PowerLab生物信号处理系统在音语生理研究中的应用.doc

PowerLab生物信号处理系统在音语生理研究中的应用孙婷 (西北民族大学 中国民族语言文字信息技术重点实验室 甘肃 兰州 730030)摘要：随着科学技术的进步和先进仪器的出现，生理语音学研究正在向采用高精端设备进行多模态研究的方向发展。本文通过PowerLab硬软件的介绍，主要从肌电采集器、呼吸带和脑电帽三个方面，重点阐述了每项设备的工作原理、提取的参数和在言语生理研究中的应用。PowerLab生物信号处理系统在语音生理研究中有着广阔的应用前景。关键词: 肌电，脑电，呼吸带；生理语音学中图法分类号：TP391;H214 文献标志码： A1引言著名的PowerLab生物信号采集处理系统是澳大利亚ADInstruments的核心产品，ADlnstruments公司是生命科学领域全球领先的计算机数据采集分析系统制造商，从创始至今20余年来。PowerLab系统包括软件和硬件两个部分，软件主要有Chart和Scope,提供了实时的多通道记录仪，硬件包括各种类型的信号调节器。PowerLab系统具有多种可选的采样速率和分辨率,为生命科学的研究提供了功能强大的工具,己经成为全球使用最为广泛的生物信号采集分析系统之一,目前PowerLab不仅广泛用于生命科学的各个研究领域，而且在心血管、神经科学、药理学、生物学、生物化学、心理学、言语生理等方面的也有广阔的应用前景。跟言语生理有关的研究包括心电，脑电、肌电、眼电、交感神经活动（SNA）、呼吸等方面。2 仪器简介PowerLab系统通过对生物电信号(心电、肌电、脑电等)与非生物电信号(血压、呼吸等)进行采集,然后对采集到的信号进行加工处理,再由USB线将信号传输到计算机系统上的Chart软件,软件最后对采集到的生物电信号进显示、保存、处理、将处理结果导入Excel表格、定制实验、数据回放、在线分析、采样过程控制及打印输出结果等多种操作。(1) 硬件部分硬件部分包括平板电极、呼吸带传感器、生物电信号放大器、数据采集系统。PowerLab主机有二通道，四通道、八通道、十六通道等几种型号,用户可根据自己的需要进行选择。PowerLab系统的每一个通道都有独立可调的抗干扰低通滤波器,且系统最高采样率可以达到400 kHz的连续记录, 16位分辨率；特别是对神经信号的采集提供了强有力的保证。硬件直接通过USB线与计算机连接,方便快捷,信号输入准确而稳定。MLAWBT9 EEG平板电极：MLAWBT9 EEG 平板电极是一套五个纯锡制成的杯装圆板，贴在发音人身体上相应的部位，用以采集EEG, EMG和ECG等生物电信号。g.tec生物信号放大器：g.tec生物信号放大器是一个基本的信号调节单元，放大并调节信号以供基于MATLAB或Simulink的生物信号数据采集和实时分析。具有以下特点：心电，脑电、肌电、眼电信号放大（EEG, EMG, EOG & ECG）；1-16路信号通道（单双电极），可级联扩展至32、48、64路；用户可自行设置滤波器参数和灵敏度；可以使用电池，携带方便，工作时长810小时，充分保证训练和田野调查的需要。（2）软件部分软件操作简便,Chart和Scope窗口操作简单,易于掌握。所有的软件设置和功能都直观地通过计算机进行,设置记录的参数十分简单,而且一旦将这设置保存为“设置文件”,下一个实验所需要做的就是双击打开该文件并开始记录。同一软件具有多种功能,该软件具有多通道记录仪、XY绘图仪、多图绘图仪、数字电压表等多种功能。所有的参数设置只需直接从软件界面上调节,不必担心不精确的旋钮设置,一旦保存了数据文件这些设置也被自动保存。1）Chart专业软件适用于任何物种的研究，软件功能包括：连续记录和显示最高16通道的数据；多种显示的分析窗口和自动化的数据提取；进行实时和非实时的计算；强大的计算和分析功能，包括速率、微分、积分、平均值、最大值、最小值和计数等多种统计分析；快速而简便的参数设置，所有记录参数都可通过Chart软件的相应对话框进行设置和保存，方便以后实验；Chart软件有很强的可扩展性。