Redução de ruído em implantes cocleares utilizando máscaras tempo-frequência de baixa latência baseadas na envoltória temporal

Abstract

Implantes cocleares são próteses eletrônicas que têm como função o restabelecimento da audição em pessoas com perdas severas ou profundas. Sua utilização pode permitir um reconhecimento de até 80% das palavras durante a conversação. Entretanto, ambientes acústicos sujeitos à presença de ruído aditivo acarretam significativo impacto à inteligibilidade. Como exemplo, situações em que a razão-sinal ruído é de cinco decibéis podem limitar o reconhecimento de palavras a cerca de 20%. Dessa forma, métodos de redução de ruído são de extrema importância e de grande interesse para o desenvolvimento desses dispositivos. O objetivo desse trabalho é o estudo de métodos de redução de ruído baseados em máscaras tempo-frequência especificamente projetadas para uso em implantes cocleares. Esses sistemas são constituídos por um banco de filtros cujas saídas são atenuadas por um coeficiente que depende da razão sinal-ruído associada. Este trabalho apresenta duas linhas de pesquisa. A primeira envolve um estudo sobre a máscara raiz quadrada de Wiener (SRW) e explica o seu desempenho adequado em aplicações de redução de ruído a implantes cocleares. A segunda, apresenta uma função custo generalizada baseada no erro quadrático médio entre a envoltória ideal da fala e a envoltória estimada do sinal contaminado processado. A partir de um parâmetro de conformação, dois casos particulares foram analisados: a minimização do erro quadrático médio entre as energias e as potências das envoltórias temporais. Esses casos resultam em duas novas máscaras que, para determinadas condições, se aproximam de máscaras previamente descritas na literatura, sendo elas, a SRW e a máscara de Chiea e Costa. Simulações computacionais baseadas em métricas objetivas de inteligibilidade, em conjunto com a avaliação do erro quadrático médio entre as envoltórias, indicam aumento de inteligibilidade e maior capacidade de redução de ruído usando as máscaras propostas em relação às suas aproximações. As métricas objetivas são corroboradas pelos resultados obtidos em experimentos psicoacústicos de inteligibilidade, tanto com normo-ouvintes quanto com usuários de implante coclear. Em ambos, as máscaras propostas resultaram em aumentos de até 9,2% nos critérios objetivos. Nos experimentos psicoacústicos, o incremento foi de até 6,8% com normo-ouvintes e de 11,9% com usuários de implante coclear. Os resultados demonstram que máscaras tempo-frequência baseadas na envoltória da fala podem ser usadas para o melhoramento dos índices de inteligibilidade e redução de ruído aditivo em implantes cocleares.

Abstract: Cochlear implants are electronic prostheses that aim to restore hearing in people with severe or profound hearing loss. They may allow up to 80% of word recognition during the conversation. However, acoustic additive noise has a significant impact on intelligibility. For example, the signal-to-noise ratio of five decibels may limit word recognition to about 20%. Thus, noise reduction methods are critical in developing these devices. This work aims to study noise reduction methods based on time-frequency masks designed explicitly for cochlear implants. These systems consist of a filter bank whose outputs are attenuated by a coefficient that depends on the associated signal-to-noise ratio. This work presents two lines of research. The first involves a study on the square root Wiener (SRW) mask and explains its adequate performance in noise reduction applications in cochlear implants. The second presents a generalized cost function based on the mean squared error between the ideal speech envelope and the estimated processed noisy signal envelope. From a shaping parameter, two particular cases were analyzed: minimization of the mean squared error between the energies or the powers of the temporal envelopes. These particular cases result in two new masks that, under certain conditions, approximate previously described masks in the literature, namely, the SRW and the Chiea and Costa mask. Computer simulations based on objective intelligibility metrics and an evaluation of the mean square error between the envelopes indicate an increase in intelligibility and greater noise reduction capacity using the proposed masks compared to their approximations. The objective metrics are corroborated by the results obtained in psychoacoustic intelligibility experiments with normal-hearing listeners and cochlear implant users, in which greater intelligibility was obtained using the proposed masks. The proposed masks increase intelligibility by up to 9,2% the objective criteria. In psychoacoustic experiments, the increase is up to 6,8% in experiments with normal-hearing individuals and 11,9% with cochlear implant users. The results demonstrate that the use of time-frequency masks based on speech envelope can be used to improve intelligibility rates and reduce additive noise in cochlear implants.