JP2009505603A - 帰還信号除去機能を備えた補聴器 - Google Patents

Abstract

本発明は、帰還信号除去機能を備えた補聴器に関するものである。本発明の好ましい一実施例によれば、マイクと、該マイクから入力される外部音をデジタル音声信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、前記デジタル音声信号から特定周波数領域だけを検査して帰還信号を検出する帰還信号検出部と、該帰還信号検出部の制御により動作し、かつ独立成分分析（ＩＣＡ）を適用した適応フィルタの相関係数を更新して前記帰還信号を除去する帰還信号除去部と、前記デジタル音声信号を、予め定められた聴覚損失特性に合うように、周波数別補償利得値情報を用いて増幅する周波数別増幅部と、前記デジタル音声信号をアナログ音声信号に変換するＤ／Ａ変換部と、レシーバーと、を含む帰還信号除去機能を備えた補聴器が提供される。したがって、本発明により帰還信号を除去して高品質の音声信号だけを伝達することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、補聴器に関するもので、特に、帰還信号除去機能を備えた補聴器に関する。

人間の聴覚器官は外耳（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｅａｒ）、中耳（ｍｉｄｄｌｅ ｅａｒ）、内耳（ｉｎｔｅｒｎａｌ ｅａｒ）で構成される。人間の耳で音を聞けるようになる経路は以下の通りである。先ず、空気の連鎖的伝達過程により伝えられた音エネルギーは頭蓋骨で外耳により集められ、外耳道の構造的な特性から２，０００〜５，５００Ｈｚ範囲で共鳴特性を示し、鼓膜を振動させる。これにより、音エネルギーは中耳を経て内耳に伝えられ、内耳に伝えられた音響エネルギーは、蝸牛内部のリンパを動かし、蝸牛内部の中間層にある数千の微細な有毛細胞がリンパの動きを感知して電気エネルギーに変換する。このように変換された電気エネルギーが聴神経を経て脳に伝達され、人間は音を感知することになる。

しかし、このような音、または電気エネルギーが円滑に伝達されないことから、聴覚の低下または喪失状態にある難聴（ｉｍｐａｉｒｅｄ ｈｅａｒｉｎｇ）患者の場合は、音または電気エネルギーの補償を行う補聴器が必須である。補聴器は、正常人が聞くことができる帯域の音を増幅または変換することにより、難聴者が正常人と略同程度の音を知覚できるようにする装置である。このような補聴器は、周辺環境における騒音の程度にかかわらず、補聴器着用者に正確な語音を伝達しなくてはならない。しかし、補聴器は、その構造的な特性から帰還信号が非常に容易に、しかも頻繁に発生するという問題点がある。

図１は、一般的に補聴器で発生する帰還信号の経路を例示する図面である。図１に示すように、補聴器１００はその構造的な特性から、人の外耳道に直接挿入するように設計されている。これにより、閉鎖効果（Ｏｃｃｌｕｓｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ）が発生して補聴器１００を着用することは不便であった。したがって、補聴器１００に通気口（ｖｅｎｔ）１３０を開けることによりこの問題点を解決した。しかし、補聴器１００のマイク１１０を通して入力された外部信号がレシーバー（Ｒｅｃｅｉｖｅｒ）１２０に出力され、レシーバー１２０に出力された信号が通気口１３０を通して再入力される帰還信号（Ｆｅｅｄｂａｃｋ ｓｉｇｎａｌ）が発生する。このような帰還信号は、シグナルループ（ｓｉｇｎａｌ ｌｏｏｐ）によりハウリング（Ｈｏｗｌｉｎｇ）を発生させ、ハウリングの音のピッチ（裂けるような高音、爆音のような低音）は補聴器着用者に不快感を誘発させ、さらに補聴器を着用し難くする要因となる。

また、補聴器での帰還信号は、補聴器を着用するときや、口腔運動による出力信号の漏出経路の発生のために生じることがあり、日常生活でマイクの近くに手をあてたり、電話機のような障害物のために反射されてマイクに再び入力された場合など、頻繁に発生する虞がある。

したがって、上述した問題点を解決するために、本発明の目的は、補聴器の構造的な特性から発生する帰還信号を除去して高品質の音声信号だけを伝達する（正確な語音を伝達することができる音声信号だけを伝達する）補聴器を提供することにある。

本発明の他の目的は、補聴器の脱着時に発生する帰還信号を除去し、該帰還信号のために発生するハウリング現象を除去することにより、帰還信号の発生による補聴器着用の不便さ及び／または不快感をなくすことができる補聴器を提供することにある。

本発明のまた他の目的は、補聴器で発生する帰還信号を除去するために、補聴器着用者が補聴器をコントロールするリモコンを常に携帯しなくても良い補聴器を提供することにある。

