CN115429487A - 一种采用基于面部肌电信号的控制的电子人工喉 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种采用面部肌电信号控制电子人工喉振动起止的方法与系统。通过使用者张口和闭口时产生的肌电信号控制电子喉的发声，肌电采集系统将特定处理的面部肌电信号转化为开关信号，该信号可以驱动微型电‑力转换系统产生振动，当唇不发声时控制电‑力转换模块停止工作，当唇发声时电‑力转换模块被驱动发出振动产生音间噪声被消除后的电子人工喉语音，即只有当使用者唇发声时电‑力转换模块才产生电子人工喉语音，当使用者的唇不发声时以及在一个音与下一个音之间时电‑力转换模块停止工作，从而避免了产生噪音。该方法可解决电子人工喉发声过程中的发声间隙的噪声干扰问题，提高电子人工喉的应用效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用基于面部肌电信号的控制的电子人工喉及其振动发声起止控制方法，属于康复工程中的言语康复领域。
背景技术
语音作为语言的载体，是人类最基本、最有效和最重要的交流手段。语音不但可以传递语言信息，而且可以传递说话人的个性信息与情绪信息。国内外统计数据显示，目前世界上有数百万喉癌和严重的喉病患者因喉切除等原因失去发声与言语功能，这类患者人群的数量还在逐年增加,他们不但经历喉切除带来的伤病痛苦，生活质量也因语音功能的丧失而显著降低，这些患者可以使用言语康复辅具重建语音功能。
电子人工喉是一种言语辅具设备，也是目前使用最广泛的发声功能重建方式之一，使用者只需将设备顶于下颌处，其产生的振动声音经颈部组织传入口腔，通过口腔调制后在唇边产生语音。电子人工喉具有使用简单、便于维护、不受患者喉部再造瘘口限制等诸多优点。无论如何，目前的电子人工喉语音仍然存在着语音单调、机械味足、噪声大等问题，严重影响语音可懂度，与正常语音质量还有明显差距。其中发声过程中电子人工喉自身产生的辐射噪声是影响语音可懂度的重要因素之一。
为了消除其自身辐射噪声，人们提出了一些消噪方法，这些方法大都采用信号处理技术对已经产生的语音进行处理，这是一种后处理方法，不能做到在发声过程中实时噪声消除。此外，本发明人前期已发表的研究结果显示，影响电子人工喉语音质量的主要是一个音与下一个音之间的噪声，去除音和音之间的噪声可以提高言语可懂度。
本发明人在已经授权的中国专利“指压式基频调节电子人工喉”(专利号：ZL200910090549.3)、“使用滚轮调节发声基频的电子人工喉系统及其基频调节方法”(专利号：ZL201610270925.7)、“气压式基频调节电子人工喉”(专利号：ZL200910090589.8)等专利中都提出了提高电子喉可懂度的方法与技术，但这些方法主要通过基频调节实现，未涉及噪声消除；在“具有语音转换功能的电子人工喉系统及其语音转换方法”(专利号：ZL201410377514.9)专利中提出的方法可以利用语音信号处理技术消除辐射噪声，但这属于后处理方法，无法做到实时性。
发明内容
针对现有电子人工喉在噪声消除上的缺陷，本发明提供了一种能够使用面部肌电信号控制电子人工喉振动起止的方法与系统，解决了发声过程中实时消噪的问题，提高了语音的可懂度。
根据本发明的一个方面，提供了一种采用基于面部肌电信号的控制的电子人工喉，其特征在于包括：
电源模块,用于为整个电子人工喉的各部分供电，
表面电极，用于与使用者的面部皮肤贴合以获取肌电信号，
肌电放大电路，用于放大肌电信号，
肌电信号滤波与采样部分，对肌电放大电路放大后的肌电信号进行滤波与数字化，将数字化的肌电信号提供给信号处理模块，
起止控制部分，用于将肌电信号滤波与采样电路提供的数字化的肌电信号转换为起止控制信号，
微型电-力转换模块用于在起止控制信号的控制下产生机械振动，从而发出电子人工喉的语音。
根据本发明的另一个方面，提供了一种使用能够使用面部肌电信号控制电子人工喉振动起止的方法和系统，包括电源模块、面部肌电信号采集模块、肌电信号处理模块、微型电-力转换模块。
其中，微型电-力转换模块的设计可参考本发明人已授权的发明专利：“具有个人特征的声门波模拟式电子人工喉”(ZL200910089700.1)和“指压式基频调节电子人工喉”(专利号：ZL200910090549.3)。需要指出的是，本发明旨在保护使用面部肌电信号控制电子人工喉振动起止的方法，系统中使用的微型电-力转换系统并不属于本发明的特定技术特征。
进一步地，面部肌电信号采集模块包括表面电极、放大电路和肌电信号滤波与采样电路。其中表面电极用于获取面部与唇开合密切相关的面部肌电信号；放大电路用于肌电信号的放大，一般采用两级放大方式；肌电信号滤波与采样电路用于把获取的表面肌电信号进行滤波与数字化处理，然后将数字信号提供给信号处理模块。
