CN1819719A - 分布皮肤刺激式人工听觉装置 - Google Patents

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本发明涉及医疗器械领域,特别是帮助听力丧失者获得人工模拟听觉的设备。整个装置包括声音的模拟电信号采集器,A/D转换器,处理单元,分布式刺激单元等。音频信号经过数字化后送入处理器进行时域-频域变换等处理,最后驱动多个刺激器刺激皮肤。借助皮肤的触觉使用者不仅能够感受到声音的振幅信息而且还能感受到声音的频率信息,达到模拟人耳产生听觉的效果。本装置体积小,可随身携带,反复充电使用,可部分替代电子耳蜗功能。

Description

分布皮肤刺激式人工听觉装置
技术领域  本发明涉及医疗器械领域,特别是帮助听力丧失者获得人工模拟听觉的设备。
技术背景  电子技术的不断发展推出了多种为听力有障碍的人提高听觉质量的装置。其中最为常见的是助听器、电子耳蜗和外置式触觉模拟听觉系统。助听器能够放大声音,滤除噪声,可以大大提高听力低下患者的听觉质量,但是对于听力完全丧失的患者却没有用;电子耳蜗采用了高科技微电子技术,能够将声音变换成电信号直接刺激听神经,对于听觉完全丧失的患者效果也很显著。但是电子耳蜗价格十分昂贵,而且需要手术植入,很难大规模推广,对于听神经已受损的患者也不起作用;外置式触觉模拟听觉系统是一种新的解决方案,它使听力有障碍的患者通过皮肤触觉获得模拟听觉。设备结构简单,使用方便,对人耳完全不依赖,具有很大的发展潜力。但是现有的设备仅仅将声音信号转换为电信号直接刺激皮肤,使用者不能从刺激中分辨出声音的内容,仅仅能够获得声音的大小,有无,高低等等简单的信息,远不能分辨出包含的语言信息,而且长期直接用电流刺激皮肤会使皮肤受到伤害。
综上所述,采用新的技术提高外置式触觉模拟听觉系统的分辨能力是一条非常用价值的研究途径,新技术的实施将使高效廉价的助听装置成为可能。
发明内容  本发明是一种采用全新方法设计的外置式触觉模拟听觉系统。它能够让使用者同时获得并分辨出声音的频率分布信息和每个频段的振幅信息。
本发明的目的可以采用以下技术方案实现:提出一种为帮助听力丧失者获得人工模拟听觉的方法,包括如下步骤:
(1)使用拾音器将声音信号转换为音频电信号。
(2)把音频电信号放大,并通过低通滤波器滤掉不需要的高频信号。
(3)把经过滤波后的音频电信号通过A/D转换转化为数字信号。
(4)把数字音频信号输入处理器处理,将时域信号变成频域信号,并作多种加权处理。
(5)把处理后的频域信号送往多个多通道D/A转换器转换成模拟信号。
(6)每个D/A转换器的模拟输出驱动一个刺激器刺激皮肤。
本发明的目的还可以通过采用以下技术方案来进一步实现:设计制造一种分布皮肤刺激式人工听觉装置,包括拾音器,放大滤波处理电路,线阵式分布刺激器,电池及其充放电管理电路。其中放大滤波处理电路包括运算放大器、有源滤波器、A/D转换器、数字处理器(DSP)、D/A转换器、驱动器。
所述的分布皮肤刺激式人工听觉装置在打开开关后将自动进行工作。使用者只需将一边嵌有线阵式分布刺激器的带子贴着皮肤系于腰间,将拾音器固定在胸前。处理电路即将获取的声音信号进行变换处理并驱动刺激器刺激皮肤。对使用者来说,声音的大小反映在刺激器上就是刺激器振幅的大小,声音的频率分布反映在刺激器上就是产生振动的刺激器的位置分布。例如:当使用者所处环境中只有一个4000赫兹左右的高功率单音时(重按钢琴最高音键可模拟此效果),使用者将感觉“腰带式”刺激器最左边的振动刺激器强烈震动;当一个单音变为4000赫兹,2000赫兹,100赫兹三个低功率复音时,使用者将感觉“腰带式”刺激器最左边,中间,最右边三处的振动刺激器同时小幅振动。这样通过感觉刺激器振动幅度和位置的不断变化,使用者经过一段适应性的使用将能够准确分辨出语音内容。
附图说明
图1为本发明-分布皮肤刺激式人工听觉装置的硬件构成原理图;
