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Tratamiento Digital de la Señal de Voz, Curso 2010/2011. Sistema de Audición 1/47

El Sistema de Audición

Rafael Martínez OlallaGrupo de Informática Aplicada al Procesamiento de Señal e Imagen (GIAPSI)

Universidad Politécnica de Madrid, Campus de Montegancedo, s/n, 28660 Boadilla del Monte, Madrid, Spain

e-mail: [email protected]


Física acústica del sonidoDefiniciones de sonido:

Movimiento organizado de moléculas, causado por un cuerpo vibrante en algún medio (agua, aire, sólidos...). (Fenómeno físico).Sensación auditiva producida a través del oído por la alteración en presión, desplazamiento de partículas o velocidad de las partículas, que se propaga por un medio elástico. (Sensación).

Naturaleza del sonido: se produce cuando un cuerpo se mueve hacia delante y hacia atrás con suficiente rapidez como para enviar una onda a través del medio en el que está vibrando.Cualquier sonido “real” se compone de infinitas sinusoides de distintas amplitudes y frecuencias (análisis de Fourier).El nivel sonoro de un sonido se mide en dBUmbral del dolor: SL de I=1 Watt/m2 SL=120dB

Umbral audición: SL de I = 10-12 Watt/m2 SL=0dB

SL dB II

( ) • log ( )= 10 101

0

Si se cae un árbol en el bosque y no hay nadie para oirlo, ¿hace ruido?


El pabellón auricular y el canal auditivo

Pabellón auricular permite localizar sonidos.Protege al oído

Canal auditivoCilindro irregular con diámetro medio menor de 8 mm. , y longitud de unos 2.5 cm.Actúa como tubo resonante.Realza frecuencias audibles.Para frecuencias 2-5.5 kHz el nivel de presión en el tímpano es aproximadamente 10 veces la presión del sonido en el pabellón auditivo.

Esquema del sistema auditivo. Se divide en:• Oído externo• Oído medio• Oído interno


Tímpano

Interfaz entre el oído externo y el medio.Las ondas de presión acústica sólo alcanzan el tímpano. A partir de allí: vibraciones mecánicasLas ondas de presión del aire provocan vibraciones en la membrana timpánica (de modo similar a algunos micrófonos).


Oído medio IContiene: martillo, yunque, lenticular y estribo.Constituyen una cadena de amplificación (el estribo recorre una distancia tres veces inferior al tímpano)Los músculos del oído medio modifican el comportamiento del sistema de huesecillos (sistema de seguridad, análogo a un control automático de ganancia):Esos músculos se pueden mover de forma voluntaria, pero lo habitual es que se muevan de forma refleja al superarse un cierto nivel.Al aumentar el sonido, los músculos se contraen para evitar una presión excesiva sobre la ventana oval.La trompas de Eustaquio comunican el tracto vocal con el oído medio para nivelar presiones


Oído Medio II

Tímpano +

cadena de huesecillos

Transforman vibraciones de aire en vibraciones de fluido


La ventana oval

Interfaz entre el oído medio y el internoEl estribo pasa las vibraciones a la ventana oval (membrana que cubre una abertura en la cápsula ósea de la cóclea)Ventana oval 15 a 30 veces menos que el tímpano => amplificación necesaria para adaptar las impedancias entre las ondas de sonido en el aire y en el fluido coclear.


Resumen de la amplificación desde el oído externo al interno

En los 4 cm. Ocupados por el oído externo y el medio tenemos 3 principios físicos para magnificar las vibraciones débiles que llegan, de modo que puedan establecer ondas de presión en un líquido:

El tubo de resonancia del canal del oído incrementa la presión del aire unas 10 veces.La cadena de huesecillos la triplica de forma mecánica.La diferencia de superficies entre el tímpano y la ventana oval realiza otra amplificación de unas 30 veces.

El resultado de los tres mecanismos es una amplificación de la onda de más de 800 veces.


El oído interno

Se encuentra alojado dentro del hueso temporal (el más duro del cuerpo).Dentro del oído interno se distinguen:

Los canales semicirculares: son el mecanismo de equilibrio del cuerpo y no juegan papel alguno en la audiciónLa cóclea: convierte el sonido en impulsos eléctricos que viajan hasta el cerebro.


El oído interno: La cóclea

La fuerza mecánica amplificada es transformada en presión hidráulica en la cócleaEsta presión imprime un movimiento en el conducto coclear y en el órgano de Corti.


