專利名稱：基于光纖陣列激光聲效應的動物聽覺測量系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明具體涉及一種基于光纖陣列激光聲效應的動物聽覺測量系統(tǒng)和方法。
背景技術：
耳蝸是動物類(包括高級動物人類)聽覺系統(tǒng)接收聲音信息的重要感應器官，由于種種原因致使該器官或與該器官關聯(lián)的功能組織失去感應功效，便患上重度以上感音性耳聾，以致無法正常聽音和完成正常語言交流功能。目前，針對此類耳聾，可采用電極式人工耳蝸(即電子仿生耳)植入術恢復部分聽覺，如專利(CN200610027193. 5)中，公開了一種全植入式人工耳蝸及其制備方法，該裝置根據(jù)耳蝸的感音機理和功能，將體外的聲信號經(jīng) 采集、變換和編碼，以無線方式送給埋入耳蝸內(nèi)的各電極，有選擇地依次觸發(fā)對應的聽神經(jīng)(或神經(jīng)束)，將外來聲信息陣列傳給大腦聽中樞，以恢復聾者的部分聽力。盡管該裝置已取得顯著成效，但是，在感應音樂旋律、辨別樂器品種或話者等更豐富細致的聲信息方面明顯不足，表明人工聽覺康復裝置還有待深入研究和繼續(xù)改良。由醫(yī)學解剖學可知，人類耳蝸內(nèi)的基底膜長約2-3cm，能感知20Hz-20KHz的聲頻信息，不同的動物其耳蝸基底膜長度不同，可感應的聲頻范圍也各異；基底膜上按聲頻位置排列著能感音的纖毛細胞(內(nèi)毛細胞約3500個)和對應的聽神經(jīng)纖維。基底膜對于聲音的感受具有頻率選擇性，與位置對應。聲譜分析發(fā)現(xiàn)，言語信號在時域和頻域上的表現(xiàn)與音樂信號相比有些差別，如圖I和圖2所示，對應音樂中豐富的旋律變化和樂音品質的變化，音樂信號總體聲譜能量集中區(qū)常常比語音聲譜寬較多，而且譜峰集中區(qū)的個數(shù)也更多，對應在時域波形上音樂信號變化更多樣、更密集。我們知道，音樂的音色是由其所含聲頻成分決定的，例如，在同一旋律音符下，不同的樂器有不同聲音效果，其對應聲譜包絡(即聲譜成分沿頻率軸變化的輪廓)應有明顯區(qū)別。而同一樂器，在發(fā)高低不同的旋律音符時，其對應的聲譜包絡無明顯變化，但此時聲譜的局部細節(jié)有明顯差別，同時在時域信號的基本周期上也有差別，這種差別是在一定時段上表現(xiàn)的。對多種樂器演奏出的樂音來說，常常是多種旋律音符、多種樂器音的疊力口，其樂音聲譜的表現(xiàn)更加復雜、細膩、多變。所以若要有效地傳遞樂音品質和旋律等信息，更密集的電極陣列是必要，同時應保證準確、同步的聲頻陣列信號時序關系，以保證代表樂器品質的聲頻包絡變化和樂音旋律音符變化在聽覺中樞獲得正確的音效疊加和感知。目前最佳的人工耳蝸裝置中有22-24導金屬電極。作為埋入耳蝸的金屬電極，由于傳導電流時存在電場發(fā)散性，易導致相鄰電極相互干擾，這樣，在2-3cm的范圍內(nèi)電極總數(shù)目增加受限；另外，為減少相鄰電極同步發(fā)放信號相互干擾，觸發(fā)時間必須間隔，即電極陣列上各路信號在時序上是非同步的，這樣在聽覺中樞產(chǎn)生的各路信號疊加就是錯位的。目前，對于語音信號這種變化相對緩慢、頻譜強能區(qū)相對較窄的信號而言，該裝置可達到恢復部分聽力的效果。但對頻譜更寬、變化更復雜細膩的音樂信號來說，可能很多信息漏傳或錯傳，這些是否是導致樂音感知不佳的原因有待研究證實。