上記以外の本発明の目的は下記の実施例に関する説明を通して容易に理解できよう。

前記目的を達成するために、本発明の一実施形態によれば、独立成分分析（ＩＣＡ）が適用された適応フィルタを用いて帰還信号を除去することができる補聴器が提供される。

本発明の好ましい一実施例によれば、外部の音声信号が入力されると電気的な音声信号に変換するマイクと、前記電気的な音声信号をデジタル音声信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、前記デジタル音声信号から帰還信号が主に発生する特定周波数領域だけを検査して前記デジタル音声信号に含まれている帰還信号を検出する帰還信号検出部と、前記帰還信号検出部の制御により動作し、かつ独立成分分析（ＩＣＡ）が適用された適応フィルタの相関係数を更新し、前記デジタル音声信号から帰還信号を除去する帰還信号除去部と、前記デジタル音声信号を、予め定められた聴覚損失特性に合うように、周波数別補償利得値情報を用いて増幅する周波数別増幅部と、前記デジタル音声信号をアナログ音声信号に変換するＤ／Ａ変換部と、前記アナログ音声信号を出力するレシーバーと、を含む帰還信号除去機能を備えた補聴器が提供される。

前記帰還信号検出部が前記デジタル音声信号に含まれている帰還信号を検出する場合には、前記帰還信号除去部の動作を指示し、また、前記デジタル音声信号から帰還信号を検出しなかった場合には、前記デジタル音声信号をバイパスし、前記帰還信号除去部は、前記帰還信号検出部が前記帰還信号を検出した場合にだけ前記独立成分分析（ＩＣＡ）が適用された適応フィルタの相関係数を更新することができる。

本発明の好ましい一実施例によれば、前記Ａ／Ｄ変換部で変換された前記デジタル音声信号を周波数領域に変換して前記帰還信号検出部へ出力する周波数領域変換部と、前記周波数領域の前記デジタル音声信号を時間領域に変換して前記時間領域に変換されたデジタル音声信号を前記Ｄ／Ａ変換部へ出力する時間領域変換部と、をさらに含むことができる。

本発明の好ましい一実施例によれば、補聴器着用者の前記聴覚損失特性に合う周波数別補償利得値に関する情報または信号処理アルゴリズムを格納している格納部をさらに含むことができる。

前記外部信号及び前記アナログ音声信号は、非ガウシアン（ｎｏｎ−ｇａｕｓｓｉａｎ）特性を有することができる。

本発明の好ましい一実施例によれば、前記マイクから入力されるアナログ音声信号を、予め定められた大きさに増幅する前置増幅器と、前記Ｄ／Ａ変換部から入力されるアナログ音声信号を予め定められた大きさに増幅して前記レシーバーに出力する後置増幅器と、をさらに含むことができる。

前記帰還信号検出部は、バンド適応ノッチフィルタ（ＢＡＮＦ）を用いて前記デジタル音声信号の特定周波数だけを検査し、任意の周波数を検査するために前記周波数に対応するバンド適応ノッチフィルタ（ＢＡＮＦ）の相関係数を更新することができる。

前記独立成分分析（ＩＣＡ）が適用された適応フィルタは、前記外部信号と前記アナログ音声信号との間の情報を最小化する相互情報量（ｍｕｔｕａｌ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を用いて前記適応フィルタ係数を算出することができる。

本発明の他の実施形態によれば、独立成分分析（ＩＣＡ）が適用された適応フィルタを用いて補聴器から帰還信号を除去することができる帰還信号除去方法が提供される。

本発明の好ましい一実施例によれば、補聴器で行われる帰還信号除去方法において、マイクを通して入力された外部信号を電気的な信号に変換するステップと、前記電気的な信号をデジタル音声信号に変換するステップと、前記デジタル音声信号の特定周波数を検査して前記デジタル音声信号に含まれている帰還信号を検出するステップと、帰還信号が検出される場合に独立成分分析（ＩＣＡ）が適用された適応フィルタを用いて前記デジタル音声信号から前記帰還信号を除去するステップと、前記帰還信号が除去されたデジタル音声信号を、予め定められた聴覚損失特性に合う周波数別補償利得値情報を用いて周波数別に増幅するステップと、前記周波数別に増幅されたデジタル音声信号をアナログ音声信号に変換してレシーバーに出力するステップと、を含む補聴器の帰還信号除去方法が提供される。

前記バンド適応ノッチフィルタ（ＢＡＮＦ）の相関係数を連続的に更新するステップと、前記帰還信号が検出される場合、前記独立成分分析（ＩＣＡ）が適用された前記バンド適応フィルタの相関係数を更新するステップと、をさらに含むことができる。

上述したように、本発明に係る帰還信号が除去できる補聴器を提供することにより、補聴器の構造的な特性から発生する帰還信号を除去して、高品質の音声信号だけを伝達できる（正確な語音を伝達できる音声信号だけを伝達できる）という効果が得られる。

また、本発明は、補聴器の脱着時に発生する帰還信号を除去して、帰還信号に起因して発生するハウリング現象を排除することにより、帰還信号発生のために補聴器着用での不便さ及び／または不快感をなくすことができる。