Sección de la cóclea

Canales vestibular y timpánico: contienen perilinfa (líquido similar al fluido espinal).Conducto coclear ó medio: contiene endolinfa (similar al fluido celular).Membrana de Reissener (muy estrecha, dos paredes celulares de anchura).Membrana basilar: separa los sonidos en función de su frecuencia.Cualquier rotura de las membranas impediría la audición.


Sección de la cóclea


Transmisión de las ondas en la cóclea I

Las ondas de presión en la cóclea recorren un camino desde la ventana oval, hasta disiparse en la ventana circular.La membrana basilar es estrecha y tensa al comienzo de la cóclea (junto a la ventana oval), y ancha y distendida al final.Las ondas de presión acústica inducen una onda en la membrana basilar. Los tonos altos provocarán crestas (resonancias) en las zonas tensas de la membrana y los graves en las distendidas.La posición de la cresta determina qué fibras enviarán señales al cerebro.La membrana basilar también recoge la vibraciones del cráneo.


Transmisión de las ondas en la cóclea II


Vibración de la membrana basilar I

Posición de las resonancias en la cóclea


Vibración de la membrana basilar II

Ventana oval

Ventana circular


El Órgano de CortiMasa gelatinosa de unos 4 cm. Relacionado con vesículas sensitivas de los peces.Está lleno de fluido y rodeado por otro fluido, así se absorben impactos. (Está incluso aislado de las líneas de suministro del cuerpo, ya que los latidos del corazón serían percibidos como ruido).Los nutrientes se transportan hasta el órgano de Corti a través del fluido endolinfático.

La membrana basilar soporta este órgano que consiste en una masa de células que casi tocan el nervio auditivo.De esas células salen unos pelos finos (unos 23500) agrupados ordenadamente como los pelos de un cepillo.Los pelos tienen su parte superior hundida en la membrana basilar y sus raices en las células auditivas.Los pelos actúan como transductores: al moverse la membrana basilar, empuja y tira de los pelos. Esto genera señales eléctricas que estimulan el nervio auditivo.


Cortex Auditivo


Camino del impulso al cerebro

El sistema de transmisión del impulso desde la cóclea al cerebro contiene 30000 fibras nerviosas que forman el nervio auditivo.

Las fibras se agrupan por frecuencias. La medida de la intensidad de un sonido la da el número de fibras que transmiten señal.

Desde el cerebro retornan otras fibras que pueden llevar instrucciones al oído para que filtre ciertas frecuencias y se concentre en otras.

Tras pasar por el núcleo coclear algunas de las fibras de retorno llegan al oído medio donde controlan los músculos de la cadena de huesecillos.

Las fibras que transportan las señales desde la cóclea llegan a zonas diferentes del córtex auditivo dependiendo de la frecuencia que codifiquen.

El córtex auditivo está situado en la fisura de Silvio. Los tonos agudos terminan en la parte profunda, y los graves en la zona más

fi i l


PercepciónEl margen de frecuencias de audición es aproximadamente de 16 Hz a 16.000 Hz. El límite superior decae con la edad (20 KHz en la juventud. 10 KHz en la tercera edad).

Los sonidos se distinguen gracias a las propiedades subjetivas del tono, laelevación y el timbre

Tono: relacionado con la frecuenciaElevación: relacionado con la Intensidad Timbre: sobretonos y armónicos

El oído es un elemento no lineal: su comportamiento es logarítmico

Percepción de direccionalidad:

Para frecuencias bajas está basada en la diferencia de tiempos en llegar la onda a cada oído.

Para frecuencias altas -> diferencia de intensidad


Sensibilidad

Sensibilidad: Depende de la frecuencia. Más sensible en el margen 1-5 KHz, (se requiere menos intensidad)Varía con el sujeto y la edad: > 60 años, pierden unos 40 dB para frecuencias mayores de 8.000 Hz.Nivel de Audición: mínima intensidad que produce una sensación de audición.Nivel de Sensación: intensidad a la que se “siente” el sonido.Nivel de Dolor: la intensidad a la que la audición produce ruido.Estos dos últimos umbrales se caracterizan por variar menoscon la frecuencia que el nivel de audición.


