УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИЕМА РЕЧЕВЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 1995 года по МПК A61B5/04 

Изобретение относится к медицинской электронной технике, в частности к моделированию слуховой системы человека.

Известны системы и приборы, связанные со слуховым анализатором человека. Часть из них предназначена для людей со здоровым слуховым анализатором, вынужденных в виде особенностей своей профессиональной деятельности находиться в неблагоприятных шумовых условиях: в промышленных цехах, на транспорте и т. д. Например, отоскоп представляет собой электроакустическую систему, активно и пассивно подавляющую окружающий шум. Она содержит шунтирующую схему компенсации. Более проста заглушка, защищающая ухо.

В медицине применяются приборы, распознающие речь. Например, диагностический прибор, распознающий речь, содержит устройство для восприятия или записи нескольких видов устных команд, относящихся к данному пациенту. Для оценки возможностей слухового анализатора предложен измеритель бинаурального эффекта.

Известны также приборы и устройства, создаваемые в помощь инвалидам с полной или частичной потерей слуха. Наушники имеют наконечники в виде усеченного конуса. Приспособление для фиксации ушного наконечника слухового устройства. Если наружное ухо отсутствует, используются различные протезы, например протез ушной воронки.

В случае, когда все функции среднего и внутреннего уха в основном сохранены, хотя слух и понижен, наиболее широко распространены различные слуховые аппараты.

Отметим некоторые из них. Аппарат слухового протезирования имеет оболочку, во внутреннем объеме которой находятся усилитель звука и камера, содержащая телефон. Оболочка из мягкого материала помещается в слуховой проход близко к барабанной перепонке. Оболочка занимает объем слухового прохода и соединена с барабанной перепонкой. Хрящ предварительно удаляется. Аппарат для коррекции слуха содержит электронный блок, состоящий из телефона, микрофона, усилителя, потенциометра.

Известен протез слуховых косточек, который используется при слухоулучшающих операциях. В случае полной потери слуха возникает необходимость протезирования слуховой улитки.

В медицинской практике вживлением электродов в области расположения улитки в определенной степени добиваются восстановления слуха. Электронный узел для имплантата улитки внутреннего уха предназначен для крепления к кости в ухе. От одного конца электронного шарика отходит проволока, ведущая к электронной части имплантата. В кости выполнено соответствующее углубление, в которое виток за витком помещают электронный шарик, причем без использования какого-либо фиксирующего приспособления. Описан также способ крепления имплантируемого электродного узла, а также способ его изготовления. Устройство держателей электродов, имплантируемых в улитку для электростимуляции слухового нерва. Используется при коррекции полной глухоты. В качестве материала служит биологически совместимый силикон. Способ и устройство для электростимуляции слухового нерва.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению являются различные электронные протезы улитки, используемые при полной потере слуха. Наиболее совершенные из них представляют собой процессоры для обработки речевого сигнала при слуховом протезировании. Они обеспечивают прием звукового сигнала и преобразование его в выходные сигналы вида, позволяющего подать их инвалиду по слуху. Большинство сигнальных процессоров содержит набор полосовых, как правило, цифровых фильтров.

Работа подобных систем основана на указанных выше свойствах улитки, согласно которым различные участки этого органа реагируют на различные частотные составляющие входного процессора.

Таким же образом полосовые фильтры обеспечивают расфильтровку входного сигнала по частотным диапазонам и поступление выходных сигналов фильтров непосредственно на электроды, расположенные вдоль улитки. Теоретически места расположения электродов соответствуют частотным диапазонам фильтров. Другим примером многоканального звукового процессора является содержащая набор полосовых фильтров, позволяющих запускать и отключать тональные генераторы, а также модулировать их выходные колебания. Выходы генераторов далее суммируются и передаются на слуховой нерв. Тем не менее все перечисленные системы не обеспечивают хорошего восприятия человеческой речи без дополнительной визуальной помощи.

Новые возможности в создании слуховых протезов представили научные результаты, в которых показано, что спектральная информация, содержащаяся в звуковом сигнале, может быть представлена в виде временной последовательности нервных импульсов, поступающих на слуховой нерв.

