СПОСОБ АДАПТИВНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ РЕЧЕВЫХ СИГНАЛОВ В СЛУХОВЫХ АППАРАТАХ Российский патент 1998 года по МПК A61F11/04 H04R25/00 

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для реабилитации слуха у людей с нейросенсорной тугоухостью.

Известен способ обработки сигнала в слуховых аппаратах, описанный в патенте США N 4680798 [1], заключающийся в том, что сигнал разделяется на несколько частотных составляющих с помощью набора полосовых фильтров, выходные сигналы которых усиливаются в усилителях с управляемыми коэффициентами усиления и после сложения в сумматоре усиливаются в выходном усилителе мощности и поступают на электроакустический преобразователь. Коэффициент усиления каждого из усилителей с управляемыми коэффициентами усиления автоматически изменяется в соответствии с управляющими сигналами, вырабатываемыми в процессоре в соответствии с заложенной в ней программой. Входными сигналами для процессора служат уровни энергии составляющих сигнала, выделенных полосовыми фильтрами. Таким образом в зависимости от спектрального состава сигнала, поступающего на вход слухового аппарата, с помощью изменения коэффициентов передачи усилителей с регулируемым усилением формируется частотная характеристика слухового аппарата, оптимальная по определенному критерию, например по критерию наибольшей разборчивости речи. Так, в случае наличия низкочастотного шума, автоматически уменьшается усиление в усилителях, соединенных с выходами низкочастотных фильтров. При наличии сильных сосредоточенных помех соответствующий частотный канал может автоматически полностью отключиться. Тем самым слуховой аппарат с описанным выше способом обработки сигналов обладает способностью автоматической адаптации своей частотной характеристики к виду помех, на фоне которых предъявляется полезный сигнал, и в максимальной степени отфильтровать их.

Недостатком такого способа является возможность адаптации частотной характеристики слухового аппарата к стационарным внешним помехам, имеющим существенно неравномерный спектр. В том случае, если помеха является белым шумом, адаптации частотной характеристики при данном методе оказывается затруднительной.

Известны такие способы обработки сигналов в слуховых аппаратах, обеспечивающие адаптацию к квазистационарным типам помех. Так в патенте США N 4731850 [2] предусмотрено введение цифрового программного фильтра, обеспечивающего установку оптимальной амплитудной компрессии в разных частотных каналах, автоматическую регулировку усиления в них и автоматическую коррекцию общей частотной характеристики в зависимости от изменяющейся помеховой обстановки. Общим недостатком описанных выше программируемых слуховых аппаратов является возможность оптимизации приема сигнала только в том случае, если оценка помеховой ситуации дает возможность частотного отделения помех от сигнала. Такая возможность затруднена, если спектры сигналов и помех перекрываются, что практически имеет место в большинстве случаев. Указанный выше недостаток может быть уменьшен, если процесс адаптации частотных характеристик слухового аппарата к помехам дополнить учетом структурных свойств принимаемого сигнала, в частности речи. При этом частотная характеристика слухового аппарата может деформироваться в соответствии с известными спектральными характеристиками элементов речи, тем самым обеспечивая их оптимальный прием на фоне помех.

Такой способ описан в патенте России N 2047946 [3]. В указанном способе, который является прототипом предлагаемому, акустический сигнал после его преобразования в электрический в озвученных участках речевого сигнала определяет текущее значение периода основного тона и формируется управляющий сигнал, устанавливающий соответствующий шаг пиков амплитудно-частотной характеристики гребенчатой фильтрации, которая производится над сигналом после его временной задержки, компенсирующей время, затраченное на помехоустойчивое выделение текущего периода основного тона, причем после гребенчатой фильтрации сигнал складывается с задержанным сигналом после его полосовой фильтрации, а полученный суммарный сигнал после усиления и электроакустического преобразования поступает на слуховую систему слушателя.

Достоинством описанного выше способа обработки сигналов в слуховых аппаратах является то, что фильтрация озвученных участков речи осуществляется гребенчатым фильтром, шаг пиков частотной характеристики которого устанавливается автоматически за счет механизма адаптации.

