电子耳蜗体外语音处理器的设计
作者：孟丽， 李平， 肖灵， MENG Li， LI Ping， XIAO Ling
作者单位：中国科学院声学研究所,北京,100190;中国科学院研究生院,北京,100190
刊名：
微计算机应用
英文刊名：MICROCOMPUTER APPLICATIONS
年，卷(期)：2008，29(9)
被引用次数：0次
参考文献(6条)
1.Texas Instruments Company TMS320C55x DSP Library Progrmmner's Reference
2.Wilson.B.S.Finley,https://www.doczj.com/doc/8118292215.html,wson,D.T Better speech recognition with cochlear implants 2002
3.Wilson BS.Finley,https://www.doczj.com/doc/8118292215.html,wson DT Design and evaluation of continuous interleaved
sampling(CIS)processing strategy for multichannel cochlear implants 1993
4.Greenwood DD A cochlear frequency-position function for several species-29yearn later 1990
5.Soon Kwan An.Se-Ik park.Sang Beom Jun Design for a simplified cochlear implant system 2007(06)
6.Philipos C.Loizou Speech processing in vocoder-centric cochlearimplants 2006
相似文献(10条)
1.学位论文吴斌人工电子耳蜗中语音处理器的研究2006
听觉是人们获取外界信息，与外界进行交流的重要途径，然而世界上却存在很大一部分具有听觉障碍的人群。绝大多数的深度耳聋患者丧失了将声音的声能转变为电信号，并通过听觉神经纤维传送给大脑的能力。人工电子耳蜗是一项治疗感音神经性耳聋的技术，其基本原理是代替已丧失功能的耳蜗毛细胞完成声电换能，并且通过语音信号处理器用适当的电流脉冲直接刺激听神经，从而使患者重获听觉。在我国有众多听力不同程度受损患者，这其中有较大一部份是聋儿。对于深度耳聋患者助听器已没有作用，人工电子耳蜗可以在一定程度上恢复这类患者的听力，所以自主开发人工电子耳蜗
，将有益于我国聋人的康复事业，并产生巨大的社会效益和经济效益。
人工电子耳蜗系统主要包括语音处理器和植入电极。语音处理器主要作用在于声音的采集处理和产生电极所需的电刺激信号。本次课题主要目的在于实现人工电子耳蜗语音处理器的基本系统结构，使语音信号处理器在硬件和软件上能完成应有的功能，并希望在此基础上能对国内人工电子耳蜗语音处理器的研究在电路设计上提供一些借鉴作用。
在本课题中，整个人工电子耳蜗语音处理器在硬件上采用了基于数字信号处理器TMS320VC5409的系统结构。而软件中所采用的语音信号处理方法主要是通过结合信号压缩模拟(CA)和提取基频和共振峰的F0/F1/F2这两种方案的特点来实现的。由于耳蜗电极在国内加工尚存在很大困难，所以本次的人工电子耳蜗语音处理器仍无法进行一些初步的动物实验。最后在计算机中应用MATLAB6.5对语音信号处理方案进行了仿真试验，同时用示波器TDS3052B也作了部分仿真试验，试验结果显示处理后的语音与原始语音在频谱包络特征上相似，这表明经处理后的语音信号包含了原语音信号的包络信号和部分频率信号，所以可预见患者佩戴本语音处理器后是可以恢复一定听觉的。
回顾本次课题的研究，所设计的语音处理器存在以下特点：
1.采用了高速DSP芯片，实现了对语音信号快速﹑连续的处理。
2.限于电子耳蜗语音处理器的系统结构，未采用连续交替采样(CIS)的语音处理方案，而是采用了CA和F0/F1/F2这两种方案相结合的处理方案。
3.所设计的电子耳蜗语音处理器采用外部3V供电，内部采取了多种节能手段。
4.语音处理器的尺寸被尽量向小型化设计。
2.期刊论文吴斌.郑小林.彭承琳.WU Bin.ZHENG Xiao-lin.PENG Cheng-lin人工电子耳蜗中语音处理器的研究-医疗卫生装备2005,26(10)
语音处理器是人工电子耳蜗系统中重要的一个组成部分.我们设计的语音处理器主要基于TI公司的DSP芯片TMS320VC5409和立体声音频编解码芯片TLV320AIC23B.本文介绍了其整体的设计方案和工作原理,并讨论了人工电子耳蜗系统中专用语音处理集成电路的研究.
