CN114786107A - 一种智能助听器非线性验配公式实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能助听器非线性验配公式实现方法，包括：步骤S1、获得听障患者实际测量不少于8个频点的听力图数据；如果少于8个频点，则线性插值得到8点听力图数据；步骤S2、根据听障患者的8点听力图数据，计算得到患者在当前声压级下几个关键频率的验配补偿预测值；步骤S3、以关键频率的验配补偿预测值为基础，进行分段线性插值，得到全部19个频率的验配补偿预测值，实现智能助听器非线性验配公式的拟合。本发明给出了一种助听器非线性验配公式的实现方法，以经典拟合思路实现非线性验配公式的增益补偿计算，通过最小二乘法的线性回归和多项式回归保证了多项式拟合的精度，丰富了非线性验配公式的实现思路。

Description

一种智能助听器非线性验配公式实现方法
技术领域
本发明属于助听器验配技术领域，尤其涉及一种智能助听器非线性验配公式实现方法。
背景技术
随着时代的发展，听障患者对生活质量的要求逐渐提高，助听器佩戴的舒适与否是患者关注的重点之一。因此设计符合患者实际需求的助听器验配公式是领域内一直以来的研究要点。
助听器验配公式可分为线性和非线性验配公式。线性验配公式指在输入声压饱和前补偿增益为固定值，不随输入声压级的变化而变化。早期的验配公式都是线性的。1944年，Lybarger提出了“半增益规则”，建议将各频率的增益值设置为各频率听阈的一半；1983年，McCandless等人在半增益的基础上针对感音神经性聋给出了一个理想介入增益的程序，被称为POGO公式；1986年，Byrne等人在基于半增益规则的NAL公式上，提出了NAL_R公式，该公式针对个体差异，将特定频率的实际耳增益值取为500Hz至2kHz听阈的斜率。
随着数字助听器的出现以及自适应技术的不断发展，非线性验配公式成为研究的热点，其根据输入声压级的不同给出不同的补偿增益。由加拿大国家听力学中心推出的DSL系列公式就是一类非线性验配公式，专注于提升使用者的聆听舒适度与听障儿童的言语识别能力；1993年Killion等人提出的FIG6公式在原理上类似于DSL公式，采用响度正常化原则，对不同频率不同输入声压级给出不同的增益；澳大利亚国家声学实验室提出的非线性NAL_NL系列在满足听障患者的聆听舒适度的同时更关心言语可懂度。NAL_NL1公式能使听障患者感知的响度接近于正常人，同时尽可能提升言语可懂度；NAL_NL2公式在NAL_NL1的基础上，通过大量实验改进了言语可懂度的计算模型，提升了实用性。目前在非线性验配公式的研究中，多采用复杂的系统模型，使用经典方法的实现方案相对较少。
发明内容
本发明目的在于提供一种智能助听器非线性验配公式实现方法,以解决在现有非线性验配公式的研究中，多采用复杂的系统模型的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
一种智能助听器非线性验配公式实现方法，包括以下步骤：
步骤S1、获得听障患者实际测量的不少于8个频点的听力图数据；如果少于8个频点，则线性插值得到8点听力图数据；
步骤S2、根据听障患者的8点听力图数据，计算得到患者在当前声压级下关键频率的验配补偿预测值；
步骤S3、以关键频率的验配补偿预测值为基础，进行分段线性插值，得到全部19个频率的验配补偿预测值，实现助听器非线性验配公式的拟合。
进一步的，所述步骤S1中，听障患者的8点听力图数据是指患者测量得出的听力图中250Hz、500Hz、1kHz、2kHz、3kHz、4kHz、6kHz和8kHz处的声音强度阈值。
进一步的，所述步骤S2中，关键频率是指250Hz、500Hz、1kHz、2kHz、3.15kHz、4kHz和8kHz，这些关键频率的验配补偿预测值通过拟合公式进行计算；各关键频率的拟合公式是八元一次多项式、八元二次多项式和八元三次多项式中一种或多种的组合，根据患者的听力损失程度和输入声压级情况给出不同的拟合表达：
