專利名稱：基于光聲效應(yīng)的人工聽覺仿真系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型具體涉及一種基于光聲效應(yīng)的人工聽覺仿真系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
耳蝸是動物類(包括高級動物人類)聽覺系統(tǒng)接收聲音信息的重要感應(yīng)器官，由于種種原因致使該器官或與該器官關(guān)聯(lián)的功能組織失去感應(yīng)功效，便患上重度以上感音性耳聾，以致無法正常聽音和完成正常語言交流功能。目前，針對此類耳聾，可采用電極式人工耳蝸(即電子仿生耳)植入術(shù)恢復(fù)部分聽覺，如專利(CN200610027193. 5)中，公開了一種全植入式人工耳蝸及其制備方法，該裝置根據(jù)耳蝸的感音機(jī)理和功能，將體外的聲信號經(jīng)采集、變換和編碼，以無線方式送給埋入耳蝸內(nèi)的各電極，有選擇地依次觸發(fā)對應(yīng)的聽神經(jīng)(或神經(jīng)束)，將外來聲信息陣列傳給大腦聽中樞，以恢復(fù)聾者的部分聽力。盡管該裝置已取得顯著成效，但是，在感應(yīng)音樂旋律、辨別樂器品種或話者等更豐富細(xì)致的聲信息方面明顯不足，表明人工聽覺康復(fù)裝置還有待深入研究和繼續(xù)改良。由醫(yī)學(xué)解剖學(xué)可知，人類耳蝸內(nèi)的基底膜長約2-3cm，能感知20Hz-20KHz的聲頻信息，不同的動物其耳蝸基底膜長度不同，可感應(yīng)的聲頻范圍也各異；基底膜上按聲頻位置排列著能感音的纖毛細(xì)胞(內(nèi)毛細(xì)胞約3500個(gè))和對應(yīng)的聽神經(jīng)纖維?；啄τ诼曇舻母惺芫哂蓄l率選擇性，與位置對應(yīng)。聲譜分析發(fā)現(xiàn)，言語信號在時(shí)域和頻域上的表現(xiàn)與音樂信號相比有些差別，對應(yīng)音樂中豐富的旋律變化和樂音品質(zhì)的變化，音樂信號總體聲譜能量集中區(qū)常常比語音聲譜寬較多，而且譜峰集中區(qū)的個(gè)數(shù)也更多，對應(yīng)在時(shí)域波形上音樂信號變化更多樣、更密集。我們知道，音樂的音色是由其所含聲頻成分決定的，例如，在同一旋律音符下，不同的樂器有不同聲音效果，其對應(yīng)聲譜包絡(luò)(即聲譜成分沿頻率軸變化的輪廓)應(yīng)有明顯區(qū)別。而同一樂器，在發(fā)高低不同的旋律音符時(shí)，其對應(yīng)的聲譜包絡(luò)無明顯變化，但此時(shí)聲譜的局部細(xì)節(jié)有明顯差別，同時(shí)在時(shí)域信號的基本周期上也有差別，這種差別是在一定時(shí)段上表現(xiàn)的。對多種樂器演奏出的樂 音來說，常常是多種旋律音符、多種樂器音的疊加，其樂音聲譜的表現(xiàn)更加復(fù)雜、細(xì)膩、多變。所以若要有效地傳遞樂音品質(zhì)和旋律等信息，更密集的電極陣列是必要，同時(shí)要保持正確、同步的聲頻陣列信號時(shí)序關(guān)系，保證代表樂器品質(zhì)的聲頻包絡(luò)變化和樂音旋律音符變化在聽覺中樞處獲得正確疊加和感知音效。目前最佳的人工耳蝸裝置中有22-24導(dǎo)金屬電極。作為埋入耳蝸的金屬電極，由于傳導(dǎo)電流時(shí)存在電場發(fā)散性，易導(dǎo)致相鄰電極相互干擾，這樣，在2-3cm的范圍內(nèi)電極總數(shù)目增加受限；另外，為減少相鄰電極同步發(fā)放信號相互干擾，觸發(fā)時(shí)間必須間隔，即電極陣列上各路信號在時(shí)序上是非同步的，這樣在聽覺中樞產(chǎn)生的各路信號疊加就是錯(cuò)位的。目前，對于語音信號這種變化相對緩慢、頻譜強(qiáng)能區(qū)相對較窄的信號而言，該裝置可達(dá)到恢復(fù)部分聽力的效果。但對頻譜更寬、變化更復(fù)雜細(xì)膩的音樂信號來說，可能很多信息漏傳或錯(cuò)傳，這些是否是導(dǎo)致樂音感知不佳的原因有待研究證實(shí)。