3.学位论文王艳基于脑电活动规律的电子耳蜗的DSP算法的研究2003
该设计以听觉系统、听觉的机理、语音信号处理技未、语音编码方案等知识为基础,选择了目前最为成功语音处理方案,连续间隔采样方案CIS为本设计的实现目标.在专业知识的基础上,学习了DSP应用系统的开发,成功的在CCS环境下开发了以TMS320VC5410为核心的语音处理器的软件系统,该系统可以完成语音信号的采集、对信号进行分组滤波、对信号进行包络检测,通过压缩和量化进行声电映射,完成信号的帧编码和发送工作.
4.学位论文马文河基于脑电活动规律的电子耳蜗的联合编码策略研究2004
电子耳蜗是一种高精度的电子设备,它利用声电换能的原理将声音信号转化为可以用来刺激人耳听神经的电信号.他的出现解决了一些内耳耳蜗的毛细胞受损到很大的程度而引致严重或极度失聪,使聋人听到了声音变成了一种可能.电子耳蜗的发展经历了50多年,从最初的单通道耳蜗到现在多通道电子耳蜗的广泛应用;从最开始的单一编码策略到现在的多个编码策略选择使用,它的发展是极为迅速的,而且对语音信号的识别率也越来越高.尤其在这几年,伴随着高速专用的语音信号处理器的出现,DSP也被应用到电子耳蜗的产品开发中.这样一来,以前一些低速的信号处理器实现不了的算法在现在就能够变成现实.该设计中采用的ACE策略就是一个需要应用高速DSP处理器的一个语音信号编码策略.它是将传统的CIS策略和SPEAK策略的优点结合到一起来实现的一个新的编码策略.它既保证了较高的刺激频率,又保证了对语音细节信号的保留,从而实现了较好的语音识别效果.电子耳蜗这个产品在中国有着十分广阔的应用空间,深度耳聋患者约有2000万人,其中,7岁以下儿童约80万人,尽管配戴助听器可以使部分患者获得或改善听力,但是仍有很多双耳重度、极重度耳聋患者不能够通过带助听器或药物治疗来恢复听力,电子耳蜗是唯一可以使他们重返有声世界的有效医疗装置.该设计以听觉的基础理论为依据,应用了现代的语音信号处理技术和数字信号处理器及可编程逻辑器件等方面的知识来实现电子耳蜗联合编码策略.设计中熟练运用了CCS这个集成的开发系统,还有MaxplusⅡ这个可编程逻辑器件的开发软件,经测试基本达到了设计前预定的要求.
