CN1832713B - 人工内耳的语音转换方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种人工内耳中的语音转换方法以及一种人工内耳，能够使用该人工内耳为使用者提供接近自然语音的语音，并可以以接近对各信道唯一的周期的值随机地再现自然变动。在信号帧内，通过使用带通滤波器根据各个频率对语音信息进行区分。将关于相应频带的信道信息添加到语音信息中。对于各个信道，留下在一个信道内具有大信号电平的语音信息，以将刺激脉冲的数量调整为对于一个信道允许的频率。在为各个信道留下的所有语音信息中，留下具有大信号电平的语音信息，以将刺激脉冲的数量调整为对于所有信道允许的频率。将保留的语音信息传递给与信道相对应的电极，从而生成刺激脉冲。

Description

人工内耳的语音转换方法
技术领域
本发明涉及一种人工内耳的语音转换方法，其通过向内耳提供语音信息作为电刺激脉冲而增强听觉。
背景技术
迄今为止，人工内耳设置有布置在内耳内的多个电极的电极阵列，并使用多个带通滤波器将通过麦克风采样的语音信息区分为各个频带。这样，通过将各信道中的语音信息传递给与信道相对应的电极以生成电刺激脉冲，并且通过将语音信息传递给内耳作为电刺激脉冲而增强听觉。具体地，通过使用布置在人工内耳内的语音处理器将语音信息转换成刺激脉冲而实现语音转换。在这种人工内耳中，当同时刺激电极时相对于实际处理的语音信号不可能获得忠实的声音感觉。这是因为当同时刺激电极时，电极电路之间的相互作用导致生成不合适的刺激。
为了解决该问题，采用连续交错采样(CIS)系统作为传统的人工内耳的语音转换方法。在该系统中，以预定的时间间隔依次刺激所有的信道，以避免同时刺激信道，并可无任何遗漏地输出所有的语音信息。即，语音信息直到达到其顺序才能被输出，尽管其与任何其它语音信息是同时生成的。
由于所述CIS并不是在某一文献中公开了的已知发明，因此没有与该现有技术的公开相关的信息。
根据现有技术的CIS系统，由于以预定的时间间隔依次刺激所有的信道，因此语音有时会在比该语音实际生成时间延迟的时间被输出，因此再现的语音会不自然。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种人工内耳和一种人工内耳的语音转换方法，其可以为使用者提供几乎自然感觉的语音并能够以接近各信道的固有周期的值来再现自然变动。
本发明的第一方面的人工内耳的语音转换方法的特征在于，其包括如下步骤：使用多个带通滤波器在作为预定采样周期的信号帧内将语音信息区分为各个频带；将与所述频带相对应的信道信息添加到语音信息中；在各个信道中通过留下在一个信道中具有较高信号电平的语音信息，而将刺激脉冲的数量调整为在一个信道中允许的频率；通过将各个信道中留下的所有语音信息中具有较高信号电平的语音信息留下，而将刺激脉冲的数量调整为在所有信道中允许的频率：以及通过将留下的语音信息提供给与信道相对应的电极而生成刺激脉冲。
尽管在说明书的描述中使用了术语“语音”，但是应注意，其不仅包括人的声音而且还包括任何其它可听到的声音。
本发明第二方面的人工内耳的语音转换方法的特征在于，当调整各个信道中的刺激脉冲的频率时，如果在仅允许在一个信道中存在一个刺激脉冲的时间段内有多个语音信息，则仅留下具有最高信号电平的一个语音信息.