Энергия на заданной частоте воспринимается как оценка временных откликов только тех нейронов, чья резонансная частота близка к заданной.

Эти особенности используются в процессоре с преобразованием спектральных характеристик сигнала во временные для слухового протезирования. Устройство обработки речевых сигналов, реализованное в этом процессоре, наиболее близко по технической сущности к предполагаемому изобретению. Работа системы основана на принципе, который предполагает, что нервные клетки, связанные со слуховыми отделами центральной нервной системы, реагируют только на определенные периодичности, соответствующие центральной резонансной частоте нервного волокна. Система содержит набор полосовых фильтров с добротностью Q 3 дБ на уровне 0,5. Выход каждого фильтра соединен с нелинейным элементом, уменьшающим динамический диапазон сигнала. Нелинейные элементы соединены с многоэлектродной стимулирующей системой либо их выходы предварительно суммируются и поступают на одиночную электродную пару. Промежуточным вариантом реализации может быть случай, когда электродных пар несколько, но меньше, чем количество фильтров.

Периодичность выходных сигналов точно настроенных полосовых фильтров соответствует частотным компонентам входного сигнала, связанным с центральными частотами полосовых фильтров. Электростимулирующий сигнал определенной периодичности воздействует на слуховую часть коры головного мозга. Таким образом, имитируется выбор сигнала с той части улитки, нейроны которой настроены на определенную центральную частоту. Протез, содержащий описываемый процессор, обладает следующими основными свойствами нормально функционирующей улитки.

Временной режим работы каждого полосового фильтра может быть отрегулирован таким образом, что нейроны конкретного индивидуума сказываются настроенными на ЧХ полосовых фильтров.

Чем выше центральная частота полосового фильтра, тем быстрее появляется отклик на его выходе. Следовательно, сначала стимуляция будет произведена выходными импульсами самого высокочастотного фильтра, затем следующего по частоте, и, наконец, самого низкочастотного. Такая последовательность возникновения откликов хорошо согласуется с реальным распространением отклика к базилярной перепонке, т.е. имитируются задержки распространения колебаний в улитке.

Фаза отклика каждого фильтра может быть изменена таким образом, что она будет соответствовать фазе отклика нейрона, которая зависит от его местоположения вдоль улитки.

Это позволяет создать фазовую картину откликов, соответствующую нормально функционирующей улитке.

Передвижение огибающей колебания вдоль базилярной мембраны по Векеши аппроксимируется выходами полосовых фильтров, представляющих колебания базилярной мембраны в месте, связанном с их центральной частотой.

Таким образом, в работе продемонстрировано, что спектральная информация может быть достоверно представлена временными последовательностями. В описании патента для примера представлен спектр главной "еh" с формантными максимумами на 500 и 2 кГц и соответствующие выходные колебания фильтров. Энергия на заданной частоте, так уже отмечалось, определяется откликами только тех нейронов, центральная частота которых соответствует этой частоте.

В рассматриваемом патенте предполагается, что слуховые отделы центральной нервной системы могут выполнять аналогичный анализ, воспринимая только последовательности импульсов определенной периодичности, соответствующей резонансной частоте нервных волокон. Эта способность исключать последовательности с другой периодичностью объясняет достаточно хорошую разборчивость речевых сигналов, достигаемую при одиночном электроде, имплантируемом в улитку. Периодичность основных и формантных частот может быть отражена стимулирующим колебанием одиночного электрода. Например, звук имеет формантные частоты в окрестности 500 Гц и 200 Гц. Он представляется последовательностями импульсов во временной области с периодом следования соответственно 2 мс и 5 мс. Эти импульсы будут распространяться вдоль улитки, при этом импульсы с интервалом 2 мс будут "пропущены" всеми нейронами, кроме нейронов с резонансной частотой 500 Гц.

Аналогично, последовательность с периодом 5 мс воспринимается только нейронами с резонансной частотой 200 Гц. Это иллюстрирует тот факт, что одиночная электродная пара, стимулируя большое число нейронов, может передавать информацию по многим частотным диапазонам.

