（通信与信息系统专业论文）全相位滤波器在人工耳蜗cis方案中的应用.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：拯骛数 日p 7 ，土 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：么逝导师签名：翌堡翌日期 、埘，午，z l 山东大学硕士学位论文 中文摘要 人工耳蜗是唯一能够使完全耳聋者通过电信号刺激残留的听觉神经以恢复部 分听力的医学手段。从2 0 年前的一种主要用于让患者加强唇读和感知声音的存在的 单电极装置到今天，人工耳蜗已经发展成一种能支持其全球6 万用户中的大多数人 顺利进行电话交谈的复杂多电极装置。近年来，人工耳蜗的适用者范围也已经被 大大扩展，包括小到3 个月的婴幼儿童，和有明显的功能性残余听力的成人，特别 是低频率域内残余。虽然它们在不同个体上的性能差异依然很大，但平均来说，大 部分使用者都可以通过人工耳蜗在安静环境下进行顺畅的电话交谈。 使用人数和 科技文献的数量的指数性增长，证实了人工耳蜗已经发展成为一个成熟的领域。 论文首先概述了课题的研究背景以及人工耳蜗的发展历史及现状。通过介绍言 语信号的合成方法、正常人的耳蜗的工作机理以及耳聋的病理学基础，阐明了人工 耳蜗的工作原理，并给出了人工耳蜗的各个组成部分及其作用。目前大部分人工耳 蜗使用者已经可以在安静的环境下顺利的交谈，也就是说现有人工耳蜗对于言语信 号的识别率已经做的相对成熟。然而对于进一步音质的问题，对研究人员来说仍然 是一个难题。例如，使用现有的人工耳蜗，当患者听音乐时只能听到有节奏的鼓点， 而完全领略不到音乐的优美。其原因主要是在之前的人工耳蜗研究中，研究人员注 重的是人工耳蜗对于言语的识别率忽视了言语的音质问题。而影响语音音质的关键 则取决于语音的相位信息，但先前的言语处理方案完全将相位信息忽略掉了。在本 文中我们通过一种新型的线性零相位滤波器一全相位滤波器，试图将语音的相位信 息更好的保留下来。 在人工耳蜗的发展过程中，信号处理技术扮演了十分重要的角色，一般来说按 照言语处理方法的不同，言语处理方案一般分为两类：特征提取方案和波形方案。 特征提取方案的策略是首先提取言语信号中的重要特征，然后再将这些特征传送到 不同电极以刺激听神经，其代表方案有晶呸、磊墨最；而波形方案是将言 语信号的波形以不同的方式传送到电极，其代表方案有a c e 、c i s 、s p e a k 。在大部 分已经投入使用的人工耳蜗中，c i s 是一种必不可少的言语处理方案，也是被大部 山东大学硕士学位论文 分患者所认同的一种方案。因此论文中以c i s 言语处理方案为例来研究c i s 改进方案 的特性。 在人工耳蜗波形处理方案中，都要用到滤波器组，其作用是将原始语音划分成 若干频段，再做后续处理。在已往的c i s 方案仿真中，大多数采用巴特沃夫滤波器， 它是一种非线性滤波器，当语音信号通过非线性滤波器组时，语音信号被分为几个 频段，但与此同时，语音信号的相位信息被改变了。而全相位滤波器是一种改进的 频率采样法，属于线性滤波器，改进的方案采用线性滤波的方法来更好的保留原始 语音信号的相位特性，使得最后的合成语音更为清晰，有更好的音质。文中对c i s 方案的改进关键在于，语音信号通过滤波器组时采用了与已往不同的全相位滤波器 组。由于全相位滤波器组的零相位特性，陡降性等优点，通过滤波器组后的语音保 留了原始语音信号的相位信息，提高了语音的音质。 论文详细介绍了全相位滤波器的原理，并与频率采样法相比较，通过仿真结果 说明了，全相位滤波器无论是在过渡带宽度、阻带衰减，还是在纹波的均匀度方面， 全相位d j 可法都要优于频率采样法。并且与八通道的巴特沃夫滤波器组相比较，展 示了全相位滤波器组与传统的滤波器组不一样的特性。论文通过m a t l a b 平台，对 c i s 方案进行仿真并得到最后的合成语音结果，通过波形图，语谱图以及实际的测 听实验得到的数据表明，利用全相位滤波器改进的言语处理方案可以使最后的合成 语音更加清晰，得到更好的音质。 论文的最后对论文中的工作进行总结，并指出实验存在的不足之处和下一步 研究工作的思路。 综上所述，本篇论文所进行的研究具有三个特点： 第一、第一次将全相位滤波器用于人工耳蜗c i s 方案； 第二、对c i s 方案在m a t l a b 平台上进行仿真，并得到最后的合成语音结果； 第三、利用合成语音做实际的测听，从测听结果的正确率和清晰度上，进一 步说明了改进方案的优势。 关键词：人工耳蜗，连续相问采样( c i s ) 方案，全相位滤波器，巴特沃夫滤波器， 当杰盔主耍主兰簦鲨銮 a b s t r a c t t h r o u g hs t i m u l a t i n gr e m a i n d e rh e a r i n gn e r v eb ye l e c t r i c a ls i g n a l ，c o c h l e a ri m p l a n t s a mt h eo n l ym e d i c a lt o o l st h a tc a nm a k et h ed e a fg e tp a r ta u d i t i o n 2 0y e a r sa g o 。