また、本発明では、補聴器で発生する帰還信号を除去するために、補聴器着用者が補聴器をコントロールするリモコンを常に携帯しなくても良いという効果がある。

以下、本発明の好ましい実施例について、添付した図面を参照して詳細に説明する。

図２は、本発明の好ましい一実施例に係る補聴器の構成を示すブロックダイアグラムであり、図３は、本発明の好ましい一実施例に係る補聴器の信号処理部のブロックダイアグラムであり、図４は、補聴器において帰還信号が発生する前のデジタル音声信号を周波数領域に変換したグラフを例示する図面であり、図５は、補聴器において帰還信号が発生した後のデジタル音声信号を周波数領域に変換したグラフを例示する図面である。

図２に示すように、本発明に係る補聴器２００は、マイク２１０、前置増幅器２１５、Ａ／Ｄ変換部２２０、信号処理部２２５、格納部２３０、Ｄ／Ａ変換部２３５、後置増幅器２４０、レシーバー２４５を含む。

マイク２１０は、外部から入力された音声信号を、電気的なアナログ信号に変換して前置増幅器２１５に伝達する。

前置増幅器２１５は、マイク２１０から入力された電気的なアナログ信号を、予め定められた大きさでの一定水準（Ｌｅｖｅｌ）へと増幅してＡ／Ｄ変換部２２０に伝達する。

Ａ／Ｄ変換部２２０は、前置増幅器２１５から入力された電気的なアナログ信号をデジタル音声信号に変換して信号処理部２２５に伝達する。

信号処理部２２５は、Ａ／Ｄ変換部２２０から伝達されたデジタル音声信号に対し、格納部２３０に予め格納されているアルゴリズム（例えば、周波数別補償アルゴリズム、帰還信号除去アルゴリズム、音質向上アルゴリズムなど）を用いて信号処理を施してＤ／Ａ変換部２３５に伝達する。例えば、信号処理部２２５は、Ａ／Ｄ変換部２２０から伝達されたデジタル音声信号に帰還信号が含まれているか否かを検査して、帰還信号が含まれている場合には帰還信号を除去してＤ／Ａ変換部２３５に伝達することができる。

図３に示すように、本発明に係る信号処理部２２５は、周波数領域変換部３１０、帰還信号検出部３２０、帰還信号除去部３３０、周波数別増幅部３４０、時間領域変換部３５０で構成される。

図３を参照して本発明に係る信号処理部２２５の構成要素について詳細に説明すると、周波数領域変換部３１０はＡ／Ｄ変換部２２０を通して変換されたデジタル音声信号を周波数領域に変換して帰還信号検出部３２０に伝達する。周波数領域変換部３１０には離散フーリエ変換（ＤＦＴ：Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）、高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）、離散コサイン変換（ＤＣＴ：Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｃｏｓｉｎｅ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）、多重位相（Ｐｏｌｙｐｈａｓｅ）フィルタバンク、直交鏡像分割フィルタ（ＱＭＦ：Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｍｉｒｒｏｒ Ｆｉｌｔｅｒ）などの技術を用いることができ、これら技術に対する説明は当業者にとって自明なことであるから省略する。

帰還信号検出部３２０は、Ａ／Ｄ変換部２２０から伝達されたデジタル音声信号に帰還信号が含まれているか否かを検出するために、周波数領域変換部３１０を通して変換された周波数領域において帰還信号が発生する特定周波数領域を検索する。また、帰還信号検出部３２０は、デジタル音声信号に帰還信号が含まれていると判断した場合、帰還信号除去部３３０が動作するように制御することができる。

例えば、帰還信号検出部３２０は、バンド適応ノッチフィルタ（ＢＡＮＦ：Ｂａｎｄ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｎｏｔｃｈ Ｆｉｌｔｅｒ）を用いて帰還信号が発生する特定の（主な）周波数領域だけを検索することができる。図４には帰還信号が発生する前のデジタル音声信号を周波数領域に変換したグラフが例示されており、図５には帰還信号が発生した後のデジタル音声信号を周波数領域に変換したグラフが例示されている。上述したように、帰還信号の大部分は、レシーバー２４５から出力された信号が、補聴器着用に伴う閉鎖効果の防止のための通気口（ｖｅｎｔ）を通して漏出して、マイク２１０に再入力することにより発生する。このような帰還信号のうち、入力信号と同位相でありながら同一またはより大きいレベルの帰還信号は帰還経路を通過することにより通常４０〜５０ｄＢ程度減衰するが、帰還経路の一部の狭い周波数帯域では約２０ｄＢ程度の、より少ない減衰が生じる。反面、補聴器の増幅利得は通常１５〜５０ｄＢ程度が与えられるので、帰還された音響信号は容易に入力信号に近い大きさになり得る。これにより、過増幅を必要とする難聴者にとっては最大安定利得（ｍａｘｉｍｕｍ ｕｓａｂｌｅ ｇａｉｎ）に制限をかける要因となる。図４と図５に示すように、デジタル音声信号に帰還信号が含まれる場合、特定周波数領域が過増幅されることが分かる。したがって、帰還信号検出部３２０は、周波数領域変換部３１０で変換され入力されたデジタル音声信号の特定周波数領域だけを検索できるバンド適応ノッチフィルタ（ＢＡＮＦ）を用いてデジタル音声信号に含まれている帰還信号を検出することができる。

