CURSO PRÁCTICO PARA EL FUNCIONAMIENTO Y MANEJO DEL PROCESADOR DE VOZ EN IMPLANTADOS MED-EL

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1 CURSO PRÁCTICO PARA EL FUNCIONAMIENTO Y MANEJO DEL PROCESADOR DE VOZ EN IMPLANTADOS MED-EL Congreso Internacional de Foniatría, Audiología y Psicología del Lenguaje Salamanca, de Junio de 2002 Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 1

2 Parte 1: FUNCIONAMIENTO DEL IMPLANTE COCLEAR Ángel de la Torre Vega Dpto. Electrónica y Tecnología de Computadores Universidad Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 2

3 FDGHQDGHKXHVHFLOORV QHUYLRDXGLWLYR FyFOHD YHQWDQD UHGRQGD WtPSDQR YHQWDQDRYDO Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 3

4 /DEHULQWRyVHR\FyFOHD Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 4

5 Laberinto óseo anterior (cóclea) Hueso compacto Formado en el 5º mes de vida embrionaria Tubo cónico, enrollado sobre cono que describe 2 vueltas y media 5-6 mm 1-2 mm mm 9 mm Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 5

6 Sección de la cóclea Universidad 1. Columela o modiolo 2. Lámina de los contornos 3. Canal de Rosenthal 4. Lámina espiral ósea 5. Habénula perforata 6. Orificios salida nervio auditivo Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 6

7 Laberinto membranoso (rampas cocleares) Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 7

8 El órgano de Corti Universidad Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 8

9 Células ciliadas 1. Núcleo 2. Mitocondrias 3. Estereocilios 4. Placa basal de los estereoc. 5. Cuerpo de Hensen 6. Microvellosidades C. Soporte 7. Placa basal kinocilio vestigial 8. Fibras nerviosas afer. efer. Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 9

10 Células del órgano de Corti Células de soporte Células sensoriales Células ciliadas externas 3 hileras (de a ) 90% inervación eferente 5% inervación aferente Estereocilios tocan membrana tectoria Células ciliadas internas 1 hilera (aprox ) 10% inervación eferente 95% inervación aferente Estereocilios no tocan la membrana tectoria Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 10

11 Percepción auditiva FyFOHD FyFOHDGHVHQUROODGD HVWULER YRYDO &HOFLOLDGDV 0HPEGH 5HLVVQHU SDUHG FRFOHDU YLEUDFLyQ YUHGRQGD 0HPEEDVLODU SHULOLQID,PSXOVRVHOpFWULFRV 3RWHQFLDOHVGHDFFLyQ QHUYLR DXGLWLYR Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 11

12 Teorías de la percepción sonora Tonotópica Patrón temporal de estimulación Frecuencia máxima de disparo en células ciliadas y fibras del nervio coclear: descargas por segundo Patrón temporal: depende de la sincronización Combinación de ambos mecanismos: A bajas frecuencias predomina el patrón temporal de estimulación A altas frecuencias predomina tonotopia Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 12

13 Punto de máxima estimulación N+] N+] N+] N+] N+] N+] +] +] +] +] +] +] +] +] +] +] N+] +] +] +] N+] Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 13

14 Capacidad de sincronización Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 14

15 Pérdidas auditivas Tipo Transmisión Neurosensoriales Mixtas Retrococleares (Presbicusias) Nivel Leves (<20 db) Moderadas (40-70 db) Severas (70-90 db) Profundas (>90 db) Origen Trauma acústico Ototóxicos: Antibióticos Drogas estimulantes Malformaciones Síndromes Infecciones (otitis, otitis laberintizadas, infecciones víricas) Anoxia perinatal Traumatismo craneoencefálico Meningitis... Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 15

16 WUDQVPLVRU5) UHFHSWRU5)\ HPLVRUGHHVWtPXORV HOHFWURGRGHUHIHUHQFLD PLFUyIRQR\ SURFHVDGRU HOHFWURGRV JXtDGHHOHFWURGRV Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 16