Основным недостатком описанного выше способа обработки сигналов в слуховых аппаратах является то, что автоматическое формирование просто гребенчатого фильтра для фильтрации озвученных участков речи не обеспечивает наилучшее выделение их из шума. Действительно в используемом гребенчатом фильтре устанавливается лишь шаг пиков его амплитудно-частотной характеристики, а относительная величина этих пиков остается произвольной. Это не позволяет обеспечить наилучшую фильтрацию озвученного участка речи на фоне шума и тем самым не дает возможность реализовать потенциально достижимое улучшение выделения из-под шумов озвученных участков речи перед предъявлением их слушателю.

Технический результат настоящего изобретения состоит в повышении степени фильтрации из шумов озвученных участков речи за счет улучшения характеристик процесса фильтрации.

Этот результат достигается тем, что в известном способе, включающем электроакустическое преобразование речевого сигнала, его временную задержку с последующей полосовой фильтрацией, определение периода основного тона на озвученных участках речевого сигнала, формирование управляющего сигнала, с помощью которого устанавливают соответствующий шаг пиков амплитудно-частотной характеристики при фильтрации сигнала после его временной задержки гребенчатым фильтром, суммирование сигналов соответственно после полосовой и гребенчатой фильтраций, усиление мощности суммированного сигнала и его электроакустическое преобразование, отличающийся тем, что осуществляют в озвученных участках речевого сигнала дополнительную гребенчатую фильтрацию с помощью дополнительного гребенчатого фильтра, шаг пиков амплитудно-частотной характеристики которого устанавливают по периоду основного тона, после чего определяют огибающую спектра пиков и формируют управляющий сигнал, по которому устанавливают значения амплитуд пиков амплитудно-частотной характеристики основного гребенчатого фильтра.

Введение дополнительной гребенчатой фильтрации позволяет определить огибающую спектра этих участков со значительной помехоустойчивостью, т.к. пики амплитудно-частотной характеристики гребенчатого фильтра, осуществляющего эту фильтрацию, устанавливаются определителем частоты основного тона на частотах, соответствующих максимумам в спектре анализируемого участка речи. Следовательно, определение в озвученных участках речи огибающей спектра на выходе дополнительно введенного гребенчатого фильтра с управляемым шагом пиков в амплитудно-частотной характеристике позволяет осуществить помехоустойчивую установку значений пиков в амплитудно-частотной характеристике основного гребенчатого фильтра с управляемым шагом пиков. Тем самым, если в существующем способе фильтрация озвученных участков речевого сигнала осуществляется с помощью гребенчатого фильтра, амплитуды пиков амплитудно-частотной характеристики которого произвольны, а в общем случае одинаковы, что приводит к прохождению на выход фильтра лишних шумовых составляющих, то в предлагаемом способе установка амплитуд пиков амплитудно-частотной характеристики основного гребенчатого фильтра в соответствии с огибающей спектра на выходе дополнительно введенного гребенчатого фильтра позволяет в характеристике основного гребенчатого фильтра исключить или значительно уменьшить те пики, на месте которых отсутствуют составляющие спектра фильтруемого сигнала. Таким образом, амплитудно- частотная характеристика основного гребенчатого фильтра в значительно большей степени оказывается ближе к оптимальной для данного участка сигнала, чем амплитудно-частотная характеристика гребенчатого фильтра, используемого в существующем способе. Соответственно и степень фильтрации озвученного участка речевого сигнала из шумов в предлагаемом способе оказывается лучше, чем в существующем способе.

Тем самым определение огибающей спектра озвученных участков речи после их прохождения через дополнительно введенный гребенчатый фильтр, шаг пиков амплитудно-частотной характеристики которого устанавливается основным тоном, и установка на основе полученной огибавшей спектра величин пиков амплитудно-частотной характеристики в основном гребенчатом фильтре, позволяет улучшить выделение из под шумов озвученных участков речи перед их предъявлением слушателю.

