiener filter (MWF) are promising techniques to be used in binaural assistive listening devices. The real-time implementation of the existing binaural MWF methods, however, involves challenges to increase the amount of noise reduction without imposing speech distortion, and at the same time preserving the binaural cues of both speech and noise components. Although significant efforts have been made in the literature, most developed methods so far have focused only on either the former or latter problem. This paper proposes an alternative binaural MWF algorithm that incorporates the non-stationarity of the signal components into the framework. The main objective is to design an algorithm that would be able to select the sources that are present in the environment. To achieve this, a modified speech presence probability (SPP) and a single-channel speech enhancement algorithm are utilized in the formulation. The resulting optimal filter also avoids the poor estimation of the second-order clean speech statistics, which is normally done by simple subtraction. Theoretical analysis and performance evaluation using realistic recorded data shows the advantage of the proposed method over the reference MWF solution in terms of the binaural cues preservation, as well as the noise reduction and speech distortion

Speech understanding and listening effort in noise with a new speech processing algorithm

This study examined the effect of a new speech processing strategy (SpeechZone2) in a commercially available hearing aid on speech understanding in noise and self-reported listening effort. Seven adult, experienced hearing aid users (2 males, 5 females; mean age = 64.6 years) with mild to severe, sloping sensorineural hearing loss participated in this study. Binaural Unitron Flex receiver in the ear style hearing aids with closed domes were used to provide the manufacturer prescribed amplification for each participant. The hearing aids were programmed with two separate memories: 1) omnidirectional microphone without SpeecZone2 processing, and 2) adaptive directionality with SpeechZone2 processing. The participants were seated in the center of a five loudspeaker fixed array. HINT scores (dB SNR required for 50% speech understanding) with the speech source at 00, 900, 1800, and 2700 azimuths were measured for each program while uncorrelated speech babble noise was presented simultaneously from four speakers. The participants were also asked to fill out a short questionnaire on listening effort after each condition. Results showed that the new speech processing algorithm (adaptive directionality with SpeechZone2) did not improve speech understanding in noise compared to the omnidirectional microphone condition (F(1,6)= 1.723; p = 0.237). Pairwise comparison with Bonferroni corrections (α=0.0125) indicated that there was a significant improvement only when speech was presented from 270 degree azimuth (p=0.002). The ANOVA also revealed a significant effect of the speech source location (F(3,18)= 5.62; p=0.02). Regardless of the directionality and speech processing, the participants performed better when speech was presented from the sides (900 and 2700). A Wilcoxon signed-rank nonparametric test showed that there was no significant difference in the self-reported scores in the listening effort questionnaire (Z = 0.637, p = 0.39). There was a large intersubject variability noticed in this small sample size

Effects of Coordinated Bilateral Hearing Aids and Auditory Training on Sound Localization

This thesis has two main objectives: 1) evaluating the benefits of the bilateral coordination of the hearing aid Digital Signal Processing (DSP) features by measuring and comparing the auditory performance with and without the activation of this coordination, and 2) evaluating the benefits of acclimatization and auditory training on such auditory performance and, determining whether receiving training in one aspect of auditory performance (sound localization) would generalize to an improvement in another aspect of auditory performance (speech intelligibility in noise), and to what extent. Two studies were performed. The first study evaluated the speech intelligibility in noise and horizontal sound localization abilities in HI listeners using hearing aids that apply bilateral coordination of WDRC. A significant improvement was noted in sound localization with bilateral coordination on when compared to off, while speech intelligibility in noise did not seem to be affected. The second study was an extension of the first study, with a suitable period for acclimatization provided and then the participants were divided into training and control groups. Only the training group received auditory training. The training group performance was significantly better than the control group performance in some conditions, in both the speech intelligibility and the localization tasks. The bilateral coordination did not have significant effects on the results of the second study. This work is among the early literature to investigate the impact of bilateral coordination in hearing aids on the users’ auditory performance. Also, this work is the first to demonstrate the effect of auditory training in sound localization on the speech intelligibility performance

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