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

DEVELOPMENT OF MICROCONTROLLER BASED BINAURAL DIGITAL HEARING AIDS FOR HEARING-IMPAIRED PEOPLE

This research paper expounds microcontroller based binaural digital hearing aids for hearing-impaired people by making use of ATmega328 microcontroller and other circuitries to process the audio signal input by either increasing or reducing the gain level of input audio signal, filter background noise, frequencies compression, save battery power and minimize circuit by making use of the internal ADC of the microcontroller and two PMW pins of the microcontroller as DAC. Hearing impairment among the youths and adults nowadays are in the increase, due wrong use of phones of which every minute of the day someone’s earphone is on listening to one type of music or the other. In other to solve the problem created so to say this research work was conceived and given birth to. The different stages of digital hearing aid are designed and then simulated first in Proteus software which then was implemented using PCB-board. The main components of this system were the audio input unit which consists of the microphone and its pre-amplifier, the microcontroller (ATmega328) which consists of the ADC, the DAC and the audio signal processing, the filter stage and control codes (frequencies compression codes, power saver codes, acoustic feedback control codes, signal level control and adaptive adjustment codes etc.), the power amplifier and volume control unit and then the earphones (output). The control codes were written in C language while Ardinuo Uno compiler was used to write the codes into ATmega328.  The prototype has an overall system gain of 27dB and the power output of 32.5mW. The prototype was tested with a patient that has a hearing impairment and the patient was satisfactory with the device. http://dx.doi.org/10.4314/njt.v36i3.3

Improving speech intelligibility in hearing aids. Part I: Signal processing algorithms

[EN] The improvement of speech intelligibility in hearing aids is a traditional problem that still remains open and unsolved. Modern devices may include signal processing algorithms to improve intelligibility: automatic gain control, automatic environmental classification or speech enhancement. However, the design of such algorithms is strongly restricted by some engineering constraints caused by the reduced dimensions of hearing aid devices. In this paper, we discuss the application of state-of-theart signal processing algorithms to improve speech intelligibility in digital hearing aids, with particular emphasis on speech enhancement algorithms. Different alternatives for both monaural and binaural speech enhancement have been considered, arguing whether they are suitable to be implemented in a commercial hearing aid or not.This work has been funded by the Spanish Ministry of Science and Innovation, under project TEC2012-38142-C04-02.Ayllón, D.; Gil Pita, R.; Rosa Zurera, M.; Padilla, L.; Piñero Sipán, MG.; Diego Antón, MD.; Ferrer Contreras, M.... (2014). Improving speech intelligibility in hearing aids. Part I: Signal processing algorithms. Waves. 6:61-71. http://hdl.handle.net/10251/57901S6171

Coding Strategies for Cochlear Implants Under Adverse Environments

Cochlear implants are electronic prosthetic devices that restores partial hearing in patients with severe to profound hearing loss. Although most coding strategies have significantly improved the perception of speech in quite listening conditions, there remains limitations on speech perception under adverse environments such as in background noise, reverberation and band-limited channels, and we propose strategies that improve the intelligibility of speech transmitted over the telephone networks, reverberated speech and speech in the presence of background noise. For telephone processed speech, we propose to examine the effects of adding low-frequency and high- frequency information to the band-limited telephone speech. Four listening conditions were designed to simulate the receiving frequency characteristics of telephone handsets. Results indicated improvement in cochlear implant and bimodal listening when telephone speech was augmented with high frequency information and therefore this study provides support for design of algorithms to extend the bandwidth towards higher frequencies. The results also indicated added benefit from hearing aids for bimodal listeners in all four types of listening conditions. Speech understanding in acoustically reverberant environments is always a difficult task for hearing impaired listeners. Reverberated sounds consists of direct sound, early reflections and late reflections. Late reflections are known to be detrimental to speech intelligibility. In this study, we propose a reverberation suppression strategy based on spectral subtraction to suppress the reverberant energies from late reflections. Results from listening tests for two reverberant conditions (RT60 = 0.3s and 1.0s) indicated significant improvement when stimuli was processed with SS strategy. The proposed strategy operates with little to no prior information on the signal and the room characteristics and therefore, can potentially be implemented in real-time CI speech processors. For speech in background noise, we propose a mechanism underlying the contribution of harmonics to the benefit of electroacoustic stimulations in cochlear implants. The proposed strategy is based on harmonic modeling and uses synthesis driven approach to synthesize the harmonics in voiced segments of speech. Based on objective measures, results indicated improvement in speech quality. This study warrants further work into development of algorithms to regenerate harmonics of voiced segments in the presence of noise

FPGA Implementation of Hearing Impaired Assistive Device for Hard to Hear Individuals

The Noise cancellation and suppression techniques have been developed and implemented in field-programmable gate array (FPGA) in this work. Hearing aids are primarily meant for improving hearing and speech comprehensions. Digital hearing aids score over their analog counterparts. This happens as digital hearing aids provide flexible gain besides facilitating feedback reduction and noise elimination. Recent advances in digital signal processors (DSP) and Microelectronics have led to the development of superior digital hearing aids. Many researchers have investigated several algorithms suitable for hearing aid application that demands low noise, feed-back cancellation, echo cancellation, etc., however the toughest challenge is the implementation. Furthermore, the additional constraints are power and area. The device must consume as minimum power as possible to support extended battery life and should be as small as possible for increased portability. In this work, we are using cross-channel suppression technique to remove the unwanted audio signals. The unwanted signals are suppressed using twotone suppression scheme. In this project, the speech signal is absorbed by microphone. This signal is then converted to digital using ADC. The digitized signal is processed using FPGA. Here in FPGA the speech signal is enhanced and amplified to the desired level. The processed speech signal is then converted into analog format using DAC and is given to speaker

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