本发明第三方面的人工内耳的语音转换方法的特征在于，当调整所有信道中的刺激脉冲的频率时，如果在仅允许在一个信道中存在一个刺激脉冲的时间段内有多个语音信息，则仅留下具有最高信号电平的一个语音信息。
本发明第四方面的人工内耳的特征在于其包括：信道信息添加装置，使用多个带通滤波器在作为预定采样周期的信号帧内将语音信息区分为各个频带之后，将与所述频带相对应的信道信息添加到语音信息中；信道内刺激频率调整装置，通过在信号帧内在各个信道中留下在一个信道中具有较信号电平的语音信息，而将刺激脉冲的数量调整为在一个信道中允许的频率；信道间刺激频率调整装置，通过将各个信道中留下的所有语音信息中具有较信号电平的语音信息留下，而将刺激脉冲的数量调整为在所有信道中允许的频率；以及刺激脉冲生成装置，用于将留下的语音信息转换成刺激脉冲并将该刺激脉冲提供给与信道相对应的电极。
本发明第五方面的人工内耳的特征在于，如果在仅允许在一个信道中存在一个刺激脉冲的时间段内有多个语音信息，则所述信道内刺激频率调整装置仅留下具有最高信号电平的一个语音信息。
本发明第六方面的人工内耳的特征在于，如果在仅允许在信道之间存在一个刺激脉冲的时间段内有多个语音信息，则所述信道间刺激频率调整装置仅留下具有最高信号电平的一个语音信息。
附图说明
通过以下结合附图的说明和所附权利要求，将明白本发明的附加优点和特征，其中：
图1是示意性地表示根据本发明的人工内耳的结构的框图；
图2是表示根据本发明的人工内耳的整体操作的流程图；
图3是表示根据本发明的人工内耳的信道选择处理的操作的流程图；
图4是表示根据本发明的人工内耳的信道内刺激频率调整装置的操作的流程图；
图5是表示根据本发明的人工内耳的信道间刺激频率调整装置的操作的流程图；
图6是表示根据本发明的人工内耳的信道选择处理的操作的解释图；
图7是表示根据本发明的人工内耳的信道内刺激频率调整装置的操作的解释图；
图8是表示根据本发明的人工内耳的信道间刺激频率调整装置的操作的解释图；以及
图9是表示根据本发明的人工内耳的操作的解释图。
符号说明
1、人工内耳；3、麦克风；4、语音处理器；5、外部线圈；6、内部线圈；7、刺激单元；8、电极阵列；8a～8d、电极；9、内耳。
具体实施方式
下面将参照附图描述本发明的优选实施例.图1是示意地表示根据本发明的人工内耳的结构的框图；图2是表示根据本发明的人工内耳的整体操作的流程图；图3是表示根据本发明的人工内耳的信道选择处理的操作的流程图；图4是表示根据本发明的人工内耳的信道内刺激频率调整装置的操作的流程图；图5是表示根据本发明的人工内耳的信道间刺激频率调整装置的操作的流程图；图6是表示根据本发明的人工内耳的信道选择处理的操作的解释图；图7是表示根据本发明的人工内耳的信道内刺激频率调整装置的操作的解释图；图8是表示根据本发明的人工内耳的信道间刺激频率调整装置的操作的解释图；以及图9是表示根据本发明的人工内耳的操作的解释图.
人工内耳1适于通过向内耳9提供电刺激脉冲而增强听觉。具体地，人工内耳1包括：麦克风3；语音处理器4，用于可编程地执行将通过麦克风3采样的语音信息转换成刺激脉冲的语音处理；形成人体外部天线的外部线圈5；形成人体内部天线的内部线圈6；刺激单元7，用于将通过外部线圈5和内部线圈6从语音处理器4发送来的语音信息转换成刺激脉冲；以及电极阵列8，其由多个布置在内耳内的电极8a～8d组成，用于实际输出刺激脉冲。通过由电极8a～8d生成的电流来刺激人的听神经末梢，而由人的听神经来感觉语音。
电极阵列8的电极8a～8d实际上包括大约22个电极，并且每个电极都适于根据使用者的情况而使用。将整个可听到的语音范围划分为M个频带，每个频带形成一信道，并且电极8a～8d各与其中一个信道相对应。尽管基于使用4(四)个电极8a～8d的示例描述了本发明图示的实施例，但是本发明并不限于该图示的实施例。根据电极8a～8d的一个具体示例，电极8a是中心频率大约为6226Hz的第21个电极(信道(Ch.)21)，电极8b是中心频率大约为5314Hz的第20个电极(信道(Ch.)20)，电极8c是中心频率大约为907.1Hz的第19个电极(信道(Ch.)19)，而电极8d是中心频率大约为466.5Hz的第3个电极(信道(Ch.)3)。
下面将描述根据本发明的人工内耳1的操作。在该描述中，加括号的表达式，例如“(S101)”，“(S102)”……与图2～图5的流程图中所示的相对应。