2）Scope软件是记录、显示和分析高频信号，如动作电位和诱发电位的理想工具，信号时间锁定于某个刺激信号，具有多种信号触发和刺激功能。它将采集的数据显示为二通道记忆示波器或者XY绘图仪的形式,用户可以使用Scope对一个或二个通道的数据进行单次、重复、多次、添加、平均等多种方式记录。每次扫描可以存储在不同的页面,为每个波形创建一个页面,并标上编号便于查找。对每页都可以做注释,同时也提供记事本,可以用于添加对整个文件的叙述性文字。3 肌电信号与语音研究肌电是在肌肉收缩时产生的。动作单元（Motor Unit）是肌肉最小的收缩单位。它是由一个运动神经元、运动终板、轴突及神经未梢支配的肌肉纤维组成。肌细胞有四种肌电位，分别是静息电位、动作电位、终板电位和损伤电位。采集肌电信号主要有针式电极采集和表面电极采集两种方式。侵入式的针式电极，可以较准确的找到需要检测的运动单元的信号，精确地反应微小区域里单个运动单元的活动状态。但对操作人员的操作技术要求非常高。相对而言，非侵入式的表面电极表面面积比较大，贴在皮肤表面时，没有疼痛感，但得到的信号是整个覆盖区域内运动单元肌电信号的耦合，后续的信号处理和分析难度较大。（1）工作原理肌电仪所测得到肌电信号就是肌细胞的肌电位。当肌细胞的某个区域产生动作电位后，会与相邻区域产生电位差，这样动作电位沿着肌肉纤维传导时，可以被针式电极检测到，这种动作电位传播的波形电位是在单根肌纤维中传播的，被称为MFAP(Muscle Fiber Action Potential)。一般情况下，总是一束肌纤维同时受到刺激，不会出现单根受刺激的情况，我们把由同一运动单元控制的一束肌纤维的MFAP之和称为MUAP(Motor Unit Action Potential)。每次刺激产生一个MUAP，由此可以生成MUAPT(Motor Unit Action Potential Train)。同时由于人体中有体液，因此MUAPT会受到附近其它MUAPT产生的电场的影响。所以，事实上我们采集到的表面肌电（sEMG）信号是多个MUAPT信号和噪声的组合。由传导电线传输表面肌电信号至信号放大器，可经纸笔记录器显现于纸上或经数字化转换呈现于计算机屏幕上。（2）主要参数在测量肌电时表面电极贴在皮肤的哪个位置会极大得影响到采集的肌电信号的质量。总体来说，电极可分为两类：参考电极和测量电极。参考电极放在肌电信号弱的肌腱处，而测量电极应放在相关肌肉的肌腹处。一般说来，两电极之间的距离设到2cm左右，过近电极之间的电流会相互干扰，过远两电极之间所测得的信号没有相关性。对于Chart软件，推荐设置为：采样率：1000k/s。带通滤波：低频的截止频率为20HZ，高频的截止频率为500HZ。量程：推荐为100mv。（3）言语生理研究中的应用人在发音时，脸部有很多肌肉都会协同工作。口轮匝肌是最重要的参于发音的肌肉之一。以圆唇元音/u/为例，在发音时，口轮匝肌会有一个从松驰到紧张的过程。我们可以从肌电图EMG(Electromyographic)中发现，肌肉在松驰状态和紧张状态时，肌电信号处于两种不同的模式。因此我们可以从肌电图中检测出口轮匝肌开始紧张的时刻，即口轮匝肌的激活时刻。早期的协同发音研究大多是研究声学信号和口轮匝肌的激活时间之间的关系，进而找出嘴唇协同发音的模式。目前的实验研究是检测人在发音时，口轮匝肌右侧嘴角处的肌电激活状态。此外在语言学方面，主要是利用肌电信号进行协同发音的研究，也有人利用肌电信号来做手语识别、无声语言识别的研究，建立言语肌肉运动模型。图1 人脸头部测量不同肌肉电极位置4呼吸带与语音研究呼吸运动是由肺容积的改变决定的，吸气时肺的容积变大，呼气时肺容积缩小。而肺容积是由胸腔和腹腔容积共同决定的，呼吸运动是胸腹联合运动的结果。因此必须首先了解这两个部位的变化以及它们对于胸腔体积变化的贡献度。 (Konno and Mead 1967; Hixon 1973; Hixon, Mead et al. 1976; Baken and al. 1979) （1）工作原理MLT1132呼吸带传感器用来测量呼吸导致的胸腹部位的变化，不需要前置放大器。