TonoEl oído distingue frecuencias. Dependiendo de la frecuencia se estimula un punto u otro de la membrana basilar.El oído es muy sensible a Δf, sobre todo a ⇓f.Discriminación de Frecuencia: mínimo Δf que se puede apreciar en un tono. Considerando el oído como un filtro, este tiene una Q constante, con lo que la resolución espectral es mayor a bajas frecuencias que a altas.Frecuencia Fundamental: no hay una relación lineal entre la frecuencia real fundamental, de un tono puro y la frecuencia subjetiva con la que es percibido. La relación depende en gran medida de la intensidad.


Elevación I

La elevación aumenta con la intensidad, pero no es lo mismo que ella.Debido a la mayor sensibilidad del oído a las frecuencias medias, los sonidos de igual intensidad parecen más altos en esas frcuncias (a igualdad de intensidades, se oirá más alto un tono de 2000 Hz que uno de 50 Hz.)Gran sensibilidad a variaciones de intensidad: un oyente puede detectar variaciones de 0.5 dB, a f medias e I moderada. A f extremas, así como I bajas, se requieren grandes variaciones de intensidad. Discriminación de intensidad, como el cambio más pequeño en la intensidad del tono que se puede apreciar.


Elevación II

La intensidad subjetiva del tono (elevación), para tonos decorta duración, depende de esta duración: cuando un sonido seescucha durante un tiempo relativamente alto, su elevacióndisminuye, aumentando el nivel de audición (es la llamada fatigaauditiva).Al oír dos sonidos simultáneamente (f1 y f2), uno de ellos puedeenmascarar al otro. El enmascaramiento es mayor cuando f1~f2.Por lo general, los sonidos bajos enmascaran a los altos másefectivamente que los altos a los bajos.Cuando un tono de intensidad débil se escucha en presencia deun tono próximo, el nivel de audición necesario para oír elprimer tono aumenta. Este fenómeno ocurre dentro de unasbandas críticas situadas alrededor del tono enmascarado


Medidas

Esta magnitud puede ser o la potencia media de la señal u otra relacionada con ella, que es el volumen.La caracterización en términos de potencia media debe incluir el tiempo de integración en el que se evalúa aquella. La caracterización en términos de volumen incluye ya el tiempo de integración incorporado en la característica del vú-metro.La respuesta auditiva es función de la potencia deseñal (proporcional al cuadrado de su amplitud) y lasensación sonora varía con el logaritmo (Ley deWeber-Fechner).


Curvas de Fletcher-Munson IIndican la intensidad de un sonido puro de frecuencia variable necesaria para que produzca una determinada sensación sonora Se mide en fonios y expresa la intensidad de un tono de igualsensación sonora, en dB, con relación al tono de 1000 Hz.

SL dB II

( ) • log ( )= 10 101

0

I0=10-12 Watt/m2


Curvas de Fletcher-Munson II

La intensidad sonora en dBno refleja directamente los cambios en la sensibilidad del oído con la frecuencia y con el nivel sonoro

Igual sonoridadpercibida por el oído humano promedio

El oído es menos sensible a las bajas frecuencias, y su discriminación de los bajos es más pendiente para los sonidos más débiles

Igual sonoridad en fonios

Curva del umbral de audición promedio

La región de mayor sensibilidad para el oído humano es hacia los 3-4 kHz, y está asociada con la resonancia en el canal auditivo


Curvas de Fletcher-Munson III


Audiometrías

Prueba o test que determina las pérdidas auditivas de un sujetoTipos:

De conducción aérea.Audiometrías de tonos purosAudiometría vocal

De conducción ósea.La comparación de ambas o Rinne audiométrico.

Audiometría de un paciente conaudición normal en el oídoderecho (triángulos) y una ligerapérdida de audición en el oídoizquierdo (círculos).


Audiometría de tonos puros

Se realiza exponiendo al paciente a tonos de distinta frecuencia yde distinta amplitud.Umbral de detectabilidad, en el que se empieza a sentir, para unsonido continuo, una sensación interrumpida, irregular, en la cual noes posible reconocer la frecuencia.Umbral de audibilidad, que es en el que verdaderamente sepercibe el sonido. Esta generalmente 5 dB por encima del anterior(de ahí que los saltos de energía en los audiómetros sean de 5 en 5dB).


Audiometría vocal

Umbral de inteligibilidad: el sujeto oye y comprendeel vocablo pronunciado.Dos grupos de pruebas vocales:

Test de inteligibilidad (o audiometría vocal corriente)Listas de palabras monosilábicas.Listas de palabras bisilábicas.Listas de frases.

