Model systemu sluchowego.pdf
Transcript of Model systemu sluchowego.pdf
2013-01-23
1
Modelowanie systemu słuchowego
człowieka
Wykład nr 14 z kursu
Biocybernetyki
dla Inżynierii Biomedycznej
prowadzonego przez
Prof. Ryszarda Tadeusiewicza
Modele systemu słuchowego
buduje się ze względu na różne
motywacje.
Na przykład można mówić
o modelach tworzonych dla
potrzeb ochrony słuchu
O ochronę słuchu warto dbać w każdym
wieku i wszelkimi sposobami
Niekiedy dla ochrony słuchu
wystarczy użycie prostych,
tanich i wysoce skutecznych
urządzeń ochrony osobistej.
Jednak
nowoczesne
systemy ochrony
słuchu
są urządzeniami
wysoce
złożonymi
Zresztą nawet pozornie proste
środki ochrony osobistej są dziś
urządzeniami o dużym stopniu
technicznej perfekcji
2013-01-23
2
Przy ich budowie i optymalizacji trzeba uwzględnić
właściwości wszystkich elementów wchodzących
w skład rozważanego problemu:
Źródło hałasu Środki ochrony System słuchowy
Bezpośrednie badanie daje wyłącznie
fragmentaryczny obraz cech i właściwości
systemu słuchowego
Badania audiologiczne też nie
wyjaśniają wszystkich aspektów
procesu słyszenia
Dokładniejszy i pełniejszy obraz daje
modelowanie systemu słuchowego
Zadania poszczególnych elementów systemu
są dobrze znane Po co się buduje takie modele?
2013-01-23
3
Analiza i rozpoznawanie dźwięków nie powinno być
prowadzone w oparciu o ich przebiegi czasowe
Parametrem, który niesie najwięcej
wartościowych informacji o naturze
analizowanego dźwięku (a więc na
przykład o znaczeniu wypowiedzi)
jest widmo dźwięku, a dokładniej
jego czasowa zmienność
Przykładowe
widmo czasowo-
częstotliwościowe
wypowiedzi „serce”
czas
częstotliwość
amplituda
S
E
R C
E Cztery formy przedstawienia sygnału mowy
na przykładzie stanu ustalonego głoski „a”
Przebieg czasowy Widmo uśrednione
2013-01-23
4
Widmo dynamiczne w postaci
2D
Widmo dynamiczne w postaci
3D
Do sprawnego rozpoznawania
wielu dźwięków potrzebne jest
narzędzie, które dokonuje analizy
częstotliwościowej zarówno
szybko, jak i bardzo dokładnie
Typowe analizatory pozwalają albo na szybką
albo na dokładną analizę częstotliwości
Sygnał mowy w postaci czasowej oraz jego krótkookresowe widmo Fouriera
STFT dla okna Hamminga o szerokości
Δt =1.6 ms (w środku) oraz Δt = 32 ms (na dole).
Tymczasem istnieje system, który
pozwala analizować dźwięki (na
przykład mowę) zarówno szybko,
jak i bardzo precyzyjnie
2013-01-23
5
Funkcję mowy posiadały prawdopodobnie
nawet najdawniejsze humanoidy
około 3,5 milina lat temu
Wzajemne położenie (na płaszczyźnie częstotliwość-amplituda)
obszaru najlepszego słyszenia oraz obszaru mowy.
Parametry słyszalnych dźwięków:
Częstotliwość: 20 Hz - 20,000 Hz
Intensywność: 10-12 - 10 wat/m2 (0 -130 dB)
Ciśnienie: 2 x 10-5 - 60 Newton/m2 2 x 10-10 - .0006 atmosfery
Mowa dopasowała się do właściwości słuchu człowieka
Schemat system słuchowego Mechaniczna część systemu słuchowego
człowieka, która jest łatwiejsza do zamodelowania
2013-01-23
6
Małżowina uszna i przewód
słuchowy zewnętrzny Małżowina uszna pełni rolę tuby skupiającej
(a przez to wzmacniającej) dźwięki
O znaczeniu takiej tuby koncentrującej dźwięki można się
przekonać, gdy się dostarczy człowiekowi większe uszy. Przewód słuchowy zewnętrzny wraz z małżowiną
może być modelowany jako prosty rezonator
Wzmocnienie fali akustycznej
w uchu zewnętrznym Rezonator ten zapewnia kierunkowość słuchu i wzmacnia
okolice 3000 Hz
2013-01-23
7
Błona bębenkowa Błonę bębenkową modeluje się metodą
elementów skończonych
Mapy drgań wynikające z modelu Można też modelować ruch bębenka i
kosteczek słuchowych
Napinanie błony bębenkowej jako metoda obrony
przez zbyt głośnym dźwiękiem
Amplituda wibracji kosteczek słuchowych zależy zarówno od ciśnienia
akustycznego, jak i od sztywności (naprężenia) błony
2013-01-23
8
Ucho środkowe - kwintesencja części
mechanicznej systemu słuchowego Ucho środkowe – przestrzenna
rekonstrukcja
Łańcuch kosteczek słuchowych Widok wnętrza jamy bębenkowej
Rola ucha środkowego sprowadza się do
adaptacji impedancji akustycznej Schemat ucha środkowego
Błona bębenkowa - S1 = 0.6 cm2, okienko owalne ślimaka - S2 = 0.03 cm2,
S1/S2=20, d1/d2 ~ 1.3.
