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Procesamiento y Compresión de Señales de Audio

Procesamiento y Compresión de Señales de Audio. PROGRAMA DE POSGRADO EN SISTEMAS MULTIMEDIA Ángel de la Torre. transmisor RF. receptor RF y emisor de estímulos. electrodo de referencia. micrófono y procesador. electrodos. guía de electrodos. Imagen Rx de un implante.

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  1. Procesamiento y Compresión de Señales de Audio PROGRAMA DE POSGRADO EN SISTEMAS MULTIMEDIA Ángel de la Torre ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  2. transmisor RF receptor RF y emisor de estímulos electrodo de referencia micrófono y procesador electrodos guía de electrodos ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  3. Imagen Rx de un implante ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  4. ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  5. Sistemas de petaca y retroauricular ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  6. Interpretación del mensaje Modelo acústico (fonemas) Modelo lenguaje (voc+gram) Información contextual Percepción de la voz Representación de la voz en el nervio auditivo Adquisición de la voz respuesta Aparato auditivo Producción de voz Aparato fonador ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  7. Interpretación del mensaje Modelo acústico (fonemas) Modelo lenguaje (voc+gram) Información contextual Percepción de la voz con I.C. Representación de la voz en el nervio auditivo Adquisición de la voz respuesta Implante Coclear Producción de voz Aparato fonador ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  8. Cuándo es necesario el I.C.(criterios de selección de candidatos) • Sordera neurosensorial • No en sordera retrococlear: Implante de tronco cerebral • No en sordera de transmisión: (Pérdidas moderadas) Prótesis auditivas, reconstrucción cadena huesecillos • Sordera bilateral profunda • Incapacitante para comprensión de voz ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  9. Aportaciones del I.C. • Percepción de la voz • Percepción de otros sonidos • Limitaciones • Objetivo: comunicación oral • Desarrollo lingüístico en niños • Comunicación en adultos • Funcionamiento del I.C. ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  10. Espectrograma(representación tiempo - frecuencia) m b o i a kom p r a R p a n ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  11. Información relevante de la señal de voz: • Para reconocimiento de voz: • Envolvente espectral (formantes) • Evolución temporal de los formantes Información espectral de tiempo corto • Información complementaria: • Tono fundamental • Estructura fina del espectro ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  12. Características del oído humano • Aspectos anatómicos y fisiológicos: 6.000 células ciliadas internas 40.000 terminaciones nerviosas Repolarización: 2 ms (400 - 500 disparos/seg) Conexión sináptica: sin interacción entre canales Mecanismos de adaptación • Capacidad de un oído entrenado: • Resolución espectral: 1/9 tono (entre 20 Hz y 20 kHz) • Resolución temporal: 400 - 500 Hz • Resolución de intensidad: 1 dB ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  13. Limitaciones del implante coclear • No hay conexión sináptica: • Un electrodo estimula muchas fibras • Si se estimulan simultáneamente varios electrodos hay interferencia entre canales • Consecuencias: • Pocos electrodos (se representa sólo la envolvente espectral) • Alta tasa de estimulación • En cada instante sólo se estimula un canal ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  14. Percepción con Implante Coclear • Implante: varios electrodos (muchos menos de 4000) • ¿Por qué no más electrodos? • Intervalo de frecuencia 200 Hz - 8500 Hz • Respuesta en el tiempo: 1500 ... 3000 disparos/seg. • Respuesta a los distintos niveles de intensidad ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  15. Diseño de los Implantes Cocleares • Limitaciones acoplamiento entre electrodos y terminaciones nerviosas • Limitaciones: • procesamiento de señal • comsumo • tamaño • Posibilidades y límites: sonidos / voz ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  16. ¿Cómo oye un implantado? • No se puede saber • Sólo unos pocos pacientes están en condiciones de hacer comparaciones • Observación indirecta (qué son capaces de hacer) • Teniendo en cuenta todo el proceso de estimulación se puede sintetizar la señal “tal y como la oiría un implantado” ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  17. Aportaciones del Implante Coclear • Percepción auditiva con calidad suficiente para comprensión del habla (sin ruido) • Para ello, antes hay que desarrollar.... • habilidades perceptuales • habilidades lingüísticas • Comprensión de la voz en ruido: difícil • Percepción de los distintos sonidos, música • proporciona toda la información temporal que un oído normal puede percibir (poca resolución