Estudo e proposição de estratégias para seleção de canais em implantes cocleares

Abstract

Implantes cocleares (ICs) são dispositivos utilizados para restaurar parcialmente a audição de indivíduos com perda auditiva de grau severo a profundo. A partir de técnicas de processamento de sinais, conhecidas como estratégias de codificação, o IC converte sons captados por microfones em pulsos elétricos que são aplicados no interior da cóclea por um conjunto de eletrodos. Uma importante etapa das estratégias de codificação do tipo \"N-of-M\" é a seleção de canais de estimulação, que reduz a interação indesejável entre canais e melhora a qualidade da sensação auditiva experimentada pelos implantados. Como consequência, também ocorre a diminuição do consumo de energia, o que permite o prolongamento do tempo de uso diário do dispositivo, aumentando a qualidade de vida de seus usuários. Ainda que os ICs tenham evoluído consideravelmente nas últimas décadas, o consumo de energia desses dispositivos ainda é bastante elevado em comparação com outros aparelhos auditivos. Neste trabalho são propostas três novas estratégias para a seleção de canais em ICs com o intuito de otimizar a transmissão de informação utilizando um número menor de canais de estimulação. O princípio de funcionamento dessas estratégias é baseado em sorteio aleatório, seguindo uma função de probabilidade cujo objetivo é priorizar canais com maior potência e penalizar a proximidade espaço-temporal de canais ativados. Para auxiliar na avaliação das estratégias de codificação de ICs, foi desenvolvido um sistema para realização de ensaios psicoacústicos, o qual permite a avaliação da inteligibilidade de indivíduos normo-ouvintes e usuários de IC sob diversas configurações. Além disso, o sistema possibilita a estimação da carga cognitiva a partir da análise da dilatação da pupila, técnica chamada de pupilometria. Os resultados de ensaios validaram o funcionamento do sistema desenvolvido, pois confirmaram que a carga cognitiva tende a ser maior para condições com menor razão sinal-ruído. Comparações utilizando critérios objetivos de inteligibilidade e ensaios psicoacústicos com normo-ouvintes e fala processada por vocoder mostram que as estratégias propostas resultam em maiores percentuais de inteligibilidade em relação à estratégia comercial Advanced Combination Encoder, sobretudo com um número reduzido de canais utilizados. A vantagem da utilização da estratégia proposta também é ilustrada com um ensaio psicoacústico realizado com um voluntário usuário de IC.

Abstract: Cochlear implants (CIs) are devices employed to partially restore the hearing in individuals with severe to profound hearing loss. The signal processing performed in CIs, called coding strategy, converts sounds captured by microphones into electrical pulses that are applied inside the cochlea by a set of electrodes. An important stage of \"N-of-M\" coding strategies is the channel selection, which aims to reduce interaction between channels, improving the quality of the hearing sensation experienced by CI users. As a consequence, there is also a decrease in energy consumption, which allows the extension of the daily use of the device, increasing the quality of life of its users. Although CIs have evolved considerably in recent decades, the energy consumption of these devices is still higher as compared to other hearing assistive devices, such as hearing aids. In this work three new strategies are proposed for channel selection in CIs to optimize the transmission of information using fewer channels for stimulation. The proposed strategies are based on random selection, following a probability function that aims to prioritize high magnitude channels and to penalize spatio-temporal contiguity of activated channels. A system for performing psychoacoustic experiments was developed to assess and compare the coding strategies, which allows evaluation of the speech intelligibility of normal-hearing individuals and CI users under different configurations. In addition, the system allows to estimate the cognitive load from the analysis of pupil dilation, a technique called pupillometry. Results from experimental tests validated the functioning of the developed system, as they confirmed that cognitive load tends to be higher for conditions with lower signal-to-noise ratio. Comparisons using speech intelligibility objective criteria and psychoacoustic experiments with normal hearing volunteers and vocoded speech show that the proposed strategies result in higher intelligibility scores than for the Advanced Combination Encoder strategy, especially when the number of channels is reduced. The advantage of using the proposed strategy is also illustrated with a psychoacoustic test carried out with a CI user volunteer.