i ti sa s i m p l es i n g l ee l e c t r o d es e t t i n gi no r d e rt os t r e n g t h e np a t i e n tl i pr e a d i n ga n da p p e r c e i v e s o u n d t o d a yc o c h l e a ri m p l a n t sh a v eb e e nd e v e l o p e dt ob eac o m p l e xm u l t i e l e c t r o d e s e t t i n g t h a tc a l l s u p p o r t6 0 , 0 0 0p e o p l ei n t h ew o r l dt oc o m m u n i c a t eb yp h o n e s u c c e s s f u l l y n e a r l y , i n c l u d i n g3 m o n t h sc h i l d r e na n da d u l t s ，e s p e c i a l l yr e m a i n d e ri nt h e l o wf r e q u e n c y t h es c o p eu s i n gc o c h l e a ri m p l a n t sh a sb 嘲e x t e n d e d a l t h o u g ht h e d i f f e r e n c ei nd i f f e r e n ti n d i v i d u a li sv e r yl a r g e ，o nt h ea v e r a g e ，m o s to ft h eu s e r sc a n c o m m u n i c a t eb yp h o n es u c c e s s f u l l yt h r o u g hc o c h l e a ri m p l a n t si nt h eq i l i e te n v i r o n m e n t t h en u m b e ro fu s e 侣a n ds c i e n t i f i cl i t e r a t u r ei se x p o n e n t i a li n c r e a s i n g , w h i c hp r o v e sm a t c o c h l e a ri m p l a n t sh a v eb e e nd e v e l o p e dt ob ear i p ef i e l d f i r s to fa l l ，t h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dt h ed e v e l o p m e n to f c o c h l e a ri m p l a n t sa r e s u m m a r i z e d t h r o u g hd e s c r i b i n gt h es p e e c hs i g n a ls y n t h e s i z i n gm e t h o d , t h eo p e r a t i n g p r i n c i p l eo fn o r m a lh e a r i n gp e o p l e sc o c h l e aa n dt h ep a t h o l o g yf o u n d a t i o no fd e a f n e 熔s ， t h ep r i n c i p l eo fc o c h l e a ri m p l a n t sa n dt h ef u n c t i o no fe v e r yp a r ti nc o c h l e a ri m p l a n t sa l e i n t r o d u c e d i nt h ed e v e l o p m e n to fc o c h l e a ri m p l a n t s ，s i g n a lp r o c e s s i n gp l a y sa ni m p o r t a n t r o l e a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c e si ns p e e c hp r o c e s s i n g ，t h es p e e c hp r o c e s s i n gm e t h o d c a nb ed i v i d e di n t of e a t u r ee x t r a c t i n gs t r a t e g ya n dw a v es t r a t e g y f e a t u r ee x t r a c t i n g s t r a t e g ye