首先，将描述本发明的人工内耳的整体操作。由麦克风3拾取的信号S通过高通强调滤波器重新整形(S101)，然后通过一组带通滤波器(S102)。在该组带通滤波器中，将信号S分为各个频带，并将相应频带的信道信息添加到语音信息中。即，该组带通滤波器形成了信道信息添加装置。然后通过各个信道的半波整流器将信号S调整为期望数据形式(S103)，以生成信道信息、时间信息和信号电平信息的整体组合的语音信息，其被写成振幅时间矩阵(ATM)。这用如下数学表达式(1)来表示，其中I和M是信道编号，而T和N是它们的语音信息出现的时间信息。
A 0 = a 1,1 a 1,2 . . . a 1 , N a 2,1 a 2,2 . . . a 2 , N . . . . . . . . . a M , 1 a M , 2 . . . a M , N I＝{1，2，3，…，M} T＝{1，2，3，…，N}            (1)
写成ATM的语音信息在作为预定且固定的采样周期的信号帧内，并且在各个信号帧中都依次地重复以下处理。本发明优选实施例中的信号帧的长度为大约10mS，但这并不限于10mS。应考虑如下的事实来确定信号帧的长度，即，如果信号帧的长度太长，则语音信息的再现会延迟，相反如果信号帧的长度短于语音的基本周期(声带的振动周期)，则不能检测到语音信息。
然后执行用于语音处理的信道选择处理，即从ATM语音信息中提取实际输出刺激脉冲所需的语音信息(S104)。将在后文更详细地描述信道选择处理的细节。然后调整信号电平(包括电流水平)，以使得通过信道选择处理获得的语音信息变为刺激脉冲，该刺激脉冲可以提供与刺激脉冲的动态范围相一致的合适的声音感觉(音量)(S105)。将获得的语音信息发送给刺激单元7，并从各电极8a～8d输出刺激脉冲(S106)。
接下来将描述信道选择处理(S104)的详细过程。首先，使信道选择处理中的计数“k”复位(S201)。然后将ATM中的语音信息按着信号电平的大小顺序排列(S202)。此时，如果最大值为零(0)，则不再需要更多处理并因此处理结束(S203：是)。
将语音信息的最高信号电平、信道信息和时间信息分别赋给变量pk、ck和tk(S204和S205)。如下示出了用于找出最大值并赋给变量pk的数学表达式(2)：
a m , n = max i , j { a i , j } , p k = a m , n , i ∈ I , j ∈ T
然后执行信道内刺激频率调整，通过在信号帧内在各个信道中留下在一个信道中具有较高信号电平的语音信息，而将刺激脉冲的数量调整为在一个信道中允许的频率(刺激率)(S206)。
下面将参照图7来描述信道内刺激频率调整。图7(a)是具有横坐标(时间：t)和纵坐标(信号电平：p)的曲线图，并表示在信道k(ck)处理之前的语音信息。横坐标的刻度表示采样率。即，横坐标的刻度单位表示在处理之前存在语音信息。采样率例如为20kHz。符号“rc”是信道刺激率Rc(例如，1800pps)的倒数，并表示仅允许一个刺激脉冲存在的时间段。信道刺激率Rc是每个信道的刺激率。
在一次信道内刺激频率调整中，应该在从时间点(Bc)至时间点(Ec)的时间段内进行处理，其中时间点(Bc)比时间点tk提前时间段rc，而时间点(Ec)比时间点tk滞后时间段rc。如果从tk减去rc获得的值大于零(0)(S301：否)，则将Bc确定为从tk减去rc而获得的时间(S302)，而如果从tk减去rc获得的值小于零(0)(S301：是)，则将Bc确定为零(0)以作为信号帧的开头(S303)。如果通过向tk增加rc而获得的值小于信号帧的最后时间(wn)(S304：否)，则将Ec确定为通过向tk增加rc而获得的时间(S305)，而如果通过向tk增加rc而获得的值大于最后时间(wn)(S304：是)，则将Ec确定为wn以作为信号帧的末端(S306)。
在从Bc至Ec的时间段内执行用于留下具有最高信号电平的语音信息的处理。这将参照图7进行描述。如图7(a)所示，在从Bc至Ec的时间段内，尽管有两个或更多个具有较高信号电平的语音信息pa和pb，但是仅留下具有最大值的语音信息pa而其它语音信息将被抛弃。即，如图7(b)所示，在从Bc至Ec的时间段内将仅留下信号“a”。使用下面的数学表达式(3)来留下最大值(S307)。
