устройство для измерения помехоустойчивости восприятия речи человеком

Формула изобретения

Устройство для измерения помехоустойчивости восприятия речи человеком, содержащее блок запоминания тестовых сигналов, блок запоминания помех, блок усиления тестовых сигналов с управляемым коэффициентом усиления, блок сложения тестовых сигналов с помехой, электроакустический преобразователь, блок запоминания, записи, ответов пациента на тестовый сигнал, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит блоки выборки тестовых сигналов и помех, блок усиления помех с управляемым коэффициентом усиления, блок сравнения ответа пациента с фактически предъявленным тестовым сигналом, блок определения вероятности правильных ответов пациента, блок определения числа фактически предъявленных тестовых сигналов, блок управления, блок печати, причем входы блоков выборки тестовых сигналов и помех соединены с выходами блоков запоминания тестовых сигналов и помех соответственно, а их выходы соединены с входами блоков усиления тестовых сигналов и помех соответственно, выходы которых соединены с входами блока сложения тестовых сигналов с помехой, вход блока сравнения ответов пациента с фактически предъявленным тестовым сигналом соединен с выходом блока запоминания ответов пациента, а его выход соединен одновременно с входом блока определения числа фактически предъявленных тестовых сигналов и с входом блока определения вероятности правильных ответов пациента, выходы которых соединены с входами блока управления, пять выходов которого соединены с соответствующими управляющими входами блоков выборки тестовых сигналов и помех, блока усиления помех с управляемым коэффициентом усиления, блока усиления тестовых сигналов с управляемым коэффициентом усиления, блока сравнения ответа пациента с фактически предъявленным тестовым сигналом, блока печати и блока определения вероятности правильных ответов пациента, а выход блока сложения тестовых сигналов с помехой соединен с электроакустическим преобразователем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине, а точнее к медицинской технике, и может быть использовано в отоларингологических клиниках, кабинетах отоларингологов, при подборе слуховых аппаратов, при профотборе.

Помехоустойчивость - это способность человека воспринимать информацию (в частности, речь) при наличии внешних помех (в частности, акустических помех типа шума, посторонней речи, музыки и т.п.).

В результате проведенных в последние годы исследований выяснено, что многие пациенты, особенно страдающие сенсоневральной тугоухостью, способны хорошо распознавать речевые сигналы достаточной громкости лишь при отсутствии внешних помех. Даже присутствие относительно небольшого шума во многих случаях приводит к значительному ухудшению распознавания ими речи. Так как в реальных условиях тот или иной шум или помеха всегда присутствуют, то при оценке состояния слуха человека необходимо оценивать и помехоустойчивость как одно из свойств слуховой системы человека.

В настоящее время оценка помехоустойчивости восприятия речи человеком, как правило, производится в рамках исследовательских работ и известные методы и устройства для ее измерения ориентированы, как правило, на здоровых людей, у которых нет специфических нарушений слуховой функции, учитывать которые необходимо при работе с больными [1, 2]. Так, например, у здоровых людей слабо выражена зависимость вероятности правильного распознавания тестовых слов от их интенсивности. В то же время такая зависимость очень резко выражена у большинства больных сенсоневральной тугоухостью (эффект функционального нарушения восприятия громкости - ФУНГ).

Известна установка для аудиометрии и подбора слуховых аппаратов, которая используется при определении состояния слуха пациентов [1]. Эта установка пригодна и для использования в качестве устройства для измерения помехоустойчивости восприятия речи человеком. Установка включает в себя блок памяти, где запоминаются тестовые сигналы, блок памяти для запоминания помех, блок усиления тестовых речевых сигналов с управляемым коэффициентом усиления, блок сложения тестовых речевых сигналов и помех, блок запоминания (записи) ответов пациента, электроакустического преобразователя [1]. С помощью указанного устройства определяется SPI (Speech Perception Index) [1], характеризующий способность слушателя распознавать речевые сигналы с учетом их социальной значимости в тишине и на фоне шума. Параметр SPI определяется на базе специальной таблицы-графика, по оси абсцисс которой откладываются значения порога восприятия речи SRT (Speech Reception Threshold), а по оси ординат - процент нераспознанных фонем (Phoneme Recognition Test, PRT). Цифра, расположенная в таблице на пересечении значений указанных параметров, является величиной SPI, которая используется для характеристики социально-значимого слуха данного пациента. Для учета помехоустойчивости при распознавании фонем (PRT) проводится предъявление тестовых слов на фоне шума при соотношении сигнал/шум, равном 5 дБ. Недостатком параметра SPI является недостаточный учет влияния внешнего шума на способность человека распознавать речь. Как показали последние исследования [10], многие пациенты, страдающие сенсоневральной тугоухостью, хорошо воспринимают речь лишь при отсутствии шума или при больших значениях сигнал/шум (>1). Для таких пациентов индекс SPI будет достаточно хорошим. В то же время, у многих пациентов, страдающих сенсоневральной тугоухостью, имеет место нарушение разборчивости речи даже при небольшом (-3 дБ) снижении отношения сигнал/шум. Так как в реальных условиях при восприятии речи шум в той или иной степени обычно присутствует и отношение сигнал/шум при этом значительно ниже (-)3 дБ, то заключение о степени поражения слуха у таких пациентов по этой методике может оказаться неадекватным их способности воспринимать речевую информацию в условиях реальной звуковой среды, даже при должном усилении звуковых сигналов с помощью слухового аппарата. На описанной выше установке может быть осуществлен тест на оценку помехоустойчивости восприятия речи HINT (Hearing in Noise Test), описанный в [2]. Тест HINT включает в себя 240 тестовых фраз, состоящих из приблизительно одинакового количества слогов (от шести до девяти). Все фразы произносятся мужским голосом. Спектр помех соответствует усредненному спектру тестовых фраз. Все множество фраз группируется в фонетически сбалансированные списки, состоящие из 10 или 20 фраз. Тем самым формируются 24 десятифразных групп или 12 двадцатичетырехфразных групп тестовых фраз. Выбор для измерений той или иной группы фраз и ее длины зависит от задачи эксперимента и времени, отводимом на него.