x t r a c t st h ei m p o r t a n tf e a t u r ea tf l r s t , t h e nt r a n s m i t st h ef e a t u r et od i f f e r e n t e l e c t r o d e st os t i m u l a t eh e a r i n gn e r v ea n dt h er e p r e s e n t a t i o n a lm e t h o di n c l u d e sf 0 兄， f off l f 2 ；w a v es t r a t e g yt r a n s m i t st h ew a v eo fs p e e c hs i g n a lt oe l e c t r o d e si n d i f f e r e n tm e a n sa n dt h er e p r e s e n t a t i o n a lm e t h o di n c l u d e sa c e 、c i s 、s p e a k w et a k e c i ss t r a t e g yf o ra l le x a m p l ea n dp r e s e n ta ni m p r o v e dc i ss t r a t e g y i nt h ei m p r o v e dc l s s t r a t e g y , an e wt y p ef i l t e i a l lp h a s ed f ff i l t e rr e p l a c e st h eo l df i l t e r i nt h ef o r m e r 3 山东大学硕士学位论文 c i ss t r a t e g y , b u t t e r w o r t hf i l t e ri sa d o p t e di nm o s to fc o c h l e a ri m p l a n t s ，w h i c hi sak i n d o fn o n l i n e a rf i l t e r t h ed i s a d v a n t a g eo fn o n l i n e a rb a n d p a s sf i l t e r si st h a tw h e ns p e e c h s i g n a li st r a n s m i t t e dt ot h en o n l i n e a rb a n d p a s sf i l t e r s ，t h es p e e c hs i g n a li sd i v i d e di n t o s e v e r a lc h a n n e l s ，b u ta tt h es a m et i m et h ep h a s eo fo u t p u ts i g n a li sc h a n g e d t h e a p d f ti san e wt y p eo fz e r o p h a s el i n e a rf i l t e r , w h i c hi san e wf i rf i l t e rd e s i g n p o s s e s s i n gc o n c u r r e n t l yt h em e r i t so ft h ec o n v e n t i o n a lw i n d o w i n ga n dt h ef r e q u e n c y s a m p l i n g n ep h a s eo fo r i g i n a ls i g n a lc a n b er e s e r v e dm o l ti n t e g r a l l yi nt h ei m p r o v e d c i ss t r a t e g y , s ot h es y n t h e s i z e ds p e e c hw i l lh a v eb e t t e rs o u n dq u a l i t y 1 n h ep r i n c i p l eo fa p d f ti si n t r o d u c e dd e t a i l e d l yi nt h i sp a p e r c o m p a r e dw i t hf i r f i l t e rd e s i g n ，t h ea p d f th a st h ea d v a n t a g eo ft h ef r e q u e n c ys a m p l i n gi no v e r a l lf i l t e r p e r f o r m a n c ea n dc a nb eu s e dt or e a l i z es t r i c t l ya n dp o w e rc o m p l e m e n t i u ys u b - b a n d f i l t e r i n g c o