步骤S2.1：对于轻度聋的听障患者，即500Hz、1kHz、2kHz和4kHz处听力损失的平均值介于26至40之间的患者，在50和55dB SPL的输入声压级下，关键频率250Hz、500Hz、1kHz、2kHz和8kHz处的拟合公式为八元二次多项式，3.15kHz和4kHz处的拟合公式为八元一次多项式和八元二次多项式的平均；在60、65、70、80和90dB SPL的输入声压级下，关键频率250Hz、500Hz、2kHz和8kHz处的拟合公式为八元二次多项式，3.15kHz和4kHz处的拟合公式为八元一次多项式和八元二次多项式的平均，1kHz处的拟合公式为八元三次多项式；
步骤S2.2：对于中度聋的听障患者，即500Hz、1kHz、2kHz和4kHz处听力损失的平均值介于41至60之间的患者，在50、55、60、65和70dB SPL的输入声压级下，关键频率250Hz和500Hz处的拟合公式为八元一次多项式，1kHz处的拟合公式为八元一次多项式和八元二次多项式的平均，2kHz、3.15kHz和4kHz处的拟合公式为八元三次多项式，8kHz的拟合公式为八元二次多项式；在80和90dB SPL的输入声压级下，全部关键频率的拟合公式均为加入调整系数的八元一次多项式；
步骤S2.3：对于重度聋的听障患者，即500Hz、1kHz、2kHz和4kHz处听力损失的平均值介于61至80之间的患者，在50、55、60和65dB SPL的输入声压级下，关键频率250Hz和500Hz处的拟合公式为八元三次多项式，1kHz和8kHz处的拟合公式为八元一次多项式，2kHz、3.15kHz和4kHz处的拟合公式为八元一次多项式和八元二次多项式的平均；在70、80和90dB SPL的输入声压级下，关键频率2kHz的拟合公式为八元一次多项式和八元二次多项式的平均，关键频率250Hz、500Hz、1kHz、3.15kHz、4kHz和8kHz的拟合公式均为八元一次多项式；
步骤S2.4：对于极重度聋的听障患者，即500Hz、1kHz、2kHz和4kHz处听力损失的平均值大于80的患者，在50、55和60dB SPL的输入声压级下，关键频率250Hz、500Hz和1kHz处的拟合公式为八元二次多项式，2kHz、3.15kHz、4kHz和8kHz处的拟合公式为八元一次多项式；在65和70dB SPL的输入声压级下，关键频率250Hz、500Hz、1kHz和2kHz的拟合公式为八元二次多项式，3.15kHz、4kHz和8kHz处的拟合公式为八元一次多项式；在80和90dB SPL的输入声压级下，500Hz至2kHz的中、低关键频率处的拟合公式为八元二次多项式，250Hz及2kHz以上中、高关键频率处的拟合公式为八元三次多项式。
进一步的，所述步骤S2中，各关键频率处拟合公式的系数由训练样本经最小二乘法多元线性回归或多项式回归学习得到；设置训练集中一个样本的听力图数据为xi＝[x1,x2,x3...x8]，对应关键频率的增益值为yi，那么训练集N个样本的组合为X＝[x1,x2,x3...xN]T，Y＝[y1,y2,y3...,yN]T，当拟合公式为八元一次多项式，其多元线性回归模型为XW＝Y，则系数W＝[w1,w2,w3...w7]T通过最小二乘法求得为
Figure BDA0003636906150000031
其中
Figure BDA0003636906150000032
为预测得到的系数，XT表示矩阵X的转置，(·)-1表示矩阵的逆；当拟合公式为八元二次多项式或八元三次多项式，则系数W通过最小二乘法多项式回归计算得到。