进一步，肌电信号处理模块包括微处理器和起止控制电路两个部分。微处理器用于将获取的数字肌电进行处理，与唇开合建立数学关系，经处理的肌电信号转换为起止控制信号后用来控制电子喉电-力转换系统的运作。
根据本发明的另一个方面，提供了一种使用面部肌电信号控制电子人工喉振动起止的方法，包括如下步骤：
步骤一：使用者按照讲话需求开始产生唇部开合运动；
步骤二：肌电信号采集模块采集与唇开合动作相关的面部肌电信号，该信号经放大后，发送给信号处理模块；
步骤三：肌电信号处理模块将肌电信号转换为振动起止开关控制信号，并提供给起止控制电路；
步骤四：起止控制模块驱动微型电-力转换系统振动的产生与停止，按需产生间歇性的电子人工喉语音。
本发明的优点在于：
(1)本发明有助于电子人工喉使用者在电子人工喉语音产生的同时消除间隙噪声，可以提高语音的可懂度。
(2)本发明通过采集与唇开合相关的面部肌电信号实现电子喉振动起止的实时控制，从而实现音间噪声的自动消除，无需训练。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例的基于面部肌电信号实现起止控制的电子人工喉系统原理图。
图2为根据本发明的一个实施例的基于面部肌电信号实现起止控制的电子人工喉的肌电信号采集模块配置图。
图3为根据本发明的一个实施例的基于面部肌电信号实现起止控制的电子人工喉的信号处理模块配置图。
图4为根据本发明的一个实施例的基于面部肌电信号实现起止控制的电子人工喉外观示意图。
图5为根据本发明的一个实施例的基于面部肌电信号实现起止控制的电子人工喉使用示意图。
图6为根据本发明的一个实施例的基于面部肌电信号实现起止控制的电子人工喉的消噪方法流程图。
图7为根据本发明的一个实施例的基于面部肌电信号实现起止控制的电子人工喉的信号与唇开合示意图。
图8为根据本发明的一个实施例的基于面部肌电信号实现起止控制的电子人工喉的信号识别方法流程图。
图9为根据本发明的一个实施例的基于面部肌电信号实现起止控制的电子人工喉的信号与起止控制示意图。
附图标记：
1—电源模块2—肌电信号采集模块3—肌电信号处理模块
4—微型电-力转换系统5—表面电极6—肌电放大电路7—肌电信号滤波与采样电路
8—微处理器9—起止控制电路10—电子人工喉
11—唇张开时面部肌电信号12—唇闭合时面部肌电信号
13—增强后的肌电信号14—整流后的肌电信号
15—平滑后的肌电信号16—逻辑开关信号
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，但实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
如图1所示，本发明提供了一种基于面部肌电信号控制电子人工喉振动起止的系统，该系统包括电源模块(1)、面部肌电信号采集模块(2)、肌电信号处理模块(3)、微型电-力转换模块(4)，
其中：
电源模块(1)为整个系统提供电源；
肌电信号采集模块(2)包括表面电极(5)，肌电放大电路(6)，肌电信号滤波与采样电路(7)，用于唇开合状态下面部肌电信号的检测，如图2所示；
根据本发明的一个实施例的基于面部肌电信号实现起止控制的电子人工喉使用示意图如图5所示，其中表面电极(5)用于与面部皮肤贴合，采用半电池原理获取肌电；
肌电放大电路(6)用于肌电信号的放大，采用两级放大；
肌电信号滤波与采样电路(7)，用于把表面电极(5)获取并经(6)放大后的的表面肌电信号进行滤波与数字化，将数字化的信号提供给信号处理模块(3)。
如图3所示的，是根据本发明的一个实施例的基于面部肌电信号实现起止控制的电子人工喉的肌电信号采集模块配置图，其中所示的肌电信号处理模块(3)包扩微处理器(8)和起止控制电路(9)，用于将肌电信号转换为开关量，作为起止控制信号；
其中：
微处理器(8)用于将肌电信号滤波与采样模块(7)提供的肌电信号转换为起止控制信号；
起止控制电路(9)用于驱动微型电-力转换模块(4)产生振动或停止振动。
微型电-力转换模块(4)用于将电路震荡信号转变为机械振动，发出电子人工喉语音。
根据本发明的一个实施例的基于面部肌电信号实现起止控制的电子人工喉的消噪方法如图6的流程图所示，其包括如下步骤：
-正确连接装置，将表面电极与面部皮肤贴合，并开启电子人工喉电
源开关；
-使用者按照讲话需求开始产生唇部开合运动；
-肌电信号采集模块2采集与唇的开合动作相关的面部肌电信号，并放大该信号，然后把放大的信号发送给信号处理模块3；
-信号处理模块3对收到的面部肌电信号进行计算，，其中，当唇自然闭合时，面部肌肉处于松弛状态，此时信号处理模块3所收到肌电信号12(图7)无显著波动；当使用者开始讲话时，面部肌肉收缩，带动唇产生张开与闭合的运动，此时信号处理模块3接收到与面部肌肉收缩频率对应的脉冲肌电信号11；微处理器8对肌电信号进行识别和分类，由经过识别和分类后的肌电信号确定唇的开合状态；