Z zasady dźwigni: F1d1=F2d2, i stosunku ciśnień: p2/p1= F2S1/F1S2, dostajmy
wzmocnienie: 20⋅1.3=26 (czyli 20log 26/1 = 28 dB).
2013-01-23
9
Układ ten ma regulowane wzmocnienie
Jeden z modeli
zastępczych
Wzmocnienie ucha środkowego
w zależności od częstotliwości Schemat modelu systemu słuchowego
Analizatorem akustycznym w uchu jest
ślimak
W strukturze ślimaka najważniejsza jest
błona podstawna
2013-01-23
10
Przekrój ślimaka Przestrzenny model przekroju
ślimaka
Percepcja częstościowa na błonie podstawnej.
Detekcja wysokich częstości zachodzi w części
podstawnej ślimaka, a niskich w szczytowej.
Za przebadanie tych zjawisk György Békésy
w 1961 otrzymał nagrodę Nobla w dziedzinie
medycyny
Przekrój podłużny przez ślimak (po „wyprostowaniu”).
Fale ciśnienia powodują oscylacje błony podstawnej.
2013-01-23
11
Symulowany komputerowo przebieg drgań
błony podstawnej Formy drgania błony podstawnej
Opis matematyczny ucha
środkowego i wewnętrznego
Fala biegnąca w błonie podstawnej
ślimaka z zaznaczoną obwiednią
Mechanizm rozdziału częstotliwości na błonie
podstawnej ślimaka ucha wewnętrznego
Złożone formy drgań przy
symulacji złożonego dźwięku
2013-01-23
12
Fala wywołana dźwiękiem jest w różnych punktach błony
różnie wzmacniana, różnie opóźniana i różnie spowalniana Narząd Cortiego
Obszar rejestracji dźwięków
Istota głuchoty ślimakowej Komórki słuchowe
2013-01-23
13
. Komórka rzęskowa wprowadzająca sygnał dźwiękowy do
nerwowej części systemu słuchowego
Charakterystyka receptora słuchowego
Rzęski na powierzchni komórki
2013-01-23
14
Działanie komórki receptorowej
W zakończeniach rzęsek znajdują się kanały
jonowe sterowane falowaniem rzęsek (1, 2).
Przy odchyleniu w stronę najwyższej rzęski (1)
występuje krótkotrwałe otwarcie kanału (2)
i napływ jonów K+ (3) powodujący wzrost
potencjału w receptorze (4), a następnie
pobudzenie komórki nerwowej (5).
Rozkład pobudzeń komórek słuchowych
dla różnych samogłosek
Struktura spektralna głosek jest
podstawą ich rozpoznawania
Profile spektralne
uzyskane dla głoski
„a” wymawianej
głosem o różnej
częstotliwości
podstawowej
Różne głoski przy tej samej
częstotliwości podstawowej
Jest to efekt artykulacji mowy
we wnękach rezonansowych Sygnały z komórek słuchowych są zbierane
przez ganaglion spirale
2013-01-23
15
Uproszczony
schemat
anatomii
nerwowej
części
systemu
słuchowego
Schemat
nerwowej
części
systemu
słuchowego
z większą
liczbą
szczegółów
Schemat drogi
słuchowej
2013-01-23
16
Jądra ślimakowe w moście
Jeden ze schematów nerwowej części systemu słuchowego, który może być
podstawą do jego modelowania
Badania słuchu
2013-01-23
17
Deciphering the Audiogram Horizontal axis: Frequency information (pitch)
Deciphering the Audiogram Vertical axis: Sound energy (loudness)
Audiogram of Familiar Sounds Plotting Results on an Audiogram
White area is inaudible
Tan area is audible
Anatomy of Hearing Loss
Site of
Conductive
Loss
Site of
Sensori-neural
Loss
Audiogram pozwalający ocenić
wartość ubytku słuchu
2013-01-23
18
Schemat badania
tympanometrycznego
Tympanogram
Schemat rejestracji słuchowych
potencjałów wywołanych
. Zapis słuchowych potencjałów wywołanych
pnia mózgu u osoby zdrowej
Ciąg natężeniowy słuchowych potencjałów wywołanych
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
ms
120dB
110dB
III V
Naprawa słuchu
Schemat blokowy aparatu słuchowego
2013-01-23
19
Aparat słuchowy zauszny Aparat słuchowy zminiaturyzowany
Rozwiązanie na miarę XXI wieku:
implant ślimakowy Schemat systemu implantu ślimakowego.
1 – mikrofon, 2- procesor mowy, 3 –transmiter, 4 – kapsuła implantu,
5 – wiązka elektrod w ślimaku, 6 – nerw słuchowy
Zasada działania implantu ślimakowego Przykładowe rozwiązanie techniczne
implantu ślimakowego
2013-01-23
20
Inne przykładowe rozwiązanie
techniczne implantu ślimakowego
Kodowanie sygnału metodą CIS
Sygnał stymulujący 4 elektrody
– wyjścia z filtrów pasmowych Wiązka elektrod implantu
Schemat blokowy procesora mowy
oraz implantu ślimakowego Bank filtrów systemu Cochlear Nucleus 24
2013-01-23
21
Sygnał emisji otoakustycznej Zmienność widma sygnału emisji
otoakustycznej
Czasowo-częstościowe rozkłady gęstości
energii dla symulowanego sygnału
aproksymowane za pomocą różnych metod.
A. Dopasowanie
Kroczące (MP),
B. okienkowana
transformata Fouriera
(STFT),
C. transformata
Wignera-Villa (WVD),
D. ciągła transformata
falkowa (WT).
Dziękuję za uwagę