进一步的，所述步骤S3中，以关键频率的补偿预测值为基础进行分段线性插值，具体是指，通过关键频率250Hz的补偿预测值，得到125Hz、160Hz和200Hz处的补偿预测值；通过关键频率250Hz和500Hz的补偿预测，段内线性插值得到315Hz和400Hz处的补偿预测；通过关键频率500Hz和1kHz的补偿预测值，段内线性插值得到630Hz和800Hz处的补偿预测；通过关键频率1kHz和2kHz的补偿预测值，段内线性插值得到1.25kHz和1.6kHz处的补偿预测；通过关键频率2kHz和3.15kHz的补偿预测值，段内线性插值得到2.5kHz处的补偿预测；通过关键频率4kHz和8kHz的补偿预测值，段内线性插值得到5kHz和6.3kHz处的补偿预测。
本发明的一种智能助听器非线性验配公式实现方法，具有以下优点：
1、本发明使用经典拟合思路实现非线性验配公式的增益补偿计算，拓宽了非线性验配公式的实现思路；
2、本发明使用最小二乘法的线性回归和多项式回归保证了多项式拟合的精度。
附图说明
图1为本发明一种智能助听器非线性验配公式实现方法的流程图。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种智能助听器非线性验配公式实现方法做进一步详细的描述。
如附图1所示，本发明提供了一种智能助听器非线性验配公式实现方法，包括如下步骤：
步骤S1、获得听障患者实际测量不少于8个频点的听力图数据；如果少于8个频点，则线性插值得到8点听力图数据；
听障患者的8点听力图数据是指患者在医院测量得出的听力图中250Hz、500Hz、1kHz、2kHz、3kHz、4kHz、6kHz和8kHz处的声音强度阈值；而本实施例中听障患者在医院测得的听力图数据只有6点，分别为250Hz处的40dB HL，500Hz处的60dB HL，1kHz处的50dB HL，2kHz处的50dB HL，4kHz处的60dB HL和8kHz处的70dB HL，剩余的2kHz和6kHz处的听力图数据线性插值得到，分别为50dB HL和65dB HL。
步骤S2、根据听障患者的8点听力图数据，计算得到患者在当前声压级下几个关键频率的验配补偿预测值；
所述步骤S2中，关键频率是指250Hz、500Hz、1kHz、2kHz、3.15kHz、4kHz和8kHz，这些关键频率的验配补偿预测值通过拟合公式进行计算，各关键频率的拟合公式是八元一次多项式、八元二次多项式和八元三次多项式中一种或多种的组合，根据患者的听力损失程度和输入声压级情况给出不同的拟合表达；在本实施例中，500Hz、1kHz、2kHz和4kHz处听力损失的平均值为55dB HL，属于中度聋，因此在50、55、60、65和70dB SPL的输入声压级下，关键频率250Hz和500Hz处的拟合公式为八元一次多项式，1kHz处的拟合公式为八元一次多项式和八元二次多项式的平均，2kHz、3.15kHz和4kHz处的拟合公式为八元三次多项式，8kHz的拟合公式为八元二次多项式；在80和90dB SPL的输入声压级下，全部关键频率的拟合公式均为加入调整系数的八元一次多项式，在本实施例中，调整系数取为-5。其中SPL指声压，dB SPL是以声压为测量量的分贝值，假设某一声音的声压测量值为P；Ppref是标准值(对应0dBSPL，一般选为2×10-5Pa)，那么该声音的dB SPL计算为20×log10(P/Ppref)。
所述步骤S2中，各关键频率处拟合公式的系数由样本经最小二乘法多元线性回归或多项式回归训练得到；对于本实施例，其训练样本为352个患耳的听力图数据及其对应的NAL_NL2验配公式的补偿值，以50dB SPL输入声压级为例，给出其关键频率250Hz处拟合公式系数的求法：训练样本的听力图组合为X＝[x1,x2,x3...x352]T，50dB SPL下250Hz处对应的NAL_NL2公式验配补偿值为Y＝[y1,y2,y3...,y352]T，由于此处的拟合公式为八元一次多项式，因此采用多元线性回归模型，为XW＝Y，系数W＝[w1,w2,w3...w8]T可以通过最小二乘法求出为
Figure BDA0003636906150000051
最终的计算结果为
Figure BDA0003636906150000052