Тем не менее установлено, что набор различных последовательностей, который может быть подан на одиночный электрод, ограничен. В частности, если одиночным электродом пытаться передавать большое число последовательностей с различным периодом следования, могут образовываться комбинации, не соответствующие исходному сигналу, что искажает слуховое восприятие.

Это ограничение может быть преодолено, если использовать многоэлектродный узел, каждый электрод которого стимулирует определенную группу нейронов. В описываемом патенте представлены технические решения, использующие как одиночный электрод, так и многоэлектродный узел. Использование многоэлектродного узла дало возможность существенно повысить частотное разрешение процессора.

Рассмотрим основные технические элементы системы с многоэлектродным узлом. Входная часть содержит последовательно соединенные микрофон, регулируемый усилитель, фильтр с подъемом верхних звуковых частот, АЦП. Сигнал с выхода АЦП поступает на набор полосовых фильтров. В рассматриваемом устройстве содержится десять полосовых цифровых фильтров с интервалом в полоктавы. Центральные частоты фильтров составляют соответственно 178, 250, 353, 500, 707, 1000, 1400, 2000, 2800, 4000 Гц.

Выходные колебания фильтров поступают на нелинейные элементы. Желательно, чтобы на слуховые нервы поступали только сигналы с наибольшей амплитудой. Для этого нелинейности могут иметь "мертвую зону", что обеспечивает подавление слабых сигналов.

Выходные сигналы нелинейных элементов переводятся в аналоговую форму с помощью ЦАП, установленных в каждом канале обработки, и после усиления подаются на многоэлектродный стимулирующий узел.

Рассмотренный процессор достаточно совершенен с медицинской и технической точек зрения. Тем не менее он обладает определенными недостатками. Остановимся на особенностях преобразования звуковой энергии во внутреннем ухе, основным элементом которого является улитка.

Орган имеет длину около 3 см и почти по всей длине разделена перегородкой на две части. Звуковые волны, попавшие на овальное окно улитки, доходят до перегородки, огибают ее и далее распространяются почти к тому же самому месту перегородки, но уже с другой стороны. Далее они рассеиваются круглым окном улитки. Перегородка состоит из основной (базилярной) мембраны, очень тонкой и тугой вблизи овального окна, и переходящей в полную и вялую по мере продвижения к хвосту улитки.

Звуковые колебания создают на поверхности основной мембраны волнообразную рябь, причем гребни для каждой данной частоты лежат на определенных участках мембраны. Высокочастотные звуки создают максимум на том участке основной мембраны, где она наиболее натянута, т.е. вблизи "овального окна", низкочастотные же колебания на хвосте улитки, где основная мембрана тонкая и вялая. Такой механизм, открытый Бекеши, позволяет объяснить как САЧ выделяет тона различной частоты.

Преобразования механических колебаний в электрические импульсы происходит в органе, называемом в медицине органом КОРТИ.

Основная мембрана состоит из нескольких тысяч волокон, эластично связанных между собой и жестко прикрепленных концами к костным перегородкам. Волокна мембраны имеют различную величину, каждое волокно определенную резонансную частоту колебания. Кроме того, каждое волокно имеет свою амплитуду колебаний, пропорциональную уровню спектра входного сигнала на частотах вблизи резонансных и возбуждает нервные клетки (нейроны), вблизи этого волокна. Число возбуждаемых нейронов пропорционально амплитуде колебаний. При возбуждении нейрон выдает нервный импульс длительностью около 1 мс, после чего в течение 1-3 мс становится нечувствительным.

Около основной мембраны расположено несколько рядов нейронов, каждый из которых содержит от 3,5 до 7 тыс. клеток. Всего же до 30 тыс. нейронов взаимодействуют между собой и посылают последовательность импульсов в мозг по нервным волокнам.

Весьма приближенно внутреннее ухо можно представить как многоканальный анализатор спектра, в котором входящий сигнал разделяется гребенкой полосовых фильтров по частоте. В каждой частотной полосе происходит кодирование по частоте.

Предлагается, что в каждой частотной полосе происходит кодирование информации, при этом в нижней части диапазона (до 500 Гц) кодируется частота и уровень сигнала. Частота следования импульсов совпадает с частотой входного сигнала, а их число пропорционально интенсивности. В верхней части диапазона кодируется только уровень, причем число импульсов также пропорционально интенсивности входного сигнала.

