2013-01-23

1

Modelowanie systemu słuchowego

człowieka

Wykład nr 14 z kursu

Biocybernetyki

dla Inżynierii Biomedycznej

prowadzonego przez

Prof. Ryszarda Tadeusiewicza

Modele systemu słuchowego

buduje się ze względu na różne

motywacje.

Na przykład można mówić

o modelach tworzonych dla

potrzeb ochrony słuchu

O ochronę słuchu warto dbać w każdym

wieku i wszelkimi sposobami

Niekiedy dla ochrony słuchu

wystarczy użycie prostych,

tanich i wysoce skutecznych

urządzeń ochrony osobistej.

Jednak

nowoczesne

systemy ochrony

słuchu

są urządzeniami

wysoce

złożonymi

Zresztą nawet pozornie proste

środki ochrony osobistej są dziś

urządzeniami o dużym stopniu

technicznej perfekcji

2013-01-23

2

Przy ich budowie i optymalizacji trzeba uwzględnić

właściwości wszystkich elementów wchodzących

w skład rozważanego problemu:

Źródło hałasu Środki ochrony System słuchowy

Bezpośrednie badanie daje wyłącznie

fragmentaryczny obraz cech i właściwości

systemu słuchowego

Badania audiologiczne też nie

wyjaśniają wszystkich aspektów

procesu słyszenia

Dokładniejszy i pełniejszy obraz daje

modelowanie systemu słuchowego

Zadania poszczególnych elementów systemu

są dobrze znane Po co się buduje takie modele?

2013-01-23

3

Analiza i rozpoznawanie dźwięków nie powinno być

prowadzone w oparciu o ich przebiegi czasowe

Parametrem, który niesie najwięcej

wartościowych informacji o naturze

analizowanego dźwięku (a więc na

przykład o znaczeniu wypowiedzi)

jest widmo dźwięku, a dokładniej

jego czasowa zmienność

Przykładowe

widmo czasowo-

częstotliwościowe

wypowiedzi „serce”

czas

częstotliwość

amplituda

S

E

R C

E Cztery formy przedstawienia sygnału mowy

na przykładzie stanu ustalonego głoski „a”

Przebieg czasowy Widmo uśrednione

2013-01-23

4

Widmo dynamiczne w postaci

2D

Widmo dynamiczne w postaci

3D

Do sprawnego rozpoznawania

wielu dźwięków potrzebne jest

narzędzie, które dokonuje analizy

częstotliwościowej zarówno

szybko, jak i bardzo dokładnie

Typowe analizatory pozwalają albo na szybką

albo na dokładną analizę częstotliwości

Sygnał mowy w postaci czasowej oraz jego krótkookresowe widmo Fouriera

STFT dla okna Hamminga o szerokości

Δt =1.6 ms (w środku) oraz Δt = 32 ms (na dole).

Tymczasem istnieje system, który

pozwala analizować dźwięki (na

przykład mowę) zarówno szybko,

jak i bardzo precyzyjnie

2013-01-23

5

Funkcję mowy posiadały prawdopodobnie

nawet najdawniejsze humanoidy

około 3,5 milina lat temu

Wzajemne położenie (na płaszczyźnie częstotliwość-amplituda)

obszaru najlepszego słyszenia oraz obszaru mowy.

Parametry słyszalnych dźwięków:

Częstotliwość: 20 Hz - 20,000 Hz

Intensywność: 10-12 - 10 wat/m2 (0 -130 dB)

Ciśnienie: 2 x 10-5 - 60 Newton/m2 2 x 10-10 - .0006 atmosfery

Mowa dopasowała się do właściwości słuchu człowieka

Schemat system słuchowego Mechaniczna część systemu słuchowego

człowieka, która jest łatwiejsza do zamodelowania

2013-01-23

6

Małżowina uszna i przewód

słuchowy zewnętrzny Małżowina uszna pełni rolę tuby skupiającej

(a przez to wzmacniającej) dźwięki

O znaczeniu takiej tuby koncentrującej dźwięki można się

przekonać, gdy się dostarczy człowiekowi większe uszy. Przewód słuchowy zewnętrzny wraz z małżowiną

może być modelowany jako prosty rezonator

Wzmocnienie fali akustycznej

w uchu zewnętrznym Rezonator ten zapewnia kierunkowość słuchu i wzmacnia

okolice 3000 Hz

2013-01-23

7

Błona bębenkowa Błonę bębenkową modeluje się metodą

elementów skończonych

Mapy drgań wynikające z modelu Można też modelować ruch bębenka i

kosteczek słuchowych

Napinanie błony bębenkowej jako metoda obrony

przez zbyt głośnym dźwiękiem

Amplituda wibracji kosteczek słuchowych zależy zarówno od ciśnienia

akustycznego, jak i od sztywności (naprężenia) błony

2013-01-23

8

Ucho środkowe - kwintesencja części

mechanicznej systemu słuchowego Ucho środkowe – przestrzenna

rekonstrukcja

Łańcuch kosteczek słuchowych Widok wnętrza jamy bębenkowej

Rola ucha środkowego sprowadza się do

adaptacji impedancji akustycznej Schemat ucha środkowego

Błona bębenkowa - S1 = 0.6 cm2, okienko owalne ślimaka - S2 = 0.03 cm2,

S1/S2=20, d1/d2 ~ 1.3.

Z zasady dźwigni: F1d1=F2d2, i stosunku ciśnień: p2/p1= F2S1/F1S2, dostajmy

wzmocnienie: 20⋅1.3=26 (czyli 20log 26/1 = 28 dB).

