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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
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR2
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.)
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR3
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?
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR4
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
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR5
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
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR6
cadena de huesecillos
tímpanoventana oval
ventana
cóclea
nervio auditivo
redonda
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR7
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
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR8
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-)
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR9
• 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)
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR10
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
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR11
El laberinto
• Laberinto:– Vestíbulo– Cóclea– Conductos semicirculares
• Laberinto:– Laberinto óseo– Laberinto membranoso
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR12
Laberinto óseo y cóclea
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR13
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
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR14
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
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR15
Laberinto membranoso (rampas cocleares)
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR16
El órgano de Corti
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR17
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
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR18
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.
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR19
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
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR20
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
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR21
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
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR22
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
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR23
... 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
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR24
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
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR25
...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
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR26
Onda viajera en membrana Basilar
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR27
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
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR28
Respuesta en frecuencia de 6 puntos de la cóclea
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR29
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
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR30
Capacidad de sincronización
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR31
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
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR32
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
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR33
Curvas de sintonización
A. Fibras aferentes
B- C.C. Internas
C- Membrana basilar
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR34
Curvas de sintonización
Efecto de daño en las células ciliadas externas
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR35
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
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR36
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
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR37
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
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR38
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
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR39
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....
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR40
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
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR41
Exploraciones audiológicas
• Infantil:– Otoemisiones acústicas (OAE): screening– Audiometría conductual– Potenciales evocados auditivos (EABR)
• Adultos:– Audiometría tonal– Audiometría verbal– EABR
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR42
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)
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR43
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