例えば、帰還信号検出部３２０は、バンド適応ノッチフィルタ（ＢＡＮＦ）を用いて特定周波数領域を検索するためにバンド適応ノッチフィルタ（ＢＡＮＦ）の相関係数を更新し、特定周波数領域内の該当周波数で予め定められている閾値（Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｖａｌｕｅ）以上の大きさが検出される場合、デジタル音声信号に帰還信号が含まれていると判断して帰還信号除去部３３０が動作するように制御できる。

帰還信号除去部３３０は、帰還信号検出部３２０の制御により動作し、帰還信号検出部３２０から入力された帰還信号が含まれているデジタル音声信号から帰還信号を除去して周波数別増幅部３４０に伝達する。例えば、帰還信号除去部３３０は、帰還信号を除去するために、独立成分分析（ＩＣＡ：Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ）技法（アルゴリズム）が適用された適応フィルタを含むことができる。例えば、帰還信号除去部３３０は独立成分分析（ＩＣＡ）アルゴリズムを用いた適応フィルタ係数更新値を算出して適応フィルタ係数を更新し、帰還信号を除去することができる。以下では、理解と説明の便宜のため、独立成分分析（ＩＣＡ）アルゴリズムについて簡略的に説明する。独立成分分析（ＩＣＡ）は、線形的に混合された（ｍｉｘｉｎｇ）信号から、統計学的に相互に独立的な原信号を分離する技術である。マイク２１０を通して入力された信号源は、例えば、下記の数式１で表すことができる。

ここで、Ｎは独立的な音声信号の個数を示す任意の整数であり、ｓ_１、ｓ_２、…、ｓ_ＮはＮ個の独立的な音声信号源であり、

はａ_ｉｊにより線形的な組み合わせからなる信号を意味する。

例えば、会議室で多数の話者が同時に話をしていると仮定する。この時、会議室で発生する音は多数の話者の声、物体の音（例えば、紙をめくる音、コンピュータからの雑音など）が入り乱れて補聴器２００のマイク２１０に入力される。独立成分分析アルゴリズムとは、センサから検出された信号だけをもってそれぞれの音を各々分離するという概念である。ここで、それぞれの音が入り乱れる過程を混合行列（ｍｉｘｉｎｇ ｍａｔｒｉｘ）と定義する。したがって、数式１で定義された数式は下記数式２のように混合行列と原信号との積で表される。

ここで、Ａは混合行列であり、ｓは原信号である。独立成分分析アルゴリズムでは、マイクなどの入力装置を通して測定された信号ｘだけを用いて混合行列Ａの逆行列を探しだすことにより、原信号を復元することができる。したがって、混合行列Ａの逆行列である分離行列Ｗを推定することを要し、原信号ｓは下記数式３から算出可能である。

ここで、分離行列Ｗを推定するために信号源が互いに独立していると仮定する。以下、独立成分分析アルゴリズムの分離行列Ｗを推定するための信号源が互いに独立しているということは、独立成分分析アルゴリズムの基本前提であって、当業者にとっては自明なことであるのでその詳細な説明は省略する。以下、本発明に係る独立成分分析（ＩＣＡ）を用いた帰還信号除去方法を、図６、図７を参照しながら詳細に説明する。

周波数別増幅部３４０は、帰還信号除去部３３０を通して入力されたデジタル音声信号を補聴器着用者の聴覚損失特性に合わせて周波数別に増幅し、時間領域変換部３５０に伝達する。ここで、補聴器着用者の聴覚損失特性に合う周波数別情報は格納部２３０に予め格納しておくことができる。

時間領域変換部３５０は、周波数別増幅部３４０から入力されたデジタル音声信号を時間領域に変換してＤ／Ａ変換部２３５に出力する。

再び図２を参照すると、格納部２３０は補聴器２００の着用者の聴覚損失特性に合う周波数別情報、帰還信号除去部３３０の適応フィルタ係数更新値、本発明に係る補聴器２００に適用されるアルゴリズム（例えば、バンド適応ノッチフィルタ（ＢＡＮＦ）のアルゴリズム、独立成分分析（ＩＣＡ）が適用された適応フィルタのアルゴリズムなど）を格納している。

Ｄ／Ａ変換部２３５は、信号処理部２２５を通して入力されたデジタル音声信号をアナログ音声信号に変換して後置増幅器２４０に伝達する。

後置増幅器２４０は、Ｄ／Ａ変換部２３５から入力されたアナログ音声信号を予め指定された大きさに増幅してレシーバー２４５に伝達する。

レシーバー２４５は、後置増幅器２４０から増幅され入力されたアナログ音声信号を出力する。これにより、難聴患者（補聴器着用者）は補聴器２００を通して提供される音を認識できるようになる。