Test fonéticos.Realizados con unos fonemas, que no están siempre incluidos en vocablos, pueden ser efectuados con:

• Listas monosilábicas sin significación.• Listas fonéticas.


Audiometría ósea

Cuando la patología está en el oído externo.En estas condiciones, el sonido no llegaperfectamente a la cadena de huesecillos.Se utilizan unos vibradores que se suelencolocar, o bien en la frente, si se pretendetestear ambos oídos a la vez, o bien en elmastoides.


Patologías del oído

Sordera de transmisión pura: se trata de un trastorno más o menos grande de la resistencia al paso de la vibraciones acústicas. Sordera de percepción pura: es mucho más compleja, pues ya no es un simple obstáculo mecánico a sobrepasar para transmitir las vibraciones acústicas hasta una cóclea intacta, como en la afección de la transmisión, sino que es ese mismo órgano el que ya no funciona normalmente.Sordera mixta.


Implantes cocleares I

La cóclea "clasifica" los sonidos por frecuencia: los tonos más altos hacen vibrar la membrana basilar más cerca de la ventana redonda, y los tonos más bajos hacen vibrar la membrana basilar más cerca al ápice de la cóclea. En algunos tipos de sordera profunda hay una destrucción de lascélulas ciliadas (del órgano de Corti).Transductor que transforma señales acústicas en señaleseléctricas que estimulan el nervio auditivo.Consta de una prótesis interna que se fija quirúrgicamente y unaparte externa que recoge los sonidos y los selecciona, codifica ytransmite al receptor interno.La rehabilitación, es fundamental.


Implantes coclearesEl sonido se captura por un pequeño micrófono localizado en la cápsula que se sitúa detrás de la oreja.

Implante coclear. Componentes:1. Array de electrodos. 2. Receptor para el array de electrodos. 3. Procesador de voz, colocado en el bolsillo. 4. Bobina transmisora 5. Micrófono, colocado detrás de la oreja

El procesador de voz filtra, analiza y digitaliza el sonido en señales codificadas.

Las señales codificadas se envían del procesador de señal a la bobina de transmisión.

La bobina de transmisión envía las señales codificadas como señales de FM al implante coclear que se encuentra bajo la piel.

El implante coclear entrega la energía eléctrica apropiada al array de electrodos que ha sido insertado en el interior de la cóclea mediante operación, y éstos estimulan las fibras nerviosas remanentes que le quedan al paciente.


Implantes cocleares

Inserción del implante Medel C40+


Implantes cocleares


Esquema de un implante


Elementos de un implante

Electrodes

Device Number Spacing Configuration

Type ofstimulation

Transmissionlink

Ineraid 6 4 mm Monopolar Analog percutaneous

Nucleus 22 0.75 mm Bipolar Pulsatile transcutaneous

Clarion 1.0 8 2 mm Monop./Bipolar Analog/Pulsatile transcutaneous

Med-El 8 2.8 mm Monopolar Pulsatile transcutaneous

Electrodos: Número y configuración (Bipolar/monopolar).Transmisión: Transcutánea o percutánea.Estimulación: Analógica / pulsante. Simultánea/secuencial.Información a transmitir: Forma de onda o parámetros.


Electrodos


Tx transcutánea / percutánea


Estimulación

Estimulación analógica / pulsante.Analógica: Se excitan los electrodos con la señal de voz. En monoelectrodo con toda la señal, en multielectrodo con salidas de filtros paso banda.Pulsante: Con pulsos proporcionales a la energía de la señal.

Estimulación simultánea / secuencial.Simultánea: Todos los electrodos a la vez (produce enmascaramiento de frecuencias).


Excitación de los electrodos

palabra “CHOICE”


Inteligibilidad


Medidas de bondad de un implante

Se prueba la capacidad para reconocer frases, palabras monosilábicas y fonemas (vocales y consonantes), en este último caso se meten dentro de palabras en las que solo varíe el fonema a estudiar.Hay algunos test estándar para poder comparar resultados:

UN-6 (Northwestern University): 50 palabras monosílabas.Test CID (Central Institute for the Deaf): 100 palabras clave.Sentencias de uso cotidiano y 25 palabras bisílabas.Test de IOWA: sentencias, consonantes y vocales, en un CD.

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