CN105326580B - 口内微音器型电子人工喉 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种口内微音器型电子人工喉，该电子人工喉包括口内声音产生系统，语音采集系统，波形产生系统，语音处理与放大系统四个主要部分。口内声音产生系统包括牙套和口内微音器；语音采集系统可由麦克风实现；波形产生系统由单片机实现，产生的声门波通过系统中的数模转换模块转换为模拟信号；施加于口内语音产生系统的口内微音器产生基音；语音处理与放大系统由单片机、放大器、喇叭组成。该电子人工喉可以降低辐射噪声，提高语音缺失患者的语音可懂度，解放患者双手。
Description
技术领域
本发明属于语音缺失患者的语音康复领域，并涉及一种口内微音器型电子人工喉。
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，这种方法在治疗的同时，也使患者丧失了发声能力，从而也就失去了运用语音进行语言交流的能力。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。这样产生的电子人工喉语音声调单一，辐射噪声大，可懂度低。
为了改进发音效果，目前的研究者主要把精力放在电子人工喉辐射噪声的去除上，以及通过其他生理信号进行电子人工喉脉冲产生的控制上。在辐射噪声的去除方面，常用的做法是使用导音管将电子人工喉产生的声音导入口中以降低噪声，但效果并不理想，并且会引起患者的不适。使用其他生理信号对语音进行调制，机构复杂，成本增加，且可靠性降低。而且使用时需要患者一只手把持电子人工喉，造成很多不便，把持不紧也容易引起声音断续的问题。
发明内容
本发明人认识到，为了克服现有电子人工喉的不足，将电子人工喉的外置发声源改为口内微音器发声，既可以显著降低辐射噪声，也降低了功耗。同时使用拾音器收集产生的微弱语音，使用语音转换、语音放大等手段，可产生清晰、易懂的语音；按此，本发明人提出了本发明的口内微音器型电子人工喉设备。
本发明的一个目的，是提供一种使用口内微音器的电子人工喉，其降低了传统人工喉的辐射噪声，提高了语音缺失患者的语音可懂度，解放了患者双手。
根据本发明的一个方面，提供了一种口内微音器型电子人工喉，其特征在于包括：
口内声音产生系统，用于在使用者口内产生微弱的声音；
波形产生系统，用于存储具有个人特征的声门波、产生声门波形和在声门波形中添加频率/幅度扰动；
语音采集系统，用于采集使用者口内产生的微弱语音；
语音处理与放大系统，将语音采集系统采集的微弱语音的模拟信号转化为数字信号。
根据本发明的一个实施例的电子人工喉电子人工喉包括：口内声音产生系统，语音采集系统，波形产生系统，语音处理与放大系统。该电子人工喉可以降低辐射噪声，提高语音缺失患者的语音可懂度，解放患者双手。其中口内声音产生系统包括牙套和口内微音器，由微音器产生的微弱基音由口腔调制后可由语音采集系统采集。
波形产生系统产生驱动微音器发声的波形。语音处理与放大系统采集口内拾音器获取的语音信号，通过信号调制与放大后转化为清晰可懂的语音。
波形产生系统用于存储事先录制的、具有个人发声特征的声门波形，在声门波产生的过程中加入幅度扰动和频率扰动；波形产生系统产生的声门波数字信号通过系统中的D/A转换模块转换为模拟信号；施加于口内声音产生系统的口内微音器产生基音，该基音施加于患者口内，产生声门波，该波形通过患者舌、鼻腔、口腔等器官的调制，在口内形成微弱的语音。
口内声音产生系统包括牙套和口内微音器，口内微音器由波形产生系统驱动，用于在口内产生微弱的声音，该声音由语音采集系统采集，转化为模拟信号提供给语音处理与放大系统。
语音处理与放大系统中的采集模块将语音采集系统采集的微弱语音的模拟信号转化为数字信号，并通过语音转换模块对语音进行转换，去除噪声，增加可懂度。放大模块将处理后的语音信号进行放大，并输出形成最终清晰的语音。