因此，為感知音樂信息，研究向內(nèi)耳發(fā)放定時(shí)準(zhǔn)確、頻譜定位更準(zhǔn)確密集的聲陣列信號(有研究表明，通道數(shù)應(yīng)至少32導(dǎo))的仿生耳蝸，可能是解決該問題的研究方向。激光具有更好的方向性，而且脈沖激光具有誘發(fā)聲效應(yīng)的物理特性，即用光輻照某物體時(shí)，由于它對光的吸收會使其內(nèi)部的溫度改變，從而引起其局部區(qū)域的機(jī)械參數(shù)變化；當(dāng)采用脈沖光源或調(diào)制光源時(shí)，物體內(nèi)局部溫度的起伏會引起其體積的伸縮，因而向外輻射聲波，這種現(xiàn)象稱為光致聲效應(yīng)(簡稱光聲效應(yīng))。研究已證實(shí)，光纖脈沖激光能觸發(fā)聽神經(jīng)發(fā)放，其功效和聲音觸發(fā)極其相似。而與金屬電極相比，光纖易組成密集陣列，是取代金屬電極傳導(dǎo)豐富聲譜信息的良好候選。在文獻(xiàn)I (Izzo AD, Richter CP, Jansen ED,et al. Laser Stimulationof the Auditory Nerve. Lasers Surg Med, 2006, 38(8):745753.)；文獻(xiàn) 2 (WenzelGI，Balster S，Zhang K，et al. Greenlaser light activates the inner ear. J BiomedOpt, 2009, 14(4) :4004-4007)研究已證實(shí)，光纖脈沖激光照射耳蝸神經(jīng)組織可產(chǎn)生光聲效應(yīng)，該效應(yīng)可通過測量耳蝸神經(jīng)復(fù)合動作電位(CAP)來記錄聽覺神經(jīng)對激光參量的反應(yīng)，也可通過測量聽性腦干反應(yīng)(ABR)和下丘神經(jīng)元反應(yīng)來觀察大腦對激光觸發(fā)聽神經(jīng)的反應(yīng)。目前所見這類研究還僅限于單路光纖激光照射?；诩す饷}沖對聽神經(jīng)具有和聲波相似的觸發(fā)功效，進(jìn)一步的光纖激光陣列觸發(fā)試驗(yàn)需要相關(guān)的實(shí)驗(yàn)裝置，這種試驗(yàn)系統(tǒng)需要多個(gè)組成部件和環(huán)節(jié)，其中需靈活調(diào)節(jié)和拼裝，在激光光纖陣列布局、光源選擇、脈沖激光參數(shù)(幅度、寬度和重復(fù)率)的調(diào)節(jié)、信號發(fā)放時(shí)間控制等方面，均需要圍繞聽覺感知各種信息的效果對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和考察。為方便研究，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)一種基于激光聲效應(yīng)的光纖陣列人工聽覺實(shí)驗(yàn)裝置，并給出仿真實(shí)驗(yàn)方法。該系統(tǒng)裝置具有通道設(shè)置靈活可擴(kuò)展、數(shù)據(jù)采集方便、組成部件可接插替換、多項(xiàng)參數(shù)可調(diào)節(jié)控制的特點(diǎn)，與電腦可視化分析軟件聯(lián)合，可方便地分析驗(yàn)證其中的電、聲、光信號轉(zhuǎn)換控制及相關(guān)編碼算法的實(shí)驗(yàn)效果。

實(shí)用新型內(nèi)容為深入研究和探討人工聽覺感知的若干問題，本實(shí)用新型提出了一種基于光纖激光陣列聲效應(yīng)的人工聽覺仿 真系統(tǒng)。本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下 基于光纖激光的人工聽覺仿真系統(tǒng)，包括語音處理器、激光調(diào)制驅(qū)動器、激光光纖陣列、陣列光電探測器、數(shù)據(jù)處理模塊及聲音合成模塊；所述的語音處理器與激光調(diào)制驅(qū)動器相連，激光調(diào)制驅(qū)動器與激光光纖陣列相連，激光光纖陣列輸出的信號給陣列光電探測器，陣列光電探測器與數(shù)據(jù)處理模塊相連，數(shù)據(jù)處理模塊與語音合成模塊相連，其中所述語音處理器輸出的各通道信號頻段利用對數(shù)尺度(也稱美爾尺度)進(jìn)行截取?