Для улучшения понимания предлагаемого способа приводим реализующую его блок-схему. Устройство, реализующее предлагаемый способ адаптивной фильтрации речевых сигналов в слуховых аппаратах, блок-схема которого изображена на фиг. 1, содержит источник сигнала 1, акустоэлектрический преобразователь 2, устройство временной задержки 3, определитель периода основного тона 4, полосовой фильтр 5, основной гребенчатый фильтр 6 с регулируемым шагом пиков и их амплитуд в амплитудно-частотной характеристике, сумматор 7, усилитель мощности 8, электроакустический преобразователь 9, дополнительно введенный гребенчатый фильтр с управляемым шагом пиков амплитудно-частотной характеристики 10, определитель огибающей спектра 11.

По предлагаемому способу речевой сигнал преобразуется в его электрический эквивалент, на озвученных участках последнего определяется текущее значение периода основного тона, которое используется для установки параметров процесса гребенчатой фильтрации сигнала как в дополнительно введенном гребенчатом фильтре, так и в основном гребенчатом фильтре, при этом сигнал с выхода дополнительно введенного гребенчатого фильтра используется для определения его огибающей спектра, в соответствии с которой устанавливаются амплитуды пиков частотной характеристики основного гребенчатого фильтра, частотное местоположение которых устанавливается на основании определения частоты основного тона, что позволяет оптимизировать процесс фильтрации сигнала, задержанного на время, равное времени, необходимого для определения текущего значения периода основного тона и изменения параметров процесса фильтрации, причем после фильтрации сигнал складывается с сигналом, прошедшим полосовую фильтрации, а полученный суммарный сигнал усиливается и преобразуется в акустический сигнал.

Практическая реализация предлагаемого способа обработки сигналов в слуховых аппаратах осуществляется с помощью серийно выпускаемых микросхем. Так, электроакустические и акустоэлектрические преобразователи реализуются с помощью микрофонов и телефонов, широко применяемых в существующих слуховых аппаратах, например МС, МКЭ-3, ВТУ-2, ВТУ-5 и др. Сумматор, полосовой фильтр реализуются по типовым схемам на основе операционных усилителей типа 1407УД- 4 и др. [6]. В качестве усилителя мощности может быть использована микросхема типа 548УНЗ. Гребенчатый фильтр с управляемым шагом пиков частотной характеристики строится с помощью операционного усилителя с управляемой линией задержки в цепи обратной связи [7]. В качестве управляемой линии задержки может использоваться цепочечная RLC линия задержки с отводами, подключаемыми в цепь обратной связи с помощью переключателя (например, типа КН90) в соответствии с управляющим сигналом, поступающим от определителя основного тона. Сама линия задержки может выполняться как на пассивных элементах RLC, так и на активных RLC ячейках, которые легче поддаются миниатюризации. Кроме того, широко применяются цифровые линии задержки на основе использования сигнальных процессоров. Устройства определения частоты основного тона широко используются в технике вокодерной связи [8], и могут быть реализованы в соответствии с описанием соответствиющих авторских свидетельств и патентов (например авт. св. СССР N 403090 [4], патент NL, N 1264060 [5] и др.).

Основной гребенчатый фильтр с регулируемым частотным шагом пиков и их амплитуд в амплитудно-частотной характеристике в частности может быть реализован в виде последовательного соединения гребенчатого фильтра с управляемым шагом пиков частотной характеристики, методы реализации которого были уже описаны выше, и фильтра с формой амплитудно-частотной характеристики, соответствующей форме огибающей спектра сигнала на выходе дополнительно введенного гребенчатого фильтра с управляемым шагом пиков частотной характеристики. В настоящее время наиболее целесообразным методом технической реализации указанных выше фильтрующих структур является использование гибридного цифрового сигнального процессора, включающего в себя также и преобразователи аналог-цифра и цифра-аналог. Примером таких микросхем может служить ADSPMSP59 фирмы Analog Devices, DSP56156 фирмы Motorola, или схемы, собранные из комбинации высоко-экономичных сигнальных процессоров типа ADSP2103 в сочетании с различными преобразователями аналог-цифра и цифра-аналог [11].

