CN101991475B - 气压式基频调节电子人工喉 - Google Patents

Abstract

气压式基频调节电子人工喉，其特征在于在喉咽瘘口外加上气罩并检测气罩内气压，根据气压信号控制声门波的基频，使语音声调产生变化，包括：气压感应部分(101)，用于检测患者喉咽部的一个瘘口外的气压，产生气压检测信号；波形产生与处理部分(102)，用于产生声门波信号，其基频根据气压检测信号而变化；功放电路(103)，对声门波信号进行放大；微型电-力转换部分(104)，在声门波信号的驱动下产生振动。该振动加于患者颈部，产生声门波，经过患者舌、鼻腔、口腔、唇等器官的调制，在唇外形成语音。

Description

气压式基频调节电子人工喉

技术领域

本发明属于语音缺失患者的语音康复领域，并涉及一种气压式基频调节的电子人工喉。

背景技术

人类用于交流的各种手段中，语音是最基本、最有效和最重要的一种。目前世界上有数十万计的喉癌和其他严重的喉病患者，为了治疗喉部疾病而不得不进行喉头切除手术，对于某些严重喉疾患者，必须进行全喉切除术，全喉切除术后，患者完全丧失了发声能力，从而也就失去了运用语音进行语言交流的能力，全喉切除术中通常会在气管造瘘口用于患者术后呼吸。全喉切除术后患者多依靠电子人工喉发声。电子人工喉作为一种语音缺失患者使用的外部语音康复方法已经有约40年历史，目前存在的电子人工喉工作原理简单。患者把设备顶在喉部，控制开关所产生的脉冲通过振动施加到患者颈部，经组织传到声道，经调制后产生语音。目前的电子人工喉存在语音缺乏变化，尤其是缺乏声调变化，带有明显机器味道，背景噪声大等诸多缺点。

为改进发音效果，目前的研究者把主要精力放在电子人工喉背景噪声的去除上，以及通过肌电等信号进行电子人工喉脉冲产生的控制上，由于肌电信号产生与分析的复杂性，效果并不理想。一些研究者运用语音信号、图像信号和噪声信号的采集、分析来调控电子人工喉语音，机构复杂，成本增加、且可靠性低。基于目前存在的电子喉技术的局限性，电子人工喉产生的声音的声调在整个说话过程中没有变化，这是造成电子人工喉语音和正常语音质量不同的主要原因。

发明内容

本发明人认识到，在患者说话过程中实时调节声门波基频，改变说话声调，才可以提高语音的可懂度。按照这个思路，本发明人设计了气压式基频调节电子人工喉设备。

本发明的主要目的在于，提供一种气压控制声门波基频的电子人工喉，其提高了语音缺失患者的语音可懂度。

借助本发明的方案，使用电子人工喉的患者可以借助其说话动作本身，来对其所发出的声门波的基频进行调制，从而可以形成有机的人-机互动，使患者所发出的声音不仅富于变化，而且这种变化可以由患者进行自主操控，更接近正常人的发声效果。

本发明的主要工作原理基于：

波形产生与处理系统中可以存储具有个人发声特征的声门波形(个人发声特征可以是先前录制、处理的)，在声门波信号产生的过程中可以加入幅度扰动和频率扰动；气压感应部分用于在声门波信号产生过程中实时调节声门波信号基频；波形产生与处理系统所产生的波形通过系统中的数模转换模块转换为模拟信号；通过模数转换器输出的信号波形与功率放大电路连接，经过功率放大后施加于电-力能量转换器。放大后的信号通过高磁场的电-力能量转换器转换为机械振动，该振动通过振动膜施加于患者颈部，产生声门波，该波形经过患者舌、鼻腔、口腔、唇等器官的调制，在唇外形成语音，声门波基频的改变可产生不同的声调，增加语言可懂度。

本发明采用了如下的技术设计方案：

本发明的一个特征是提供气压调频的电子人工喉，该设备主要由气压感应部分、波形产生与处理系统、功率放大电路、可调控的微型电-力转换器组成。本发明的另一个特征是利用气压信息，实时改变声门波频率。