压电晶体呼吸换能器可以把呼吸过程中胸围收缩扩张所引起的压力变化转变为电信号，通过POWERLAB采集器进入电脑，从而获得随时间变化的呼吸幅度信号。将两条呼吸带分别系在发音人的胸部和腹部，原则是要将呼吸带系于呼吸时胸或腹扩张最大处。呼吸信号曲线上升一般是吸气过程，信号下降表示呼气过程，无信号时是平滑直线。（2）主要参数人在朗读或说话前呼吸均匀，气流顺畅，体内气压与外界大气压一致的状态，呼吸信号为零，在朗读或说话前有一个深的吸气过程，信号从零点攀升到信号峰值点，在朗读或说话的过程中，随着体内气流的减少，气压的降低，信号随之也缓慢下降，直到最谷点，完成第一个呼吸基元，然后重复吸气过程准备下一句话。将一次完整的呼吸过程定义为呼吸基元（Breath Cell）,包括吸气单元(Inspiration Cell)和呼气单元(Expiration Cell)，分别对应一次呼吸过程中包含两个子过程：吸气和呼气。呼吸信号最直接，也最基本的两个参数是时长和幅度，时长表示一个过程持续的时间，吸气单元时长用ID表示，呼气单元时长用ED表示，呼吸基元的时长用BD表示。幅度表示信号数值的变化大小。呼吸信号斜率代表吸气量和呼气量的变化速度，斜率的绝对值越大，数据变化越快，分别用IK和EK来表示，吸气量为某吸气单元从谷值变化到峰值的幅度差，衡量人体吸入气流量的大小，呼气量为某呼气单元从峰值降到谷值的幅度差，衡量人朗读是所耗费的气流量，气流总量代表某呼吸基元整个呼吸过程的气流总量，表1列出了诗歌的呼吸信号所用到的参数。信号的标记和参数的提取可以使用“呼吸信号处理平台”5表1 呼吸基元参数表吸气单元I呼气单元E呼吸基元B时长峰值斜率吸气量时长谷值斜率呼气量时长气总量IDPIKIQEDVEKEQBDBQ计算公式如下：IQ(n)= P(n)-V(n-1)EQ(n)= P(n)-V(n)BD(n)=ID(n)+ED(n)BQ(n)=IQ(n)+EQ(n)图2 呼吸信号参数图（3）言语生理研究中的应用呼吸信号对应人的生理言语表达过程中吸气和呼气过程，属于宏观信号，目前主要用于汉语普通话和民族语言的诗歌、小说、散文、新闻等不同文体朗读时的呼吸韵律特性研究6（谭晶晶，2007），并对不同类型的呼吸信号模型进行了初步研究。研究发现呼吸重置可以依其幅度分为不同级别，不同的文体和不同的发音人风格都会造成呼吸信号模式的改变。(谭晶晶, 李永宏 et al. 2008)。但研究的还不够系统和深入，例如，不同模式的呼吸信号韵律模型如何用于语音合成就是一个比较困难，但又需要解决的课题。5 脑电帽脑电图(Electroencephalogram简称EEG )可显示大脑活动状态，可用于语音活动的大脑定位研究。ERP 波形是大脑对各种事物变化所引起的电活动，是人对事物认知，心理行为的一种客观的表现形式，是“观察脑功能的窗口”，在心理学、生理学、认知科学、神经科学、临床医学及其他生命科学相关领域具有很高的研究与应用价值。事件相关脑电位(ERP)采集和分析系统，凭借其精度高、抗干扰性强、操作简便、功能多样等优点，ERP 作为有效的分析研究工具，在国际和国内科学研究和临床应用方面都很受青睐；并已被应用到认知心理学、精神病学、运动医学、临床医学、人体工学等各个科学研究领域。（1）工作原理采集ERP时的头部定位系统是一个电极帽，上面有多个记录或吸收头皮放电情况的电极，这些电极在帽子上的位置是根据国际脑电学会在1958年制定的10-20国际脑电记录系统(Jasper, 1958)而设置的。自发的脑电（EEG）成分复杂而不规则，而一次刺激所诱发的ERP波幅约为2-10微伏，比自发的EEG电位（10-100）要小得多，淹没于EEG中，二者构成小信号和大噪音的关系，无法直接测量研究，所以ERP需要从EEG中提取。基于ERP有两个重要特性：潜伏期恒定和波形恒定，可以通过叠加从EEG中将ERP提取出来。（2）参数在采集ERP时，头部的电极帽定位，主要以耳垂、鼻尖或是乳突作为参考电极，不同的电极导联会有不同的标准。常用的10-20电极导联主要依据以下标准：头皮电极点之间的相对距离以10%和20%来表示，采用2条标志线：1）矢状线：从鼻根至枕外隆凸的连线，又称中线。