m p a r e d w i t h8c h a n n e l sb u t t e r w o r t h b a n d i a s sf i l t e r , d i f f e r e n t c h a r a c t e r i s t i c so f8c h a n n e l sa p d f tb a n d p a s sf i l t e rc a nb es e e ni nt h ec o m p a r i n g p i c t u r e c i ss t r a t e g ys i m u l a t i o ni sd o n eo nt h ec o m p u t e ra n dg e t st h el a s ts y n t h e s i z e d s p e e c hs i g n a l t h es p e e c hs i g n a lw a v e ，s p e c t r aa n da c t u a lh e a r i n ge x p e r i m e n ts h o w s t h a tw ec a ng e tb e t t e rs o u n dq u a l i t yi nt h ei m p r o v e ds t r a t e g y , a b o v ea 1 1 t h e r ea r et h r e ep o i n t si nt h i sp a p e r ： 1 t h ea p d f tf i l t e ri su s e di n t oc o c h l e a ri m p l a n t sc i ss t r a t e g ya tf i r s t ； 2 c i ss t r a t e g ys i m u l a t i o ni sd o n eo nt h ec o m p u t e rw i t hm a t l a ba n dw eg e tt h el a s t s y n t h e s i z e ds p e e c hs i g n a l ； 3 w eh a v ed o n et h ea c t u a lh e a r i n ge x p e r i m e n tw i t ht h es y n t h e s i z e ds p e e c hs i g n a l t h er e s u l to fe x p e r i m e n tp r o v e st h a tt h ei m p r o v e ds t r a t e g yh a sm o r ea d v a n t a g e s t h a no l ds t r a t e g y k e yw o r d ：c o c h l e a ri m p l a n t s ，c o n t i n u ei n t e r l e a v e ds a m p l i n gs t r a t e g y ( c i s ) ，a l lp h a s e d f r f i l t e r ( a p d f r ) ，b u t t e r w o r t hf i l t e r 4 山东大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 几个世纪以来，人们一直认为能够修复耳聋人的听力是一个可望而不可及的 奇迹。直到五十年前，科学家们首次尝试使用电刺激的方式来刺激听觉神经来恢 复耳聋病人的听力。令人失望的是，第一次的实验病人反映所听到的语言不能够 理解。但是，经过研究人员的不断研究，尝试使用不同的技术来传送电刺激信号 来刺激听觉神经，由电刺激引起的听觉已经越来越与正常的语音相接近了。现在 一种叫做人工耳蜗的装置，能够植入人体的内耳并且部分修复深度耳聋者的听力。 现在有一部分植入者已经能够不通过唇读和手语来进行交流了，部分患者甚至能 够通过电话进行交流了1 1 】。 人工耳蜗作为一种为重度、极重度或全聋的成人和小儿恢复或获得听力的一 种电子装置，能把声音信号转变为电信号直接刺激听神经纤维，从而产生听觉。 人工耳蜗在英语中称c o c h l e a ri m p l a n t 或称为b i o n i ce a r 。中译名有人工耳蜗、电 子耳蜗、耳蜗植入、仿生耳、电子仿生耳等。 对听力正常的人来说，声音由空气传到鼓膜经听小骨传至内耳，引起基底膜 的振动。基底膜上毛细胞的纤毛产生扭曲引起细胞膜的电位变化，从而释放出神 经介质。并使位于毛细胞底部的听神经末梢纤维产生了电位变化，这种电位的变 化经螺旋神经节细胞传至中枢，产生听觉。 感音性聋病人由于不同程度的毛细胞病变和减少，可有不同程度的听力损失。 对于轻度、中度和一部分重度聋的病人来说，助听器是有效的。可是对于一部分 重度聋、深度耳聋及全聋的病人来说，大量的毛细胞损失以及声音的畸变使得最 好的助听器也效果甚微，甚至无能为力。而这类病人往往还保留着一定数量的听 神经纤维和螺旋神经节细胞。如果把外界的声音转化为电信号送入耳内，直接刺 激听神经未梢则有可能产生听的感觉1 2 】。 