espectral) ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  18. Estrategias de codificación • Analógicas: • Compressed Analog (Clarion) • Pulsátiles: • Extracción de características • F0/F1/F2 (Cochlear) • MPEAK (Cochlear) • Híbridas: • SMSP / SPEAK (Cochlear) • N-of-M (Medel) • Forma de onda: • ACE / CIS / CIS+ (Cochlear Clarion Medel) ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  19. compresion Estim. elec 1 compresion Estim. elec 2 compresion Estim. elec 3 compresion Estim. elec 4 compresion Estim. elec 5 Compressed Analog Banco de filtros Adquisición de la señal Ajuste de niveles Estimulación ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  20. Compressed analog • Estimulación analógica (no pulsátil) • Estimulación simultánea de todos los electrodos (interacción entre canales) • Estimulación bipolar • Campo eléctrico de cercanía ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  21. F0 / F1 / F2 • Estima parámetros: • F0: tono fundamental (frecuencia) • F1: primer formante (frecuencia y amplitud) • F2: segundo formante (frecuencia y amplitud) • Estimula dos electrodos en cada ciclo: • los correspondientes a las frecuencias F1 y F2 • con las amplitudes estimadas para F1 y F2 • con la tasa de estimulación asociada a F0 ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  22. Generador de estímulos Ajuste de niveles F2 F2 1 k - 3 k A2 F1 F1 300 - 1 k Generador de estímulos A1 F0 0 - 270 Generador de pulsos Adquisición de la señal Extracción de características Selección de electrodos Estimulación F0 / F1 / F2 ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  23. Generador de estímulos Ajuste de niveles F2 F2 1 k - 3 k A2 F1 F1 300 - 1 k Generador de estímulos A1 F0 0 - 270 Generador de pulsos Adquisición de la señal Extracción de características Selección de electrodos Estimulación F0 / F1 / F2 Selecciona uno entre canales 6-20 Selecciona uno entre canales 1-5 ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  24. MPEAK (Multi Peak) Electrodo 20 4 k - 6 k Ajuste de niveles Electrodo 17 2.8 k - 4 k Electrodo 14 2 k - 2.8 k Generador de estímulos F2 F2 800 - 4 k A2 F1 F1 300 - 1 k Generador de estímulos A1 F0 0 - 270 Generador de pulsos Adquisición de la señal Extracción de características Selección de electrodos Estimulación ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  25. Extracción de características • Presentan la información esencial para percibir la voz: • Tono fundamental (F0) • Primer y segundo formante • Representación pobre de la voz • Sensibilidad a estimación de F0, F1 y F2: • Respuesta pobre en condiciones de ruido ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  26. Selección de los N canales con mayor intensidad Ajuste de niveles Adquisición de la señal Banco de filtros y detecc. envolvente Selección de electrodos Estimulación SMSP, SPEAK y N-of-M ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  27. Implementaciones (alta tasa de estimulación): • SMSP; SPEAK; N-of-M • Ventajas: • Mejor representación que extracción de carac. • Menos sensible a ruido de fondo • Inconvenientes: • Se pierde información (canales con menos energía) • Compromiso: • Número de canales - tasa de estimulación ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  28. Adquisición de la señal Banco de filtros y detecc. envolvente Ajuste niveles Generación estímulos CIS: Continuous Interleaved Sampling ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  29. Implementaciones (alta tasa de estimulación): • ACE (Nucleus) • CIS (Clarion) • CIS+ (Medel) • Ventajas: • Todos los electrodos estimulados en cada ciclo con alta tasa de estimulación • Mejor representación de la señal de audio • Mejor resolución en intensidad • Mayor sensibilidad ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  30. Tendencias en estrategias de codificación: • Reducir extracción de características • Alta tasa de estimulación • Todas las estrategias actuales (CA, SPEAK, CIS) proporcionan resultados satisfactorios: • Envolvente espectral • Resolución temporal • Resolución en intensidad • Prestaciones: • Representación audio suficiente para comprender voz • Limitaciones: música y ruido ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  31. ¿Qué es programar el I.C.? • Ajustar los parámetros del sistema de implante coclear para que el paciente obtenga un aprovechamiento óptimo: • Parámetros de estimulación • Parámetros de representación del sonido ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  32. Montaje para programar I.C. Transmisor Interface Procesador Ordenador para acceder al procesador ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  33. Programación del procesador • Parámetros ajustables: • conexión de electrodos • niveles de estimulación en cada electrodo • Umbrales de percepción: THR • Máximos niveles de confort: MCL • parámetros especiales • Objetivos: • adaptar la estimulación a los valores particulares de cada paciente • proporcionar la máxima calidad de audición ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  34. Importancia del ajuste • Electrodos activados: • La banda útil se reparte entre los electrodos activos. Si un electrodo no es funcional debe desconectarse • Umbrales de percepción: • Para tener sensibilidad (20 - 30 dB) y para poder discriminar niveles de volumen • Máximos niveles de confort: • Para escuchar los sonidos fuertes (80 - 110 dB) fuertes pero sin llegar a sensación de dolor ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  35. Dificultades del ajuste • Colaboración paciente - programador • Capacidad / tiempo de atención del paciente • Capacidad de expresión del paciente • Descripción del paciente subjetiva • Tolerancia del paciente a imprecisión • Evolución fisiológica del paciente • Objetivos mínimos cubiertos ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  36. Influencia de la programación en la capacidad de percepción • El número de electrodos • rango de frecuencia • Electrodos no funcionales conectados • excepciones transitorias • Electrodos con estimulaciones colaterales • Sobre-estimación de umbrales • Infra-estimación de umbrales • Desajustes de MCL ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  37. Parámetros ajustables: • Parámetros de estimulación: • Determinación de electrodos funcionales • Rango dinámico de cada electrodo: umbral y máximo nivel de confort • Parámetros de representación del sonido: • Modo de estimulación • Estrategia de codificación • Bandas de frecuencia asignadas a electrodos • Tasa de estimulación • Mapeo de intensidad, volumen, sensibilidad ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  38. Determinación de electrodos funcionales • Electrodos dentro de la cóclea • Electrodos dentro de la cóclea en zona poco inervada • Electrodos fuera de la cóclea • Estimulación colateral ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  39. Rango dinámico de cada electrodo • Rango dinámico eléctrico: es el intervalo comprendido entre • Umbral (THR): mínima estimulación eléctrica que detecta el paciente • Máximo nivel de confort (MCL): máxima estimulación eléctrica que tolera el paciente • El rango dinámico debe establecerse para cada electrodo independientemente ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  40. Mapeo del rango dinámico acústico al eléctrico 100 dB MCL THR 20 dB Rango dinámico acústico Rango dinámico eléctrico ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  41. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 zona apical zona basal Ejemplo de rango dinámico Ecualización de canales ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  42. Parámetros relacionados con la representación del sonido: • Modo de estimulación • Estrategia de codificación • Bandas de frecuencia asignadas a electrodos • Tasa de estimulación • Mapeo de intensidad • Volumen • Sensibilidad • Programas para situaciones especiales ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  43. electrodo extracoclear alejado monopolar tierra comun bipolar Inactivo Activo Referencia bipolar + 1 bipolar +2 Modo de estimulación Configuración eléctrica de los electrodos ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  44. bipolar tierra comun monopolar Inactivo Activo Referencia bipolar + 1 bipolar +2 Modo de estimulación Distribución de la corriente eléctrica ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  45. I. C. máx (200 Hz - 10 kHz) I.C. típ. (300 Hz - 5 kHz) Tel. (350 Hz - 3.5 kHz) Voz (200 Hz - 6 kHz) Rango espectral audición (20 Hz - 20 kHz) 20 Hz 200 Hz 2 kHz 20 kHz Bandas de frecuencia asignadas a electrodos • Rango espectral • Distribución de los filtros en frecuencia: (Ancho de banda y frecuencia central de cada canal) • Lineal, logarítmica, lin-log.... • Elegida libremente por el programador ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  46. Tasa de estimulación • Es el número de estímulos por segundo en cada electrodo • Mejor cuanto más alta • Tiempo de repolarización: 2ms • Conviene que sea superior a 800 o 1000 disparos por segundo • Limitada por: • Tecnología del procesador • Número de electrodos activos en cada ciclo de estimulación • Duración de los pulsos eléctricos ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  47. MCL Nivel estim. eléctrico THR 100 dB 20 dB Rango dinámico acústico Mapeo de intensidad (maplaw) ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  48. MCL Nivel estim. eléctrico THR 100 dB 20 dB Rango dinámico acústico Mapeo de intensidad (maplaw) ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  49. Control de volumen MCL MCL utilizado Niveles estimados THR utilizado THR 0 0% 100% Nivel de volumen ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

  50. Control de volumen MCL Niveles estimados THR 0 0% 75% 100% Nivel de volumen ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

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