Этот пример показывает, как смоделировать конструкцию кохлеарного имплантата, который может быть помещен во внутреннее ухо глубоко глухого человека для восстановления частичного слуха. Обработка сигналов используется при разработке кохлеарного имплантата для преобразования звука в электрические импульсы. Импульсы могут обходить поврежденные части уха глухого человека и передаваться в мозг для обеспечения частичного слуха.
В этом примере показаны некоторые варианты, сделанные при разработке речевых процессоров кохлеарного имплантата, которые можно смоделировать с помощью системного Toolbox™ DSP. В частности, показаны преимущества использования каскадного многоскоростного многоступенчатого набора фильтров FIR вместо параллельного односкоростного набора фильтров IIR второго порядка.
Преобразование звука в то, что может понять человеческий мозг, включает внутреннее, среднее и внешнее ухо, волосковые клетки, нейроны и центральную нервную систему. Когда звучит звук, внешнее ухо захватывает акустические волны, которые преобразуются в механические колебания крошечными костями в среднем ухе. Вибрации движутся к внутреннему уху, где проходят через жидкость в улиткообразной структуре, называемой улиткой. Жидкость смещает различные точки вдоль базилярной мембраны улитки. Смещения вдоль базилярной мембраны содержат частотную информацию акустического сигнала. Здесь показана схема мембраны (не в масштабе).
Чувствительность к частоте в Кохлеа
Различные частоты приводят к максимальному смещению мембраны в различных положениях. Низкие частоты вызывают смещение мембраны вблизи ее вершины, в то время как высокие частоты стимулируют мембрану в ее основании. Амплитуда смещения мембраны в конкретной точке пропорциональна амплитуде возбуждавшей ее частоты. Когда звук состоит из множества частот, базилярная мембрана смещается в нескольких точках. Таким образом, улитка разделяет сложные звуки на частотные компоненты.
Каждая область базилярной мембраны прикреплена к волосяным клеткам, которые сгибаются пропорционально смещению мембраны. Изгиб вызывает электрохимическую реакцию, которая стимулирует нейроны передавать звуковую информацию в мозг через центральную нервную систему.
Глухота чаще всего вызвана дегенерацией или потерей волосковых клеток во внутреннем ухе, а не проблемой с ассоциированными нейронами. Это означает, что если нейроны могут быть стимулированы средствами, отличными от волосковых клеток, некоторый слух может быть восстановлен. Кохлеарный имплантат делает именно это. Имплантат электрически стимулирует нейроны непосредственно для предоставления информации о звуке в мозг.
Проблема преобразования акустических волн в электрические импульсы - та, которую помогает решить обработка сигналов. Многоканальные кохлеарные имплантаты имеют общие компоненты:
Микрофон для приема звука
Сигнальный процессор для преобразования акустических волн в электрические сигналы
Передатчик
Банк электродов, которые принимают электрические сигналы от передатчика, а затем стимулируют слуховые нервы.
Подобно тому, как базилярная мембрана улитки разрешает волну на ее составляющие частоты, процессор сигналов в кохлеарном имплантате разделяет акустический сигнал на составляющие частоты, которые затем передаются на электрод. Электроды хирургически имплантируют в улитку глухого человека таким образом, чтобы каждый из них стимулировал соответствующие области улитки на частоту, которую они передают. Электроды, передающие высокочастотные (высокочастотные) сигналы, размещают вблизи основания, а электроды, передающие низкочастотные (низкочастотные) сигналы, размещают вблизи вершины. Нервные волокна вблизи электродов стимулируются и передают информацию в мозг. Громкие звуки производят электрические импульсы с высокой амплитудой, которые возбуждают большее количество нервных волокон, в то время как тихие возбуждают меньше. Таким образом, информация как о частотах, так и амплитудах составляющих звук компонентов может передаваться в мозг глухого человека кохлеарным имплантатом.
Блок-схема в верхней части модели представляет речевой процессор кохлеарного имплантата, от микрофона, который воспринимает звук (блок входного источника), до генерируемых электрических импульсов. Частоты увеличиваются в основном тоне от канала 0, который передает самую низкую частоту, к каналу 7, который передает самую высокую.
Чтобы услышать исходный входной сигнал, дважды щелкните блок Исходный сигнал (Original Signal) в нижней части модели. Чтобы услышать выходной сигнал смоделированного кохлеарного имплантата, дважды щелкните блок Реконструированный сигнал.
В модель можно внести ряд изменений, чтобы увидеть, как различные переменные влияют на выходные данные речевого процессора кохлеарного имплантата. Помните, что после внесения изменений необходимо повторно запустить модель для реализации изменений перед повторным прослушиванием восстановленного сигнала.
Одновременное и чередующееся воспроизведение
Исследования показали, что около восьми частотных каналов необходимы для имплантата, чтобы обеспечить хорошее слуховое понимание для пользователя кохлеарного имплантата. Выше восьми каналов восстановленный сигнал обычно не улучшается в достаточной степени, чтобы оправдать возрастающую сложность. Поэтому в этом примере входной сигнал преобразуется в восемь составляющих частот или электрических импульсов.