Figure BDA0003636906150000053
其中
Figure BDA0003636906150000054
是通过多元线性回归预测出的系数，X是存放训练集中各样本的听力图数据的矩阵，XT表示矩阵X的转置，(·)-1表示矩阵的逆；当拟合公式为八元二次多项式或八元三次多项式，则系数W通过最小二乘法多项式回归计算得到。
步骤S3、以关键频率的验配补偿预测值为基础，进行分段线性插值，得到全部19个频率的验配补偿预测值，实现助听器非线性验配公式的拟合。
所述步骤S3中，以关键频率的补偿预测值为基础进行分段线性插值，具体是指，通过关键频率250Hz的补偿预测值，得到125Hz、160Hz和200Hz处的补偿预测；通过关键频率250Hz和500Hz的补偿预测值，段内线性插值得到315Hz和400Hz处的补偿预测；通过关键频率500Hz和1kHz的补偿预测值，段内线性插值得到630Hz和800Hz处的补偿预测；通过关键频率1kHz和2kHz的补偿预测值，段内线性插值得到1.25kHz和1.6kHz处的补偿预测；通过关键频率2kHz和3.15kHz的补偿预测值，段内线性插值得到2.5kHz处的补偿预测；通过关键频率4kHz和8kHz的补偿预测值，段内线性插值得到5kHz和6.3kHz处的补偿预测。
本实施例计算的验配补偿预测值与作为样本标签的NAL_NL2公式的误差情况如表1所示。表1中给出了各输入声压级下，本发明与NAL_NL2公式计算的各频率验配补偿值的最大误差和平均误差情况，其中平均误差基本在1dB以内，最大误差基本在1.5dB至2dB之间，因此就本实施例而言，本发明的增益补偿情况与NAL_NL2公式近似。
表1
Figure BDA0003636906150000061
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (5)

1.一种智能助听器非线性验配公式实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、获得听障患者实际测量的不少于8个频点的听力图数据；如果少于8个频点，则线性插值得到8点听力图数据；
步骤S2、根据听障患者的8点听力图数据，计算得到患者在当前声压级下关键频率的验配补偿预测值；
步骤S3、以关键频率的验配补偿预测值为基础，进行分段线性插值，得到全部19个频率的验配补偿预测值，实现助听器非线性验配公式的拟合。
2.根据权利要求1所述的智能助听器非线性验配公式实现方法，其特征在于，所述步骤S1中，听障患者的8点听力图数据是指患者测量得出的听力图中250Hz、500Hz、1kHz、2kHz、3kHz、4kHz、6kHz和8kHz处的声音强度阈值。
3.根据权利要求1所述的智能助听器非线性验配公式实现方法，其特征在于，所述步骤S2中，关键频率是指250Hz、500Hz、1kHz、2kHz、3.15kHz、4kHz和8kHz，这些关键频率的验配补偿预测值通过拟合公式进行计算；各关键频率的拟合公式是八元一次多项式、八元二次多项式和八元三次多项式中一种或多种的组合，根据患者的听力损失程度和输入声压级情况给出不同的拟合表达：
步骤S2.1：对于轻度聋的听障患者，即500Hz、1kHz、2kHz和4kHz处听力损失的平均值介于26dB HL至40dB HL之间的患者，在50dB SPL和55dB SPL的输入声压级下，关键频率250Hz、500Hz、1kHz、2kHz和8kHz处的拟合公式为八元二次多项式，3.15kHz和4kHz处的拟合公式为八元一次多项式和八元二次多项式的平均；在60、65、70、80和90dB SPL的输入声压级下，关键频率250Hz、500Hz、2kHz和8kHz处的拟合公式为八元二次多项式，3.15kHz和4kHz处的拟合公式为八元一次多项式和八元二次多项式的平均，1kHz处的拟合公式为八元三次多项式；