本发明的特点/有益效果如下：
(1)波形产生系统中可以存储具有个人发声特征的声门波形，波形产生系统按照该波形产生连续的声门波，该波形按照算法加入幅度波动和频率扰动。
(2)波形产生系统产生的波形通过系统中的数模转换模块转换为模拟信号；
(3)通过数模转换输出的信号驱动口内声音产生系统的口内微音器产生基音，该微音器经过特殊设计，可由极小的信号驱动，产生微弱的声音；
(4)由(3)产生的基音施加于患者口内，产生声门波，该波形通过患者舌、鼻腔、口腔等器官的调制，在口内形成微弱的声音；
(5)由(4)产生的微弱的声音由语音采集系统采集，转化为模拟信号提供给语音处理与放大系统，由系统中的采集模块将模拟信号转化为数字信号，并通过语音转换模块对语音进行转换，去除噪声，增加可懂度。
(6)由(5)转换后的语音信号通过语音处理与放大系统中的放大模块进行放大，并输出形成最终清晰的语音。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例的口内微音器型电子人工喉的构成示意图；
图2为根据本发明的波形产生系统的构成示意图；
图3为根据本发明的语音处理与放大系统的构成示意图；
图4为根据本发明的一个实施例的口内微音器型电子人工喉口内部分示意图；
图5为根据本发明的一个实施例的口内微音器型电子人工喉口内部分示意图二；
图6为根据本发明的一个实施例的口内微音器型电子人工喉佩戴部分示意图；
图7为根据本发明的一个实施例的口内微音器型电子人工喉整体佩戴效果示意图。
图8为根据本发明的一个实施例的口内微音器型电子人工喉整体佩戴效果示意图二。
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口内微音器型电子人工喉的构成示意图，该电子人工喉包括口内声音产生系统101、波形产生系统102、语音采集系统103、语音处理与放大系统104。
根据本发明的一个具体实施例，口内声音产生系统101包括一个将微音器固定在口内的牙套1和一个产生微弱基音的口内微音器2，如图4和5所示。
根据本发明的一个具体实施例，语音采集系统103包括佩戴式话筒10(图7)。
微弱基音是由微音器振动产生的，相当于声音的“声源”，微弱语音是声源产生的基音经过口腔调制后发出的语音。如同人在说话时声带的振动产生基音，而这个基音通过喉、口腔、鼻腔等调制后说出的话，就是语音。
根据本发明的一个具体实施方式，波形产生系统102基于单片机开发，利用单片机自带存储器作为存储具有个人特征的声门波的存储器，用于存储事先录制的、具有个人特征的声门波；根据本发明的一个实施例，波形产生系统102由写入有相应功能程序的单片机实现，该波形产生系统102产生声门波并在声门波形中添加频率/幅度扰动。该单片机输出的波形经过数模转换后传输给口内微音器2，激励产生微弱基音。
图2所示为根据本发明的一个实施例的波形产生系统102的配置示意图，其中，波形产生系统102包括用于存储具有个人特征的声门波的存储器201、计算与控制系统202、D/A转换模块203。根据本发明的一种具体实施方式，波形产生系统102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，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，控制口内微音器2的振动。计算与控制系统202可以读取存储器201中存储的具有个人特征的声门波形，添加频率扰动和幅度扰动，并以数字信号的形式输出，传输给D/A转换模块203；D/A转换模块203可以将计算与控制系统传送的声门波的数字信号转换为模拟信号传输给口内微音器2。
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，该模块可作为本发明中波形产生系统102的一部分。该申请在此被全文引用。