从前往后标出5个记录点Fpz, Fz, Cz, Pz和Oz。Fpz之前与Oz之后各占中线全长的10%，其余点间距皆占20%。2）两外耳道之间的连线。从左至右也记录5个点T3, C3, Cz, C4和T4。T3和T4外侧各占10%，其余点间距皆占20%。对ERP参数提取的过程中，目前主要使用的是波形平均与叠加的方法。由于在实际的采集过程中ERP是淹没在EEG当中的，所以在EEG中提取ERP需要对被试者进行多次刺激，再将每次刺激后产生的含有ERP的EEG加以重叠与平均，然后得到一个最终的ERP值。一般每次的ERPs波形和潜伏期都是恒定的经过叠加的，所以ERP随着叠加次数成比例的增大，而EEG则是按照随即噪声的方式加和。于是，经过叠加后的ERP会从EEG的背景浮现出来（如图3）。在叠加平均后，ERP的值主要依据ERPs=0.5EEG，n=100 100ERP 10EEG ERPs=5EEG的换算关系得到。图3EEG叠加平均和 ERP提取图在ERP参数提取的过程中还要注意以下几个问题，首先对脑电的放大倍数至少在5万倍以上，对EOG的放大倍数应减小1半或2/3。分析时间与基线根据实验模式和研究目的设定分析时间，多在1000ms左右，刺激发生前的基线常为100200ms。其次在频带宽度方面，使其仅够放大拟研究的ERP信号，而落在频带外的噪音与干扰信号不被放大，以此达到排除目的，通常频带宽度的高通为0.010.1 Hz ，低通为40100Hz。再次皮肤阻抗应使其低于 5 kW。每个记录点的脑电位均需与参考点的电位进行比较而得到电位差，因而此处的皮肤阻抗尤需降到尽可能低的程度。（3）言语生理研究中的应用语言是人类所特有的一套符号系统。日常生活中人们可以迅速理解对方的话语并做出应答，但这其中包括的心理过程却是高度复杂的，具有多个层次的分析，如语音、正字法、语义和句法等。关于语言的脑机制研究，脑电技术以其具有的高时间分辨率特点和性价比高而被广泛利用。而在脑电技术中，事件相关电位（Event related potential，简称ERP）通过有意地赋予刺激以特殊的心理意义，利用多个或多样的刺激引起的脑的电位，成为一种特殊的脑诱发电位。由于它不仅能够反映大脑的单纯生理活动，还能反映认知过程中大脑的神经电生理的变化，因而被称为认知电位，在对语言加工的研究中广泛运用。传统的研究采用反应时的范式，建立了语言研究的基本模型和争论，但反应时是一个单维的指标，反映了言语加工的综合的结果，而且需要被试的意识判断，这些特点使得反应时难以精确描述语言加工中即时而连续的心理过程。研究者需要找到一个更理想的方法，能够对这一心理过程进行连续的测量，对不同层次的分析有不同的敏感指标，而且在测量过程中应无需意识判断。6 结束语随着言语产生机理研究的不断深入,语音生理研究的仪器设备也会不断更新,以促进科学研究的发展。PowerLab生物信号采集处理系统在言语产生的生理研究还没有完全开展，除了仪器本身比较昂贵外，也缺乏较高层次的科研人员，PowerLab系统。以上介绍了呼吸带的工作原理和使用方法，并提供了一种呼吸参数的提取方法。呼吸带在语言学领域是一个比较新的研究手段，在言语呼吸动力研究和语言节奏研究方面日益展现出其迷人风采。 参考文献1 孔江平，语音多模态研究和多元化语音学研究J.中国语音学报，北京：商务印书馆，2008，1-62 李永宏，于洪志，孔江平.现代语音学仪器及生理语音学研究J.生命科学仪器, 2008.6,54-583 潘晓声，肌电与语音研究，北京大学语音乐律研究报告，2008，65-694 吴君如，呼吸带说明，北京大学语音乐律研究报告，2008，81-845 陈琪，于洪志，李永宏，郭蕾，言语呼吸信号分析平台的设计与实现J 计算机应用，2009.9，121-1236 谭晶晶，孔江平，李永宏.汉语普通话不同文体朗读时的呼吸重置研究J. 清华大学学报(自然科学版) , 2008.4,613-6207 杨若晓，脑电帽原理和使用简介，北京大学语音乐律研究报告，2008，85-91Research of Modern Phonet