Redução de ruído em implantes cocleares utilizando arranjo de microfones

Abstract

O implante coclear (IC) é um dispositivo que tem como objetivo a restauração parcial da audição de indivíduos com perdas auditivas neurossensoriais de grau severo a profundo. Esse dispositivo utiliza técnicas de processamento de sinais para converter os sons captados pelos microfones em pulsos elétricos, que são aplicados no interior da cóclea por um conjunto de eletrodos. Embora seja capaz de restaurar a capacidade de comunicação em ambientes sem ruído, a existência de interferências sonoras pode prejudicar significativamente a inteligibilidade da fala percebida. De forma a minimizar esse efeito, métodos de redução de ruído são elementos fundamentais na cadeia de processamento do implante coclear. Entre os métodos utilizados, estão aqueles baseados em arranjos de microfones. Uma das formas de implementação é por meio do conformador de feixes de mínima variância com resposta sem distorção. Embora tenha sido utilizada com significativo sucesso em aplicações convencionais de melhoria da fala, como também em aparelhos auditivos, sua forma convencional não é ideal para implantes cocleares, uma vez que a inteligibilidade da fala para usuários desses dispositivos depende unicamente das características da envoltória dos sinais e não de sua estrutura fina. Diante desta constatação, este trabalho propõe uma estratégia de redução de ruído baseada em arranjo de microfones com restrição da envoltória temporal. Conjuntamente, é avaliado o impacto da latência decorrente do processo de estimação da envoltória e seu desempenho. A partir dos resultados obtidos, é derivado um caso particular do método proposto, no qual é possível obter uma solução analítica semi-fechada, resultando em menor latência e complexidade computacional. Simulações computacionais com critérios objetivos e experimentos psicoacústicos com voluntários normouvintes e implantados indicaram aumento significativo de inteligibilidade para o método proposto, quando comparado com técnicas clássicas encontradas na literatura.

Abstract: The cochlear implant (CI) is a device that aims to partially restore the hearing of individuals with severe to profound sensorineural hearing losses. This device uses signal processing techniques to convert sounds captured by microphones into electrical pulses, which are applied inside the cochlea by a set of electrodes. Although it is capable of restoring the ability to communicate in noise-free environments, the existence of sound interference can significantly impair the intelligibility of perceived speech. In order to minimize this effect, noise reduction methods are fundamental elements in the cochlear implant processing chain. Among the methods used are those based on microphone arrays. One of the ways of implementation is through the beamformer minimum variance distortionless response. Although it has been used with significant success in conventional speech improvement applications, as well as in hearing aids, its conventional form is not ideal for cochlear implants, since speech intelligibility for users of these devices depends solely on the characteristics of the signal envelope and not from its fine structure. Given this finding, this work proposes a noise reduction strategy based on a microphone arrangement with temporal envelope restrictions. Together, the impact of latency resulting from the envelope estimation process and its performance is evaluated. From the results obtained, a particular case of the proposed method is derived, in which it is possible to obtain a semi-closed analytical solution, resulting in lower latency and computational complexity. Computational simulations with objective criteria and psychoacoustic experiments with normal-hearing and implanted volunteers indicated a significant increase in intelligibility for the proposed method, when compared to classic techniques found in the literature.