Таким образом, согласно общепринятой гипотезе, положенной в основу рассмотренного выше способа, на частотах выше 500 Гц фазовая информация от улитки не передается, а в слуховую область коры головного мозга поступает только амплитудная информация.

Однако имеются экспериментальные данные, входящие в противоречие с известной точкой зрения.

Известно, что передача фазовой информации в САЧ имеет место и на высоких частотах (до 4 кГц) с условием постоянства количества волн в пределах от 16 до 128 и энергии стимулирующего сигнала. Для тональных импульсных сигналов определялись вероятностные характеристики слухового анализатора человека (САЧ). В основу эксперимента положена известная методика. На фоне непрерывного маскирующего шума со случайным интервалом предъявлялись бинаурально (маскирующая помеха подавалась от различных источников) тонально-импульсные сигналы. От испытуемых требовали стабилизации частости ложных решений и минимизацию ошибки пропуска сигнала. Иными словами, испытания проводились в соответствии с критерием Неймана-Пирсона. Важное отличие настоящей методики от известной состоит в определении частости ложных решений как отношения числа ложных решений за сеанс длительностью Тс, к полосе маскирующего шума. Таким образом, частость ложных решений нормировалась на полную входную неопределенность сигналов.

В эксперименте для значений частот f 267, 532, 1700, 3400 и 4800 Гц испытуемым предъявлялись тональные импульсные сигналы с фиксированной энергией и диапазоном изменений длительности от 6 до 1500 мс. В каждой серии экспериментов частота сигнала принималась постоянной так, что рабочим параметром была длительность сигнала. Спектральная плотность мощности шума была постоянной. В опыте участвовали натренированные испытуемые, которые стабилизировали частость ложных решений на уровне 0,01.

Экспериментальные данные приведены на фиг. 1: по оси абсцисс отложена длительность сигнала (в мс), а по оси ординат вероятность правильного обнаружения.

Как видно на фиг. 1, максимум функции соответствует таким значениям длительности и частоты, для которых их произведение является константой. Таким образом, при увеличении частоты сигнала область наибольшей эффективности слухового приема смещается в сторону меньших длительностей сигнала и наоборот. Максимум эффективности достигается при произведении длительности сигнала на несущую частоту, равном 42. Другими словами, максимум эффективности САЧ имеет место при восприятии тонально-импульсных сигналов для 42 волн. При этом выигрыш при бинауральном восприятии в сравнении с моноуральным приемом очевиден для всех частот.

Проведенный эксперимент показывает, что обмен информацией происходит и на высоких частотах. Таким образом, для САЧ решающее значение имеет собственно не частота сигнала, а ее произведение на длительность. Это уточняет широко распространенную гипотезу о потери фазовой информации в верхней части частотного диапазона речи.

Возможность передачи фазовой информации на высоких частотах может быть обоснована моделью представления отклика улитки в форме аналитического сигнала. Известно, что комплексное представление позволяет существенно снизить частоту считывания акустической информации при сохранении ее фазовой структуры.

Анатомо-морфологические исследования органа Корти показывают наличие двух классовых датчиков (волосистых ячеек), геометрически перпендикулярных друг другу. Этот факт позволяет предположить, что один класс рецепторов реализует синфазную, а другой квадратурную составляющие отклока. За счет инерции нейронов происходит прореживание отклика с улитки при сохранении фазовой информации, содержащейся в исходном сигнале. Операция прореживания преобразует входной сигнал форму комплексной огибающей, представляющей собой два низкочастотных процесса. Информация о центральной частоте сигнала кодируется в месте отклика по длине базилярной мембраны.

Отметим также, что рассмотренный процессор моделирует работу улитки, но сохраняет работоспособность только в случае функционирования слухового нерва. Однако известно, что во многих случаях поражение звуковоспринимающего отдела слуховой системы не ограничивается волосковыми клетками, а приводит к дегенерации волокон слухового нерва.

Таким образом, рассмотренный процессор имеет недостатки.