図２には示していないが、本発明に係る補聴器２００の各々の装置には電源を供給するための電源供給部、バッテリソケット（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｓｏｃｋｅｔ）などをさらに含むことができる。

図６は、本発明の好ましい一実施例に係る信号処理部の帰還信号検出及び帰還信号除去方法を示すフローチャートであり、図７は、本発明の好ましい一実施例に係る独立成分分析が適用された適応フィルタを用いる帰還信号除去のためのブロック図であり、図８は、本発明の好ましい一実施例に係る独立成分分析が適用された適応フィルタを用いて帰還信号を除去した後の周波数信号を例示する図面であり、図９は、従来の最小平均自乗法を用いた適応フィルタを用いて帰還信号を除去した後の周波数信号を例示する図面である。

図６を参照すると、ステップ６１０、６１５で帰還信号検出部３２０はデジタル音声信号が入力されると、特定周波数帯域を検索する。上述したように、帰還信号検出部３２０はバンド適応ノッチフィルタ（ＢＡＮＦ）を含むことができる。帰還信号が発生する経路は限定されているので、特定周波数領域だけを検索するバンド適応ノッチフィルタ（ＢＡＮＦ）を用いることにより、入力されたデジタル音声信号の特定周波数領域だけを検索して、デジタル音声信号に含まれている帰還信号を検出することができる。例えば、図４に示すように、帰還信号は主に１０００〜８０００Ｈｚ帯で過増幅するので、バンド適応ノッチフィルタ（ＢＡＮＦ）を用いて１０００〜８０００Ｈｚ帯を検査すれば、帰還信号を検出することができる。

上述したように、帰還信号の大部分は、レシーバー２４５から出力された信号が、補聴器着用に伴う閉鎖効果を防止するための通気口を通して漏出して、マイク２１０に再入力されて、繰り返し増幅されることから発生する。このような帰還信号は、音のピッチ（裂けるような高音、爆音のような低音）現象を発生させて補聴器着用者に不快感を誘発させる原因となる。

バンド適応ノッチフィルタ（ＢＡＮＦ）は、周波数領域別に検索するためにバンド適応ノッチフィルタ（ＢＡＮＦ）の相関係数を更新し、特定周波数領域の周波数を検索する。ここで、バンド適応ノッチフィルタ（ＢＡＮＦ）の相関係数を更新する理由は、バンド適応ノッチフィルタ（ＢＡＮＦ）が任意の周波数を検索するために当該周波数に対応するフィルタ係数を必要とするからである。

ステップ６２０で、帰還信号検出部３２０は、入力されたデジタル音声信号が予め設定された閾値を超過するか否かを判断することでデジタル音に帰還信号が含まれているか否かを判断する。例えば、帰還信号検出部３２０は、デジタル音声信号の入力信号レベルが予め設定されている閾値を超過した場合に、デジタル音声信号に帰還信号が含まれていると判断する。一般的に帰還信号は、反復的に増幅されるので、デシベル（ｄＢ）値がとても高いという特徴がある。例えば、閾値は、実験により帰還信号が発生したと判断できる最小帰還信号の強度で決定することができる。そして、帰還信号検出は、例えば、マイク２１０に入力される信号の成分中、最も大きい信号のパワーレベルを、実験により設定された実験的閾値と比較することにより、帰還信号を検出することができる。

デジタル音声信号に帰還信号が含まれていると判断される場合、ステップ６２５で、帰還信号検出部３２０は帰還信号除去部３３０が動作するように制御する。そして、帰還信号除去部３３０は、独立成分分析（ＩＣＡ）が適用された適応フィルタの相関係数を更新する。理解と説明の便宜のために、まず、本発明に係る補聴器の独立成分分析（ＩＣＡ）が適用された適応フィルタのフィルタ係数を算出する過程を説明する。図７を参照すると、

と

は互いに独立しており、非ガウシアン（ｎｏｎ−ｇａｕｓｓｉａｎ）の分布を有すると仮定する。

と

はそれぞれ、

と

の累積分布関数（ＣＤＦ：Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を近似化する非線形関数を通過した値であって、例えば、下記数式４と数式５から算出することができる。

ここで、「ｇ（）」は累積分布関数（ＣＤＦ）を近似化した非線形関数である。
入力信号

と出力信号

との二つの信号間のジョイントエントロピ（ｊｏｉｎｔ ｅｎｔｒｏｐｙ）は、それぞれの信号に対するエントロピと二つの信号の相互情報量（ｍｕｔｕａｌ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）との差と同じであるので、例えば、下記数式６から算出することができる。

ここで、Ｅは期待値（ｅｘｐｅｃｔａｔｉｏｎ ｖａｌｕｅ）を示し、

は

に対する確率質量関数（ＰＭＦ：Ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ Ｍａｓｓ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）である。そして、周辺エントロピ（ｍａｒｇｉｎａｌ ｅｎｔｒｏｐｙ）を求めるために出力信号の確率密度関数（ＰＤＦ：Ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）は入力信号の確率密度関数（ＰＤＦ）をヤコビアン行列式（ｊａｃｏｂｉａｎ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｎｔ）で割っても変わらないので数式６を整理できる。すなわち、