人工耳蜗技术发展到今天，已经从试验研究进入临床应用，成为目前全聋患 5 当銮銮耋鎏圭兰j 耋鲨耋 者恢复听觉的唯一有效治疗方法。特别是随着近年来生物医学工程等毫新技术的 出现，使人工耳蜗的研究得到了突破性进展，主要表现在体内植入材料、语音处 理器和电极数目上。随着近年来心脏起博器等体内装置工业植入材料的改进，受 封装材料的生物相容性及其密封性困扰的人工耳蜗也被进一步推进。 就言语处理方案方面，目前国际上尚无人工耳蜗言语处理方法的统一标准。 总的来说，言语处理方法分为两种：一种方法以声码器为基础，处理时，语音信 号通过带通滤波器组被分为若于个频带，检测出各种频带的峰值幅度后，再按部 位编码机制划分成多个通道，各通道的输出的刺激信号作用在具有相应特征频率 的神经元处，最终合成语音信号；另一种从则是以语音特征提取为基础，处理时， 对语音信号的基频、共振峰等信息进行提取和编码，利用这些信息刺激听觉神经 纤维，从而使患者理解语音。 就电极方面，人工耳蜗也从多道插座式耳蜗植入、单道感应式耳蜗植入发展 到今天的多道感应式耳蜗，前两种方法已经被淘汰，且前多道感应式耳蜗电极数 目最多已发展到2 2 导。 就整体而言，虽然耳蜗植入装置在设计上各有千秋，但其语音识别水准相差 不大，都能使过半数的使用者不借助唇读达到或超过5 0 的句子识别水平。就个 体而言，由于受耳聋时间、耳蜗植入年龄、听神经存活的多少等差异影响，每种 人工耳蜗产品的效果差异很大，从完全听不懂到完全听得懂都有。 目前在我国，北京、上海、兰州、郑州等多个研究小组对多通道耳蜗装置进 行研制，其中复旦大学成功研制出国产多道程控人工耳蜗，但目前尚处于实验室 条件下的少量产品，主要依赖国外进口以解决我国广大耳蜗病人的需求，但进口 装置价格昂贵，国内患者多难以承受，因此早日用上适合我国国情的国产人工耳 蜗产品成为我国广大耳聋患者的共同呼声1 3 】。 人工耳蜗的成功要归功于不同领域科学家共同努力的结果，包括生物工程学， 生理学，耳鼻喉学，语音科学和信号处理学。这些学科对于人工耳蜗涉及的不同 方面都有着不同的贡献。特别足信号处理在不同的电刺激技术发展中扮演了非常 重要的角色。怎样使人工耳蜗的设计能更好的模仿正常耳蜗功能，是信号处理技 术发展所面临的巨大挑战。由于语音信号的处理方案是人工耳蜗中语音处理器的 6 山东大学硕士学位论文 最核心技术，它自然成为人们关注的焦点。 1 2 本文主要工作 本文的研究主要针对人工耳蜗连续相间采样( c 1 8 ) 处理方案，从滤波器的角 度对c i s 方案进行了改进。本文主要介绍了人工耳蜗的工作原理、人工耳蜗的言 语处理方案、全相位滤波器的原理和仿真，完成了全相位滤波器应用于c 1 8 言语 处理方案仿真。本文所做的主要工作概括如下： 1 、基于m a t l a b 平台对低通全相位滤波器进行仿真 通过研究全相位滤波器的原理，仿真了低通全相位滤波器和巴特沃夫滤波器， 并对照分析了仿真结果，验证了全相位滤波器在滤波性能上的优势。 2 、基于m a t l a b 平台对全相位滤波器组进行仿真 在人工耳蜗波形处理方案中，滤波器组是重要的组成部分，起到了将语音信 号划分为若干个频带的作用，滤波器组性能的优劣将影响最后合成的语音信号质 量。针对c i s 方案中所应用到的滤波器组，仿真了八通道全相位滤波器组和八通 道巴特沃夫滤波器组，并给出了频响比较图。 3 、提出全相位滤波器组在人工耳蜗c 1 8 方案中的应用 提出将全相位滤波器组应用到人工耳蜗c 1 8 方案并进行仿真，给出了与巴特 沃夫滤波器组仿真结果的对照分析，讨论了合成效果的优劣。阐明了全相位滤波 器在人工耳蜗c 1 8 方案中的应用优势。 4 、完成测听实验 通过对正常听力人耳的实际测听，给出新方法的改进效果。论文的研究工作 侧重理论性研究，初步将全相位滤波器应用到人工耳蜗c 1 8 方案中，取得了较好 效果，是本文的创新点在整个实验过程中，通过全相位滤波器与传统巴特沃夫 滤波器的仿真结果对比分析，阐明改进方案的优势。在实际测听过程中，完成正 常人的仿真合成声音测听工作，从而得到不同方案的识别率。论文中涉及的所有 的算法均是基于m a t l a b 7 0 平台完成。 与本文所做的工作相对应，论文在章节上的组织结构为： 第一章绪论首先给出了论文的研究背景；然后综述人工耳蜗的概念及发展现 山东大学硕士学位论文 状，并阐述言语处理方案对人工耳蜗性能的重要性；最后简明扼要的介绍本文的 研究工作和主要内容。 第二章介绍人工耳蜗的工作原理。首先介绍了言语信号是怎样产生的；然后 说明正常人的听觉是怎样产生的、耳聋的病理学基础及频率编码；最后给出人工 耳蜗的系统构成部分，并说明各个部分的作用。 第三章介绍人工耳蜗言语处理方案。分别介绍了特征提取方案及波形方案， 并介绍了其中代表性的言语处理方案。 第四章通过分析传统f i r 零相位滤波器的设计方法及缺陷，阐述了全相位滤 波器的优势及原理，并给出了仿真结果。 第五章人工耳蜗c i s 方案的仿真。介绍了c i s 方案的原理，并实现了全相位 滤波器在此方案中的应用，给出了仿真结果。最后进行全相位滤波器的仿真结果 与巴特沃夫滤波器的仿真结果的对比分析，讨论两种方案的差异及优劣。 