a c k , t = 0 , t∈[Bc，tk[U]tk，Ec]             (3)
信道内刺激频率调整可以用下面的数学表达式(4)来表示。
am，n＝0，其中
Figure G2004800225584D00072
n∈T                             (4)
然后执行信道间刺激频率调整(S207)，通过在信号帧中留下具有高信号电平的语音信息而进行调整，以使得刺激脉冲的数量应该为在整个信道中允许的频率(刺激率)。
下面将参照图8来描述信道间刺激频率调整.图8(a)是具有横坐标(时间：t)和纵坐标(信号电平：p)的曲线图，并表示在信道k(ck)的信道内刺激频率调整之后的语音信息。横坐标的刻度表示采样率。即，横坐标的刻度单位表示在处理之前存在语音信息。采样率例如为20kHz。符号“ri”是脉冲刺激率Ri(例如，14400ppc)的倒数，并表示仅允许一个刺激脉冲存在的时间段。脉冲刺激率Ri是考虑了所有信道的每个信号帧的刺激率。
在一次信道间刺激频率调整中，应该在从时间点(Bi)至时间点(Ei)的时间段内进行处理，其中时间点(Bi)比时间点tk提前时间段ri，而时间点(Ei)比时间点tk滞后时间段ri。如果从tk减去ri获得的值大于零(0)(S401：否)，则将Bi确定为从tk减去ri而获得的时间(S402)，而如果从tk减去ri获得的值小于零(0)(S401：是)，则将Bi确定为零(0)以作为信号帧的开头(S403)。如果通过向tk增加ri而获得的值小于信号帧的最后时间(wn)(S404：否)，则将Ei确定为通过向tk增加ri而获得的时间(S405)，而如果通过向tk增加ri获得的值大于最后时间(wn)(S404：是)，则将Ei确定为wn以作为信号帧的末端(S406)。
在从Bi至Ei的时间段内执行用于留下具有最高信号电平的语音信息的处理。这将参照图8进行描述。如图8(a)和图8(b)所示，当从Bi至Ei的时间段内在信道ck中存在信号“a”且在信道ck+1中存在信号“c”时，仅留下具有较高信号电平的信号“a”，而其它语音信息将被抛弃。即，如图8(c)所示，在从Bi至Ei的时间段内将仅留下信号“a”。使用下面的数学表达式(5)来留下最大值(其中，Rc＜Ri)(S407)。
ai，t＝0，t∈[Bi，Ei]，i∈[1，ck[U]ck，M]        (5)
信道间刺激频率调整可以用下面的数学表达式(6)来表示。
al，n＝0，其中
Figure G2004800225584D00081
l∈I，n∈T                                           (6)
此后，在增加计数k的同时，在一个信号帧中重复上述处理(S202～S207)(S208)。如果在下一时间段tk最大值变为零(0)，则不再需要更多处理并因此处理结束(S203：是)。通过这些处理，在各个计数k中，将时间信息tk赋给语音信息的信号电平pk和信道信息ck，并根据信道选择处理(S104)进行输出。
图6中示出了整个信道选择处(S104)。图6A表示在四(4)个信道处理之前的语音信息。如图6B所示，首先除去了信号帧中具有最高信号电平的信号p1附近的区域，然后对于信号p2执行相同的处理，并因此在相同信道中连续执行相同的处理。在其它信道中也执行这种处理。如图6C所示，最终只留下刺激脉冲所需的语音信息。
图9表示处理语音“utsu”的实际语音处理的结果。图9A是在处理之前的频谱图，其中B1～B3表示根据本发明处理的结果语音的输出。相对地，C1～C3表示由传统技术处理的结果，用以与结果B1～B3进行比较。在B1～B3(C1～C3)中，B1(C1)表示信号帧的整体输出，而B2(C2)是前部垂直椭圆的放大图，并表示语音“utsu”的“u”部分。另一方面，B3(C3)是中央垂直椭圆的放大图，并表示语音“utsu”的“ts”部分。
迄今为止，由于认为为了再现出更忠实于实际语音的语音，优选地是无遗漏地输出所有的采样语音信息作为刺激，因此有意地使一些同时生成的语音信息比其它同时生成的语音信息晚些输出.然而，该延迟导致不自然的语音再现.从图9中的C2和C3所示的输出变为规则输出这一事实中，可明显看出该不自然的情况.根据本发明，能够以相对较高的概率实现各个信道中刺激脉冲的输出周期性，并且其与相应信道的中心频率的倒数相对应.