は

と同じである。また、

はヤコビアン行列式であって、数式７で表す。

数式６で、非線形関数の出力に対するエントロピを最大にするために、統計的グラジエント（ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｇｒａｄｉｅｎｔ）増加技法を適用し、ｗで偏微分すると

となり、数式６は下記数式８のように整理することができる。

ここで、ヤコビアン式で表されたシステム出力間の情報量が最大になるように、適応フィルタ係数ｗを更新して、シグモイド（ｓｉｇｍｏｉｄ）関数ｅが超ガウシアン（ｓｕｐｅｒ−ｇａｕｓｓｉａｎ）確率密度関数（ＰＤＦ）の累積分布関数（ＣＤＦ）である場合、ｗの学習アルゴリズムは下記数式９のようになる。

ここで、

はスコア関数（ｓｃｏｒｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）であって、入力信号

と適応フィルタにより更新出力される出力信号

との差を示す

の確率密度関数（ＰＤＦ）である。本明細書では、スコア関数（ｓｃｏｒｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）について、超ガウシアン（ｓｕｐｅｒ−ｇａｕｓｓｉａｎ）分布の累積分布関数（ＣＤＦ）を近似関数とするサイン（ｓｉｇｎ）関数を用いる。これにより、独立成分分析アルゴリズムを用いた適応フィルタ係数更新値は、例えば下記数式１０から算出することができる。

例えば、ｆ（ｎ）は、帰還経路７１０を通して流入する信号を示す。入力信号

と帰還信号ｆ（ｎ）とはマイク２１０で混合される。すなわち、混合信号ｓ（ｎ）は入力信号

と帰還信号ｆ（ｎ）との和である。ここで、帰還信号ｆ（ｎ）については、混合信号ｓ（ｎ）の特定周波数領域を、バンド適応ノッチフィルタ（ＢＡＮＦ）を用いて連続的に検査することにより、帰還信号ｆ（ｎ）が発生したか否かを判断できる。また、ｕ（ｎ）は、混合信号ｓ（ｎ）から、出力信号ｚ（ｎ）のうち独立成分分析（ＩＣＡ）が適用された適応フィルタ７４０を通過した信号ｙ（ｎ）を引くことにより算出できる。すなわち、ｕ（ｎ）は、帰還経路７１０における出力と適応フィルタの出力との差により算出することができる。ｕ（ｎ）を補聴器着用者の聴覚損失特性に合わせて周波数別に増幅７２０して出力信号

を出力する。ここで、帰還信号検出部３２０がデジタル音声信号に帰還信号が含まれていると判断すれば、帰還信号検出部３２０は帰還信号除去部３３０が動作するように制御することができる。帰還信号検出部３２０の動作制御により動作する帰還信号除去部３３０は、ｕ（ｎ）のジョイントエントロピを最大にするＨ（ｅ）を算出し（例えば、数式６を用いる）、独立成分分析（ＩＣＡ）が適用された適応フィルタの相関係数更新値を算出して（例えば、数式１０を用いる）、適応フィルタ相関係数を更新することができる。そして、帰還信号除去部３３０は、出力信号ｚ（ｎ）を独立成分分析（ＩＣＡ）が適用された適応フィルタに通過させてｙ（ｎ）を出力し、混合信号ｓ（ｎ）からｙ（ｎ）を引いて、帰還信号が除去されたｕ（ｎ）を出力することができる。図７のブロック図で独立成分分析（ＩＣＡ）が適用された適応フィルタ７４０を通過した信号ｙ（ｎ）、帰還経路を通して流入された帰還信号ｆ（ｎ）と入力信号

、ｕ（ｎ）にはそれぞれある程度の時間差はあるが、その時間差が非常にわずかであるので、説明の便宜のために、時間差を無視して説明する。

図６のステップ６３０で、帰還信号除去部３３０は、更新された独立成分分析（ＩＣＡ）が適用された適応フィルタを用いて帰還信号検出部３２０から入力されたデジタル音声信号のうち、帰還信号を除去して周波数別増幅部３４０に伝達する。

しかし、ステップ６２０で帰還信号検出部３２０が、デジタル音声信号に帰還信号が含まれていないと判断された場合には、帰還信号検出部３２０はデジタル音声信号を周波数別増幅部３４０に伝達する。