步骤S2.2：对于中度聋的听障患者，即500Hz、1kHz、2kHz和4kHz处听力损失的平均值介于41dB HL至60dB HL之间的患者，在50、55、60、65和70dB SPL的输入声压级下，关键频率250Hz和500Hz处的拟合公式为八元一次多项式，1kHz处的拟合公式为八元一次多项式和八元二次多项式的平均，2kHz、3.15kHz和4kHz处的拟合公式为八元三次多项式，8kHz的拟合公式为八元二次多项式；在80和90dB SPL的输入声压级下，全部关键频率的拟合公式均为加入调整系数的八元一次多项式；
步骤S2.3：对于重度聋的听障患者，即500Hz、1kHz、2kHz和4kHz处听力损失的平均值介于61dB HL至80dB HL之间的患者，在50、55、60和65dB SPL的输入声压级下，关键频率250Hz和500Hz处的拟合公式为八元三次多项式，1kHz和8kHz处的拟合公式为八元一次多项式，2kHz、3.15kHz和4kHz处的拟合公式为八元一次多项式和八元二次多项式的平均；在70、80和90dB SPL的输入声压级下，关键频率2kHz的拟合公式为八元一次多项式和八元二次多项式的平均，关键频率250Hz、500Hz、1kHz、3.15kHz、4kHz和8kHz的拟合公式均为八元一次多项式；
步骤S2.4：对于极重度聋的听障患者，即500Hz、1kHz、2kHz和4kHz处听力损失的平均值大于80dB HL的患者，在50、55和60dB SPL的输入声压级下，关键频率250Hz、500Hz和1kHz处的拟合公式为八元二次多项式，2kHz、3.15kHz、4kHz和8kHz处的拟合公式为八元一次多项式；在65和70dB SPL的输入声压级下，关键频率250Hz、500Hz、1kHz和2kHz的拟合公式为八元二次多项式，3.15kHz、4kHz和8kHz处的拟合公式为八元一次多项式；在80和90dB SPL的输入声压级下，500Hz、1kHz和2kHz的拟合公式为八元二次多项式，250Hz、3.15kHz、4kHz和8kHz的拟合公式为八元三次多项式。
4.根据权利要求3所述的智能助听器非线性验配公式实现方法，其特征在于，所述步骤S2中，各关键频率处拟合公式的系数由训练样本经最小二乘法多元线性回归或多项式回归学习得到；设置训练集中一个样本的听力图数据为xi＝[x1,x2,x3...x8]，对应关键频率的增益值为yi，那么训练集N个样本的组合为X＝[x1,x2,x3...xN]T，Y＝[y1,y2,y3...,yN]T，当拟合公式为八元一次多项式，其多元线性回归模型为XW＝Y，则系数W＝[w1,w2,w3...w7]T通过最小二乘法求得为
Figure FDA0003636906140000021
其中
Figure FDA0003636906140000022
为预测得到的系数，XT表示矩阵X的转置，(·)-1表示矩阵的逆；当拟合公式为八元二次多项式或八元三次多项式，则系数W通过最小二乘法多项式回归计算得到。
5.根据权利要求4所述的智能助听器非线性验配公式实现方法，其特征在于，所述步骤S3中，以关键频率的补偿预测值为基础进行分段线性插值，具体是指，通过关键频率250Hz的补偿预测值，得到125Hz、160Hz和200Hz处的补偿预测值；通过关键频率250Hz和500Hz的补偿预测，段内线性插值得到315Hz和400Hz处的补偿预测；通过关键频率500Hz和1kHz的补偿预测值，段内线性插值得到630Hz和800Hz处的补偿预测；通过关键频率1kHz和2kHz的补偿预测值，段内线性插值得到1.25kHz和1.6kHz处的补偿预测；通过关键频率2kHz和3.15kHz的补偿预测值，段内线性插值得到2.5kHz处的补偿预测；通过关键频率4kHz和8kHz的补偿预测值，段内线性插值得到5kHz和6.3kHz处的补偿预测。
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