；诠饴曅?yīng)的人工聽覺仿真系統(tǒng)的仿真方法，包括如下步驟步驟I語音處理器將語音聲波轉(zhuǎn)換為多通道電信號，并且各通道頻段信號按符合人耳聽覺特性的對數(shù)尺度截?。徊襟E2激光調(diào)制驅(qū)動器將截取后的每個(gè)通道的電信號調(diào)制到激光光纖陣列中對應(yīng)光源輸出的光信號上；步驟3被劃分的光信號由激光光纖陣列傳送到陣列光電探測器；步驟4陣列光電探測器將檢測到的光信號，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換成電信號，再發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊；步驟5數(shù)據(jù)處理模塊處理采集到的多路電信號，解析并存儲數(shù)據(jù)信息入計(jì)算機(jī)，并在計(jì)算機(jī)上分析解析后的各路信號波形和信號成像圖譜，分析、對比；步驟6計(jì)算機(jī)上的語音合成模塊將解析存儲的數(shù)據(jù)信號通過相應(yīng)的聲音處理算法進(jìn)行語音合成，將合成音與原始音信號比對。所述的步驟I中每個(gè)通道的電信號對應(yīng)激光光纖陣列中的一路。所述的步驟2的激光調(diào)制驅(qū)動器是完成將來自語音處理器的多路電信號數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)為光陣列信號的模塊電路，根據(jù)激光器的工作原理不同，激光調(diào)制采用以下兩種調(diào)制方式(I)脈沖占空比調(diào)制采用這種調(diào)制方法，將在光纖激光陣列上輸出占空比隨數(shù)據(jù)流幅值變化的多路同步光脈沖信號，這樣的光脈沖信號其峰值保持不變，只是單位時(shí)間輸出的光脈沖疏密度是動態(tài)變化的；(2)光強(qiáng)連續(xù)調(diào)制將數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為模擬電信號，用該信號控制激光器的光強(qiáng)輸出，得到激光光強(qiáng)隨該數(shù)據(jù)流電信號同步變化的光陣列信號。本實(shí)用新型的有益效果是·1.采用光脈沖觸發(fā)聽神經(jīng)用方向性更好的光脈沖代替易產(chǎn)生電場交叉的電流脈沖。2.采用密集布局的光纖激光陣列，大量增加觸發(fā)聽神經(jīng)的通道數(shù)若按光纖口徑50um計(jì)算，對人耳耳蝸來說，理論上通道數(shù)可提升至600導(dǎo)，采用更細(xì)光纖(如IOum)，通道數(shù)可增至3000，從而大大增加可感知聲譜的分辨率，傳遞更豐富細(xì)致的聲音信息。3.采用無時(shí)間失真的多路并行同步光脈沖觸發(fā)，改變以往的電極分時(shí)間隔觸發(fā)對應(yīng)光纖陣列中心頻率，多路濾波器可輸出無時(shí)間失真的陣列信號，同步調(diào)制多路激光器產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖光陣列，觸發(fā)耳蝸基底膜對應(yīng)的聽神經(jīng)，從而可保持陣列信號時(shí)間上的一致性。4.以電子掃描陣列(如光電檢測)采集方式和合成聲音仿真方法評估驗(yàn)證大腦聽覺中樞對新型裝置的感音效果。5.該裝置及仿真方法具有精度高、可調(diào)節(jié)控制、便于數(shù)據(jù)采集和比較算法的特點(diǎn)。6.語音處理器輸出的各通道信號頻段利用對數(shù)尺度(也稱美爾尺度)進(jìn)行截取，是因?yàn)槿硕鷮β曌V頻率的感知是非線性的，對每一路而言，符合恒Q特性，這樣對信號進(jìn)行細(xì)化，實(shí)現(xiàn)了對頻譜更寬、變化更復(fù)雜細(xì)膩的信號的識別。

圖1基于光聲效應(yīng)的仿真合成聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)具體實(shí)施方式