图3所示为根据本发明的一个实施例的语音处理与放大系统104的配置示意图，其中，语音处理与放大系统104包括用于通过话筒10采集微弱语音模拟信号的采集模块301、语音转换模块302、放大模块303。
根据本发明的一种具体实施方式，语音处理与放大系统104可与波形产生系统102集成在同一单片机中，采集模块301利用单片机的模数采集功能实现，将话筒10采集的微弱语音模拟信号转化为数字信号做后续处理。语音转换模块302根据语音转换方法对采集的微弱语音信号进行语音转换，去除噪声，调整基频，增加可懂度，并将转换后的语音以模拟信号方式提供给放大模块303。放大模块303将该模拟信号进行放大后通过喇叭9播出，形成最终清晰的语音。
根据本发明的一个实施例，上述语音转换为：先提取微弱语音信号中的基频与发声声道参数，利用训练得到的声道谱和基频转换函数对基频和声道参数进行转换；然后通过STRAIGHT合成模型合成转换后的频谱参数和基频，即可获得最终的转换语音。其中，上述微弱语音信号由话筒10从使用者发出的语音采集，以模拟信号的方式传输给采集模块301，转化为数字信号后，进行基频与声道参数提取。
根据本发明的一个实施例，在所述训练中，先基于STRAIGHT分析模型分别提取源和目标语音发声声道参数，包括谱参数(0到24阶梅尔倒谱系数)和基频轨迹；其次通过动态时间对齐(Dynamic Time Warping，DTW)技术对特征参数序列进行时间对齐，求出联合特征矢量；最后基于混合高斯模型(Gaussian Mixed Model，GMM)对联合特征矢量进行建模，得到相应的声道谱和基频转换函数。训练在装载了相应应用的计算机上进行。训练阶段在计算机上完成，本发明的电子人工喉中仅存储转换函数。
根据本发明的电子人工喉的使用/操作流程是：使用者发出的语音叫源语音，转换后希望得到的清晰易懂的语音是目标语音，为了实现语音转换的功能，需要用转换函数对源语音向目标语音进行转换；而转换函数的获得需要在计算机上进行训练，即采集相同语句的源语音和目标语音，然后利用GMM方法建模，进行大量的训练，最后就可以得到相应的转换函数，而这一训练过程是在计算机上完成的，需要大量的计算和时间。最后我们只需要将得到的转换函数存储在根据本发明的电子喉的程序中，就可以在发声的时候实现语音转换功能。
图4和图5所示为根据本发明的一个实施例的口内微音器型电子人工喉口内部分示意图，包括定制牙套1；位于牙套内的口内微音器2；以及，多芯导线3。
根据本发明的一种具体实施方式，如图7和8所示，佩戴者将定制牙套1佩戴固定在选定牙齿上，由多芯导线3传输的驱动信号使口内微音器2(图5)发声产生声门波，声门波在经过舌、鼻腔、口腔等器官的调制后，由话筒10采集，经多芯导线3传输回单片机模块6进行语音转换。
图6所示为根据本发明的一个实施例的口内微音器型电子人工喉的佩戴部分的示意图，其包括外壳4，束带5，单片机6，电池盒7，放大电路模块8，喇叭9。单片机6中集成了波形产生系统102语音处理与放大系统104中的采集模块301和语音转换模块302。
根据本发明的一种具体实施方式，佩戴者将外壳4通过束带5佩戴于接近口唇的脖颈处，外壳4中容纳单片机6、电池盒7、放大电路模块8和喇叭9。单片机6产生驱动信号，并通过多芯导线3传输给口内微音器2，同时通过话筒10接收产生的微弱声音，并对接收回的语音进行语音转换、降低噪声；随后作为放大系统104中的一个模块的放大电路模块8对单片机模块6输出的语音信号进行放大，传输给喇叭9形成最终的语音。在一个实施例中，使用锂电池供电，电池放置在电池盒7中。
图7所示为根据本发明的一个实施例的整体使用效果图，患者将牙套1佩戴在指定牙齿上，将外壳4通过束带5佩戴于接近口唇的脖颈处，二者通过多芯导线3连接，同时佩戴话筒10用于采集患者口内产生的微弱语音。患者打开开关后即可正常使用本实施例，发出清晰易懂的语音。
图8所示为根据本发明的一个实施例的整体使用效果正视图。