Из сказанного следует, что производимые преобразования позволяют осуществлять реализацию слухового аппарата в соответствии с предлагаемым способом обработки сигналов на основе существующих средств микроэлектроники и интегральной технологии. Это дает возможность построения таких слуховых аппаратов в виде аппаратов карманного типа или заушин [9].

В процессе реализации предлагаемого способа построения слуховых аппаратов был сделан лабораторный макет аппарата, включавший в себя все элементы, входящие в блок-схему, изображенную на фиг.1.

В качестве источника речевого сигнала использовались тестовые слова, записанные в память ЭВМ и предъявлявшиеся аудиторам в случайном порядке на фоне помех [10]. В качестве тракта усиления слухового аппарата использовались микросхемы 548УНЗ, выход которых был соединен с телефоном. Определитель огибающей спектра, синтезатор фильтра с амплитудно-частотной характеристикой соответствующей огибающей спектра, а также гребенчатые фильтры с управляемым шагом пиков частотной характеристики реализовывались на ЭВМ типа Pentium, снабженной платой ввода-вывода типа LV-102. Для выделения импульсов основного тона из озвученных участков сигнала использовалась обычная схема выделителя сигналов основного тона, описанная в [3]. В лабораторном макете постоянная задержка сигнала (3 на фиг.1) составляла 50 мс, а в качестве фильтра (5 на фиг. 1) использовался стандартный полосовой фильтр с полосой пропускании 1500 -3400 Гц. Суммирование сигналов с выхода полосового фильтра и оптимального фильтра осуществлялось на входе усилителя мощности микросхемы 548УНЗ. Коррекция величины задержки производилась автоматически через каждые 50 мс. Точность установки величины задержки составляла не хуже 1%. Для оценки эффективности работы макета использовались речевые аудиограммы пациентов.

Сравнивались макеты с выключенной цепью управляемого основного гребенчатого фильтра и с включенной цепью. При этом при выключении цепи управляемого фильтра в качестве полосового фильтра использовался фильтр с полосой пропускания 1500 - 3400 Гц, уровень громкости на выходе электроакустического преобразователя устанавливается оптимальным для данного испытуемого. Тем самым определялась эффективность использования предлагаемого способа адаптивной фильтрации речевых сигналов в слуховых аппаратах. Эксперименты проводились с 4 пациентами, страдавшими нейросенсорной тугоухостью. Результаты экспериментов приведены на фиг. 2. По оси абсцисс отложены величины отношений сигнал/шум в децибелах. По оси ординат отложены вероятности правильного опознавания тестовых слов данным пациентом.

Сплошными линиями проведены зависимости вероятности правильного распознавания пациентами тестовых слов от отношения сигнал/шум, устанавливаемого при их предъявлении в том случае, когда пациенты использовали при прослушивании макет слухового аппарата, построенный по предлагаемому способу.

Пунктирными линиями приведены зависимости вероятностей правильного распознавания теми же пациентами тестовых слов на фоне шума от отношения сигнал/шум, устанавливаемого при их предъявлении в том случае, когда пациенты слушали сигналы без использования указанного выше макета.

Сопоставление приведенных на фиг. 2 зависимостей показывает существенное улучшение помехоустойчивости восприятия речи больными с нейросенсорной тугоухостью при использовании предлагаемого способа адаптивной фильтрации речевых сигналов. В качестве количественной оценки эффективности сравниваемых способов адаптивной фильтрации речевых сигналов использовалось отношение сигнал/шум на входе макетов, при котором вероятность правильного опознания тестовых сигналов уменьшалась на 20%. Результаты оценок приведены в таблице.

Для наглядности в данной таблице приведены результаты оценки помехоустойчивости восприятия тестовых слов пациентами с нейросенсорной тугоухостью при использовании ими обычного слухового аппарата (макет 1) и макета слухового аппарата, построенного с использованием предлагаемого способа адаптивной фильтрации речевого сигнала (макет 2).

Из результатов экспериментов, приведенных в таблице, следует, что использование предлагаемого способа адаптивной фильтрации речевых сигналов в слуховых аппаратах привело к увеличению помехоустойчивости восприятия пациентами тестовых речевых сигналов не менее, чем в 3 раза по сравнению с использованием обычных слуховых аппаратов.