图2为分布式刺激器与D/A转换器连接示意图;
图3为数字处理器(DSP)的软件流程图。
具体实施方式  以下结合各附图对本发明作进一步详细说明:
1.如图1所示,首先声音信号激励拾音器产生与声音信号波形相同的模拟电信号,此模拟电信号通过一个耦合电容输送到下级放大电路。拾音器可以是电阻式,电容式,动圈式,根据不同拾音器的使用条件搭配不同的偏置电路。这种电路常见于话筒,电话,手机的拾音电路中。耦合电容为1μF左右无极性电容,起到隔直作用。
2.放大电路由一个运算放大器组成,调节运算放大器的反馈电阻可以改变放大倍数,将模拟电信号的幅值放大到适合采样的大小。运算放大器采用低噪声高增益运放。放大倍数的选择标准为:能够将声强为80dB的声音对应的电信号放大到A/D转换器的满量程为宜。这是因为人正常谈话的声强为60dB~70dB。
3.经过放大的模拟电信号再通过一个低通滤波器,滤去不需要的高频成分。滤波器的设计采用无限增益多路反馈低通滤波器或二阶压控电压源低通滤波器,调节滤波器的电阻、电容值使滤波器的截至频率为4000赫兹。因为根据统计人的语音频率绝大部分在4000赫兹以下,而且一架普通钢琴的频率范围为也为27.5赫兹-4186赫兹,因此4000赫兹以上的频率基本不包含有用信息,滤掉4000赫兹以上的高频信号对后续处理有利而且基本不会丢失语音信息。
4.将经过低通滤波的模拟电信号输入A/D转换器。A/D转换器的分辨率为16位,与数据处理器(DSP)数据位宽相等以便处理。A/D转换器的转换频率为每秒8000次,是最高语音频率4000赫兹的两倍以满足香侬-奈亏斯特采用定理不致失真。A/D转换器的启动由定时器控制,每125μs启动一次。每次转换完成后向数据处理器(DSP)发出中断,数据处理器(DSP)响应中断将数据从A/D转换器中读出保存在缓冲区。
5.数字处理器(DSP)是整个处理电路的核心。处理器的主要任务是把A/D采样得到的数字音频信号进行时域-频域变换,变换的结果是得到音频信号中各个频谱成分的强度。用经过时域-频域变换后的数据驱动D/A转换器再驱动刺激器可以让使用者获得对声音频率信息的分辨能力。时域-频域变换的方法很多,常见的有傅立叶变换,拉普拉斯变换,Z变换,小波变换等等。其中傅立叶变换中的快速傅立叶变换是较为快速的变换方法,本装置即采用此算法。
6.数字处理器(DSP)内部存储空间分为5个部分,两个A/D采样缓冲区,每个大小为320byte用于缓存A/D采样20毫秒内来的数据;一个快速傅立叶变换原数据区,大小为2048byte用来保存傅立叶变换前的数据;一个快速傅立叶变换运算数据区,大小为2048byte用来保存变换过程的中间数据以及变换完成后的数据;一个输出数据区,大小为400byte,用来保存加权、取平均值运算后的数据用来输出给D/A转换器,通过D/A转换成模拟信号后再驱动刺激器。
处理器工作在中断等待模式下,其工作流程如图3所示。每得到一个来自A/D转换器的中断,处理器将读出数据保存在活动缓冲区。如果当前的活动缓冲区存满则将另一个缓冲区启用为活动缓冲区。两个缓冲区轮流充当活动缓冲区,以避免活动缓冲区存满后正在向原数据区复制数据时A/D转换得到的数据无处保存。每次活动缓冲区从空到满需用20ms,存满后触发快速傅立叶转换程序。快速傅立叶转换以及后续处理将在20ms内完成,因为根据人的口腔发声原理和子带编码理论(SBC),可以认为语音的波形在20ms内基本保持不变。如果处理器的运算速度足够快,可以把两次变换的时间间隔缩短到10~20ms。
快速傅立叶转换程序过程如下:处理器先把存满了的缓冲区中的数据更新到快速傅立叶变换原数据区。更新的方法为,将原数据区中的数据在保持原有顺序的前提下整体向高位地址空间迁移,迁移的地址偏移量为320byte,高位数据移出后作丢弃处理,低位地址空间写入最近存满的那个缓冲区中的数据,共320byte。完成迁移后将整个原数据块拷贝到运算数据区,拷贝完成后启动一次1024点(2048byte)的快速傅立叶变换。快速傅立叶变换是通用的时域-频域变换方法,其变换速度快,中间数据保存覆盖于原数据上,因而所用的存储空间较小。
