諧波單邊帶人工耳蝸算法的改進(jìn)及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、人工耳蝸（Cochlear Implants, CI）是一種恢復(fù)重度耳聾患者聽(tīng)覺(jué)功能的重要技術(shù)方法，它模仿人耳的聲電轉(zhuǎn)換功能，利用語(yǔ)音編碼策略將聲音信號(hào)編碼為電信號(hào)，直接對(duì)耳蝸內(nèi)的聽(tīng)神經(jīng)進(jìn)行電刺激進(jìn)而產(chǎn)生聽(tīng)覺(jué)感應(yīng)。目前商業(yè)化的人工耳蝸在安靜環(huán)境下已經(jīng)取得了良好的聽(tīng)覺(jué)感知效果，但是由于語(yǔ)音編碼策略在信息提取上存在的缺陷，導(dǎo)致佩戴者在面對(duì)復(fù)雜環(huán)境時(shí)識(shí)別效果受限，因此改善語(yǔ)音編碼策略以提高人工耳蝸的感知水平對(duì)廣大耳聾患者具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在

2、新型人工耳蝸語(yǔ)音編碼策略的探索過(guò)程中，諧波單邊帶編碼策略（Harmonic Single Sideband Encoder，HSSE）被認(rèn)為是一種能通過(guò)基頻和諧波編碼來(lái)改善聲調(diào)識(shí)別能力的新方法，但其編碼性能還僅局限在螺旋神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(Spiral Ganglion Cells，SGCs)的神經(jīng)電生理評(píng)價(jià)上，而且也未考慮到語(yǔ)音諧波能量的分布情況。為此，本文將以HSSE編碼策略作為研究基礎(chǔ)，分別從驗(yàn)證方式和算法設(shè)計(jì)上對(duì)其進(jìn)行完善。
　　

3、本文首先對(duì)連續(xù)間隔采樣策略（Continuous Interleaved Sampling, CIS）和HSSE編碼策略進(jìn)行了編程實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，以CIS和HSSE編碼語(yǔ)音作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)神經(jīng)元響應(yīng)預(yù)測(cè)模型來(lái)檢驗(yàn)HSSE編碼策略在下丘(Inferior colliculus，IC)神經(jīng)元上的響應(yīng)特性。在預(yù)測(cè)模型的建立上，首先通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)記錄部分下丘神經(jīng)元的spike響應(yīng)，并篩選出合適的神經(jīng)元作為預(yù)測(cè)模板；然后根據(jù)預(yù)測(cè)要求對(duì)整個(gè)模型的

4、參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；最后以不同編碼方式下的語(yǔ)音作為模型輸入，預(yù)測(cè)下丘神經(jīng)元響應(yīng)的輸出。依據(jù)模型預(yù)測(cè)的響應(yīng)結(jié)果，本文分別在輸出響應(yīng)和聲調(diào)識(shí)別上對(duì)語(yǔ)音編碼策略在下丘神經(jīng)元上的響應(yīng)特性進(jìn)行評(píng)估，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，HSSE編碼在下丘響應(yīng)的刺激后時(shí)間直方圖（Post-stimulus time histogram，PSTH）中表現(xiàn)出與原始語(yǔ)音更為相似的神經(jīng)元發(fā)放，在神經(jīng)元的發(fā)放趨勢(shì)上也更遵循語(yǔ)音基頻的變化規(guī)律，證明了在下丘神經(jīng)元的響應(yīng)上HSSE策略同樣要優(yōu)

5、于CIS策略。
　　針對(duì) HSSE編碼方案中可能存在的信息丟失問(wèn)題，本文通過(guò)分析語(yǔ)音信號(hào)的諧波能量分布情況，提出諧波單邊帶自適應(yīng)編碼策略（Adaptive Harmonic Single Sideband Encoder，aHSSE）。為驗(yàn)證方案的可行性，本文首先對(duì)HSSE與aHSSE兩種編碼方案進(jìn)行了仿真分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，aHSSE通過(guò)在子帶通道內(nèi)進(jìn)行合理的諧波分配，能夠有效增加編碼信號(hào)的時(shí)域信息量。同時(shí)，本文還利用建立的下丘

6、神經(jīng)元響應(yīng)預(yù)測(cè)模型對(duì)改進(jìn)前后的兩種編碼方案進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示aHSSE不僅在下丘神經(jīng)元的響應(yīng)輸出上要更接近于原始語(yǔ)音，而且在聲調(diào)識(shí)別的效果上也要顯著高于HSSE編碼方案。
　　為進(jìn)一步開(kāi)展 HSSE編碼策略在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)上的神經(jīng)元響應(yīng)研究，本文還利用LabVIEW作為系統(tǒng)框架搭建了一套耳蝸電刺激動(dòng)物實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以LabVIEW作為設(shè)計(jì)平臺(tái)，結(jié)合語(yǔ)音信號(hào)處理軟件模塊和電刺激輸出硬件模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)到耳蝸電刺激信號(hào)的轉(zhuǎn)換。離