因此，研究向內(nèi)耳發(fā)放定時準確、頻譜定位更準確密集的聲陣列信號(已有研究證明，通道數(shù)應至少為32導)的仿生耳蝸，可能是解決該問題的研究方向。激光具有更好的方向性，而且脈沖激光具有誘發(fā)聲效應的物理特性，即用光輻照某物體時，由于它對光的吸收會使其內(nèi)部的溫度改變，從而引起其局部區(qū)域的機械參數(shù)變化；當采用脈沖光源或調制光源時，物體內(nèi)局部溫度的起伏會引起其體積的伸縮，因而向外輻射聲波，這種現(xiàn)象稱為光致聲效應(簡稱光聲效應)。研究已證實，光纖脈沖激光能觸發(fā)聽神經(jīng)發(fā)放，其功效和 聲音觸發(fā)極其相似。而與金屬電極相比，光纖易組成密集陣列，是取代金屬電極傳導豐富聲譜信息的良好候選。在文獻I (Izzo AD, Richter CP, Jansen ED,et al. Laser Stimulationof the Auditory Nerve. Lasers Surg Med, 2006, 38(8) :745753.)；文獻 2 (WenzelGI，Balster S，Zhang K，et al. Green laser light activates the inner ear. J BiomedOpt, 2009, 14(4) :4004-4007)研究已證實，光纖脈沖激光照射耳蝸神經(jīng)組織可產(chǎn)生光聲效應，該效應可通過測量耳蝸神經(jīng)復合動作電位(CAP)來記錄聽覺神經(jīng)對不同激光參量的反應，也可通過測量聽性腦干反應(ABR)和下丘神經(jīng)元反應來觀察大腦對激光觸發(fā)聽覺神經(jīng)纖維的反應。目前所見這類研究僅限于單路光纖激光照射。而進一步的光纖陣列激光照射實驗，需要有能測量動物聽覺系統(tǒng)反應的實驗系統(tǒng)和方法，這種系統(tǒng)需要多個部件組成，其中需要靈活調節(jié)和拼裝，在激光光纖陣列布局、光源選擇、脈沖激光參數(shù)(幅度、寬度和重復率)調節(jié)、信號發(fā)放時間控制等方面，都需要圍繞動物聽覺感知效果對系統(tǒng)進行實驗和考察。

發(fā)明內(nèi)容
為深入研究和探討人工聽覺感知的若干問題，本發(fā)明提出了基于光纖激光聲效應的動物聽覺測量系統(tǒng)和方法。本發(fā)明采用的技術方案如下基于光纖陣列激光聲效應的動物聽覺測量系統(tǒng)，包括聲音處理器、激光調制驅動器、激光光纖陣列、動物聽覺組織測試盒、陣列探測器、數(shù)據(jù)處理模塊及聲音合成模塊；所述的聲音處理器與激光調制驅動器相連，激光調制驅動器與激光光纖陣列相連，激光光纖陣列輸出的信號給動物聽覺組織測試盒，動物聽覺組織測試盒反應輸出給陣列探測器，陣列探測器與數(shù)據(jù)處理模塊相連，數(shù)據(jù)處理模塊與聲音合成模塊相連，所述的激光光纖陣列端口與耳蝸組織的基底膜的感音位置對應；其中所述語音處理器輸出的各通道信號頻段利用對數(shù)尺度(也稱美爾尺度)進行截取。所述的測試盒盛放離體的、具有生物活性的耳蝸組織，或盛放麻醉后固定住的生物個體活體組織相應部位。基于光纖激光聲效應的動物聽覺測量系統(tǒng)的測試方法，包括如下步驟步驟I聲音處理器將聲音聲波轉換為多通道電信號，各通道信號頻段按符合人耳聽覺特性的對數(shù)尺度截??