本发明的特征包括：

-在波形产生与处理系统中预先存储具有个人语音特征的声门波形，波形产生与处理系统按照该波形产生连续的声门波信号，该信号按照算法加入幅度波动和频率扰动；

-气压感应部分将瘘口处气罩内的气压信号转化为电信号，气压大小决定电信号的幅度，此电信号需经过AD转换后传输给波形产生与处理系统用于调节所产生的声门波信号的基频。

-波形产生与处理系统所产生的数字信号通过系统中的DA数模转换电路转换为模拟信号，模数转换电路由专用的DA芯片实现；

-通过模数转换器输出的信号波形与功率放大电路连接，经过功率放大到可以驱动电-力转换系统工作。

经过放大的信号，经过高磁场的电-力能量转换器转换为机械振动，该转换器经过特殊设计，可以最小失真的实现电压波形到机械振动的转换。

由电-力转换器所产生的振动通过振动膜施加于患者颈部，产生声门波。该声门波经过患者舌、鼻腔、口腔、唇等器官的调制，在唇外形成语音。

系统由可充电锂电池供电。

根据本发明的一个方面，提供了一种气压式基频调节电子人工喉，其特征在于包括：

气压感应部分，用于检测患者喉咽部的一个瘘口外的气压，并产生与该气压对应的气压检测信号，

波形产生与处理部分，用于产生声门波信号，其中所述声门波信号的基频根据所述气压检测信号而变化，

功率放大电路，用于对所述声门波信号进行功率放大，

微型电-力转换部分，用于在所述功率放大电路输出的声门波信号的驱动下产生振动。

根据本发明的另一个方面，提供了一种产生具有气压控制声门波基频的方法，其特征在于包括：

把具有个人发声特征的声门波形存储在一个存储器中，

根据预先存储的所述声门波形产生声门波信号，

检测设置在患者喉咽部的一个瘘口外的一个瘘口外气罩内的气压，

根据所述气压的检测值，实时调节所述声门波信号的基频，

对所述声门波信号进行功率放大，

用功率放大后的所述声门波信号驱动一个微型电-力转换系统的一个振动膜片进行机械振动。

附图说明

为便于理解本发明的原理及其实际运作过程与状况，结合一个实施例及附图对本发明作进一步描述。其中：

图1为本发明的构成原理图；

图2为波形产生与处理系统构成原理图；

图3为本发明的外观示意图；

图4为本发明的内部结构示意图；

图5气压感应部分结构示意图；

图6是本发明的系统工作原理图；

图7是本发明电-力转换部分结构示意图；

图8为本发明的工作流程图；

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的实施例。

图1为根据本发明的一个实施例的具有个人特征的声门波模拟式电子人工喉的构成图，该电子人工喉包括气压感应部分101、波形产生与处理系统102、功率放大电路103、微型电-力转换系统104。

根据一个具体实施例，气压感应部分101包括一个压力传感器11，如图5所示，该传感器11可将使用者咽喉部一个瘘口13处的一个气罩12内的气压信号转化为电信号，气压的大小将决定该电信号幅值的大小。该电信号需经过A/D转换后输入波形产生与处理系统102的气压信号接收模块14(图6)；气压信号接收模块14的输出被加到波形频率调节模块18，以调节波形产生与处理系统102产生的声门波信号的基频。根据一个具体实施例，可借助外接的A/D芯片实现信号的模/数转换。

根据一个具体实施例，波形产生与处理系统102可以基于单片机开发，利用单片机自带存储器存储具有个人特征的声门波；通过在单片机中写入相应的程序，实现波形产生与处理系统102的功能，包括声门波信号的波形生成、频率/幅度扰动的加入、频率调节和/或幅度调节。输出的声门波信号经过D/A转换后传输给功率放大器。气压感应部分101输出的气压电信号经过A/D转换后作用于频率调节模块18，用于调节声门波基频。

功率放大电路103用于将D/A芯片输出的模拟声门波信号进行放大并传输至微型电-力转换系统104，微型电-力转换系统104在放大后的声门波信号驱使下由振动膜片1产生机械振动，实现电信号至机械振动的转换。

图2所示为波形产生与处理系统102的一个实施例的构成示意图，其中波形产生与处理系统102包括能够存储具有个人特征的声门波的存储器201、计算与波形控制部分202、和D/A数模转化部分203。

根据本发明的一个具体实施方式，波形产生与处理系统102可以基于单片机开发，利用单片机自带存储器作为上述存储具有个人特征的声门波的存储器201，存储具有个人特征的声门波；通过在单片机中写入相应的程序，而实现如图6所示的波形产生与处理系统102的实施例中的各个模块，包括最初波形生成模块15、频率扰动生成模块16、幅度扰动生成模块17、波形频率调节模块18、波形幅度调节模块19。其中添加有频率扰动和幅度扰动的数字波形信号被D/A转化模块20转化为模拟信号(可用专用D/A芯片实现D/A转化模块20)，再输出至功率放大电路103。