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)
1.一种口内微音器型电子人工喉，其特征在于包括：
口内声音产生系统(101)，用于在使用者口内产生微弱的声音；
波形产生系统(102)，用于存储具有个人特征的声门波、产生声门波形和在声门波形中添加频率/幅度扰动；
语音采集系统(103)，用于采集使用者口内产生的微弱语音；
语音处理与放大系统(104)，将语音采集系统(103)采集的微弱语音的模拟信号转化为数字信号。
2.根据权利要求1所述的口内微音器型电子人工喉，其特征在于波形产生系统(102)包括：
用于存储具有个人特征的声门波的存储器(201)；
计算与控制系统(202)，用于读取存储器(201)中存储的具有个人特征的声门波形，在声门波形中添加频率扰动和幅度扰动，并以数字信号的形式输出给D/A转换模块(203)；
D/A转换模块(203)，将来自计算与控制系统(202)的数字信号形式的声门波转换为模拟信号并传输给口内微音器(2)。
3.根据权利要求2所述的口内微音器型电子人工喉，其特征在于：
口内声音产生系统(101)包括一个产生微弱基音的口内微音器(2)和一个将口内微音器(2)固定在口内的牙套(1)，
波形产生系统(102)基于一个单片机开发，用单片机自带存储器作为所述存储器(201)。
4.根据权利要求3所述的口内微音器型电子人工喉，其特征在于语音采集系统(103)包括佩戴式话筒(10)。
5.根据权利要求4所述的口内微音器型电子人工喉，其特征在于语音处理与放大系统(104)包括：
用于通过话筒(10)采集使用者发出的微弱语音模拟信号的采集模块(301)，将所述微弱语音模拟信号转化为数字信号，
语音转换模块(302)，用于对采集的微弱语音信号进行语音转换，去除噪声，调整基频，并将转换后的语音以模拟信号的形式提供给放大模块(303),
放大模块(303)，用于将来自语音转换模块(302)的所述模拟信号进行放大后通过喇叭(9)播出，形成最终清晰的语音。
6.根据权利要求5所述的口内微音器型电子人工喉，其特征在于
语音处理与放大系统(104)与波形产生系统(102)一同集成在所述单片机中，
采集模块(301)用所述单片机的模数采集功能实现。
7.根据权利要求5所述的口内微音器型电子人工喉，其特征在于
口内微音器(2)通过定制牙套(1)被佩戴固定在使用者的选定牙齿上，
单片机(6)产生的驱动信号通过多芯导线(3)被传输给口内微音器(2)，使口内微音器(2)发声产生声门波，声门波在经过舌、鼻腔、口腔等器官的调制后，由话筒(10)采集，采集的信号经多芯导线(3)传输回单片机(6)进行语音转换。
8.根据权利要求7所述的口内微音器型电子人工喉，其特征在于进一步包括：
外壳(4)，
束带(5)，用于将外壳(4)通过束带5佩戴于使用者接近口唇的脖颈处，
电池盒(7)，用于容放给所述口内微音器型电子人工喉供电的电池，
所述喇叭(9)。
9.根据权利要求5所述的口内微音器型电子人工喉，其特征在于：
语音转换模块(302)提取微弱语音信号中的基频与发声声道参数，利用训练得到的声道谱和基频转换函数对基频和声道参数进行转换；然后通过STRAIGHT合成模型合成转换后的频谱参数和基频，即可获得最终的转换语音，
将来自语音转换模块(302)的所述模拟信号进行放大后通过喇叭(9)播出，形成最终清晰的语音,
其中，所述训练在装载了相关应用的计算机上完成，在所述训练中：
首先基于STRAIGHT分析模型分别提取源和目标语音发声声道参数，包括0到24阶梅尔倒谱系数的谱参数和基频轨迹；
其次通过动态时间对齐技术对特征参数序列进行时间对齐，求出联合特征矢量；
然后，基于混合高斯模型对联合特征矢量进行建模，得到相应的声道谱和基频转换函数。
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