第六章对文章的工作进行总结，并指出本文研究的不足之处以及尚待解决的 问题，同时指出下一步研究工作的方向。 论文的最后是参考文献、致谢以及作者在硕士就读期间发表的论文。 8 山东大学硕士学位论文 第二章人工耳蜗的发展及工作原理 2 1 人工耳蜗发展的历史 人工耳蜗的历史可以追溯到至少2 0 0 年以前的意大利科学家a l e s s a n d r o v o l t a ，他发明了电池，电压单位伏特( v o l t ) 就是以他的名字命名的。他利用电 池为研究工具证实了电激励可以直接激起人体的听、视、嗅和触觉感知( v o l t a 。 1 8 0 0 ) 。当他将一个5 0 伏电池的正负极分别贴近双耳时，它感觉到；“当电 路接通的那一刻，我觉得我的头被震了一下，过了一会我开始听见一种声音，或 者说是一种噪音，我无法确切描述：那是一种带着电火花的噼啪声，好像有什么 粘稠的东西被煮沸了这种可怕的感觉让我不敢再继续重复这个实验，因为我 觉得对大脑的电击很危险 在此后的1 5 0 年里，没有出现关于听觉系统的电刺激效果的安全而系统的研 究的相关报道，直至现代电子技术的出现。1 9 3 7 年，s s s t e v e n s 和他的同事运 用真空管振荡器和放大器，证实了至少三个与4 电声感知”有关的机制( s t e v e n s ， 1 9 3 7 ；s t e v e n s a n d j o n e s ，1 9 3 9 ；j o n e s e t a l ，1 9 4 0 ) 。第一个机制是“电动机械效 应”，具体指电刺激使耳蜗中的纤毛细胞振动，从而使人在与电刺激相对应的声刺 激信号的频率点上感觉到一个音调信息。第二个机制是鼓膜将电信号转换成声学 信号，从而使人在2 倍信号频率点上感觉到另一个音调信息。s t e v e n s 等人之所 以能将第二个机制从第一个中分离出来是因为他们发现鼓膜破损或缺失的病人只 能感觉到原始频率的音调信号。第三个机制与听觉神经的直接电兴奋有关，因为 有一些病人称他们在正弦电激励信号中感到有类似噪声的声音，随着电流变化有 着剧烈的响度增加，并且时常会引起面部神经兴奋。然而，最早证明听觉神经的 电刺激效应的却是一组俄罗斯科学家，他们声称观察到了一个中耳和内耳耳聋的 病人在电刺激下的听力感知( a n d r e e ve ta 1 ，1 9 3 5 ) 。 在1 9 5 7 年，法国医生d j o u r n o 等人成功的运用电刺激使两个完全耳聋的患者 产生了听力感知( d j o u r l 3 0a n de y r i e s ，1 9 5 7 ；d j o u m o ，1 9 5 7e ta 1 1 9 5 7 ；d j o u r n o 9 山东大学硕士学位论文 e t a l 1 9 5 7 ) 。他们的成功刺激了2 0 世纪6 0 一7 0 年代美国西岸一系列恢复耳聋患 者听觉的深入研究。虽然早期研究的方法与现在的技术相比很原始，但是它们指 出了许多关键问题和一些为了能成功实现听觉神经电刺激而必须考虑的限定条 件。例如，他们发现，与原声听觉相比，听觉神经的电声听觉的动态范围小很多， 且声音变化幅度剧烈，时域音调也仅限在几百赫兹范围。 在商用方面，h o u s e 3 m 单电极耳蜗在19 8 4 年成为第一个通过f d a 认证的 耳蜗装置并拥有几百名使用者。 u t a h 大学亦开发了一套穿皮插销式的6 电极耳 蜗，并且也有几百名使用者。u t a h 大学的这个装置在文献中被称作i n e r a i d 或 s y m b i o n 装置，它很好的适应了实验应用的需要。比利时的a n t w e r p 大学开发的 l a u r a 系统可以传递8 通道双极性或1 5 通道单极性刺激信息。法国的m x m 实验 室也开发了一个1 5 通道的单极性装置，d i g i s o n i cm x 2 0 。这些产品后来都逐渐 被淘汰。现在世界上的三大主要的人工耳蜗生产商分别是美国的a d v a n c e d b i o n i c s c o r p o r a t i o n 公司，代表产品为c l a d o n 人工耳蜗；奥地利的m e d e l 公司； 澳大利亚的c o c h l e a r 公司，代表产品为n u c l e u s 耳蜗。 2 2 人工耳蜗的现状 如今，全球人工耳蜗的使用人数已经达到了6 万人，其中包括2 万名儿童， 这个数字依然以指数函数增长着。功能方面，人工耳蜗已经从最初的用作唇读辅 助设备或声音感觉器的单电极简单装置演进成为一种可供半数以上使用者顺利电 话交谈的现代化多电极装置。图1 1 反映了近2 0 年来人工耳蜗在改善语音识别 性能方面的进步历程，横坐标表示不同的设备厂商的不同处理器在不同年份进行 的不同实验，而纵坐标则是每一种处理器在安静环境下进行句子识别的正确识别 率。早期的单电极装置，除了一些个别的话题外，基本就不能实现自由的语音识 别。在n u c l e u s 装置中，语音识别率从1 9 8 0 年以来每5 年稳定增长2 0 个百分 点的这一事实尤为显著。