CN106491081A - 一种基于听觉‑空间匹配方法的阿兹海默症病人筛查系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于听觉‑空间匹配系统的阿兹海默症病人筛查系统，其特征在于，包括一人机交互平台、信号转换单元和信号播放单元；其中，所述人机交互平台，用于利用头相关传递函数对选取的声音信息处理成为含空间信息的声音发送给所述信号转换单元；所述信号转换单元，用于对收到的声音数字信号转换为模拟信号发送给所述信号播放单元；所述信号播放单元，用于对收到的声音模拟信号进行播放。本发明能够对早期阿兹海默症病人进行筛查。
Description
技术领域
本发明属于认知学领域，涉及头传递函数，通过模拟空间声场，测量与分析人们利用听觉对空间线索的工作记忆能力进行阿兹海默症病人筛查。
背景技术
工作记忆(working memory,WM)是指个体在执行认知任务过程中，暂时储存与加工信息的能量有限的系统。但是这个系统的容量是有限的，并存在个体差异。剑桥大学开发的视觉-空间匹配测验系统(Visuospatial PairedAssociates Learning test)，通过测量人们识别和记住位于不同空间位置的抽象视觉图案，考察第一次提取时记住的个体数目(即记忆分数)来探测视觉空间工作记忆的容量。该测试可以准确性的将早期阿兹海默症病人和正常人、其他精神疾病患者区分开，为阿兹海默症的早期筛查提供了一个很好的工具。据研究发现，阿兹海默症病人在听觉中同样存在认知困难，但是目前在临床中使用的测试均需要患者进行口头报告，这一点大大约束了这些测试的适用性。本发明应用视觉-空间配对测验相似的规则，建立了基于听觉-空间配对方法的阿兹海默症病人筛查系统，可以作为筛查阿兹海默症患者听觉障碍的一个工具。
听觉在人类生活中有着非常重要的意义。它通过感知周围环境声音，从而做出相应的判断与决策。人类的听觉除了能感知声音的强度、音调和音色等主观属性外，还能对声源的方向和距离做出判断。声源发出的声波到达人的双耳后，再经由听者头部、耳廓、躯干等生理结构的散射和反射作用，最后被感知。在一个复杂的听觉场景中，声音的特征属性(比如频率信息)和空间属性对于听觉客体的感知发挥了重要作用。
基于头相关传输函数(Head-Related Transfer Function,HRTF)，可以模拟在自由场情况下声波从声源到双耳鼓膜的声学传输特性，实现听觉上相应空间方位的虚拟声像。本发明基于头相关传输函数提供的虚拟空间信息和声音自身的特征属性，模拟人们在真实场景中对声音客体的识别和记忆能力。
声音信号在进入双耳后，研究认为其声音结构(包络和精细结构)存储于原始听觉记忆中。这种记忆仅维持几十毫秒，却对声音信号后期的进一步加工提供了重要作用。早期阿兹海默症病人和正常人、其他精神疾病患者这方面的能力差异性显著，本发明主要通过对这种差异性的测量达到对早期阿兹海默症病人的筛查。
发明内容
本发明的目的在于利用头相关传输函数技术，基于听觉-空间匹配方法，建立一套阿兹海默症病人筛查系统。
本发明的技术方案为：
一种基于听觉-空间匹配系统的阿兹海默症病人筛查系统，其特征在于，包括一人机交互平台、信号转换单元和信号播放单元；其中，
所述人机交互平台，用于利用头相关传递函数对选取的声音信息处理成为含空间信息的声音发送给所述信号转换单元；
所述信号转换单元，用于对收到的声音数字信号转换为模拟信号发送给所述信号播放单元；
所述信号播放单元，用于对收到的声音模拟信号进行播放。
进一步的，所述人机交互平台利用头相关传递函数技术建立了六个虚拟的声源空间位置，产生六个含空间信息的声音，并将六个虚拟的声源空间位置分别对应显示在所述人机交互平台的屏幕上。
进一步的，所述六个虚拟的声源空间位置分别为：竖直角度为0度，水平角度为30度、90度、270度和330度；水平角度为0度，竖直角度为+50度和-40度。
进一步的，显示在所述人机交互平台的屏幕上的每一声源空间位置对应一指示灯；当测试者根据听到的声音在该屏幕上选取声源空间位置，如果选取正确，则所述人机交互平台控制对应指示灯亮。
进一步的，所述人机交互平台每次选取一个或多个声音信息，然后利用头相关传递函数对选取的声音信息依次处理成为含空间信息的声音发送给所述信号转换单元。
进一步的，所述声音信息包括若干拼音，且每一拼音的发音时长为0.8秒，采样率为44.1kHz，拼音在所述人机交互平台测得的声强为65dB SPL。
进一步的，所述拼音包括[ɑη]，[iη]，[o]，[uei]和[yn]。
图1是本发明的设备构成图，一台电脑或平板可用来作为人机交互平台，声卡用来把音频的数字信号转换为模拟信号，耳机用来播放声音。利用头传递函数技术建立了6个虚拟的声源空间位置，分别为竖直角度为0度，水平角度为30度、90度、270度和330度；水平角度为0度，竖直角度为+50度和-40度。六个虚拟声音位置分别对应显示在电脑屏幕上，被试通过同一个耳机可以感受到声音来自六个不同的空间位置。在每一个虚拟声源空间位置上，播放的声音刺激是录制的女性以平均速度朗读的六个拼音，分别为[ɑη]，[iη]，[o]，[uei] 和[yn]，时长为0.8秒，采样率为44.1kHz。选取这六个拼音，是基于我们得到的前测数据，发现这六个声音在由头传递函数所模拟的虚拟声场中可以很好的被分辨出来。在与头传递函数卷积前，每个朗读的拼音在屏幕中心处测得的声强设定为65dB SPL。测试者的位置距离设备固定在50厘米。