Не передается фазовая информация на высоких частотах (более 500 Гц), что ухудшает разборчивость воспринимаемой речи. Процессор неработоспособен в случае поражения слухового нерва. Кроме того, при реализации устройства необходимо сложное хирургическое вмешательство.

Целью изобретения является повышение достоверности воспринимаемой информации, исключение хирургического вмешательства и сохранение работоспособности при поражениях слухового нерва.

Достигается это тем, что в устройство для приема речевых сигналов, содержащее последовательно соединенные микрофон, предварительный усилитель, предварительный фильтр, аналого-цифровых фильтров, к каждому из которых последовательно подключены нелинейный элемент, цифроаналоговый преобразователь и усилитель дополнительно введены N демодуляторов, вход каждого из которых подключен к выходу соответствующего цифроаналогового преобразователя, а синфазный и квадратурный выходы соединены со входами усилителей и 2N электродов, подключенных к выходам усилителей и размещенных вдоль руки человека от запястья до плеча.

На фиг. 2 дана структурная схема предлагаемого устройства при N 10.

Устройство содержит микрофон 1, предварительный усилитель 2, предварительный фильтр 3, АЦП 4, набор цифровых полосовых фильтров (1-10) 5, набор нелинейных элементов (1-10) 6, набор ЦАП (1-10) 7; набор демодуляторов (1-10) 8; набор усилителей (1-20) 9; набор электродов (1-20) 10.

Реализация цифровых полосовых фильтров 5 известна в радиотехнике. Демодуляторы осуществляют выделение низкочастотной комплексной огибающей (НКО) и представляют собой два перемножителя; генератор синусоидального напряжения и фазовращатель. Частоты генераторов соответствуют центральным частотам полосовых фильтров 5. В качестве датчиков могут быть использованы кольцевых электроды 10, расположенные на эластичном бинте вдоль руки.

Устройство функционирует следующим образом. Речевой акустический сигнал преобразуется в электрический с помощью микрофона 1 и после предварительного усиления и фильтрации в блоках 2, 3 поступает на полосовые фильтры 5. Нелинейные элементы 6 сжимают динамический диапазон входного процесса и подавляют слабые сигналы.

После цифроаналогового преобразования в блоках 7 производится выделение НКО в демодуляторах 8 в каждом канале обработки. При выделении НКО спектр выходных сигналов смещается в область нижних частот, полностью сохраняя исходную информацию. После усиления сигналы поступают на электроды, расположенные вдоль руки инвалида по слуху. Таким образом, информация о центральных частотах в каждом канале обработки кодируется местом расположения электрода на руке пациента.

Комплексный сигнал определяется соотношением
S_i(t)e^-jωoi^t (1) где i номер канала обработки.

При этом комплексная огибающая имеет вид
(t)=S_i(t)cosω_oit-S_i(t)sinω_oit=
γ_ci(t)-jγ_si(t)f_oi=ω_oi/2π
(2) где γ_c (t) синфазная составляющая огибающей;
γ_s (t) квадратурная составляющая огибающей.

Предположим, используется система полосовых фильтров, описанных в прототипе. В этом случае i 1, 2, 10. Центральные линейные частоты фильтров составляют i₀₇ 178, i₀₉ 250, i₀₃ 353, i₀₄ 500, i₀₅707, i₀₆ 1000, i₀₇ 1400, i₀₈ 2000, i₀₉2800, i0₁₀ 4000 Гц.

Важно подчеркнуть, что комплексная огибающая несет всю информацию об исходном процессе в каждом канале обработки.

Каждый демодулятор 8 имеет два выхода для представления соответственно синфазной и квадратурной составляющих НКО.

Перенос сигналов в область нижних частот позволяет использовать в качестве канала передачи информации в высшие отделы головного мозга кожный анализатор. Данный вопрос рассматривался в литературе. Установлена роль сенсорной стимуляции и обучения при различного рода повреждениях. Например, известны факты полного сохранения слуховых функций у людей, патанатомическое исследование которых после смерти выявило массивные повреждения рецепторного аппарата улитки.