図８は、本発明に係る独立成分分析（ＩＣＡ）が適用された適応フィルタを用いて帰還信号を除去した後の信号を周波数領域に示した図面であり、図９は、従来の最小平均自乗法（ＮＬＭＳ：Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｌｅａｓｔ ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）が適用された適応フィルタを用いて帰還信号を除去した後の信号を周波数領域に示した図面である。図８と図９を比べると、図８に示すように、３３００〜５５００Ｈｚの間の信号は、最小平均自乗法（ＮＬＭＳ）よりも、独立成分分析（ＩＣＡ）を適用した適応フィルタの方が、帰還信号を効果的に除去していることが分かる。図８と図９に示すように、独立成分分析（ＩＣＡ）アルゴリズムが、入力信号と帰還信号との差に対する２次統計技法を用いた正規化最小平均自乗法（ＮＬＭＳ）アルゴリズムよりも実際の音声分布のような非ガウシアン（ｎｏｎ−ｇａｕｓｓｉａｎ）特性の信号を表現する上でさらに効果的であることが分かる。

図１０は、本発明の好ましい一実施例に係る帰還信号除去方法を示すフローチャートである。
図１０を参照すると、ステップ１０１０で、本発明に係る補聴器２００は、マイク２１０から外部信号が入力されるとこれを電気的な信号に変換して、前置増幅器２１５に伝達する。上述したように、例えば、マイク２１０から入力される外部信号は、補聴器２００のマイク２１０を通して入力され、レシーバー２４５を通して出力された信号が、通気口（ｖｅｎｔ）を通して帰還して入力される帰還信号、人の音声、物体の音声信号などと合成された信号であり得る。

ステップ１０１５で、前置増幅器２１５は、マイク２１０から入力された電気的な信号を予め定められている大きさに増幅してＡ／Ｄ変換部２２０に伝達する。

ステップ１０２０で、Ａ／Ｄ変換部２２０は、前置増幅器２１５で増幅され入力された電気的な信号をデジタル音声信号に変換して周波数領域変換部３１０に伝達する。

ステップ１０２５で、周波数領域変換部３１０は、Ａ／Ｄ変換部２２０から入力されたデジタル音声信号を周波数領域に変換して帰還信号検出部３２０に伝達する。

ステップ１０３０で、帰還信号検出部３２０は、周波数領域変換部３１０で変換されたデジタル音声信号の周波数帯域を検査してデジタル音声信号に含まれている帰還信号を検出する。例えば、帰還信号検出部３２０は、バンド適応ノッチフィルタ（ＢＡＮＦ）を用いて特定周波数帯域を検査して、帰還信号が含まれているか否かを判断する。そして、帰還信号が検出されない場合にはステップ１０４０に進む。

しかし、帰還信号が検出される場合、帰還信号検出部３２０は、帰還信号除去部３３０にデジタル音声信号を伝達して帰還信号除去部３３０の動作を制御し、ステップ１０３５で、帰還信号除去部３３０は独立成分分析（ＩＣＡ）が適用された適応フィルタを用いてデジタル音声信号から帰還信号を除去して周波数別増幅部３４０に伝達する。

そして、ステップ１０４０で、周波数別増幅部３４０を通してデジタル音声信号は、補聴器２００の着用者の聴覚損失特性に合わせて周波数別に増幅され、ステップ１０４５で時間領域変換部３５０を通して周波数領域から時間領域への変換が行われる。

ステップ１０５０で、Ｄ／Ａ変換部２３５はデジタル音声信号をアナログ音声信号に変換して、後置増幅器２４０に伝達する。そして、ステップ１０５５では、後置増幅器２４０に入力されたアナログ音声信号が、予め定められている大きさに対応して増幅され、レシーバー２４５を通して出力される。

上述したように、本発明に係る補聴器で帰還信号が発生した場合、独立成分分析（ＩＣＡ）が適用された適応フィルタを用いて帰還信号を効果的に除去することにより、高品質の信号だけを補聴器着用者に伝達することができる。これにより、補聴器着用者は、より正確な語音を認知できるようになる。

なお、前記では本発明の好ましい実施例を参照して説明したが、該当技術分野で通常の知識を有する者であれば、下記の特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更することができることを理解できよう。

一般的に補聴器で発生する帰還信号の経路を例示する図面である。 本発明の好ましい一実施例に係る補聴器の構成を示すブロックダイアグラムである。 本発明の好ましい一実施例に係る補聴器の信号処理部のブロックダイアグラムである。 補聴器で帰還信号が発生する前のデジタル音声信号を周波数領域に変換したグラフを例示する図面である。 補聴器で帰還信号が発生した後のデジタル音声信号を周波数領域に変換したグラフを例示する図面である。 本発明の好ましい一実施例に係る信号処理部の帰還信号検出及び帰還信号除去方法を示すフローチャートである。 本発明の好ましい一実施例に係る独立成分分析が適用された適応フィルタを用いて帰還信号を除去するためのブロック図である。 本発明の好ましい一実施例に係る独立成分分析が適用された適応フィルタを用いて帰還信号を除去した後の周波数信号を例示する図面である。 従来の最小平均自乗法を用いた適応フィルタを用いて帰還信号を除去した後の周波数信号を例示する図面である。 本発明の好ましい一実施例に係る帰還信号除去方法を示すフローチャートである。

