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

Podobne dokumenty
Nauka o słyszeniu Wykład II System słuchowy

Dźwięk i słuch. Percepcja dźwięku oraz funkcjonowanie narządu słuchu

gdzie: c prędkość rozchodzenia się dźwięku w powietrzu L długość kanału słuchowego

Mechanoreceptory (dotyk, słuch) termoreceptory i nocyceptory

Zmysł słuchu i równowagi

TEORIA WYTWARZANIA DŹWIĘKÓW

gdzie: c prędkość rozchodzenia się dźwięku w powietrzu L długość kanału słuchowego

Ruch falowy. Parametry: Długość Częstotliwość Prędkość. Częstotliwość i częstość kołowa MICHAŁ MARZANTOWICZ

Diagnostyka i protetyka słuchu i wzroku IMPLANTY. Implanty ślimakowe i inne

Jak pracują systemy implantów ślimakowych?

Podstawy biofizyki zmysłu słuchu. Badanie progu pobudliwości ucha ludzkiego.

Percepcja dźwięku. Narząd słuchu

ZROZUMIEĆ UBYTEK SŁUCHU

a/ narząd słuchu b/ narząd statyczny

w drgania mechaniczne, a drgania w impulsy nerwowe. Odpowiada także za zmył równowagi (błędnik).

Biologiczne mechanizmy zachowania - fizjologia. zajecia 6 :

Mowa w protetyce słuchu

voice to see with your ears

Oddziaływanie hałasu na człowieka w środowisku pracy i życia, metody ograniczania. dr inż. Grzegorz Makarewicz

Terminologia, definicje, jednostki miar stosowane w badaniach audiologicznych. Jacek Sokołowski

Implanty słuchowe jako nowoczesna metoda leczenia niedosłuchu

(L, S) I. Zagadnienia. II. Zadania

środkowego bez towarzyszących cech ostrego stanu zapalnego prowadzi środkowego, ale również w pływać niekorzystnie rozwój mowy oraz zdolności

Instrukcja do laboratorium z Fizyki Budowli. Temat laboratorium: CZĘSTOTLIWOŚĆ

Zajęcia z Audiometrii Obiektywnej (AO) obejmują:

1.Stosunek sygnału do szumu kwantyzacji dla n-bitowego kwantyzatora jest równy w przybliżeniu:

Fale dźwiękowe. Jak człowiek ocenia natężenie bodźców słuchowych? dr inż. Romuald Kędzierski

Zestaw ćwiczeń laboratoryjnych z Biofizyki dla kierunku elektroradiologia w roku akademickim 2017/2018.

Analizy Ilościowe EEG QEEG

Metody badań słuchu. Badania elektrofizjologiczne w diagnostyce audiologicznej. Zastosowanie metod obiektywnych. dzieci. osoby dorosłe

I. UCHO UCHO ZEWNĘTRZNE UCHO ŚRODKOWE UCHO WEWNĘTRZNE

Podstawy elektroniki i akustyki

Spis treści. Wykaz ważniejszych oznaczeń. Przedmowa 15. Wprowadzenie Ruch falowy w ośrodku płynnym Pola akustyczne źródeł rzeczywistych

Fal podłużna. Polaryzacja fali podłużnej

Nauka o słyszeniu. Wykład I Dźwięk. Anna Preis,

Fale akustyczne. Jako lokalne zaburzenie gęstości lub ciśnienia w ośrodkach posiadających gęstość i sprężystość. ciśnienie atmosferyczne

SYLABUS DOTYCZY CYKLU KSZTAŁCENIA Realizowany w roku akademickim 2016/2017

Nauka o słyszeniu Wykład IV Głośność dźwięku

Zastosowanie ultradźwięków w technikach multimedialnych

Diagnostyka i protetyka słuchu i wzroku APARATY SŁUCHOWES

Przykładowe poziomy natężenia dźwięków występujących w środowisku człowieka: 0 db - próg słyszalności 10 db - szept 35 db - cicha muzyka 45 db -

Teorie opisujące naturalne słyszenie przestrzenne

Metody analizy zapisu EEG. Piotr Walerjan

Neurobiologia na lekcjach informatyki? Percepcja barw i dźwięków oraz metody ich przetwarzania Dr Grzegorz Osiński Zakład Dydaktyki Fizyki IF UMK

ZROZUMIEĆ APARATY SŁUCHOWE

Zadanie nr II-22: Opracowanie modelu aktywnego ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego o zmiennych tłumieniu i izolacyjności

Aby nie uszkodzić głowicy dźwiękowej, nie wolno stosować amplitudy większej niż 2000 mv.

Zestaw ćwiczeń laboratoryjnych z Biofizyki dla kierunku Elektroradiologia w roku akademickim 2016/2017.

