Study on Speech Enhancement Algorithm to Improve Speech Intelligibility in Background Noise for Sensorineural Hearing Impaired Listeners

Abstract

급속한 고령화 및 사업화로 이미 선진국에서는 난청인구가 10%를 넘어서고 있고 한국과 중국 등 신흥산업국가에도 청각 및 난청에 대한 사회적인 중요성과 함께 그 관심도가 점점 높아지고 있다. 하지만 국내에서 조차 관련 연구나 사업은 미비한 것이 현실이다. 아울러 국내에서는 보청기사업 자체가 매우 고부가 사업임에도 불과하고 기업에서 조차 관련 연구가 많지 않다. 그 동안 아나로그 보청기가 가지는 한계를 극복하고 디지털 신호처리 기술로 구현한 다양한 기술이 개발되어 난청자의 청력을 도와주고 있다. 특히 최근엔 인공와우 등이 기존에 보청기를 사용하던 일부 고도 난청자 까지로 활용이 넓혀지는 등 보청기 외에도 관련 분야의 연구가 선진국에선 활발하게 이루어지고 있다. 본 연구에서는 기본적인 난청의 실태에 대한 조사부터 시작하여 청각학적인 연구와 생리학적인 연구를 병행하여 보청기 알고리즘, 특히 라우드니스의 보상과 음질향상기법이 어음변별력에 미치는 영향에 대해서 연구하였다. 한국 리서치와 같이 진행되었던 “우리나라 난청자 및 보청기에 대한 실태조사”를 통하여 본 연구가 집중해야 할 방향을 정하여 특히 감음신경성 난청자가 겪고 있는 라우드니스 누가현상을 보상해주기 위한 비선형 라우드니스 압축 알고리즘을 개발하였으며, 다양한 청각학적 연구를 통하여 그 활용도를 입증하였다. 아울러 난청자의 가장 큰 불만사항 중에 하나인 잡음 환경 내에서의 어음변별력 향상을 위해서 음질향상기법을 연구하여 이러한 시도가 난청자에게 어떠한 영향을 미치는가에 대해서 논의 되었다. 실제로 기존 보청기가 사용하는 단순한 비선형 알고리즘과 이러한 방식의 음질향상기법이 난청자의 어음변별력에 큰 영향을 미치고 있음을 보였다. 또한 보다 정량적인 보청기의 평가시험을 위하여 최초로 실시간 난청시뮬레이터를 구현하여 보청기의 연구시 필요한 정량적 실험을 줄일 수 있는 방법을 제시하였다. 이렇게 개발된 보청기 알고리즘을 토대로 프로타입의 보청기 시스템과 전용칩을 개발하여 그 유용성을 보였으며 향후 이에 대한 지속적인 연구를 통하여 저전력 반도체 및 초소형 보청기를 개발하기 위한 토대를 마련하였다. 마지막으로 이러한 보청기에 대한 공학적인 연구가 최근에 재조명되고 있는 라우드니스 누가현상에 대한 전기생리학적인 연구 결과와 함께 새로운 난청보상알고리즘에 대한 방향에 대한 고찰을 하였다. 지난 수십년간 가설되었던 역치에서의 라우드니스 누가현상이 증가폭이 급격히 증가하지 않음이 밝혀졌고 이에 따라서 보청기에 적용되고 있는 피팅 알고리즘 또한 수정이 필요하다. 아울러 이러한 라우드니스 누가현상이 있는 난청에서 특히 높음 음압에서 F2의 역할이 두드러짐에 따라서 기존의 스펙트럼에 기반된 음질향상기법들은 이러한 포만트 성분의 비율을 조절함에 따라서 난청자의 어음변별력에 직접적인 영향이 있음을 동물실험을 통하여 입증되었다.; Hearing aids are currently the primary means of treating hearing impairment. The hearing aid industry has introduced a number of digital hearing aids into the marketplace. Digital Signal Processing (DSP) hearing aid devices employ sophisticated miniature digital electronic circuits to amplify and process sound using signal processing algorithms that are adjusted for each individual patient. However, the availability of these newer, high technology digital hearing aids required that we justify their value related. The hope is that the new possibilities would open up a market that has very little penetration and satisfaction; a half of hearing aid users that have stopped using them give reasons revolving around the standard hearing aids ineffectiveness in increasing intelligibility. The objectives of this study are to find out what is the most compliant from hearing impaired listeners and how we can compensate theses issues. Survey for hearing impaired listeners in Korea was undertook to analysis their feedback. Based on the result, we need to consider not only the reduced dynamic range associated with loudness reduction for listeners with sensorineural hearing loss, but also the speech enhancement in background noise. The wide dynamic loudness compression algorithm and Application Specific Integrated Circuit (ASIC) for digital hearing aid processor were developed. Also the speech enhancement methodologies for sensory-neural hearing impairment listeners were developed and compared using both subjective and objective methods. For this objective method, hearing impairment simulation (HIS) method was developed and suggested to evaluate hearing aid algorithms. This algorithm shows that the spectral subtraction algorithm with the wide dynamic loudness compression helps speech intelligibility for listeners with sensorineural hearing loss and compensational effect of 12 dB of SNR loss in word recognition test. One of the major constraints for listeners with sensorineural hearing loss is the reduced dynamic range associated with loudness recruitment; however, the physiological correlates of loudness and recruitment are still not well understood. Recent psychophysical results challenge some of the classical concepts of recruitment, and suggest that the dynamic range of loudness is also reduced. These results have potentially significant implications for hearing aids that have renewed an interest in how sensorineural hearing loss affects level encoding in the auditory nerve. According to this electrophysiological research about cochlear and auditory system, the modified loudness compression algorithm with background noise reduction by enhancing formant frequencies for a hearing aid was suggested for further study.