虽然现有的人工耳蜗在语音信号处理和电极设计方面都 有很多差异，但是各种品牌产品的使用者在使用中却没有特别明显的性能差别。 t o 山东大学硕士学位论文 恐訾n u c l e u m 紫器訾篇紫曾学黼糯 1 9 8 0l g e 2t 9 8 5t g 1 9 0 42 0 0 2 t 0 9 2 1 9 8 31 9 口j 62 0 0 l1 9 9 62 1 1 垃 图1 1 人工耳蜗的发展 人工耳蜗研究现在已经发展成熟并逐渐形成一个新的科研领域。图1 - 2 分别 展示了从m e d l i n e 数据库中可以搜索到的人工耳蜗和助听器这两个术语相关的 年文章发表数目。在2 0 0 4 年1 月2 7 日，数据库中共找到2 ，6 9 9 篇与人工耳蜗相 关的文章。相比之下，。助听器”可以找到共2 ，7 4 0 个条目，而“听觉的”则有5 8 。5 5 1 个条目。年论文数目的指数性上升趋势，侧面反映了人工耳蜗用户的增长态势， 而且更反映了对研究人工耳蜗所投入的经费的增长情况。助听器的研究明显早起 步于人工耳蜗，1 9 世纪6 0 年代初期到7 0 年代中期之间，每年近1 0 - 2 0 篇的论文 发表证明了这一点。助听器类的文章数目在1 9 7 0 年代中期以后开始有了大的飞 跃，一直增长到现今年1 0 0 篇左右的水平。而相比之下，人工耳蜗的相关文章从 1 9 7 2 年开始才出现在数据库中，最早的文章是关于内耳植入电极的动物体研究 ( h a o w i t ze ta 1 。1 9 7 2 ) 。第一个人体研究则是由d lw i l l i a mh o u s e 发表于1 9 7 4 年( h o u s e 。1 9 7 4 ) 人工耳蜗类的文章从1 9 9 0 年开始呈现指数性上涨，并在9 0 年代中期超过了助听器的文献数目，在2 0 0 0 年达到了年2 5 0 篇文章的最高峰。在 2 0 0 0 年之前的这个振荡态势恰巧与两年一次的可植入听力辅助系统大会的年次相 吻合，这可能反映了研究者有意或无意地努力在权威会议上展示他们的工作成果。 ” 拍 柏 拍 寸9暑-oo水一c卫皇coop-p重暑西 山东大学硕士学位论文 翟 旦 茜 羞 & 芎 暑 芒 主 2 3 言语信号 图1 2 人工耳蜗的学术文献的增长 言语信号的产生可用声源一滤波器模型( s o u r c e - - f i l t e rm o d e l ) 来进行解释，这 种模型简单、实用、且广为接受。此模型认为，言语的声源来自于声道，经过声 道的共振响应( 滤波器) 而产生各种不同的言语信号【4 删。首先声源有二种，一种为 声道产生的气流噪声，这种言语声为无嗓音声( u n v o i c e ds o u n d ) ，由气流冲出狭窄 的声道时而形成如摩擦声，f ，“，或爆破声p ，t ，i ( ，等；第二种声源为声带周期 性振动而产生的嗓音声( v o i c e ds o u n d ) ，所有元音都是具有这样的声源。声带振动 的频率即为言语信号的基础频率( 或基频) ( f u n d a m e n t a lf r e q u e n c y = 第三种声源为 前两者的合成即声带振动产生的周期声与声道非周期的噪声结合而成如将无 嗓音声的摩擦声s ) j n 上声带振动便成了，z ，同理，p ，t ，i ( 加上声带振动即成了 b ，d ，g 。 声道的形状决定声道的共振响应即滤波器特性声道的形状则取决于舌、腭 帆、唇及下颚的位置。声源经过声道的共振响应后在频谱上形成一些共振峰 山东大学硕士学位论文 ( f o r m a n t s ) 。第一( 乃) ，第二( f 2 ) ，和第三共振峰( 乃) 的频率，尤其是第一( 乃) 和第 二共振峰( 兄) 的频率提供了区别不同元音及其他嗓音声的信息【5 嗣。图1 3 显示几 个不r 元音的频谱，可见，根据共振峰位置的不同，我们可区分不同的元音，这 一原理被早期的多导人工耳蜗系统所采用以试图通过提取共振峰的信息而达到 语言识别的目的。 到山岫忑。 主舢 主衄血 图1 3 言语信号产生的原理 声带振动的嗓音( 上) 由多个振幅渐减的谐音组成，其基频约为1 4 0 h z ，经过不同 的声道共振特性( 左) 的滤波后产生不同的言语信号( 右) 。从a ，彤和m 三个元音的 频谱可见，不同元音的共振峰的频率( f i ，f 2 和f s ) 各不相同 言语信息不单纯存在于上述的共振峰内，例如，无嗓音声的辅音则无法以共 振峰来代表。研究表明，言语声信号在时域上的起伏波动，即声波的包络( e n v e l o p e ) 形状，也含有丰富的言语信息，如图1 4 中( 1 ) 所示一男声读英语单词“e a r s ”的 声波，可见不同音素( 元音e a r 和辅音s ) 的包络形状的差异。对这一声波进行声谱 分析可得其声谱图，如图1 4 中( 2 ) 所示。声谱图描绘声信号在时间和频率二维 墓擘 霉 山东大学硕士学位论文 上的能量分布。由图1 4 可见，元音l e a r 的共振峰十分突出，e 、最和e 分别为 4 0 0 、2 3 0 0 利3 8 0 0 h z 左右；辅音，s ，则含有丰富的高频能量且无共振峰的存在。 