17 Imagen Rx de un implante Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 17

18 Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 18

19 Objetivos del implante coclear: Proporcionar una representación del sonido que permita la comunicación oral: Identificar, discriminar y reconocer las distintas unidades de la voz: fonemas sílabas Palabras Proporcionar percepción de los sonidos Limitaciones: Técnicas Aprendizaje Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 19

20 La señal de voz /sal/ Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 20

21 La señal de voz /s/ /a/ /l/ Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 21

22 Espectro de las vocales L D R D cerrada X H Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 22

23 Formantes 1º y 2º en vocales freq. 2o formante (Hz) /i/ /u/ /e/ /o/ /a/ freq. 1er formante (Hz) Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 23

24 Espectro de consonantes sonoras P O Q \ x 5 Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 24

25 Espectro de consonantes fricativas V ] VK I VV M Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 25

26 Fonemas no estacionarios Fonemas estacionarios: vocales: /a/ /e/ /i/ /o/ /u/ consonantes sonoras: /l/ /y/ /R/ /m/ /n/ /ñ/ consonantes fricativas: /s/ /sh/ /ss/ /z/ /f/ /j/ Fonemas no estacionarios: Plosivas sordas: /p/ /t/ /k/ Plosivas sonoras: /b/ /d/ /g/ Otras consonantes: /ch/ /r/ Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 26

27 Espectrograma (representación tiempo - frecuencia) Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 27

28 Espectrograma (representación tiempo - frecuencia) PERLD NRPSUD5SDQ Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 28

29 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 Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 29

30 Cómo funciona el oído Extrae información de la señal de audio Envía la información al cerebro en forma de estímulos nerviosos Mecanismos de percepción: Tonotópico Patrón temporal de estimulación El implante coclear trata de imitar el mecanismo de conversión del sonido en potenciales de acción Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 30

31 Características del oído humano Configuración de la cóclea: células ciliadas internas terminaciones nerviosas Repolarización: 2 ms ( disparos/seg) Conexión sináptica: sin interacción entre canales Capacidad de un oído entrenado: Resolución espectral: 1/9 tono ( Hz) Resolución temporal: Hz Resolución de intensidad: 1 db Mecanismos de adaptación Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 31

32 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 Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 32

33 Estrategias de estimulación Separación de señal de audio en bandas de frecuencia Asignación de bandas a electrodos (tonotópica) Estimulación de los electrodos de acuerdo con la energía en cada banda de frecuencia en cada instante de tiempo (patrón temporal) Las limitaciones - compromisos y soluciones dan lugar a las estrategias de estimulación Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 33

34 Estrategias de codificación Analógicas: Compressed Analog Pulsátiles: Extracción de características F0/F1/F2 MPEAK Híbridas: SMSP / SPEAK N-of-M ACE Forma de onda: ACE / CIS / CIS+ Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 34

35 CIS: Continuous Interleaved Sampling Adquisición de la señal Banco de filtros y detecc. envolvente Ajuste niveles Generación estímulos Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 35

36 Tendencias en las estrategias Estimulación monopolar Estimulación pulsátil con pulsos bifásicos Estrategias de forma de onda Algoritmos de respuesta rápida en la detección de envolvente Pulsos no solapados Alta tasa de estimulación Objetivos: Resolución frecuencial Resolución temporal Resolución en intensidad Sensibilidad Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 36

37 Percepción con Implante Coclear Limitaciones Resolución espectral: Pocos electrodos (muchos menos de 6.000) Por qué no más electrodos? Intervalo de frecuencia 200 Hz Hz Resolución temporal: disparos/seg Respuesta a los distintos niveles de intensidad Limitaciones fisiológicas y ausencia de mecanismos de adaptación Limitaciones relacionadas con las habilidades Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 37

38 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 Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 38

39 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) Ángel de la Torre Vega G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones DETC UGR 39