Известно, что использование существующего способа адаптивной фильтрации речевых сигналов приводит к увеличению помехоустойчивости восприятия пациентами тестовых речевых сигналов в 2 раза по сравнению с помехоустойчивостью при использовании ими обычных слуховых аппаратов [3]. Таким образом, предлагаемый способ по помехоустойчивости оказывается в 1,5 раза лучше по сравнению с существующим способом, взятым в качестве прототипа.

Приведенные результаты испытаний доказывают полезность предлагаемого способа.

Литература.

1. Патент США N 4680798, кл. H 04 R 25/00, 1986.

2. Патент США N 4731850, кл. H 04 B 15/00, 1987.

3. Патент RU N 2047946, кл. H 04 R 25/00, 1995.

4. Патент NL N 1264060, кл. G 10 L 1/02, 1972.

5. Авторское свидетельство СССР N 403090, кл. H 04 J 3/18, 1973.

6. Алексеенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. М., Радио и связь, 1985.

7. Финкельштейн М.И. Гребенчатые фильтры. М., Советское радио, 1969.

8. Пирогов А.А. Вокодерная телефония. П. 3.8, с. 191 - 209, М., Связь, 1974.

9. Лисовский В. А., Елисеев В. А. Слуховые приборы и аппараты. М., Радио и связь, 1991.

10. Сборник "Речевые тесты и их применение" Под редакцией проф. Златоустовой Л.В., с. 87. Издательство Московского университета, 1986.

11. Каталоги фирм Analog Devices, Motorola, Texas Instrument, 1995.

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в способах адаптивной фильтрации речевых сигналов в слуховых аппаратах для улучшения помехоустойчивости восприятия речи пациентами, страдающими нейросенсорной тугоухостью. Способ заключается в том, что в озвученных участках речевого сигнала определяют текущее значение периода основного тока и огибающую спектра после их прохождения через дополнительно введенный гребенчатый фильтр с шагом пиков амплитудно-частотных характеристик, равных найденным периодам основного тока. При этом по полученным значениям огибающих спектра и периодам основного тока формируют управляющие сигналы, устанавливающие соответствующий шаг пиков и их относительные величины в амплитудно-частотной характеристике основной фильтрации. Последнюю осуществляют над сигналом после его временной задержки на помехоустойчивое выделение параметров гребенчатой фильтрации, причем после фильтрации сигнал складывают с задержанным сигналом после его полосовой фильтрации. Полученный суммарный сигнал после усиления и электроакустического преобразования подают на слуховую систему слушателя. Достоинством такой обработки сигналов является автоматическая адаптация как частотной, так и амплитудной характеристик слухового аппарата к спектрам элементов речевого сигнала, что позволяет повысить помехоустойчивость опознания на слух таких ключевых элементов речевых сигналов, как ударные гласные, некоторые типы согласных, что улучшает словесную разборчивость речи, воспринимаемой пациентами с нейросенсорной тугоухостью на фоне шумов. 2 ил.

Способ адаптивной фильтрации речевых сигналов в слуховых аппаратах, включающий акустоэлектрическое преобразование речевого сигнала, его временную задержку с последующей полосовой фильтрацией, определение периода основного тона на озвученных участках речевого сигнала, формирование управляющего сигнала, с помощью которого устанавливают соответствующий шаг пиков амплитудно-частотной характеристики при фильтрации сигнала после его временной задержки гребенчатым фильтром, суммирование сигналов соответственно после полосовой и гребенчатой фильтраций, усиление мощности суммированного сигнала и его электроакустическое преобразование, отличающийся тем, что осуществляют в озвученных участках речевого сигнала дополнительную гребенчатую фильтрацию с помощью дополнительного гребенчатого фильтра, шаг пиков амплитудно-частотной характеристики которого устанавливают по периоду основного тона, после чего определяют огибающую пиков спектра и формируют управляющий сигнал, по которому устанавливают значения амплитуд пиков амплитудно-частотной характеристики основного гребенчатого фильтра.