The sensitive ear: towards real-time monitoring of in-ear physiological and audio signals for managing decreased sound tolerance

Benesch, Danielle (2022). The sensitive ear: towards real-time monitoring of in-ear physiological and audio signals for managing decreased sound tolerance. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

People with decreased sound tolerance often wear hearing protection or headphones to block out the sounds they are sensitive to. However, conventional hearing devices indiscriminately block out all sounds, even when these sounds do not cause distress and may be useful for the wearer to hear. The resulting acoustic isolation can prevent the wearer from fully participating in their environment and could also have long term consequences, as research suggests that regular noise avoidance may exacerbate sensitivity to sound. A potential solution to over-avoidance of noise could be a hearing device specifically designed for decreased sound tolerance to attenuate sound only when necessary to reduce the wearer’s stress, by recording external sounds, processing them, and selectively transmitting them inside the earcanal.

However, there are several challenges associated with developing a hearing device that selectively attenuates distressing sounds: 1) Existing devices used to manage decreased sound tolerance are not readily modifiable, and the resources required to independently develop a new device can be a barrier to prototyping new features; 2) There is limited research on how to balance usability considerations such as how effectively distressing sounds are filtered out and potential impacts on speech comprehension, which could be of particular concern for populations where decreased sound tolerance symptoms co-occur with communication challenges; 3) The presentation of decreased sound tolerance can vary greatly, for different individuals as well as over time for the same individual, and therefore, the audio processing required could depend on each wearer’s current needs.

This thesis presents the findings of research efforts aiming to address the above challenges: First, existing hardware and software tools to prototype hearing device algorithms were evaluated for their suitability for decreased sound tolerance research. A processing pipeline interfacing an external personal computer with a microcontroller-based platform was developed to allow for algorithms implemented on the computer to control real-time audio processing. Second, an experimental protocol, piloted online with 50 participants, was developed to assess the latency requirements for real time audio processing based on how simulated delays affected a task necessitating speech comprehension. Third, with a dataset of 30 participants’ heartbeat sounds recorded from a hearing device during a stress-induction protocol, an automatic stress recognition system was developed and validated. These results open the possibility for a hearing device that can adapt to the wearer by simultaneously monitoring stress and controlling triggering noise for the benefit of users with decreased sound tolerances.

Titre traduit

L’oreille sensible : Vers une surveillance en temps réel des signaux physiologiques et audio intra-auriculaires pour gérer la tolérance réduite au bruit

Résumé traduit

Les personnes dont la tolérance au bruit est réduite portent souvent des protections auditives ou des casques d’écoute isolants pour bloquer les sons auxquels elles sont sensibles. Cependant, ces protecteurs auditifs conventionnels bloquent tous les sons sans distinction, même lorsque ces sons ne causent pas de détresse et pourraient être utiles au porteur. En effet, l’isolation acoustique procurée par ces protecteurs peut empêcher son porteur de participer pleinement à son environnement et pourrait également avoir des conséquences à long terme, puisque la recherche suggère que l’évitement régulier du bruit peut exacerber la sensibilité au son. Une solution potentielle à l’évitement excessif du bruit pourrait être un appareil auditif spécifiquement conçu pour une tolérance sonore réduite, capable d’atténuer le son uniquement lorsque cela est nécessaire pour réduire le stress du porteur, en enregistrant les sons externes, en les traitant et en les transmettant sélectivement à l’oreille.

Cependant, le développement d’un tel appareil présente plusieurs défis : 1) Les dispositifs existants utilisés pour gérer la diminution de la tolérance aux sons ne sont pas facilement modifiables, et les ressources nécessaires pour développer indépendamment un nouveau dispositif peuvent constituer un obstacle au prototypage de nouvelles fonctionnalités ; 2) Il existe peu de recherches sur la meilleure façon de prendre en compte l’équilibre entre une performance d’utilisation accrue, telle l’efficacité du filtrage des sons pénibles. et les impacts potentiels de ce filtrage sur la compréhension de la parole. Ce pourrait être une préoccupation particulière pour les populations pour lesquelles les symptômes de tolérance sonore réduite coexistent avec des difficultés de communication ; 3) La forme revêtie par la tolérance réduite aux sons peut varier considérablement d’une personne à l’autre, ainsi qu’au fil du temps pour une même personne, et par conséquent, le traitement audio requis pourrait varier grandement en fonction des besoins actualisés de chaque porteur.

Cet mémoire présente les résultats des efforts de recherche visant à relever les défis énumérés ci-dessus : Premièrement, les plateforme matérielles ("hardware") et logicielles existants pour le prototypage d’algorithmes d’appareils auditifs ont été évaluées pour leur adéquation avec des activités de recherche sur la tolérance au son diminué. Un pipeline de traitement audionumérique reliant un ordinateur externe à une plate-forme équippée d’un microcontrôleur a ainsi été développé pour permettre aux algorithmes mis en œuvre sur l’ordinateur de contrôler le traitement audio embarqué en temps réel. Deuxièmement, une expérimentation en ligne sur 50 participants a été mis au point pour déterminer les exigences en terme de latence pour le traitement audionumérique en fonction de l’impact causé sur une tâche nécessitant la compréhension de la parole par des retards simulés. Troisièmement, un système de détection automatique du stress a été mis au point et validé à partir d’un ensemble de données provenant des battements cardiaques de 30 participants enregistrés dans le conduit auditif au cours de tâches induisant du stress. Ces résultats ouvrent ainsi la voie à un appareil auditif capable de s’adapter à l’utilisateur en surveillant simultanément le niveau de stress et les bruits à l’origine de ce stress pour des pertes souffrant de tolérance sonore réduite.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of a master’s degree with thesis". Comprend des références bibliographiques (pages 143-163).
Mots-clés libres:	tolérance sonore réduite, appareils auditifs, reconnaissance automatique du stress
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Voix, Jérémie
Codirecteur:	Codirecteur Bouserhal, Rachel
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	27 févr. 2023 15:43
Dernière modification:	27 févr. 2023 15:43
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3182

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