聽覺仿真實(shí)驗(yàn)方法，采用圖1所示系統(tǒng)構(gòu)成，即在電腦上重構(gòu)仿真聲、讓正常人耳測聽或比對重構(gòu)聲音語圖和繪制各路信號波形等方式評估處理效果，評估新裝置在傳導(dǎo)聲譜信息中涉及的光電信號相互轉(zhuǎn)換、信號調(diào)節(jié)控制方法、各種信號編碼處理算法的效果。通常這類問題不直接對人耳和動物耳試驗(yàn)，而是以聲、光、電信號之間的相互轉(zhuǎn)換控制為研究對象，進(jìn)行仿真合成聲試驗(yàn)。其處理過程如下步驟I語音處理器將語音聲波轉(zhuǎn)換為特定的多通道電信號，各通道信號頻段按符合人耳聽覺特性的對數(shù)尺度劃分，每個(gè)通道的電信號對應(yīng)激光光纖陣列中的一路；步驟2激光調(diào)制驅(qū)動器將每個(gè)通道的電信號調(diào)制到激光光纖陣列對應(yīng)光源的輸出光信號上；激光調(diào)制驅(qū)動電路采用脈沖調(diào)制，將在激光器上輸出占空比隨數(shù)據(jù)流變化的光脈沖信號，這樣輸出光脈沖的峰值保持不變，只是單位時(shí)間輸出的光脈沖疏密度是動態(tài)變化的。步驟3激光光纖陣列將多路激光信號通過光纖輸送到陣列光電探測器；步驟4陣列光電探測器，將檢測到的光信號發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊；步驟5數(shù)據(jù)處理模塊處理采集到的多路光信號，解析并存儲數(shù)據(jù)信息入計(jì)算機(jī)，并在電腦上利用相關(guān)分析軟件，分析各路信號波形和信號成像圖譜，進(jìn)行分析、對比；步驟6語音合成模塊將解析存儲的數(shù)據(jù)信號通過相應(yīng)的聲音處理算法進(jìn)行語音合成，以便與原始語音信號進(jìn)行比對。步驟I所述的語音處理器可以是電腦，電腦采集外界聲信號經(jīng)變換、編碼，形成特定數(shù)據(jù)包，將這些數(shù)據(jù)下載。通過調(diào)整激光器的脈寬、中心頻率和線寬、連續(xù)型輸出、脈沖式輸出及脈沖頻率，研究激光光纖陣列信號對仿真合成聲 信號質(zhì)量的影響，比較在不同參數(shù)組合下對應(yīng)合成聲音的MOS得分曲線，進(jìn)行主觀評估；還可繪制各路同步信號波形圖和三維語圖，進(jìn)行處理效果的客觀分析評估。
權(quán)利要求1.基于光聲效應(yīng)的人工聽覺仿真系統(tǒng)，其特征在于包括語音處理器、激光調(diào)制驅(qū)動器、激光光纖陣列、陣列光電探測器、數(shù)據(jù)處理模塊及聲音合成模塊；所述的語音處理器與激光調(diào)制驅(qū)動器相連，激光調(diào)制驅(qū)動器與激光光纖陣列相連，激光光纖陣列輸出的信號給陣列光電探測器，陣列光電探測器與數(shù)據(jù)處理模塊相連，數(shù)據(jù)處理模塊與語音合成模塊相連，其中所述語音處理器輸出的各通道信號頻段利用對數(shù)尺度進(jìn)行截取。
專利摘要本實(shí)用新型具體公開了一種基于光纖激光人工聽覺仿真系統(tǒng)，包括語音處理器、激光調(diào)制驅(qū)動器、激光光纖陣列、陣列光電探測器、數(shù)據(jù)處理模塊及聲音合成模塊；所述的語音處理器與激光調(diào)制驅(qū)動器相連，激光調(diào)制驅(qū)動器與激光光纖陣列相連，激光光纖陣列輸出的信號給陣列光電探測器，陣列光電探測器與數(shù)據(jù)處理模塊相連，數(shù)據(jù)處理模塊與語音合成相連。本實(shí)用新型的有益效果1.采用密集布局的光纖激光陣列可大量增加聲譜信息的傳遞；2.采用多路并行同步光脈沖觸發(fā)消除陣列信號的時(shí)間誤差；3.該裝置及仿真方法具有精度高、可調(diào)節(jié)控制、便于數(shù)據(jù)采集處理的特點(diǎn)。
文檔編號A61F11/04GK202892217SQ20122053028
公開日2013年4月24日 申請日期2012年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月17日
發(fā)明者田嵐, 馬昕, 常軍, 張颯颯, 陸冬雨 申請人:山東大學(xué)