(本申请人2009年7月27日提交的发明名称为“具有个人特征的声门波模拟式电子人工喉”中国专利申请第200910089700.1号中，具体描述了波形频率扰动生成模块和波形幅度扰动生成模块。该申请在此被全文引用。)

图3是根据本发明的一个实施例的电子喉的结构示意图，该设备包括：一个振动膜片1；一个塑料上端外壳2；开关按钮3；幅度调节旋钮4；塑料下端外壳5。

开关按钮3按下则电子喉开始工作，振动膜片1产生振动；利用幅度调节旋钮4作用于波形幅度调节模块19，调节所产生的振动的幅度。

开关按钮3被按下后，波形产生与处理系统102开始工作，同时气压感应部分101所包括的一个压力传感器11感应气罩12内的气压并将感受到的气压转化为电信号；该电信号通过模数转换后被输入到波形产生与处理系统102的气压信号接收模块14并被加到波形频率调节模块18，以调节声门波信号的基频。这样，使用者在波形产生过程中可通过改变瘘口气流，来调节声门波信号的基频，从而使借助电子喉所发出的声调发声变化。

图4是根据本发明的一个实施例的电子喉的内部结构示意图，其中包括：振动膜片1；振动头线圈架7；高强度磁芯8；功率放大模块9；基于单片机的波形产生部分10；可充电电池6。

图5是根据本发明的一个实施例的气压感应部分的原理图，其包括：

-设置在咽喉部的一个瘘口13附近的一个气罩12，用于汇聚瘘口13处的气流，根据一个具体实施例，可采用类似呼吸机气罩的装置作为瘘口外气罩，并通过诸如皮筋固定在使用者颈部。

-设置在诸如气罩12的内壁上的一个压力传感器11，用于感应气罩内气压，并将感受到的气压转化为电信号，此电信号经过A/D转换后被传输至波形产生与处理系统102的气压信号接收模块14并进一步被加到波形频率调节模块18，从而调节声门波基本频率。

图6为根据本发明的一个实施例的电子喉的系统工作原理图，该电子喉包括：气压信号接收模块14；波形产生模块15；波形频率扰动生成模块16；波形幅度扰动生成模块17；频率调节模块18；幅度调节模块19；D/A转换模块20；功率放大模块103；电子人工喉电-力转换模块104；电源21。

波形产生模块15用于根据预先存储在例如上述存储器里的单个声门波形产生连续声门波信号；波形频率扰动生成模块16和波形幅度扰动生成模块17分别用于在所述声门波信号中加入频率扰动和幅度扰动；所产生的最终波形通过DA数模转换电路20转换为模拟信号，该模拟信号经过功率放大模块103放大后，驱动电-力转换模块104工作，产生振动。根据本发明的一个实施例的电子喉包括一个低功耗部分(上部虚框)和一个高功耗部分(下部虚框)，它们都由一个可充电的锂电池电源21供电。调节旋钮4作用于波形幅度调节模块19，用于调节声门波幅度。

图7是根据本发明的一个实施例的电-力转换模块104的结构示意图，其包括：振动膜片1；高场强磁铁8；绕组支架7；外磁轭22；塑料外壳23；线圈绕组24。该电-力转换模块是基于安培力原理制造的一种结构简单、无方向转换的电磁装置，响应快速、平滑、无嵌齿、无滞后，产生高速、高加速度、直线往复运动。

图8为根据本发明的的一个实施例的操作过程的工作流程图。

如图8所示，具有个人语音特征的声门波形被预先存储在单片机的存储器中。使用者需要使用时，在振动膜顶在喉部的情况下，按下开始按钮3(步骤S801)。可通过按钮4调节波形幅度(步骤S802)；借助气压感应部分101检测气压，根据气压大小调节波形基频(步骤S803)；由单片机产生最终波形并输出(步骤S804)；最终波形通过DA数模转换电路20转换为模拟信号(步骤S805)；该模拟信号经过功率放大模块103放大(步骤S806)后，驱动电-力转换模块104工作，将电能转化为机械能，产生振动(步骤S807)，振动被施加于患者颈部，产生声门波(步骤S808)，该波形经过患者舌、鼻腔、口腔、唇等器官的调制，在唇外形成语音。由于患者的说话动作会造成瘘口处气压的改变，压力传感器检测到气压变化后，则单片机内部通过诸如产生中断信号并将该中断信号传递给波形频率调节模块18，从而实现波形基频的调节(步骤S809)。如此，患者即可通过说话动作本身来实现对声门波基频的调节，可以形成人-机(电子喉)的有机互动，这不仅使患者所发出的声音富于变化，而且使得患者可以自主操控这种变化，从而实现更接近正常人的发声效果。