5.学位论文刘洪运电子耳蜗刺激脉冲合成方法及其实现的研究2009
治愈感音神经性耳聋一直是许多医生和科学家的梦想，无论是神经细胞再生技术还是基因治疗手段，其真正应用于临床尚需很长的一段时间，目前
蜗内残留的听神经纤维以恢复重度或完全失聪患者听力的医学装置。据不完全统计全世界有4000万听障患者，其中大约有10万感音神经性聋患者依靠配戴人工电子耳蜗来获得或恢复听力，尽管由于各种原因导致人工电子耳蜗植入者之间在个体性能上出现很大的差异，但平均来说，绝大多数的植入者都在不同程度上恢复了听力，有的甚至可以在安静的环境下顺畅的进行电话交流。
本论文在前人研究的基础之上，提出了新型的刺激脉冲合成方法——小渡过零刺激(Wavelet Zero-crossing Stimulation，WZS)脉冲合成方法和非幅度调制的刺激脉冲合成方法，其根据耳蜗的子波模型和大脑中枢对耳蜗神经冲动的时频编码方式，于语音信号倍频程小波变换域的过零点处合成刺激脉冲序列。在有效的克服通道干扰的同时，其保留了语音信号自身的时间相关性和相干性，使基于该算法的人工电子耳蜗系统更加接近正常耳蜗的工作模式。课题研究过程中，利用数字仿真软件对一段语音分别进行压缩模拟(Compressed Analog，CA)、连续间隔采样(Continuous Interleaved
Sampling，CIS)、小波过零刺激和非幅度调制编码，并将生成的各通道刺激脉冲序列进行了合成和对比，证明了小波过零刺激方案和非幅度调制刺激脉冲合成方法的有效性。
同时课题在仿真的基础上，利用小波过零刺激方案基于数字信号处理器和复杂可编程逻辑器件设计了人工电子耳蜗语音处理器和解码模块的部分电路。最后利用软件对电路进行了测试和分析，语音处理器和解码模块均能实现其应有的功能，达到了预期的设计目的。
6.期刊论文沈滔.周耀华.刘召伟基于DSP的电子耳蜗语音处理器的研制-复旦学报(自然科学版)2002,41(2)
电子耳蜗是一项正在迅速发展的聋人康复新技术,其先介绍电子耳蜗的原理及其进展,然后介绍基于TMS320VC5402 DSP处理器的电子耳蜗语音处理器.实验证明:基于DSP的电子耳蜗系统可以按照患者的实际情况灵活选择各种语音处理方案,并能方便实现语音预处理、噪声抑制和对应各电极的频谱阈值调整,是一种比较好的系统结构.
7.学位论文黄雅婷基于听觉特性的电子耳蜗语音增强的研究2008
本文主要研究了电子耳蜗的CIS语音信号处理方案，提出了与听觉系统更为适应的语音信号处理方案，并在此基础上提出了基于听觉特性的电子耳蜗语音增强算法。
本文的主要工作如下：
1、在讨论电子耳蜗语音处理器的理论基础上，提出了与听觉系统十分吻合的Bark子波变换来实现电子耳蜗的CIS语音信号处理。
2、研究了电子耳蜗系统中语音增强算法。在讨论和比较电子耳蜗语音增强传统算法，包括基本谱减法、改进谱减法和自适应滤波法的基础上，提出了基于听觉特性的电子耳蜗语音增强算法：采用人耳听觉掩蔽效应作为减参数的谱减法对每个通道进行语音增强。
3、对电子耳蜗语音增强的各算法进行了软件仿真，给出了仿真结果。并比较了各方法增强后的信噪比。结果表明：即使在低信噪比的情况下，信噪比也能提高20dB左右，合成的语音对于电子耳蜗使用者具有较好的清晰度和可懂度。
4、研究了电子耳蜗语音信号的基本特征：基音周期和共振峰。对增强后的各语音分别提取基音周期和共振峰。结果表明：本文方法增强后的语音所提取的基音周期和共振峰的相对误差更小，可以表征原始语音信号的特征参数，能给电子耳蜗使用者传送更准确的信息。
最后提出了本课题今后进一步研究和改进的方向。
8.期刊论文施晓敏.顾济华.陶智.赵鹤鸣.张晓俊.SHI Xiao-min.GU Ji-hua.TAO Zhi.ZHAO He-ming.ZHANG Xiao-
jun基于听觉感知的电子耳蜗共振峰提取方案-计算机工程与应用2007,43(29)
使用听觉感知的小波变换来提取电子耳蜗中的共振峰参数.首先用听觉感知的小波变换对原始语音信号进行分解重构,然后分别用自相关和格型法对合成语音信号和原始语音信号进行共振峰提取.实验结果表明:使用听觉感知的小波变换进行共振峰参数提取的可行性,合成语音信号能更好地表征原始语音信号的特征;同时也证实了电子耳蜗语音处理器中使用由格型法提取共振峰参数比自相关法更精确.