现代多导人工耳蜗系统多主张将声波的包络信息提取并传送到耳蜗，效果明显优 于共振峰提取的策略。 s h a n n o n 等人( 19 9 5 ) 进行了一顶有趣的声学模拟实验，他们用上述的包络来 调制与各频段相应的窄带噪音然后给正常人听这一合成的声信号、结果发现正 常人只需要3 、4 个频段便能听懂大部分的言语。这一结果提示人工耳蜗系统可能 只用4 个频道便能达到良好的言语识别效果。当然，在此之后的研究进一步表明， 在日常生活中复杂的声学环境( 如背景噪声) 下，人工耳蜗病人可能需要远远多 于四个频道的信息。 图1 4 男声说英语单词“e a r s ”的时域波形( 1 ) 及其声谱图( 2 ) 时域波形可见不同音素( 如元音e a r 和辅音s ) 的包络形状的差异。声谱图示声信号在时 间( 横轴) 和频谱( 纵轴) 上能量分布情况，灰度深浅表示能量的大小。元音部分可见每一 声带振动产生的能量，共振峰( f ，f 2 和f 3 ) 也可确定( 如箭头标示) ，辅音则含丰富的高 频能量且无声带振动。这种声谱图又称为宽带声谱图。 t 4 山东大学硕士学位论文 2 4 正常听力及频率编码 声音经过外耳的收集及中耳的增益传入充满液体的内耳。内耳的耳蜗部分属 于听觉器官，其形状为蜗牛形空腔，传入内耳的液体的压力变化继而转变成耳蜗 内富有弹性的基底膜的振动，在基底膜上坐落有约1 5 0 0 0 个毛细胞，由于基底膜 的振动，位于毛细胞顶端的静纤毛左右摆动，从而导致毛细胞内电压的改变，后 者呈去极化，偏阳性时使得毛细胞底端的化学物质，即神经递质谷氨酸释放出来， 这一将机械振动转换为电化学反应的过程被称为传感，主要由占毛细胞总数l 4 的内毛细胞完成。听神经末梢在谷氨酸这一兴奋性神经递质的刺激下产生神经动 作电位，后者经听觉神经通路传入听觉中枢。 听神经细胞，即螺旋神经节细胞，位于耳蜗中轴附近，为数约3 5 0 0 0 。其中 9 5 支配内毛细胞，剩下的5 支配外毛细胞。螺旋神经节细胞的中枢端经过内听 道进入脑干，与耳蜗核形成突触，之后，听觉信息经双侧听神经通路传至双侧听 皮层中枢【7 l 。图1 5 示正常听觉系统的外周部分的构造。 外耳 图1 5 正常听觉系统外周部分的构造 声音经过外耳的收集及中耳的增益后传入内耳，内耳毛细胞将机械振转换成神经递质的 释放，后者刺激螺旋神经节细胞外周端产生神经动作电位并将中枢端传人中枢听觉系统 1 5 矿 图l - 6 耳蜗基底膜上频率的分布 图中所标数字即为该处编码的频率( h z ) 。耳蜗靠近中耳镫骨底板( 卵圆窗) 处为蜗底，向 内延伸至蜗尖。基底膜的宽度从蜗底至蜗尖逐渐增大 听觉系统的主要功能即为频率分析及编码。依靠耳蜗基底膜的力学特性，不 同频率的声音在基底膜不同部位引起最大的振动，低频声在耳蜗内部形成行波， 并在靠近蜗尖的基底膜处引起最大位移，而高频声相反，其行波的波峰靠近蜗底， 由图1 6 可见，耳蜗基底膜将人耳听觉频率范围( 2 0 - - 2 00 0 0 h z ) 由蜗尖到蜗底有 序地排列下来，因此，耳蜗的功能便像是一个频谱分析仪，将复合的声音分解为 各自的频率成分。 由于耳蜗基底膜将不同频率的声音分配到不同部位，也就是说分配到不同的 毛细胞上，而螺旋神经节细胞的外周端支配毛细胞时也是有序地从蜗尖到蜗底排 列着( 见图1 5 ) ，因此，不同的耳蜗部位或螺旋神经节部位编码着不同的频率，这 便是常为人知的“位置学说”。这一学说也就是多导人工耳蜗之所以能传输频率信息 的基本出发点。 2 5 耳聋的病理学基础 内耳的毛细胞将基底膜的振动转换成电化学反应，听神经将这一反应以神经 动作电位的方式传入听觉中枢。没有毛细胞的传感，声波的振动无法转换成神经 动作电位，因此，中枢听觉神经系统无法感受声音( 即耳聋) 。绝大多数感音神经性 1 6 山东大学硕士学位论文 聋的病理基础源自于毛细胞的丧失或功能缺陷，实可称之为感音性聋，而只有少 数感音神经性聋的病理基础是听觉中枢通路或皮层上的病变，此为真正的神经性 聋，人工耳蜗恰好是针对感音性聋( 即毛细胞病变) 的一种康复手段嘲。 许多疾患可引起耳蜗毛细胞的病变，这些疾患包括先天性聋、耳毒性药物中 毒性聋、脑膜炎后遗症、梅尼埃病、噪声性聋、突发性聋、老年性聋、自身免疫 性内耳病、细菌性或病毒性迷路炎，等等。在这些疾患引起毛细胞病变的同时或 继毛细胞丧失之后，支配毛细胞的听神经末梢或神经元胞体或多或少会蜕变或死 亡( 图1 7 ) 。 井耳 图1 7 感音神经性聋的听觉外周部分的病理生理 各种耳聋病患引起内耳毛细胞的死亡或功能丧失。继毛细胞丧失后，支配毛细胞的螺旋 神经节细胞也随之死亡( 图中以缺损表示) 或蜕变( 虚线所示) 。不少残存的螺旋神经节细 胞的外围端也都是呈退行性变化，但其中枢端仍完整 这一点在人工耳蜗应用时值得关注，因为人工耳蜗需要听神经元( 即螺旋神经 节细胞) 的存在才能发挥作用。当然，至今为止我们并不知道需要多少听神经元的 存在才能确保人工耳蜗达到一定的言语识别效果，但是常理告知我们，听神经元 存在的数量越多，人工耳蜗的效果越好。大量的颞骨病理学研究表明，听神经元 在各种内耳病变之后的残存率变异极大，多至正常的7 0 左右，少至正常的1 0 ，值得注意的