应当理解的是，以上结合附图和实施例对本发明所进行的描述只是说明而非限定性的，且在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的前提下，可以对上述实施例进行各种改变、变形、和/或修正。

Claims (9)

1.一种气压式基频调节电子人工喉，其特征在于包括：

气压感应部分（101），用于检测患者喉咽部的一个瘘口外的气压，并产生与该气压对应的气压检测信号，

波形产生与处理部分（102，10），用于产生声门波信号，其中所述声门波信号的基频根据所述气压检测信号而变化，

功率放大电路（103），用于对所述声门波信号进行功率放大，

微型电-力转换部分（104），用于在所述功率放大电路（103）输出的声门波信号的驱动下产生振动。

2.如权利要求1所述的气压式基频调节电子人工喉，其特征在于所述气压感应部分（101）进一步包括：

用于设置在患者喉咽部的所述瘘口外的一个瘘口外气罩（12），用于汇聚所述瘘口处的气流；

一个压力传感器（11），用于检测气罩内的气压，并把检测到的气压转化为电信号。

3.如权利要求1所述的气压式基频调节电子人工喉，其特征在于所述波形产生与处理部分（102，10）进一步包括：

用于存储具有个人发声特征的声门波形的存储器，

波形产生模块（15），用于根据预先存储的单个声门波形产生所述声门波信号，

波形频率扰动生成模块（16），用于在所述波形产生模块（15）产生的声门波信号中加入频率扰动,

波形幅度扰动生成模块(17)，用于在所述波形产生模块（15）产生的声门波信号中加入幅度扰动，

波形频率调节模块（18），用于根据所述气压检测信号调节所述声门波信号的频率,

波形幅度调节模块（19），在幅度调节旋钮（4）控制下调节声门波信号的幅度,

D/A转换模块（20），用于把所述波形产生模块（15）所产生的声门波信号转化为模拟信号。

4.如权利要求3所述的气压式基频调节电子人工喉，其特征在于：

所述功率放大电路（103）用于对所述D/A转换模块（20）输出的信号波形进行功率放大。

5.如权利要求4所述的气压式基频调节电子人工喉，其特征在于所述微型电-力转换部分（104）进一步包括：

一个高场强磁铁（8）；

被设置在所述高场强磁铁（8）周围的外磁轭（22）;

被设置在所述高场强磁铁（8）和所述外磁轭（22）之间的线圈绕组（24）；

与所述线圈绕组（24）机械耦合的一个振动膜片（1）；

其中功率放大电路（103）输出的信号被加到所述线圈绕组（24）上，从而用于把所述功率放大电路（103）放大后的波形转换为所述振动膜片（1）的机械振动。

6.如权利要求5所述的气压式基频调节电子人工喉，其特征在于所述线圈绕组（24）与所述振动膜片（1）之间的机械耦合是借助一个绕组支架（7）实现的。

7.如权利要求6所述的气压式基频调节电子人工喉，其特征在于：

所述振动膜片（1）的机械振动用于被施加于使用者颈部以产生声门波，从而使声门波经过使用者舌、鼻腔、口腔、唇器官的调制在唇外形成语音，且所述微型电-力转换部分（104）是基于安培力原理制作的一种简单、无方向转换的电磁装置，其响应快速、平滑、无嵌齿、无滞后响应，并适合于产生高速、高加速度的直线往复运动。

8.产生具有气压控制声门波频率的方法，其特征在于包括：

把具有个人发声特征的声门波形存储在一个存储器中，

根据预先存储的所述声门波波形产生声门波信号，

检测设置在患者喉咽部的一个瘘口外的一个瘘口外气罩（12）内的气压，

根据所述气压的检测值，实时调节所述声门波信号的基频，

对所述声门波信号进行功率放大，

用功率放大后的所述声门波信号驱动一个微型电-力转换部分（104）的一个振动膜片（1）的机械振动。

9.如权利要求8所述的产生具有气压控制声门波频率的方法，其特征在于进一步包括：

把所述振动膜片（1）的机械振动施加于使用者颈部以产生声门波，从而使声门波经过使用者舌、鼻腔、口腔、唇器官的调制在唇外形成语音。

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