9.学位论文万晓颖谐波同步型电子耳蜗的研究2005
电子耳蜗是一种可以使深度耳聋患者恢复听觉的电子装置，包括植入部分和体外部分。体外部分主要是将接收到的声音信号转换成电信号并传送到体内部分，体内部分主要是根据接收到的信息来产生刺激听神经的电脉冲。
自从上世纪五十年代电子耳蜗植入技术开始发展以来，耳蜗植入装置从单道电极发展成为多道电极，其语音处理器从模拟装置发展成为DSP系统，同时其语音编码策略也得到了很大的发展。
因为在耳蜗中的不同位置对应着不同的频率敏感点，当语音进入耳蜗后，语音的谐波会引起耳蜗中基底膜的相应点振动，当振动的幅值达到较高时，会在振动的峰值处引起毛细胞产生动作电位。所以，耳蜗中的神经电脉冲是和语音中的谐波峰值同步的。
本论文提出了一种新型电子耳蜗——谐波同步型电子耳蜗。它将自然耳蜗的听觉感受和辨别神经机制与现代的电子技术结合起来，与常用的其它电子耳蜗语音处理方案相比，其特点主要在于利用耳蜗毛细胞模型电路实现了电子耳蜗刺激脉冲与语音谐波峰值的同步变化，并根据大脑皮层对耳蜗中电刺激响应的规律，采用一种最优的编码方法，使电子耳蜗更加接近人耳的工作方式。这种处理方式很好地保留了声音信号的原有信息，特别是对基频的传输很有利。由于汉语四声的变化主要体现在语音基频的变化上，基频又是在各次谐波频率中反应出来的，所以谐波同步型电子耳蜗特别有利于对汉语的识别。
本设计采用DSP和CPLD技术来设计信号的编/解码模块和刺激器，从而保证了整个系统的实时性和灵活性。在论文的最后，介绍了基于MATLAB听觉工具箱的耳蜗模型的仿真，并对耳蜗毛细胞模型电路的测试结果进行了分析，达到了预期的同步效果。
10.学位论文张汇泉基于MEMS的电子耳蜗电极的设计和研究2005
在全世界，耳聋一直困扰着很大一部分人。耳聋通常分为传导性耳聋和感音性耳聋两类。第一类患者通常使用传统助听器就可以了。第二类患者由于基底膜上的毛细胞发生了病变或减少，传统助听器对其没有帮助，但是这类患者往往还保留着一定数量的听觉神经，若将声波转换为电信号送入耳内直接刺激听觉神经，则可使这类患者恢复部分听觉。电子耳蜗就是这样一种可以使全聋患者恢复听觉的医学装置。但是电子耳蜗的费用昂贵，相对于国内目前的经济发展水平，大部分患者家庭负担不起，因此加快电子耳蜗国产化进程，生产出价格低、质量好的产品，满足国内患者的需要，具有明显的社会效益和经济效益。
电子耳蜗的基本原理是利用声电换能装置代替人耳蜗内丧失功能的感觉细胞，用电信号直接刺激残存的听神经纤维使聋人产生听觉。它通常由以下几部分组成：麦克风，用来获取声音信号；语音处理器，用于将声音信号转换成适当的电信号；传输电路，将电信号从体外传入到体内；植入刺激电路，用于处理体外传入的电信号和产生刺激听觉神经的电脉冲；电极序列，直接刺激听觉神经。
本次课题的重点是在电极序列部分。20多年来，耳蜗电极的设计一直是各国科学家研究的焦点。它的发展可概括为单通道电极和多通道电极两个阶段，刺激模式一般是单极刺激模式和多极刺激模式，本文着重介绍多极刺激模式。在本次电极序列的设计中采用了四个通道，提出可应用于电子耳蜗的电极方案，利用CAD、CoventorWare软件对电极进行前期设计。
本课题的研究将为国内自主研制开发性价比高的电子耳蜗提供一些借鉴，以造福国内耳聋患者。
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