Блок «Синтезированная из сгенерированных импульсов» в левом нижнем углу модели позволяет одновременно или последовательно воспроизводить каждый электрический канал. Часто пользователи кохлеарных имплантатов испытывают худшие результаты с одновременными частотами, поскольку электрические импульсы взаимодействуют друг с другом и вызывают помехи. Испускание импульсов перемежающимся образом уменьшает эту проблему для многих людей. Чтобы узнать разницу между этими двумя режимами, можно переключить режим синтеза блока «Синтезированные из сгенерированных импульсов речи». Увеличьте масштаб блока временной области, чтобы убедиться в перемежении импульсов.
Адаптация к шумным средам
Шум представляет значительную проблему для пользователей кохлеарных имплантатов. Выберите параметр Add noise в блоке Input Source, чтобы смоделировать влияние шумовой среды на восстановленный сигнал. Обратите внимание, что сигнал становится трудно слышен. Блок Denoise в модели использует блок Soft Threshold для попытки удаления шума из сигнала. При выборе параметра Denoise в блоке Denoise можно прослушать восстановленный сигнал и убедиться, что не весь шум удален. Нет идеального решения проблемы шума, и результаты, полученные с помощью любой денойзирующей технологии, должны быть сопоставлены с ее стоимостью.
Стратегия обработки сигналов
Целью блока обработки сигнала банка фильтров является разложение входного речевого сигнала на восемь перекрывающихся поддиапазонов. Больше информации содержится на более низких частотах речевых сигналов, чем на более высоких частотах. Чтобы получить максимально возможное разрешение там, где содержится больше всего информации, поддиапазоны разнесены так, что полосы нижних частот более узкие, чем полосы верхних частот. В этом примере четыре низкочастотных диапазона расположены на одинаковом расстоянии, в то время как каждый из четырех оставшихся высокочастотных диапазонов в два раза превышает полосу пропускания его соседнего низкочастотного диапазона. Чтобы проверить содержимое частоты восьми банков фильтров, запустите модель с помощью Chirp Тип источника в блоке «Источник ввода».
В этом примере проиллюстрированы две реализации банка фильтров: параллельный, односкоростной, БИХ-фильтр второго порядка и каскадный, многоскоростной, многоступенчатый БИХ-фильтр. Дважды нажмите кнопку Design Filter Banks (Банки фильтров проектирования), чтобы проверить их конструкцию и частотные характеристики.
Параллельный односкоростной банк фильтров SOS IIR: В этом банке фильтры IIR шестого порядка реализованы в виде секций второго порядка (SOS). Обратите внимание, что функция масштабирования DSP System Toolbox™ используется для получения оптимальных коэффициентов усиления масштабирования, что особенно важно для версии этого примера с фиксированной точкой. Восемь фильтров работают параллельно со скоростью входного сигнала. Вы можете просмотреть их частотные характеристики, дважды нажав кнопку Plot IIR Filter Bank Response.
Cascaded Multiprate Multiscage FIR Filter Bank: Конструкция этого банка фильтров основана на принципах подхода, который сочетает понижающую выборку и фильтрацию на каждой стадии фильтра. Общий отклик фильтра для каждого поддиапазона получают каскадированием его компонентов. Дважды нажмите кнопку Design Filter Banks, чтобы проверить, как функции проектирования из панели инструментов DSP System Toolbox используются при построении этих банков фильтров.
Поскольку понижающая дискретизация применяется на каждой ступени фильтра, более поздние ступени работают с долей скорости входного сигнала. Например, последние каскады фильтра выполняют одну восьмую скорости входного сигнала. Следовательно, эта конструкция очень подходит для реализаций на DSP с низким энергопотреблением с ограниченными циклами обработки, которые используются в кохлеарных процессорах речи имплантатов. Для просмотра частотных ответов для этого банка фильтров дважды щелкните по кнопке Plot FIR Filter Bank Response. Обратите внимание, что эта конструкция дает более четкое и плоское определение поддиапазона по сравнению с параллельным односкоростным набором фильтров SOS IIR. Это еще одно преимущество многоступенчатого подхода к проектированию фильтров. Соответствующий пример см. в разделе «Многоступенчатое проектирование дециматоров/интерполяторов» в примерах проектирования фильтров FIR панели инструментов DSP.
Спасибо профессору Филиппу Лойзу за помощь в создании этого примера.
Более подробная информация об исследованиях кохлеарных имплантатов профессора Лойдзу доступна по адресу:
Loizou, Philip C., «Имитация человеческого уха», IEEE ® Signal Processing Magazine, том 15, № 5, стр. 101-130, 1998.
Версия с плавающей запятой: dspcochlear
Версия с фиксированной точкой: dspcochlear_fixpt