2013-01-23

9

Układ ten ma regulowane wzmocnienie

Jeden z modeli

zastępczych

Wzmocnienie ucha środkowego

w zależności od częstotliwości Schemat modelu systemu słuchowego

Analizatorem akustycznym w uchu jest

ślimak

W strukturze ślimaka najważniejsza jest

błona podstawna

2013-01-23

10

Przekrój ślimaka Przestrzenny model przekroju

ślimaka

Percepcja częstościowa na błonie podstawnej.

Detekcja wysokich częstości zachodzi w części

podstawnej ślimaka, a niskich w szczytowej.

Za przebadanie tych zjawisk György Békésy

w 1961 otrzymał nagrodę Nobla w dziedzinie

medycyny

Przekrój podłużny przez ślimak (po „wyprostowaniu”).

Fale ciśnienia powodują oscylacje błony podstawnej.

2013-01-23

11

Symulowany komputerowo przebieg drgań

błony podstawnej Formy drgania błony podstawnej

Opis matematyczny ucha

środkowego i wewnętrznego

Fala biegnąca w błonie podstawnej

ślimaka z zaznaczoną obwiednią

Mechanizm rozdziału częstotliwości na błonie

podstawnej ślimaka ucha wewnętrznego

Złożone formy drgań przy

symulacji złożonego dźwięku

2013-01-23

12

Fala wywołana dźwiękiem jest w różnych punktach błony

różnie wzmacniana, różnie opóźniana i różnie spowalniana Narząd Cortiego

Obszar rejestracji dźwięków

Istota głuchoty ślimakowej Komórki słuchowe

2013-01-23

13

. Komórka rzęskowa wprowadzająca sygnał dźwiękowy do

nerwowej części systemu słuchowego

Charakterystyka receptora słuchowego

Rzęski na powierzchni komórki

2013-01-23

14

Działanie komórki receptorowej

W zakończeniach rzęsek znajdują się kanały

jonowe sterowane falowaniem rzęsek (1, 2).

Przy odchyleniu w stronę najwyższej rzęski (1)

występuje krótkotrwałe otwarcie kanału (2)

i napływ jonów K+ (3) powodujący wzrost

potencjału w receptorze (4), a następnie

pobudzenie komórki nerwowej (5).

Rozkład pobudzeń komórek słuchowych

dla różnych samogłosek

Struktura spektralna głosek jest

podstawą ich rozpoznawania

Profile spektralne

uzyskane dla głoski

„a” wymawianej

głosem o różnej

częstotliwości

podstawowej

Różne głoski przy tej samej

częstotliwości podstawowej

Jest to efekt artykulacji mowy

we wnękach rezonansowych Sygnały z komórek słuchowych są zbierane

przez ganaglion spirale

2013-01-23

15

Uproszczony

schemat

anatomii

nerwowej

części

systemu

słuchowego

Schemat

nerwowej

części

systemu

słuchowego

z większą

liczbą

szczegółów

Schemat drogi

słuchowej

2013-01-23

16

Jądra ślimakowe w moście

Jeden ze schematów nerwowej części systemu słuchowego, który może być

podstawą do jego modelowania

Badania słuchu

2013-01-23

17

Deciphering the Audiogram Horizontal axis: Frequency information (pitch)

Deciphering the Audiogram Vertical axis: Sound energy (loudness)

Audiogram of Familiar Sounds Plotting Results on an Audiogram

White area is inaudible

Tan area is audible

Anatomy of Hearing Loss

Site of

Conductive

Loss

Site of

Sensori-neural

Loss

Audiogram pozwalający ocenić

wartość ubytku słuchu

2013-01-23

18

Schemat badania

tympanometrycznego

Tympanogram

Schemat rejestracji słuchowych

potencjałów wywołanych

. Zapis słuchowych potencjałów wywołanych

pnia mózgu u osoby zdrowej

Ciąg natężeniowy słuchowych potencjałów wywołanych

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

ms

120dB

110dB

III V

Naprawa słuchu

Schemat blokowy aparatu słuchowego

2013-01-23

19

Aparat słuchowy zauszny Aparat słuchowy zminiaturyzowany

Rozwiązanie na miarę XXI wieku:

implant ślimakowy Schemat systemu implantu ślimakowego.

1 – mikrofon, 2- procesor mowy, 3 –transmiter, 4 – kapsuła implantu,

5 – wiązka elektrod w ślimaku, 6 – nerw słuchowy

Zasada działania implantu ślimakowego Przykładowe rozwiązanie techniczne

implantu ślimakowego

2013-01-23

20

Inne przykładowe rozwiązanie

techniczne implantu ślimakowego

Kodowanie sygnału metodą CIS

Sygnał stymulujący 4 elektrody

– wyjścia z filtrów pasmowych Wiązka elektrod implantu

Schemat blokowy procesora mowy

oraz implantu ślimakowego Bank filtrów systemu Cochlear Nucleus 24

2013-01-23

21

Sygnał emisji otoakustycznej Zmienność widma sygnału emisji

otoakustycznej

Czasowo-częstościowe rozkłady gęstości

energii dla symulowanego sygnału

aproksymowane za pomocą różnych metod.

A. Dopasowanie

Kroczące (MP),

B. okienkowana

transformata Fouriera

(STFT),

C. transformata

Wignera-Villa (WVD),

D. ciągła transformata

falkowa (WT).

Dziękuję za uwagę