При выборе модальности стимулов для представления информации все большее внимание уделяется использованию электрокожного раздражения. Отмечается, что электрокожный способ кодирования информации значительно увеличивает возможности использования кожного анализатора и является предпочтительным по сравнению с механическим. К недостаткам механического способа стимуляции относятся ограничения по практическому использованию кожного анализатора, обусловленные физиологическими характеристиками кожных рецепторов, временем восприятия и переработки сигналов обратной связи и трудностью технической реализации управления механическими стимуляторами.

Электроды, в отличие от вибраторов миниатюрны, имеют малый вес, надежны и могут помещаться на многие точки тела, при этом субьективная локализация определенных электрических стимулов лучше и четче. Отмечается меньшее потребление энергии, легкость дозировки и регулирования параметров электрокожного воздействия. Вопросы техники электрической стимуляции хорошо разработаны. Имеется большой экспериментальный материал о характерных свойствах ответных реакций организма на электрическое воздействие.

Вход любой сенсорной системы приспособлен к приему определенного класса внешних сигналов, и реакция системы в первую очередь будет зависеть от параметров действующего на ее вход стимула. Важно выделить класс входных сигналов, пригодных по своим пороговым характеристикам для передачи информации по электрокожному каналу связи. Зависимость пороговых значений тока от частоты гармонического сигнала в диапазоне 20-20000 Гц представляет собой монотонно возрастающую функцию, которая на интервале 20-1000 Гц изменяется сравнительно медленно, а при дальнейшем увеличении частоты значительно быстрее.

Поскольку после выделения низкочастотной комплексной огибающей выходные сигналы оказываются сконцентрированными в области нижних частот (менее 1 кГц), можно считать, что пороги при реализации рассмотренного способа являются достаточно стабильными.

Диапазон восприятия частот лежит в основном в пределах 20-1000 Гц, причем наибольшая чувствительность регистрируется на частоте 100-400 Гц [34 c. 163]
При подаче информации на кожу необходимо учитывать также величины рецептивных полей. Расстояние между датчиками сигнализации не должно быть меньше величины, соответствующей размеру рецептивного поля. Эти размеры равны на ладонной поверхности ногтевых фаланг пальцев 2 мм, на плече и предплечье 20-40 мм, на лбу 20-25 мм, на спине и груди 40-70 мм.

В предлагаемом устройстве информация после цифроаналогового преобразования и усиления подается на электродные пары, расположенные вдоль руки от запястья до плеча. В случае использования N полосовых фильтров необходимо 2N электродных узлов (с учетом представления синфазной и квадратурной составляющих).

Для рассмотренной выше системы полосовых фильтров требуется 20 электродных узлов. При этом обеспечивается необходимое расстояние между датчиками в соответствии с размерами рецептивных полей.

Для использования бинаурального эффекта электроды могут быть закреплены на обеих руках. В этом случае речевой сигнал принимается на два разнесенных микрофона, выходные сигналы которых независимо обрабатываются.

Введение новых по сравнению с прототипом блоков:
N демодуляторов, выделяющих НКО;
2N электродов, расположенных вдоль руки инвалида по слуху от запястья до плеча позволило получить положительный эффект повысить достоверность воспринимаемой информации, избежать хирургической операции и сохранить работоспособность при поражениях слухового нерва.

Изобретение к медицинской технике и предназначено для реабилитации инвалидов по слуху. Сущность: из устройство для приема речевых сигналов содержит микрофон 1, предварительный усилитель 2, предварительный фильтр, аналого-цифровой преобразователь 4, N параллельных каналов, каждый из которых включает последовательно соединенные цифровой полосовой фильтр, нелинейный элемент, цифро-аналоговый преобразователь, демодулятор, усилитель и электрод. 2 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИЕМА РЕЧЕВЫХ СИГНАЛОВ, содержащее последовательно соединенные микрофон, предварительный усилитель, предварительный фильтр, аналого-цифровой преобразователь, соединенный своим выходом с входами N полосовых фильтров, к каждому из которых последовательно подключены нелинейный элемент, цифроаналоговый преобразователь и усилитель, отличающееся тем, что оно содержит N демодуляторов, вход каждого их которых подключен к выходу соответствующего цифроаналогового преобразователя, а синфазный и квадратурный выходы соединены с входами усилителей, и 2N электродов, подключенных к выходам усилителей.