；每個通道的電信號分別對應激光光纖陣列中的每一路；步驟2激光調制驅動器將截取后的每個通道的電信號調制到激光光纖陣列中對應光源的輸出光信號上；步驟3激光光纖陣列將各路光信號通過光纖引入測試盒，照射測試耳蝸組織相應位置；步驟4陣列探測器檢測被測耳蝸組織受激光光纖陣列照射后產(chǎn)生的光聲反應信號；并將檢測到的光聲反應信號轉換成電信號；步驟5數(shù)據(jù)處理模塊將采集到的電信號作規(guī)整處理，并解析存儲數(shù)據(jù)信息到計算機，在計算機上分析解析后的各路信號波形和信號成像圖譜，以便與正常聲波產(chǎn)生的反應對比。步驟6計算機上的聲音合成模塊將解析存儲的數(shù)據(jù)信號通過聲音處理算法合成聲音，與原始聲音信號進行比對。 所述的步驟4的實現(xiàn)方法是陣列探測器通過測量耳蝸神經(jīng)復合動作電位來記錄聽覺神經(jīng)對不同激光參量的反應，或通過測量聽性腦干反應和下丘神經(jīng)元反應來觀察大腦對激光光纖陣列觸發(fā)聽覺神經(jīng)纖維的反應；用陣列探測器探頭將微弱的生物電引出，經(jīng)生物電放大器放大，得到相應的光聲反應電信號。所述步驟2的激光調制驅動器是完成將來自聲音處理器的多路電信號數(shù)據(jù)流轉為光信號的模塊電路，激光器的調制采用以下兩種調制方式(I)脈沖占空比調制采用這種調制方法，將在光纖激光陣列上輸出占空比隨數(shù)據(jù)流幅值變化的多路同步光脈沖信號，這樣的光脈沖信號其峰值保持不變，只是單位時間輸出的光脈沖疏密度是動態(tài)變化的；(2)將數(shù)據(jù)流轉換為模擬電信號，用該信號控制激光器的光強輸出，得到激光光強隨該數(shù)據(jù)流電信號同步變化的光陣列信號。本發(fā)明的有益效果是I.采用光脈沖觸發(fā)聽神經(jīng)用方向性更好的光脈沖代替易產(chǎn)生電場交叉的電流脈沖。2.采用密集布局的光纖激光陣列，大量增加觸發(fā)聽神經(jīng)的通道數(shù)若按光纖口徑50um計算，對人耳耳蝸來說，理論上通道數(shù)可提升至600導，采用更細光纖(如10um)，通道數(shù)可增至3000，從而大大增加感知聲譜的分辨率，傳遞更豐富細致的聲音信息。3.采用無時間失真的多路并行同步光脈沖觸發(fā)，改變以往的電極分時間隔觸發(fā)對應光纖陣列中心頻率，多路濾波器輸出無時間失真的陣列信號，同步調制多路激光器產(chǎn)生能量不同的脈沖光信號，同步照射，觸發(fā)耳蝸基底膜對應的聽神經(jīng)，從而保持陣列信號時間上的一致性。4.以電子陣列采集方式和仿真合成方法評估驗證大腦聽覺中樞對新型裝置的感首效果。5.該裝置及測量方法具有精度高、可調節(jié)控制、便于數(shù)據(jù)采集處理的特點。6.所述語音處理器輸出的各通道信號頻段利用對數(shù)尺度(也稱美爾尺度)進行截取，是因為人耳對聲譜頻率的感知是非線性的，對每一路而言，符合恒Q特性，這樣對信號進行細化，實現(xiàn)了對頻譜更寬、變化更復雜細膩的信號的識別。該系統(tǒng)裝置具有通道設置靈活可擴展、數(shù)據(jù)采集方便、組成部件可接插更換、多項參數(shù)可調節(jié)控制的特點，與電腦可視化分析軟件聯(lián)合，可有效記錄、分析、比較用電、聲、光信號觸發(fā)的動物聽覺感知反應，進而驗證相關控制和算法的實驗效果。


