curso prÁctico para el funcionamiento y manejo del...

Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR 1

Universidadde Granada

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, 26 - 29 de Junio de 2002

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Parte 1: FUNCIONAMIENTO DEL IMPLANTE COCLEAR

Ángel de la Torre Vega

Dpto. Electrónica y Tecnología de ComputadoresUniversidad de Granada

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Universidadde Granada

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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 modiolo2. Lámina de los contornos3. Canal de Rosenthal4. Lámina espiral ósea5. Habénula perforata6. Orificios salida nervio auditivo

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Laberinto membranoso (rampas cocleares)

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El órgano de Corti

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Células ciliadas

1. Núcleo2. Mitocondrias3. Estereocilios4. Placa basal de los estereoc.5. Cuerpo de Hensen6. Microvellosidades C. Soporte7. Placa basal kinocilio vestigial8. Fibras nerviosas afer. efer.

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Universidadde Granada 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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Percepción auditiva

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Universidadde Granada 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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Punto de máxima estimulación

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Capacidad de sincronización

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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....

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Imagen Rx de un implante

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Universidadde Granada • 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

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La señal de voz

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La señal de voz

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Universidadde Granada Espectro de las vocales

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Universidadde Granada Formantes 1º y 2º en vocales

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1000

1500

2000

2500

3000

200 300 400 500 600 700 800 900 1000

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Universidadde Granada Espectro de consonantes sonoras

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Universidadde Granada Espectro de consonantes fricativas

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Universidadde Granada 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/

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Espectrograma(representación tiempo - frecuencia)

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Espectrograma(representación tiempo - frecuencia)

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Universidadde Granada

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

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Universidadde Granada 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

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Características del oído humano

• Configuración de la cóclea:6.000 células ciliadas internas40.000 terminaciones nerviosasRepolarización: 2 ms (400 - 500 disparos/seg)Conexión sináptica: sin interacción entre canales

• Capacidad de un oído entrenado:– Resolución espectral: 1/9 tono (450 – 456 Hz)– Resolución temporal: 400 - 500 Hz– Resolución de intensidad: 1 dB– Mecanismos de adaptación

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Universidadde Granada 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

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Universidadde Granada 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

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Universidadde Granada 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+

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CIS: Continuous Interleaved Sampling

Adquisiciónde la señal

Ajusteniveles

Banco de filtros ydetecc. envolvente

Generaciónestímulos

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Universidadde Granada 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

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Percepción con Implante CoclearLimitaciones

• Resolución espectral:– Pocos electrodos (muchos menos de 6.000)– ¿Por qué no más electrodos?– Intervalo de frecuencia 200 Hz – 10.000 Hz

• Resolución temporal:– 300 ... 3000 disparos/seg

• Respuesta a los distintos niveles de intensidad

• Limitaciones fisiológicas y ausencia de mecanismos de adaptación

• Limitaciones relacionadas con las habilidades

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Universidadde Granada ¿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”

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Universidadde Granada 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)