Neuromodulacja akustyczna CR

Wiadomości o hałasie w środowisku pracy

Aparaty słuchowe Hi-Fi z Multiphysics Modeling

Recenzja pracy doktorskiej. mgra inż. Konrada Kamienieckiego pt.: Fluid-Structure Interaction Modeling of the Cochlea Macro-Mechanics

Przedmowa Wykaz oznaczeń Wykaz skrótów 1. Sygnały i ich parametry Pojęcia podstawowe Klasyfikacja sygnałów

Słyszenie w środowisku

Wykład 3: Dźwięk Katarzyna Weron. WPPT, Matematyka Stosowana

Ponieważ zakres zmian ciśnień fal akustycznych odbieranych przez ucho ludzkie mieści się w przedziale od 2*10-5 Pa do 10 2 Pa,


Automatyczne rozpoznawanie mowy - wybrane zagadnienia / Ryszard Makowski. Wrocław, Spis treści

NARZĄD WZROKU

Laboratorium Elektronicznej Aparatury Medycznej I

APARATY SŁUCHOWE A IMPLANTY SŁUCHU. STAN OBECNY I PERSPEKTYWY ROZWOJU

Wykład FIZYKA I. 11. Fale mechaniczne. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Psychoakustyka w pigułce. Aleksander Sęk Ewa Skrodzka Mariusz Marszałkiewicz

WYJAŚNIENIA DO TREŚCI SPECYFIKACJI ISTOTNYCH WARUNKÓW ZAMÓWIENIA

PL B1. Sposób pomiaru drgań błony bębenkowej i urządzenie do pomiaru drgań błony bębenkowej

Mapa akustyczna Torunia

Nauka o słyszeniu. Wykład III +IV Wysokość+ Głośność dźwięku

Dźwięk. Cechy dźwięku, natura światła

ZAGADNIENIA DO PRZYGOTOWANIA DO ĆWICZEŃ Z BIOFIZYKI DLA STUDENTÓW I ROKU WYDZIAŁU LEKARKIEGO W SEMESTRZE LETNIM 2011/2012 ROKU.

Komputerowe modelowanie ludzkiego słuchu w kompresji dźwięku

Komputery sterowane myślami

Maskowanie równoczesne

Metodyka i system dopasowania protez słuchu w oparciu o badanie percepcji sygnału mowy w szumie

Dane techniczne CIC CT IT 113 / / / / / / 55

CHARAKTERYSTYKA ZABURZEŃ SŁUCHU A ROZWÓJ MOWY

Temat z produkcji zwierzęcej NARZĄDY ZMYSŁÓW: UCHO

BADANIA WARUNKÓW PRACY LOKATORA AKUSTYCZNEGO

Kamil Jonak Zakład Bioinżynierii Instytut Technologicznych Systemów Informatycznych Politechnika Lubelska Paweł Krukow Zakład Neuropsychiatrii

Implanty pniowe u pacjentów z NF-2 w praktyce klinicznej

Procedura modelowania matematycznego

Przygotowała: prof. Bożena Kostek

Rozpoznawanie i synteza mowy w systemach multimedialnych. Analiza i synteza mowy - wprowadzenie. Spektrogram wyrażenia: computer speech

AUDIOMETRYCZNE BADANIE SŁUCHU ORAZ CECH WYPOWIADANYCH GŁOSEK

Fale dźwiękowe - ich właściwości i klasyfikacja ze względu na ich częstotliwość. dr inż. Romuald Kędzierski

WYZNACZANIE FILTRÓW SŁUCHOWYCH METODĄ SZUMU PRZESTRAJANEGO. Karolina Kluk,

Cement i implanty szkło-jonomerowe do stosowania w otochirurgii

Wykłady z przedmiotu Bezpieczeństwo Pracy i Ergonomia

Ochrona przeciwdźwiękowa (wykład ) Józef Kotus

1. Po upływie jakiego czasu ciało drgające ruchem harmonicznym o okresie T = 8 s przebędzie drogę równą: a) całej amplitudzie b) czterem amplitudom?

PODKRĘĆ GŁOŚNOŚĆ NA ŻYCIE. Mocny wybór dla użytkowników z dużymi potrzebami.

Zadanie 1. Dokoocz zdanie wybierając odpowiedz spośród podanych *A-F].Do aparatu ochronnego oka zalicza się :

TERAPIA ADAPTACJI SYNAPTYCZNEJ ARC

Analiza sygnału mowy pod kątem rozpoznania mówcy chorego. Anna Kosiek, Dominik Fert

Aparat słuchowy to wzmacniacz sygnału(dźwięku), który znajduje się w odpowiednio ukształtowanej plastikowej obudowie.

Imię i nazwisko ucznia Data... Klasa...

System diagnostyki słuchu

WPŁYW EMISJI HAŁASU WYTWARZANY PRZEZ ELEKTROWNIE WIATROWE NA ŚRODOWISKO NATURALNE

Akustyka mowy wprowadzenie. Opracował: dr inż. Piotr Suchomski

Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki. Karta przedmiotu. obowiązuje studentów rozpoczynających studia w roku akademickim 2014/2015

Transkrypt:

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

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

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

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

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: 10-12 - 10 wat/m 2 (0-130 db) Ciśnienie: 2 x 10-5 - 60 Newton/m 2 2 x 10-10 -.0006 atmosfery Schemat system słuchowego Mechaniczna część systemu słuchowego człowieka, która jest łatwiejsza do zamodelowania 5

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

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 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: 20 1.3=26 (czyli 20log 26/1 = 28 db). 8

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. 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 ślimaka z zaznaczoną obwiednią Mechanizm rozdziału częstotliwości na błonie podstawnej ślimaka ucha wewnętrznego Złożone formy drgań przy symulacji złożonego dźwięku 11

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

. 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). 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

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

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

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

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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ms Schemat blokowy aparatu słuchowego Naprawa słuchu 18

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

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

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