本发明的发明人发现，通过仅输出所选的具有高信号电平的语音信息作为刺激，而不是无遗漏地输出所有的采样语音信息，可以实现语音的足以理解的再现。另外，根据本发明的语音处理方法，可以为人工内耳的佩带者提供接近自然语音的语音，这是因为可以保持待再现的语音信息的相对时间间隔。
根据本发明的人工内耳1，因为通过信道内刺激频率调整和信道间刺激频率调整，在仅允许存在一个刺激脉冲的时间段内仅留下具有最高信号电平的语音信息，所以能够以接近固有周期的值并以相对较高的概率再现出各个信道的自然变动。
尽管参考对于每个信号帧进行刺激调整的本发明的优选实施例进行了描述，但是也可以考虑其它信号帧进行刺激调整。
根据第一方面的发明，由于留下具有高信号电平的语音信息以将刺激脉冲的数量调整为允许的刺激，从而可以保持与语音信息的生成顺序相同的顺序以及待再现的语音信息的相对时间间隔，因此可以为人工内耳的佩带者提供接近自然语音的语音。
根据第二方面和第三方面的发明，由于在仅允许存在一个刺激脉冲的时间段内仅留下具有最高信号电平的语音信息，因此能够以接近固有周期的值并以相对较高的概率再现出各个信道的自然变动。
根据第四方面的发明，由于留下具有高信号电平的语音信息以将刺激脉冲的数量调整为允许的刺激，从而可以保持与语音信息的生成顺序相同的顺序以及待再现的语音信息的相对时间间隔，因此可以为人工内耳的佩带者提供接近自然语音的语音。
根据第六方面的发明，由于在仅允许存在一个刺激脉冲的时间段内仅留下具有最高信号电平的语音信息，因此能够以接近固有周期的值并以相对较高的概率再现出各个信道的自然变动。
已经参考优选实施例描述了本发明。在阅读并理解了前面详细描述后，修改和变动对于本领域技术人员是显而易见的。本发明应理解为包括所有这些变动和修改，只要它们落在所附权利要求或其等价物的范围内。

Claims (6)

1.一种人工内耳的语音转换方法，其中所述人工内耳通过将由麦克风采样的语音信息传递给电极而生成电刺激脉冲，并且通过将所述语音信息传递给内耳作为电刺激脉冲而增强听觉，该方法的特征在于包括如下步骤：
使用多个带通滤波器在作为预定采样周期的信号帧内将语音信息区分为各个频带，
将与所述频带相对应的信道信息添加到语音信息中，
在各个信道中，通过留下一个信道中具有较高信号电平的语音信息，而将刺激脉冲的数量调整为一个信道中允许的频率，
通过将在各个信道中留下的所有语音信息中具有较高信号电平的语音信息留下，而将刺激脉冲的数量调整为在所有信道中允许的频率，以及
通过将留下的语音信息提供给与信道相对应的电极而生成刺激脉冲。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，当调整各个信道中的刺激脉冲的频率时，如果在仅允许一个信道中存在一个刺激脉冲的时间段内有多个语音信息，则仅留下具有最高信号电平的一个语音信息。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，当调整所有信道中的刺激脉冲的频率时，如果在仅允许一个信道中存在一个刺激脉冲的时间段内有多个语音信息，则仅留下具有最高信号电平的一个语音信息。
4.一种人工内耳，其中在内耳内布置有多个电极的电极阵列，通过将由麦克风采样的语音信息传递给所述电极而生成电刺激脉冲，并且通过将所述语音信息传递给内耳作为电刺激脉冲而增强听觉，该人工内耳的特征在于包括：
信道信息添加装置，使用多个带通滤波器在作为预定采样周期的信号帧内将语音信息区分为各个频带之后，将与所述频带相对应的信道信息添加到语音信息中，
信道内刺激频率调整装置，通过在信号帧内在各个信道中留下在一个信道中具有高信号电平的语音信息，而将刺激脉冲的数量调整为在一个信道中允许的频率，
信道间刺激频率调整装置，通过将在各个信道中留下的所有语音信息中具有高信号电平的语音信息留下，而将刺激脉冲的数量调整为所有信道中允许的频率，以及
刺激脉冲生成装置，用于将留下的语音信息转换成刺激脉冲并将该刺激脉冲提供给与信道相对应的电极。
5.根据权利要求4所述的人工内耳，其中，如果在仅允许一个信道中存在一个刺激脉冲的时间段内存在多个语音信息，则所述信道内刺激频率调整装置仅留下具有最高信号电平的一个语音信息。
6.根据权利要求4所述的人工内耳，其中，如果在仅允许信道之间存在一个刺激脉冲的时间段内存在多个语音信息，则所述信道间刺激频率调整装置仅留下具有最高信号电平的一个语音信息。
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