符号の説明

２１０：マイク
２１５：前置増幅器
２２０：Ａ／Ｄ変換部
２２５：信号処理部
２３０：格納部
２３５：Ｄ／Ａ変換部
２４０：後置増幅器
２４５：レシーバー
３１０：周波数領域変換部
３２０：帰還信号検出部
３３０：帰還信号除去部
３４０：周波数別増幅部
３５０：時間領域変換部

Claims (10)

1. 外部の音声信号が入力されると電気的な音声信号に変換するマイクと、
   前記電気的な音声信号をデジタル音声信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、
   前記デジタル音声信号から、帰還信号が主に発生する予め設定された特定周波数領域だけを検査して前記デジタル音声信号に含まれている帰還信号を検出する帰還信号検出部と、
   前記帰還信号検出部の制御により動作し、かつ独立成分分析（ＩＣＡ）が適用された適応フィルタの相関係数を更新して前記デジタル音声信号から帰還信号を除去する帰還信号除去部と、
   前記デジタル音声信号を、予め定められた聴覚損失特性に合わせて周波数別補償利得値情報を用いて増幅する周波数別増幅部と、
   前記デジタル音声信号をアナログ音声信号に変換するＤ／Ａ変換部と、
   前記アナログ音声信号を出力するレシーバーと、を含むことを特徴とする帰還信号除去機能を備えた補聴器。
2. 前記帰還信号検出部は、前記デジタル音声信号に含まれている帰還信号を検出する場合に前記帰還信号除去部の動作を指示し、前記デジタル音声信号から帰還信号を検出しなかった場合に前記デジタル音声信号をバイパスし、
   前記帰還信号除去部は、前記帰還信号検出部が前記帰還信号を検出した場合にだけ前記独立成分分析（ＩＣＡ）が適用された適応フィルタの相関係数を更新することを特徴とする請求項１に記載の帰還信号除去機能を備えた補聴器。
3. 前記Ａ／Ｄ変換部で変換された前記デジタル音声信号を周波数領域に変換して前記帰還信号検出部へ出力する周波数領域変換部と、
   前記周波数領域の前記デジタル音声信号を時間領域に変換して前記時間領域に変換されたデジタル音声信号を前記Ｄ／Ａ変換部へ出力する時間領域変換部をさらに含む、ことを特徴とする請求項１に記載の帰還信号除去機能を備えた補聴器。
4. 補聴器着用者の前記聴覚損失特性に合う周波数別補償利得値に関する情報または信号処理アルゴリズムを格納している格納部をさらに含む、ことを特徴とする請求項１に記載の帰還信号除去機能を備えた補聴器。
5. 外部信号及び前記アナログ音声信号は、非ガウシアン（ｎｏｎ−ｇａｕｓｓｉａｎ）特性を有することを特徴とする請求項１に記載の帰還信号除去機能を備えた補聴器。
6. 前記マイクから入力されるアナログ音声信号を予め定められた大きさに増幅する前置増幅器と、
   前記Ｄ／Ａ変換部から入力されるアナログ音声信号を予め定められた大きさに増幅して前記レシーバーに出力する後置増幅器をさらに含む、ことを特徴とする請求項１に記載の帰還信号除去機能を備えた補聴器。
7. 前記帰還信号検出部は、バンド適応ノッチフィルタ（ＢＡＮＦ）を用いて前記デジタル音声信号の特定周波数だけを検査し、任意の周波数を検査するために前記周波数に対応するバンド適応ノッチフィルタ（ＢＡＮＦ）の相関係数を更新する、ことを特徴とする請求項１に記載の帰還信号除去機能を備えた補聴器。
8. 前記独立成分分析（ＩＣＡ）を適用した適応フィルタは、外部信号と前記アナログ音声信号との間の情報を最小化する相互情報量（ｍｕｔｕａｌ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を用いて適応フィルタ係数を算出することを特徴とする請求項１に記載の帰還信号除去機能を備えた補聴器。
9. 補聴器で行われる帰還信号除去方法において、
   マイクを通して外部信号が入力された場合に電気的な信号に変換するステップと、
   前記電気的な信号をデジタル音声信号に変換するステップと、
   前記デジタル音声信号の特定周波数を検査して前記デジタル音声信号に含まれている帰還信号を検出するステップと、
   帰還信号が検出される場合には、独立成分分析（ＩＣＡ）が適用された適応フィルタを用いて前記デジタル音声信号から前記帰還信号を除去するステップと、
   前記帰還信号が除去されたデジタル音声信号を、予め定められた聴覚損失特性に合う周波数別補償利得値情報を用いて、周波数別に増幅するステップと、
   前記周波数別に増幅されたデジタル音声信号をアナログ音声信号に変換してレシーバーに出力するステップと、を含むことを特徴とする補聴器の帰還信号除去方法。
10. バンド適応ノッチフィルタ（ＢＡＮＦ）の相関係数を連続的に更新するステップと、
    前記帰還信号が検出される場合には、前記独立成分分析（ＩＣＡ）が適用された前記適応フィルタの相関係数を更新するステップと、をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の補聴器の帰還信号除去方法。

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