增强电子耳蜗听感知的处理策略研究

摘要

电子耳蜗(Cochlear Implant，简称CI)是唯一能帮助深重度耳聋患者恢复听觉的医用植入设备，它依靠电脉冲直接刺激患者的听神经产生听觉。随着仿声耳技术的发展，其言语识别率可达很高，并用于听觉修复手术。但研究发现，CI仍存在不足，例如，多数语前聋儿童植入者对声调感知和发声均较差，对音乐感知更弱，人们对CI在音调及音乐听感知的认识和编码处理上仍有待深入；而且，在背景噪音下，CI的言语识别率和感知性能会迅速下降，有效抑制噪声的方案也是当前CI需要解决的重要课题。
　　 本文针对现有CI声音编码策略的不足，围绕提高CI感音质量、增强音调感知及抑制噪声等问题，从信号处理角度，进行了以下研究。(1)为更准确地提取声音信号，提出了全相位DFT带通滤波器组波形编码方案，由于全相位DFT滤波器更优的特性，使改进方案的CI仿真音信号和听感知均比以往传统非线性相位滤波器组的仿真结果更佳，从而证实：滤波器特性对波形编码方案有可感知的影响，尤其相位特性影响明显。(2)为探明健听耳感知音调信息的机理，提出了基于嵌合音实验的音调感知研究方案，通过全相位滤波+Hillbert变换将通道信号分解成包络和精细时间结构两部分，对多种嵌合方式重构的音作测听分析，结果发现：音调信息主要在低频段上以精细时间结构形式被人耳感知，分析现有编码方案的不足，提出并仿真实现了一种动态能量跟踪的优化电极刺激编码方案，提高了音质和音调的感知。(3)为增强背景噪声下CI的感音效果，对小波包去噪和谱减去噪方法做了深入研究，对已有算法提出改进措施，并用于CI抗噪。针对传统小波降噪存在过度阈值的问题，提出基于听觉感知小波包的时间自适应阈值降噪新算法，该算法通过计算每帧信号的语音存在概率密度，自适应调节降噪阈值，使重构得到的信号更加清晰，尤其在词边界感知上；为提高CI降噪处理速度和有效去除非平稳噪声，提出了基于语音端点检测和动态噪声谱估计的改进谱减降噪方案，对带噪语音每个Bark子带基于最小统计量调节递归平均的噪声谱估计，更好地跟踪非平稳噪声的变化，使传统谱减法难以解决的残留“音乐”噪声有效去除。(4)研究中，还开发了自己的CI听觉仿真实验平台，论文对其功能和组成架构作了介绍和说明。论文最后对CI的未来改进提出建议和展望。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1课题的提出与研究意义

1.2电子耳蜗技术的发展与现状

1.2.1电子耳蜗技术的发展

1.2.2研究现状和存在问题

1.3本论文主要创新点和组织结构

第二章 耳聋病理基础与电子耳蜗系统设计

2.1听觉系统

2.2耳聋分类及病理依据

2.3电子耳蜗结构和工作原理

2.4典型电子耳蜗处理方案

2.4.1单电极语音处理算法

2.4.2多电极语音处理算法

2.5关键问题及研究对策

2.5.1增强音调感知

2.5.2抑制环境噪声

2.6小结

第三章 改进电子耳蜗听感知的滤波器特性研究

3.1滤波器在电子耳蜗中的作用

3.2滤波器特性对带通信号的影响

3.3全相位滤波器的原理与设计

3.3.1全相位滤波器原理

3.3.2与传统滤波器设计方法比较

3.3.3全相位DFT滤波器设计方法

3.3.4全相位DET滤波器的频域实现结构

3.4不同滤波器特性对电子耳蜗音质影响的仿真实验

3.5仿真结果分析

3.5.1合成波形分析

3.5.2测听结果

3.6小结

第四章 声调感知机理与电子耳蜗处理策略改进

4.1言语声调的声学特征

4.2电子耳蜗的声调识别

4.3人耳声调感知机理实验研究

4.3.1嵌合声音(auditory chimaeras)实验原理和方法

4.3.2音调感知实验方案

4.3.3测试用语言材料及测试人员

4.3.4实验系统条件和参数设计

4.3.4测试方法

4.3.5声调感知实验结果及分析

4.4提高电子耳蜗音质和音调感知的改进编码方案

4.4.1改进方案的原理

4.4.2改进方案的实现方法

4.4.3与CIS方案仿真结果对比

4.5小结

第五章 噪声环境下增强电子耳蜗听感知的处理策略研究

5.1基于小波分析的语音增强算法简介

5.1.1基于小波分析的去噪方法及分类

5.1.2基于小波收缩算法的语音增强及改进方案

5.2听觉感知小波包分解

5.2.1小波包分解

5.2.2听觉感知小波包

5.3基于TEO的语音增强算法

5.3.1基于TEO的时间自适应阈值计算过程

5.3.2实验结果

5.4改进的小波包语音增强算法

5.4.1基于语音出现概率的自适应阈值的设定

5.4.2实验结果以及分析

5.5谱减语音增强算法简介

5.6噪声功率谱的估计

5.6.1传统的噪声功率谱估计

5.6.2改进的噪声功率谱估计

5.7改进的谱减语音增强算法

5.8改进谱减法在电子耳蜗ACE方案中的应用

5.9小结

第六章 电子耳蜗听觉仿真平台的构建与实现

6.1仿真平台简介

6.2平台功能设计与实现

6.2.1语音文件库

6.2.2处理方案选择及参数设置

6.2.3算法仿真平台

6.2.4算法评估平台

6.3小结

第七章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