快速傅立叶变换完成后将得到1024点(2048byte),这1024个点分布在频域空间中,分别表示声音电信号每个频点上的幅值。第N个点的频域坐标为7.8125×N,其中7.8125为基频。由于刺激器的个数的限制,需要把1024个点压缩至与刺激器的个数一样多。压缩方法很多,由于人耳对频率的分辨能力不是线性,最好根据人耳对频率的分辨能力参数进行非等间隔压缩。以下介绍一种简单的等间距压缩:每2.5个点取一个平均值。如将的1点的值加上第2点值再加上第3点值的一半,再除以2.5就得到第一个平均值,以此类推得到409个平均值。
经过压缩后的频域信号仍为为16位,再经过A律或μ律压缩为8位。A律或μ律是语音压缩常用的方法。人耳对于声音的振幅感觉不是线性,对小振幅相对敏感度高。上述两种压缩方法正是模拟了人耳的这种性质,使得压缩后的失真度最小。经过压缩得到409个8位数据,丢弃最后9个,因为其对应的频段为人耳不敏感的次声频段。最后得到400个8位数据。
由于人耳对各个频段的声音灵敏度不同,对1000赫兹左右最为敏感,两端灵敏度逐渐降低,所以为了模拟人耳的听觉效果需要对输出的数据加权。另外人体皮肤对振动刺激的反应也不是与振幅成正比的,为了达到准确的刺激效果也需要对输出数据加权。以上两个加权函数可以叠加在一起,一次性完成加权计算。加权公式为:
Yn=Xn×An    n为1到400的整数
Yn为加权后的第n个数,Xn为加权前的第n个数,An为第n点的权重因子。
权重因子来源于实测数据,内置于程序存储器EEPROM中。最后将加权后的400个数据送往D/A转换器。
7.D/A转换器与数字处理器(DSP)的接口为串口或I2C接口。数字处理器(DSP)将数据以串行的形式发送至50个D/A转换器,每个D/A转换器有8个通道,一共有400个通道。数据传输完成后,数字处理器(DSP)启动转换使能端,所有D/A转换器同时转换将数字信号转换成模拟信号输出。D/A转换器的参考端接有1000~2000赫兹的正弦信号,具体频率为振动刺激器的谐振频率,可以使得刺激器的振幅达到最大值。在这个过程中,D/A转换器实际上是用输入的数字信号对1000~2000赫兹的正弦信号进行调幅,得到400个调幅输出。其具体连接方式为,将1000~2000赫兹的正弦信号接在D/A转换器的参考电压端(Vref)。这时如果输入数字信号为Din,则输出信号为Vout=Vref(Din/256),这样就实现了用输入数字信号对正弦信号的幅度调制,使压电陶瓷刺激器有256级不同振幅。每个压电陶瓷的振幅代表了声音信号内其对应频率的强度的大小。
8.每个D/A的模拟输出端接有驱动器,驱动器的输入输出电压相等或呈线性关系,输出电流比输入大,保证能够正常驱动刺激器。驱动器的输出端接压电陶瓷刺激器。如果D/A转换器内部有驱动器,使得输出的电流可以驱动压电陶瓷,则驱动器可以省略。
9.整个系统一共使用了400个压电陶瓷刺激器,如图2所示。它们呈线性排列,每个压电陶瓷一端连接驱动器的输出端,另一端接地。经过傅立叶变换并加压缩权后的驱动信号,其对应的坐标空间已经为频域空间,每个驱动信号都对应了一个中心频点,同时每个驱动信号对应驱动一个刺激器。刺激器在空间位置上从左至右排列,对应驱动他们的信号在频率空间中也是依次递增或递减。这样声音的频率分布信息将通过刺激器的空间位置区分开来。因此如果有高音输入,左边的刺激器会振动;低音输入右边的刺激器会振动。输入的声音越高,刺激器振动的位置越靠左;输入的声音越低,刺激器振动的位置越靠右。同时有多个不同频率的声音输入时,则会有多个相应点振动。
