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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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Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR 2
Universidadde Granada
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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Universidadde Granada /DEHULQWR�yVHR�\�FyFOHD
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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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Universidadde Granada
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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Universidadde Granada
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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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Universidadde Granada
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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Universidadde Granada
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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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Universidadde Granada
La señal de voz
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Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR 21
Universidadde Granada
La señal de voz
/s/ /a/ /l/
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Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR 22
Universidadde Granada Espectro de las vocales
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Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR 23
Universidadde Granada Formantes 1º y 2º en vocales
500
1000
1500
2000
2500
3000
200 300 400 500 600 700 800 900 1000
freq.
2o
form
ante
(Hz)
freq. 1er formante (Hz)
/a//o//u/
/i/ /e/
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Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR 24
Universidadde Granada Espectro de consonantes sonoras
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Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR 25
Universidadde Granada Espectro de consonantes fricativas
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Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR 26
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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Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR 27
Universidadde Granada
Espectrograma(representación tiempo - frecuencia)
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Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR 28
Universidadde Granada
Espectrograma(representación tiempo - frecuencia)
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Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR 29
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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Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR 30
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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Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR 31
Universidadde Granada
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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Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR 32
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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Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR 33
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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Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR 34
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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Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR 35
Universidadde Granada
CIS: Continuous Interleaved Sampling
Adquisiciónde la señal
Ajusteniveles
Banco de filtros ydetecc. envolvente
Generaciónestímulos
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Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR 36
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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Universidadde Granada
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)