Modele systemu słuchowego buduje się ze względu na różne motywacje. Na przykład można mówić o modelach tworzonych dla potrzeb ochrony słuchu

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Modele systemu słuchowego buduje się ze względu na różne motywacje. Na przykład można mówić o modelach tworzonych dla potrzeb ochrony słuchu"

Przybysław Smoliński
8 lat temu
Przeglądów:

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 1

2 Przy ich budowie i optymalizacji trzeba uwzględnić właściwości wszystkich elementów wchodzących w skład rozważanego problemu: Bezpośrednie badanie daje wyłącznie fragmentaryczny obraz cech i właściwości systemu słuchowego Źródło hałasu Środki ochrony System słuchowy 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? 2

dźwięku, a dokładniej jego czasowa zmienność amplituda E S R C E czas Cztery formy przedstawienia sygnału mowy na przykładzie

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 amplituda E S R C E czas Cztery formy przedstawienia sygnału mowy na przykładzie stanu ustalonego głoski a częstotliwość Przykładowe widmo czasowoczęstotliwościowe wypowiedzi serce Przebieg czasowy Widmo uśrednione 3

4 Widmo dynamiczne w postaci 2D Widmo dynamiczne w postaci 3D Typowe analizatory pozwalają albo na szybką albo na dokładną analizę częstotliwości Do sprawnego rozpoznawania wielu dźwięków potrzebne jest narzędzie, które dokonuje analizy częstotliwościowej zarówno szybko, jak i bardzo dokładnie 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 4

Parametry słyszalnych dźwięków: Mowa dopasowała się do właściwości słuchu człowieka Częstotliwość: 20 Hz - 20,000 Hz Intensywność:

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: Mowa dopasowała się do właściwości słuchu człowieka Częstotliwość: 20 Hz - 20,000 Hz Intensywność: wat/m 2 (0-130 db) Ciśnienie: 2 x Newton/m 2 2 x atmosfery Schemat system słuchowego Mechaniczna część systemu słuchowego człowieka, która jest łatwiejsza do zamodelowania 5

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 6

błony bębenkowej jako metoda obrony przez zbyt głośnym dźwiękiem Amplituda wibracji

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 7

Ucho środkowe - kwintesencja części mechanicznej systemu słuchowego Ucho środkowe przestrzenna rekonstrukcja Łańcuch kosteczek słuchowych Widok wnętrza jamy bębenkowej Rola ucha środkowego sprowadza

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: =26 (czyli 20log 26/1 = 28 db). 8

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 9

Przekrój ślimaka Przestrzenny model przekroju ślimaka Percepcja częstościowa na błonie podstawnej. Detekcja wysokich częstości zachodzi w części podstawnej ślimaka, a niskich w szczytowej.

10 Przekrój ślimaka Przestrzenny model przekroju ślimaka Percepcja częstościowa na błonie podstawnej. Detekcja wysokich częstości zachodzi w części podstawnej ślimaka, a niskich w szczytowej. Przekrój podłużny przez ślimak (po wyprostowaniu ). Fale ciśnienia powodują oscylacje błony podstawnej. Za przebadanie tych zjawisk György Békésy w 1961 otrzymał nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny 10

Symulowany komputerowo przebieg drgań błony podstawnej Formy drgania błony podstawnej Opis matematyczny ucha środkowego i wewnętrznego Fala biegnąca w błonie podstawnej

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 11

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 12

13 . Komórka rzęskowa wprowadzająca sygnał dźwiękowy do nerwowej części systemu słuchowego Charakterystyka receptora słuchowego Rzęski na powierzchni komórki 13

Działanie komórki receptorowej Rozkład pobudzeń komórek słuchowych dla różnych samogłosek W zakończeniach rzęsek znajdują się kanały jonowe sterowane falowaniem rzęsek (1, 2).

14 Działanie komórki receptorowej Rozkład pobudzeń komórek słuchowych dla różnych samogłosek 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). Struktura spektralna głosek jest podstawą ich rozpoznawania Różne głoski przy tej samej częstotliwości podstawowej Profile spektralne uzyskane dla głoski a wymawianej głosem o różnej częstotliwości podstawowej Jest to efekt artykulacji mowy we wnękach rezonansowych Sygnały z komórek słuchowych są zbierane przez ganaglion spirale 14

15 Uproszczony schemat anatomii nerwowej części systemu słuchowego Schemat nerwowej części systemu słuchowego z większą liczbą szczegółów Schemat drogi słuchowej 15

16 Jądra ślimakowe w moście Jeden ze schematów nerwowej części systemu słuchowego, który może być podstawą do jego modelowania Badania słuchu 16

Results on an Audiogram White area is inaudible Tan area is audible Anatomy of Hearing Loss

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 Audiogram pozwalający ocenić wartość ubytku słuchu Site of Conductive Loss Site of Sensori-neural Loss 17

Zapis słuchowych potencjałów wywołanych pnia mózgu u osoby zdrowej Ciąg

18 Schemat badania tympanometrycznego Schemat rejestracji słuchowych potencjałów wywołanych Tympanogram. Zapis słuchowych potencjałów wywołanych pnia mózgu u osoby zdrowej Ciąg natężeniowy słuchowych potencjałów wywołanych III V 120dB 110dB ms Schemat blokowy aparatu słuchowego Naprawa słuchu 18

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 19

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 20

pomocą różnych metod. Dziękuję za uwagę A. Dopasowanie Kroczące (MP), B.

21 Sygnał emisji otoakustycznej Zmienność widma sygnału emisji otoakustycznej Czasowo-częstościowe rozkłady gęstości energii dla symulowanego sygnału aproksymowane za pomocą różnych metod. Dziękuję za uwagę A. Dopasowanie Kroczące (MP), B. okienkowana transformata Fouriera (STFT), C. transformata Wignera-Villa (WVD), D. ciągła transformata falkowa (WT). 21

Podobne dokumenty

Nauka o słyszeniu Wykład II System słuchowy

Nauka o słyszeniu Wykład II System słuchowy Anna Preis, email: apraton@amu.edu.pl 12.10.2016 neuroreille.com lub cochlea.eu Plan wykładu Anatomia i funkcja systemu słuchowego Ucho zewnętrzne Ucho środkowe