根据本发明的一个具体实施例，上述识别和分类肌电信号以及确定唇的开合状态的处理包括：
首先对采集到的面部肌电信号进行增强13(图9)，用于将微弱信号的幅值进行放大；其次对肌电信号进行滤波14，将信号中负值部分去掉；再次对肌电信号进行平滑处理15，以提取信号中幅值的强度；最后对肌电信号进行二值化处理16，从而将连续的肌电信号转换为逻辑开关信号，并把该逻辑开关信号用于控制电-力转换模块4的开启与停止。如此，微处理器8根据唇的发声状态设定控制开关量，当唇不发声时控制电-力转换模块4停止工作，当唇发声时电-力转换模块4被驱动发出振动产生音间噪声被消除后的电子人工喉语音，即只有当使用者唇发声时电-力转换模块4才产生电子人工喉语音，当使用者的唇不发声时和/或在一个音与下一个音之间时电-力转换模块4停止工作，从而避免了产生噪音。
Claims (9)
1.一种采用基于面部肌电信号的控制的电子人工喉，其特征在于包括：
电源模块(1),用于为整个电子人工喉的各部分供电，
表面电极(5)，用于与使用者的面部皮肤贴合以获取肌电信号，
肌电放大电路(6)，用于放大肌电信号，
肌电信号滤波与采样部分(7)，对肌电放大电路(6)放大后的肌电信号进行滤波与数字化，将数字化的肌电信号提供给信号处理模块(3)，
起止控制部分(9)，用于将肌电信号滤波与采样电路(7)提供的数字化的肌电信号转换为起止控制信号，
微型电-力转换模块(4)用于在起止控制信号的控制下产生机械振动，从而发出电子人工喉的语音。
2.根据权利要求1所述的电子人工喉，其特征在于：
表面电极(5)采用半电池原理获取肌电信号；
肌电放大电路(6)采用两级放大。
3.根据权利要求1所述的电子人工喉，其特征在于：
起止控制电路(9)用于将数字化的肌电信号转换为开关量，作为起止控制信号。
4.根据权利要求1－3之一所述的电子人工喉，其特征在于：
肌电信号滤波与采样电路(7)对肌电信号进行滤波处理(14)从而将肌电信号的负值部分去掉，再对肌电信号进行平滑处理(15)以提取信号的幅值，再对肌电信号进行二值化处理(16),
起止控制部分(9)将二值化处理(16)后的肌电信号作为逻辑开关信号，并把该逻辑开关信号用于控制电-力转换模块(4)的开启与停止，
从而，所述电子人工喉根据使用者唇的发声状态设定控制开关量，当唇不发声时控制电-力转换模块停止工作，当唇发声时电-力转换模块被驱动发出振动产生音间噪声被消除后的电子人工喉语音，即只有当使用者唇发声时电-力转换模块才产生电子人工喉语音，当使用者的唇不发声时以及在一个音与下一个音之间时电-力转换模块停止工作，从而避免了产生噪音。
5.基于根据权利要求1－3之一所述的电子人工喉的电子人工喉消噪方法，其特征在于包括：
用表面电极(5)采集使用者的面部肌电信号，
用肌电放大电路(6)对肌电信号进行放大，
用肌电信号滤波与采样部分(7)对放大后的肌电信号进行滤波与数字化，
用起止控制部分(9)将肌电信号滤波与采样电路(7)提供的数字化的肌电信号转换为起止控制信号，
用微型电-力转换模块(4)在起止控制信号的驱动下产生机械振动，从而发出电子人工喉的语音。
6.根据权利要求5所述的电子人工喉消噪方法，其特征在于：
表面电极(5)采用半电池原理获取肌电信号；
肌电放大电路(6)采用两级放大。
7.根据权利要求5所述的电子人工喉消噪方法，其特征在于：
用起止控制电路(9)将经过微处理器(8)数字化的肌电信号转换为开关量，作为微型电-力转换模块(4)起止控制信号。
8.根据权利要求5－8之一所述的电子人工喉消噪方法，其特征在于：
所述滤波与数字化处理包括：用肌电信号滤波与采样电路(7)对肌电信号进行滤波处理(14)从而将肌电信号的负值部分去掉，再对肌电信号进行平滑处理(15)以提取信号的幅值，再对肌电信号进行二值化处理(16),
起止控制部分(9)将二值化处理(16)后的肌电信号作为逻辑开关信号，并把该逻辑开关信号用于控制电-力转换模块4的开启与停止。
9.根据权利要求8所述的电子人工喉消噪方法，其特征在于进一步包括：
所述电子人工喉根据使用者唇的发声状态设定控制开关量，当唇不发声时控制电-力转换模块(4)停止工作，当唇发声时电-力转换模块(4)被驱动发出振动产生音间噪声被消除后的电子人工喉语音，即只有当使用者唇发声时电-力转换模块(4)才产生电子人工喉语音，当使用者的唇不发声时和/或在一个音与下一个音之间时电-力转换模块(4)停止工作，从而避免了产生噪音。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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