圖I等長度、等采樣條件下的話音信號和音樂信號的時域波形比較圖；圖2等長度、等采樣條件下的話音信號和音樂信號的寬帶語圖比較圖；圖3基于光纖陣列激光聲效應的動物聽覺組織實測系統(tǒng)整體結構具體實施例方式動物聽覺組織實測方法，是面向動物耳蝸實體組織進行聽神經(jīng)層的聽覺反應和大腦聽覺中樞層聽覺反應的測量，實驗裝置主要針對動物耳蝸組織來進行。實驗過程中，動物頭部和光纖都是固定的，耳蝸基底膜和光纖口之間沒有直接的力學接觸。半導體激光器發(fā)出的激光被耦合進入光纖，激光的波長、脈沖寬度和能量可以通過控制半導體激光器的驅 動控制電路進行調節(jié)。系統(tǒng)構成如圖3所示。采用如下實驗技術方案試驗平臺包括聲音處理器、激光調制驅動器以及激光光纖陣列、動物組織測試盒、陣列探測器、數(shù)據(jù)處理及聲音合成軟件，具體步驟如下步驟I聲音處理器將聲音聲波轉換為特定的多通道電信號，各通道信號頻段按符合人耳聽覺特性的對數(shù)尺度劃分，每個通道對應激光光纖陣列中的一路。步驟2激光調制驅動器將每個通道的截取后的電信號調制到激光光纖陣列中對應光源的輸出光信號上；所述激光調制驅動電路采用脈沖調制，將在激光器上輸出占空比隨數(shù)據(jù)流變化的光脈沖信號，這樣輸出光脈沖的峰值保持不變，只是單位時間輸出的光脈沖疏密度是動態(tài)變化的。步驟3激光光纖陣列將多路激光信號引入測試盒，照射測試耳蝸組織，所述光陣列采用對數(shù)尺度間隔頻率對應的布局，之所以采用對數(shù)尺度頻率間隔，是因為人耳對聲譜頻率的感知是非線性的，對每一路而言，符合恒Q特性。步驟4測試盒盛放離體的、具有生物活性的耳蝸組織，或盛放麻醉后固定住的生物個體活體組織相應部位，將激光光纖陣列入口對準其耳蝸基底膜部分。步驟5陣列探測器檢測被測耳蝸組織受激光照射后產(chǎn)生的光聲信號反應。通過測量耳蝸神經(jīng)復合動作電位(CAP)來記錄聽覺神經(jīng)對不同激光參量的反應，也可以通過測量聽性腦干反應(ABR)和下丘神經(jīng)元反應來觀察大腦對激光觸發(fā)聽覺神經(jīng)纖維的反應；用陣列探測器探頭將微弱的生物電引出，經(jīng)生物電放大器放大，用高速數(shù)據(jù)采集卡采集陣列探測器在光觸發(fā)后產(chǎn)生的各路反應電信號。步驟6數(shù)據(jù)處理模塊負責處理采集到的電信號，解析并存儲數(shù)據(jù)信息入計算機，并在電腦上利用相關分析軟件，分析各路信號波形和信號成像圖譜，進行分析、對比。步驟7聲音合成模塊，將解析存儲的數(shù)據(jù)信號通過相應的聲音處理算法進行聲音合成，以便與原始聲音信號進行比對。步驟I所述的聲音處理器可以是電腦，電腦采集外界聲信號經(jīng)變換、編碼，形成特定數(shù)據(jù)包，將這些數(shù)據(jù)下載。
權利要求
1.基于光纖陣列激光聲效應的動物聽覺測量系統(tǒng)，其特征在于包括聲音處理器、激光調制驅動器、激光光纖陣列、動物聽覺組織測試盒、陣列探測器、數(shù)據(jù)處理模塊及聲音合成模塊；所述的聲音處理器與激光調制驅動器相連，激光調制驅動器與激光光纖陣列相連，激光光纖陣列輸出的信號給動物聽覺組織測試盒，動物聽覺組織測試盒反應輸出給陣列探測器，陣列探測器與數(shù)據(jù)處理模塊相連，數(shù)據(jù)處理模塊與聲音合成模塊相連，所述的激光光纖陣列端口與耳蝸組織的基底膜的感音位置對應；其中所述語音處理器輸出的各通道信號頻段利用對數(shù)尺度進行截取。
2.如權利要求I所述的基于光纖陣列激光聲效應的動物聽覺測量系統(tǒng)，其特征在于所述的測試盒盛放離體的、具有生物活性的耳蝸組織，或盛放麻醉后固定住的生物個體活體組織相應部位。