10.刺激器采用压电陶瓷振动式刺激器。压电陶瓷具有直流阻抗大,功耗小,体积小,动作速度快的特点,相比电极刺激器还有对皮肤无害的特点。每个压电陶瓷刺激器长5mm,宽0.6mm左右。它们按照宽的方向顺序排列,焊接在一条柔性电路板上,每两个之间间隔0.4mm以防相互干扰。整个电路板长度约为400mm,它的背面将焊接D/A转换器和驱动器。整个电路板被包裹在保护橡胶套中,只露出压电陶瓷刺激器,形状好像一根腰带。D/A转换器的电源线和数据线包成一束,从“腰带”的一段引出并与处理板连接。使用者只需将“腰带”的有刺激器的一面贴于皮肤,系于腰间就可以通过刺激器的振动“感觉”声音。
11.整个系统的频率分辨率为10赫兹左右,振幅分辨率为8位(256级),声音波形的分析时间间隔为20ms。本系统中的数值处理器(DSP)使用的是TSM320C5402,A/D转换器是MAX1165,D/A转换器是MAX5594。增加刺激器的个数可以提高系统的频率分辨率,提高D/A转换器的精度可以提高振幅分辨率,采用更高速度的数值处理器(DSP)或高速可编程逻辑器件(FPGA)可以缩短声音波形的分析时间间隔。另外采用多层压电陶瓷刺激器、提高驱动器输出电压电流,可以增大刺激器振幅获得更好的刺激效果。

Claims (10)

1.一种帮助听力丧失者获得模拟听觉的方法,包括如下步骤:
(1)使用拾音器将声音信号转换为音频电信号。
(2)把音频电信号放大,并通过低通滤波器滤掉不需要的高频信号。
(3)把经过滤波后的音频电信号通过A/D转换转化为数字信号。
(4)把数字音频信号输入处理器处理。
(5)把经过处理后的信号经过D/A转换后送往刺激器刺激皮肤,让使用者获得对声音的感觉。
2.按照权利要求1所述的帮助聋人获得听觉的方法,其特征还在于:对数字音频信号的处理采用了时域-频域变换方法。
3.按照权利要求2所述的时域-频域变换方法,其特征还在于:时域-频域变换方法的具体实施采用快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform)方法。
4.按照权利要求3所述的快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform)方法,其特征还在于:每次进行快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform)前,将存储器中的变换原数据进行部分更新。将上次变换的整个变换原数据块向高位地址空间迁移,迁移的地址偏移量为两次变换时间间隔内A/D转换所得的数据所占空间的大小。高位数据移出后丢弃,在低位地址空间写入在两次变换时间间隔内A/D转换所得的数据。更新完成后将原数据块拷贝到变换运算数据区在进行变换。
5.按照权利要求1所述的帮助聋人获得听觉的方法,其特征还在于:对数字音频信号的处理还包括:对时域-频域变换后得到的数据进行模拟人耳听觉函数的加权。
6.按照权利要求1所述的帮助聋人获得听觉的方法,其特征还在于:对数字音频信号的处理还包括:对时域-频域变换后得到的数据进行了模拟人体对刺激器感觉函数的加权。
7.按照权利要求1所述的帮助聋人获得听觉的方法,其特征还在于:所采用的刺激皮肤的刺激器为分布式多点刺激器,可以组成线阵或面阵。
8.按照权利要求7所述的采用的刺激皮肤的刺激器为分布式多点刺激器,其特征还在于:单个刺激器采用压电陶瓷振动刺激器。
9.按照权利要求1所述的帮助聋人获得听觉的方法,其特征还在于:时域-频域变换并加权后的数字驱动信号的频域坐标与振动刺激器的空间坐标具有线性对应关系,刺激器按照位置关系从左至右对应的数字驱动信号的频域坐标依次递增或递减。
10.按照权利要求1所述的帮助聋人获得听觉的方法,其特征还在于:每个刺激器的模拟驱动信号为一个经过幅度调制的正弦波。调制信号为时域一频域变换并加权后的数字信号,由D/A转换器的数据输入端输入;被调制的正弦波频率为1000~2000赫兹,由D/A转换器的参考电压端输入。
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