一种改善人工耳蜗音质的新型语音编码方法的研究

摘要

人工耳蜗是一种用电刺激的方法恢复全聋人听觉的装置，其功能是对正常人的外耳、中耳、内耳等外周听觉系统生理功能的模仿。依据耳蜗对语音的部位编码原理，将若干个电极植入耳蜗的鼓阶内，体外的语音信号经处理器处理后产生与各个电极对应的电刺激脉冲，直接兴奋耳蜗内不同部位电极附近的听神经，使患者产生真实的听觉感受，从而达到恢复患者听力的目的。当前人工耳蜗主要包括三部分：微型麦克风、语音处理器、植入电极。 经过科学家们多年的研究，人工耳蜗已经取得可喜的成绩。据统计，现今植入人工耳蜗的患者可以恢复分辨普通对话80％的听力水平。而对于除平常人交谈的声音外的声音分辨效果就非常差。耳蜗进行声音信号向生物电信号转换包括两部分。第一部分是机械波向感受器电位的转换，即由毛细胞的机.电转换功能进行整流并生成耳蜗微音器电位。第二部分是耳蜗微音器电位转换成昕神经纤维上的动作电位，在这一过程中，一神经纤维上动作电位的产生有依赖于声音强度的时间反应特性。目前人工耳蜗就忽视了这一突触反应过程。全聋患者多因毛细胞功能丧失，不仅丧失了人耳分频作用和机.电转换作用，也丧失了毛细胞与听神经纤维的突触传递作用；因而也就失去了神经纤维产生动作电位的时间编码作用。时间编码作用不仅是动物听觉具有前掩蔽和后掩蔽生理特性的原因，也是中枢进行信息加工整合的依据。没法表现听觉中枢的时间编码、传递和处理特性，以及前后掩蔽的生理特性。 由于现有人工耳蜗所实现的对非人类平常对话语音分辨效果并不十分理想。本课题研究是在CIS语音编码方法的基础下，结合听觉生理刺激产生的机制，提出一种使用“幅度-时间-频率”(Amplitude-Time-Frequency)编码方法。该方法将语音信号的强度分别转换为刺激起始时间、频率和幅度。我们称之为ATF编码方法。ATF编码方法是由单一采样幅度生成一串电脉冲序列，最后整合出适合刺激耳蜗神经的电脉冲序列。该方法使位置编码和时间编码有机地结合起来，不仅成功地保留了声音的原始特性，又融入突触的时间编码作用，从而可能最大限度地恢复听觉的生理功能。 本文详细介绍了ATF语音编码方案的理论依据，数学模型，以及通过计算机模拟人工耳蜗的语音信号处理方法，实现.ATF语音编码方案的过程，并且得到具体的结果。结果表明ATF编码方案中，经过ATF编码后，语音信号保持原始语音信号的绝大部分的信息量，在语音编码中是可行的；随着声音强度的不同产生不同幅度、不同起始时间和不同频率的刺激脉冲，使得不同电极给予电刺激的时间和幅度变异性更高，从而解决同时刺激电流干扰的影响。 在论文的最后对研究工作中的遗留问题进行了讨论，并对今后的工作进行了展望。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1人工耳蜗的历史

1.2人工耳蜗的发展现状

1.3人工耳蜗的原理介绍

1.4本课题的立论依据和课题介绍

1.5本文内容安排

第2章 听觉生理学与听觉心理学基础

2.1听觉生理学基础

2.1.1人耳的听阈和听域

2.1.2听觉生理结构

2.1.3耳蜗基底膜振动模型与频率学说

2.2听觉心理学基础

2.2.1听觉掩蔽（auditory masking）的概念

2.2.2掩蔽类型

第3章人工耳蜗语音编码方法的介绍

3.1 House／3M方案

3.2 Vienna／3M方案

3.3 FO／F2编码方法

3.4 FO／F1／F2语音编码方案

3.5 MPEAK语音编码方案

3.6 SPEAK语音编码方案

3.7压缩模拟编码方案(Compressed-Analog,CA)

3.8CIS语音编码方案(Continuous Interleaved Sampling,CIS)

3.9ACE编码方案(advanced confined encoding,高级结合编码)

第4章ATF语音编码方案的理论研究

4.1ATF语音编码方案的理论基础

4.2ATF语音编码方案的数学推导

第5章ATF语音编码方案的实验结果与讨论

5.1 ATF语音编码方案实验结果

5.2结果讨论

第6章总结与展望

6.1论文总结

6.2工作展望

参考文献

附录一：硕士期间发表的论文及取得的成果

致谢