3.如權利要求I所述的基于光纖激光聲效應的動物聽覺測量系統(tǒng)的測試方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟I聲音處理器將聲音聲波轉換為多通道電信號，各通道信號頻段按符合人耳聽覺特性的對數(shù)尺度截取；每個通道的電信號分別對應激光光纖陣列中的每一路； 步驟2激光調制驅動器將截取后的每個通道的電信號調制到激光光纖陣列中對應光源的輸出光信號上； 步驟3激光光纖陣列將劃分的多路光信號引入測試盒，照射測試耳蝸組織； 步驟4陣列探測器檢測被測耳蝸組織受激光光纖陣列照射后產(chǎn)生的光聲反應信號；并將檢測到的光聲反應信號轉換成電信號； 步驟5數(shù)據(jù)處理模塊將采集到的電信號作適當處理，并解析存儲數(shù)據(jù)信息到計算機，在計算機上分析解析后的各路信號波形和信號成像圖譜，與正常聲波產(chǎn)生的波形作對比； 步驟6計算機上的聲音合成模塊將解析存儲的數(shù)據(jù)信號通過聲音處理算法合成聲音，與原始聲音信號進行比對。
4.如權利要求3所述的基于光纖激光聲效應的動物聽覺測量系統(tǒng)的測試方法，其特征在于，步驟4的實現(xiàn)方法是陣列探測器通過測量耳蝸神經(jīng)復合動作電位來記錄聽覺神經(jīng)對不同激光參量的反應，或通過測量聽性腦干反應和下丘神經(jīng)元反應來觀察大腦對激光光纖陣列觸發(fā)聽覺神經(jīng)纖維的反應；用陣列探測器探頭將微弱的生物電引出，經(jīng)生物電放大器放大，得到相應的光聲反應電信號。
5.如權利要求3所述的基于光纖激光聲效應的動物聽覺測量系統(tǒng)的測試方法，其特征在于所述步驟2的激光調制驅動器是完成將來自聲音處理器的多路電信號數(shù)據(jù)流轉為光信號的模塊電路，激光器的調制采用以下兩種調制方式 (1)脈沖占空比調制采用這種調制方法，將在光纖激光陣列上輸出占空比隨數(shù)據(jù)流幅值變化的多路同步光脈沖信號，這樣的光脈沖信號其峰值保持不變，只是單位時間輸出的光脈沖疏密度是動態(tài)變化的； (2)將數(shù)據(jù)流轉換為模擬電信號，用該信號控制激光器的光強輸出，得到激光光強隨該數(shù)據(jù)流電信號同步變化的光陣列信號。
全文摘要
本發(fā)明具體公開了一種基于光纖陣列激光聲效應的動物聽覺測量系統(tǒng)，包括聲音處理器、激光調制驅動器、激光光纖陣列、動物聽覺組織測試盒、陣列探測器、數(shù)據(jù)處理模塊及聲音合成模塊；所述的聲音處理器與激光調制驅動器相連，激光調制驅動器與激光光纖陣列相連，激光光纖陣列輸出的信號給動物聽覺組織測試盒，動物聽覺組織測試盒反應輸出給陣列探測器，陣列探測器與數(shù)據(jù)處理模塊相連，數(shù)據(jù)處理模塊與聲音合成模塊相連。有益效果1.采用密集布局的光纖激光陣列；2.采用無時間失真的多路并行同步光脈沖觸發(fā)；3.裝置實際測量動物聽覺，測量精度更高，測量方法可調節(jié)控制，數(shù)據(jù)分析靈活方便。
文檔編號A61F11/04GK102871797SQ201210393530
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月17日 優(yōu)先權日2012年10月17日
發(fā)明者田嵐, 陸冬雨, 田貫宇, 黃靜如 申請人:山東大學