整个测试流程分为三个阶段(见图2)：训练阶段、测试阶段和选择阶段。在训练阶段，随机选择一个方位和一个拼音，将它们经头相关传递函数处理成为含空间信息的声音并进行播放，屏幕中相应位置的标志块会被点亮。在测试阶段，播放未经头相关传递函数处理的声音信号，屏幕的中央处标志块点亮。在选择阶段，被试需要用在屏幕上选择测试阶段听到的声音在训练阶段出现的位置。
测试流程重复六关，每关训练声音的个数递增，增加被试的记忆难度，最后以通关数据作为筛查阿兹海默症病人的依据。
与现有技术相比，本发明的积极效果：
基于其视觉-空间匹配学习范式，本发明在听觉领域建立听觉-空间匹配范式，并采用与剑桥大学开发的范式中一样的计分指标。在正常人的实验中得到了与视觉-空间匹配范式相似的行为结果。本发明不需要人们进行口头报告，预期在具有语言障碍的患者中，会发挥重要作用。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步详细地说明：
图1为基于听觉-空间匹配方法的阿兹海默症病人筛查系统设备构成图
图2为听觉-空间匹配方法示意图；
图3为基于听觉-空间匹配方法的阿兹海默症病人筛查系统流程图；
图4为听觉-空间匹配方法中每一关的通关率图；
图5为听觉-空间匹配方法各项指标之间的相关关系图；
(a)为记忆分数通关关系图，(b)为错误数目通关关系图，(c)为错误数目与记忆分数关系图。
具体实施方式
下面参照本发明的附图3，更详细地描述本发明的具体实施方法。
首先，电脑上屏幕上呈现指导语“请仔细听声音的位置”。
接下来，基于头传递函数，我们在电脑屏幕上建立了6个虚拟的声源空间位置，分别为竖直角度为0度，水平角度为30度、90度、270度和330度；水平角度为0度，竖直角度为+50度和-40度。在每一个空间位置上，播放的声音刺激是录制的女性以平均速度朗读的拼音，分别为 [ɑη]，[iη]，[o]，[uei]和[yn]，时长为0.8秒，采样率为44.1kHz。在与头传递函数卷积前，每个朗读的拼音在屏幕中心处测得的声强为65dB SPL。六个带有方位的声音被顺序播放，被试与电脑屏幕的距离固定在50厘米。
然后，电脑上屏幕上呈现指导语“请选择声音的位置”。
接下来，电脑屏幕的中心处会呈现播放的声音刺激。
最后，被试需要根据听到时记住的声音位置，用鼠标点击/选择6个虚拟的声源空间位置中的一个。选择正确后，会进入到下一关。
听觉-空间匹配范式以闯关的游戏方式进行，总共为6关。在第一关中，被试只听到一个声音刺激来自一个空间位置；在第二关中，被试会依次听到两个不同的声音刺激前后出现在两个空间位置上，以此类推，第六关中，被试会依次听到六个不同的声音刺激前后出现在六个空间位置上。在每一关的反应阶段中，如果被试将此关中的所有声音刺激所出现的位置均判断正确，会听到“音调上扬”的音乐，进入到下一关；如果在每一关中，被试有一个或若干个位置判断错误，会听到“音调下降”的音乐，并在判断结束后重新回到这一关。每一关均有10次机会，机会用完后，实验终止。
我们探测了30个正常被试在建立听觉-空间匹配测验范式的行为表现，有三个指标进行衡量：通关率(被试所完成的关卡数目)；前四关的错误数目(被试在第1-4关累计做错的次数)；以及最重要的指标，记忆分数(被试在每一关中，第一次提取信息时所做对的个数)。研究表明，记忆分数反映了听觉工作记忆的容量。我们的结果发现，三个指标之间存在相关关系：通关率与记忆分数成正比，而前四关的错误数目分别于通关率、记忆分数成反比(见图5)。随着听觉客体数目增多，被试对客体的听觉-空间的匹配难度加大，通关率会降低(见图4)。三个行为指标之间的互相关的结果与剑桥大学开发的视觉-空间配对测验结果相一致。
Claims (7)
1.一种基于听觉-空间匹配系统的阿兹海默症病人筛查系统，其特征在于，包括一人机交互平台、信号转换单元和信号播放单元；其中，
所述人机交互平台，用于利用头相关传递函数对选取的声音信息处理成为含空间信息的声音发送给所述信号转换单元；
所述信号转换单元，用于对收到的声音数字信号转换为模拟信号发送给所述信号播放单元；
所述信号播放单元，用于对收到的声音模拟信号进行播放。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述人机交互平台利用头相关传递函数技术建立了六个虚拟的声源空间位置，产生六个含空间信息的声音，并将六个虚拟的声源空间位置分别对应显示在所述人机交互平台的屏幕上。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述六个虚拟的声源空间位置分别为：竖直角度为0度，水平角度为30度、90度、270度和330度；水平角度为0度，竖直角度为+50度和-40度。
4.如权利要求2或3所述的系统，其特征在于，显示在所述人机交互平台的屏幕上的每一声源空间位置对应一指示灯；当测试者根据听到的声音在该屏幕上选取声源空间位置，如果选取正确，则所述人机交互平台控制对应指示灯亮。
5.如权利要求1或2或3所述的系统，其特征在于，所述人机交互平台每次选取一个或多个声音信息，然后利用头相关传递函数对选取的声音信息依次处理成为含空间信息的声音发送给所述信号转换单元。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述声音信息包括若干拼音，且每一拼音的发音时长为0.8秒，采样率为44.1kHz，拼音在所述人机交互平台测得的声强为65dB SPL。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述拼音包括[o]，[uei]和[yn]。
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