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

2、新型人工耳蝸語音編碼策略的探索過程中，諧波單邊帶編碼策略（Harmonic Single Sideband Encoder，HSSE）被認(rèn)為是一種能通過基頻和諧波編碼來改善聲調(diào)識別能力的新方法，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)電生理評價上，而且也未考慮到語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)上對其進(jìn)行完善。
　　

3、本文首先對連續(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編碼語音作為實(shí)驗(yàn)對象，通過神經(jīng)元響應(yīng)預(yù)測模型來檢驗(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)測模型的建立上，首先通過動物實(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)測模板；然后根據(jù)預(yù)測要求對整個模型的

4、參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；最后以不同編碼方式下的語音作為模型輸入，預(yù)測下丘神經(jīng)元響應(yīng)的輸出。依據(jù)模型預(yù)測的響應(yīng)結(jié)果，本文分別在輸出響應(yīng)和聲調(diào)識別上對語音編碼策略在下丘神經(jīng)元上的響應(yīng)特性進(jìn)行評估，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，HSSE編碼在下丘響應(yīng)的刺激后時間直方圖（Post-stimulus time histogram，PSTH）中表現(xiàn)出與原始語音更為相似的神經(jīng)元發(fā)放，在神經(jīng)元的發(fā)放趨勢上也更遵循語音基頻的變化規(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 HSSE編碼方案中可能存在的信息丟失問題，本文通過分析語音信號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的時域信息量。同時，本文還利用建立的下丘

6、神經(jīng)元響應(yīng)預(yù)測模型對改進(jìn)前后的兩種編碼方案進(jìn)行對比，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音，而且在聲調(diào)識別的效果上也要顯著高于HSSE編碼方案。
　　為進(jìn)一步開展 HSSE編碼策略在動物實(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物實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以LabVIEW作為設(shè)計(jì)平臺，結(jié)合語音信號處理軟件模塊和電刺激輸出硬件模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)語音信號到耳蝸電刺激信號的轉(zhuǎn)換。離