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ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR1

Procesamiento y compresión de señales de audio

Curso de Doctorado del programa:

Tecnologías Multimedia

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1.- Producción de voz y audición:

• Modelos de producción de voz– Victoria Sánchez Calle (1 h.)

• Anatomía y fisiología de la audición– Ángel de la Torre Vega (2 h.)

• Implantes cocleares– Ángel de la Torre Vega (3 h.)

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Audición

• Papel esencial en:– Comunicación oral

• Producción de la voz• Percepción de la voz

– Percepción del sonido (señales de audio)

• Procesamiento de señales de audio– ¿Cómo se perciben las señales de audio?

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Órganos de la audición

• Anatomía (se conoce desde siglo XIX)

• Fisiología (años 60)

• Órganos de la audición:– Oído externo

– Oído medio

– Oído interno

– Vías auditivas

– Corteza cerebral

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Papel de los órganos

• Oídos externo y medio:– Protección y transmisión onda mecánica

• Oído interno:– Transducción auditiva (generación de potenciales

de acción)

• Vías auditivas:– Transmisión de los potenciales de acción

• Corteza cerebral:– Procesamiento de la información

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cadena de huesecillos

tímpanoventana oval

ventana

cóclea

nervio auditivo

redonda

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Transducción auditiva

cóclea cóclea desenrollada

estribov. oval

vibración

v. redonda

Cel.ciliadas

Memb. deReissner

perilinfa

coclear

Memb. basilar

Potenciales de acción

pared

Impulsos eléctricos

auditivonervio

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Los mecanismos involucrados en la audición son más complicados

• Oído externo: respuesta en frecuencia depende de la dirección (localización y detección de movimiento de fuentes)

• Oído medio: reflejo estapedial

• Oído interno: sintonización

– Células ciliadas externas (inervación eferente –descendente-)

– Células ciliadas internas (inervación aferente –ascendente-)

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• Vías auditivas: distintas estaciones:

– Tronco cerebral (núcleos cocleares, colículo inferior, cuerpo geniculado medio)

– Con distintas funciones:• Generación reflejo estapedial• Estimulación eferente células ciliadas internas• Inhibición/realce de respuestas• Localización del sonido

• Corteza cerebral:– Procesamiento de la información – Conexión con otras áreas (lenguaje)

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Audiología• Funcionamiento oído normal:

– Procesamiento señal de audio

• Funcionamiento oído patológico:– Problemas– Limitaciones en la audición– Tratamiento

• Exploraciones audiológicas– Evaluación de la funcionalidad

Relación entre Audiología y el Procesamiento de Señales de Audio

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El laberinto

• Laberinto:– Vestíbulo– Cóclea– Conductos semicirculares

• Laberinto:– Laberinto óseo– Laberinto membranoso

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Laberinto óseo y cóclea

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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

32-35 mm

9 mm

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Sección de la cóclea

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

1. Canal de Rosenthal

2. Canal aferente de la lámina espiral

3. Habénula perforata

Sección de la lámina espiral ósea

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Laberinto membranoso (rampas cocleares)

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El órgano de Corti

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Células del órgano de Corti

• Células de soporte• Células sensoriales

– Células ciliadas externas• 3 hileras (de 18.000 a 20.000)• 90% inervación eferente• 5% inervación aferente• Estereocilios tocan membrana tectoria

– Células ciliadas internas• 1 hilera (aprox. 6.000)• 10% inervación eferente• 95% inervación aferente• Estereocilios no tocan la membrana tectoria

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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.

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Papel de las células ciliadas externas

• Capacidad motriz (inervación eferente)

• Mueven la membrana basal

• Relacionadas con mecanismo de afinación o sintonización

• Relacionadas con las otoemisiones acústicas

• Ototóxicos selectivos (afectan a CCE y no a CCI): gentamicina, estreptomicina:– Pérdida de OAE

– Pérdida de capacidad de sintonización

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Fisiología de la audición

• Oído externo: pabellón y CAE

• Oído medio: tímpano y osículos

• Oído interno: cóclea

• Vías auditivas: – Nervio acústico (VIII par)– Tronco cerebral

• Corteza cerebral

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Oído externo

• Pabellón auditivo:– Amplificación 10dB

– Función de transferencia dependiente de la dirección (localización y detección de movimiento)

• Conducto Auditivo Externo (CAE):– Amplifica la zona 2.000 – 5.000 Hz

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Oído medio

• Tímpano y osículos (martillo, yunque y estribo)

• Función: amplificación y transmisión de onda mecánica al oído interno

• Amplificación:– Brazo de palanca cadena de huesecillos– Relación superficie tímpano – platina del estribo

(de 14:1 a 27:1)– Ganancia: 27 – 35 dB dependiendo de la

frecuencia

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... Oído medio• Trompa de Eustaquio:

– Equilibrio de presión del aire entre caja del oído medio y el exterior

• Si no, disminuye la movilidad del tímpano y se reduce la ganancia del oído medio

– Drenaje y secreción de agentes antiinfecciosos

• Músculo estapedial:– Sonido intenso produce contracción bilateral– Reduce el movimiento del estribo– Función: reducir ganancia para:

• Protección del oído interno• Mejor percepción a altas intensidades

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Oído interno

• Conocimientos Siglo XIX:

– Histología: Huschke, Reissner y Corti

– Teoría de la resonancia: Fourier, Ohm, Helmholtz:

cuerdas en el oído interno que vibrarían por resonancia de acuerdo con

frecuencias del sonido

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...Oído interno

• Von Bekesy (años 60)– Teoría tonotópica– Onda viajera en la membrana basilar

Para cada frecuencia existe una zona del órgano de Corti que da una respuesta máxima. Esta zona da lugar a una sensación precisa de tono

– Nobel en Medicina

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Onda viajera en membrana Basilar

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Punto de máxima estimulación

20 Hz

80 Hz 150 Hz

200 Hz

250 Hz350 Hz

600 Hz

800 Hz

1000 Hz

1400 Hz

2000 Hz

2500 Hz

3200 Hz

4 kHz

5 kHz6 kHz

8 kHz

10 kHz

12 kHz

15 kHz

20 kHz

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Respuesta en frecuencia de 6 puntos de la cóclea

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Teorías de la percepción sonora

• Tonotópica• Patrón temporal de estimulación

– Frecuencia máxima de disparo en células ciliadas y fibras del nervio coclear: 400 – 800 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

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Capacidad de sincronización

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Excitación de las células ciliadas(mecanismo pasivo)

1. Modiolo o columela

2. M. Tectoria

3. M. Basal

4. Lámina reticular

5. C.C. Interna

6. C.C. Externa

A. Reposo

B- Excitación

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Mecanismo activo (sintonización)

• La actividad de las C.C.E. modifica la onda viajera, apareciendo un pico para la frecuencia sintonizada

• De este modo se mejora la selectividad frecuencial por encima de los límites permitidos por la mecánica coclear

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Curvas de sintonización

A. Fibras aferentes

B- C.C. Internas

C- Membrana basilar

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Curvas de sintonización

Efecto de daño en las células ciliadas externas

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Vías auditivas

• Nervio coclear:– 30.000 a 40.000 terminaciones nerviosas que

hacen sinapsis con células ciliadas

• Conexión con tronco cerebral– Núcleos cocleares

– Colículo inferior

– Cuerpo geniculado medio

• Corteza cerebral

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Vías auditivas

• Homolateral para frecuencias bajas

• Contralateral para frecuencias altas

Corteza cerebral

Cuerpo geniculado medio

Colículo inferior

Núcleos cocleares

Función:

• Inhibición sonidos estacionarios

• Disparo sonidos nuevos

• Audición binaural

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Codificación del sonido (I)• Frecuencia:

– Mecanismo tonotópico

– Patrón temporal de estimulación (sincronización disparos)

• Intensidad:– Tasa de disparo

– Número de fibras activadas

• Evolución temporal de intensidad y freq.:– Ataque – caída de sonidos: sincronización

– Sonidos estacionarios: no se percibe la fase

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Codificación del sonido (II)• Mecanismos activos de audición:

– Reflejo estapedial

– Sintonización frecuencial:• Involucra vías eferentes y células ciliadas externas

• Papel clave en la percepción en entornos ruidosos

• Papel clave en la atención en varias fuentes sonoras

• Entrenamiento auditivo

– Inhibición de respuestas estacionarias:• Papel clave en la percepción en condiciones de ruido

– Detección de desfase entre respuesta bilaterales• Papel clave en la percepción binaural

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Patologías de la audición

• Hipoacusias– Transmisión– Neurosensoriales– Mixtas– Retrococleares– (Presbicusias)

• Acúfenos

• Origen– Trauma acústico– Ototóxicos:

• Antibióticos• Drogas estimulantes

– Malformaciones– Síndromes– Infecciones (otitis,

otitis laberintizadas, infecciones víricas)

– Anoxia perinatal– Traumatismo

craneoencefálico– Meningitis....

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Tipos de pérdida auditiva

• Nivel de pérdida:– Leve 20 – 40 dB– Moderada 40 – 70 dB– Severa 70 – 90 dB– Profunda > 90 dB

• En relación al nivel de lenguaje:– Prelocutiva / perilocutiva / postlocutiva

• En relación al momento de adquisición:– Prenatal (genética/adquirida) / perinatal / postnatal

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Exploraciones audiológicas

• Infantil:– Otoemisiones acústicas (OAE): screening– Audiometría conductual– Potenciales evocados auditivos (EABR)

• Adultos:– Audiometría tonal– Audiometría verbal– EABR

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Problemas de la sordera

• En niños:– Afecta al desarrollo lingüístico– ...por tanto al desarrollo educativo– ...y al desarrollo social

• En adultos:– Dificulta la comunicación– Vías alternativas:

• Lectura labial (adultos postlocutivos)• Lenguaje de signos (adultos prelocutivos)

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Tratamiento de hipoacusias• Importancia de la intervención temprana• Importancia de los métodos de screening:

– En grupos de riesgo– Screening universal

• Sorderas moderadas – severas:– Audífonos (amplificación) analógicos/digitales

• Sorderas severas – profundas:– Implante coclear (estimulación eléctrica del nervio

coclear)– Implante de tronco cerebral– Implante de oído medio