В процессе измерения по способу HINT при фиксированном уровне шума (65 дБ) пациенту предъявляют тестовые фразы, поднимая их уровни по интенсивности до того значения, при котором слушатель оказывается способным правильно повторить половину из них. Эта величина и определяется как порог SSRT (Sentence Speech Reception Threshold). Из приведенного описания следует, что SSRT будет зависеть от уровня установленного шума. Однако правильность распознавания тестовых фраз зависит от многих причин, а не только от уровня шума. Во многих случаях даже при полном отсутствии шума больные не могут опознать 100% тестовых фраз. Поэтому характеристика помехоустойчивости восприятия речи человеком только по SSRT может приводить к существенным ошибкам. Основным же недостатком метода SSRT является тот факт, что в качестве характеристики помехоустойчивости восприятия слушателем речевых сигналов используется их уровень интенсивности, необходимый для обеспечения заданной разборчивости тестовых фраз. Тем самым переменной величиной в процессе измерений оказывается уровень интенсивности предъявляемых речевых сигналов. В то же время известно, что разборчивость речи даже без шумовой помехи у лиц, страдающих сенсоневральной тугоухостью, существенно зависит от ее интенсивности. Известно, что уровень комфортной громкости при прослушивании речи является достаточно постоянной величиной для лиц с нормальным слухом и вариабельной для лиц, страдающих сенсоневральной тугоухостью. Отклонения от этого уровня как в большую, так и в меньшую сторону ведет к ухудшению разборчивости речи. Поэтому при измерении разборчивости речи на фоне помех ее интенсивность не может использоваться в качестве переменной величины, а тем более не может служить критерием помехоустойчивости.

Недостатками известного устройства являются:

1. Установка предназначена для проведения измерений при постоянном (фиксированном) уровне интенсивности помех. Это может вести к неправильным результатам при оценке помехоустойчивости пациентов, страдающих сенсоневральной тугоухостью [3] . В этих случаях приходится повторять весь процесс измерений, устанавливая другой фиксированный уровень помех, что значительно удлиняет процедуру обследования [4].

2. Требуется участие оператора, особенно на этапе оценки правильности ответов пациентов при предъявлении тестовых сигналов на фоне помех. Это ведет к появлению субъективных ошибок в процессе измерений, что влияет на объективность результатов измерений.

3. Для фиксации результатов восприятия пациентом предъявляемого тестового сигнала используется запись его словесного повторения, услышанного сигнала или отметка им того или иного тестового сигнала в имеющемся списке. Это ведет к быстрому утомлению пациентов и создает предпосылки к возникновению дополнительных ошибок.

Таким образом, известное устройство делает процедуру измерения помехоустойчивости очень утомительной как для пациента, так и для оператора, а результаты измерений, особенно для больных сенсоневральной тугоухостью, оказываются неточными.

Технический результат, достижение которого обеспечивает изобретение, заключается в создании автоматизированного устройства, позволяющего исключить субъективные ошибки при проведении измерений и позволяющего производить оценку помехоустойчивости с учетом особенностей восприятия звуковых сигналов пациентами с сенсоневральной тугоухостью.

Сущность изобретения заключается в достижении упомянутого технического результата в устройстве для измерения помехоустойчивости восприятия речи человеком, содержащем блок запоминания тестовых сигналов, блок запоминания помех, блок усиления тестовых сигналов с управляемым коэффициентом усиления, сумматор тестовых сигналов с помехой, электроакустический преобразователь, блок запоминания (записи) ответов пациента на тестовый сигнал, которое, согласно изобретению, дополнительно содержит блоки выборки тестовых сигналов и помех, блок усиления помех с управляемым коэффициентом усиления, блок сравнения ответа пациента с фактически предъявленным тестовым сигналом, блок определения вероятности правильных ответов пациента, блок определения числа фактически предъявленных тестовых сигналов, блок управления, блок печати, причем входы блоков выборки тестовых сигналов и помех соединены с выходами блоков запоминания тестовых сигналов и помех соответственно, а их выходы соединены со входами блоков усиления тестовых сигналов и помех соответственно, выходы которых соединены со входами блока сложения тестовых сигналов с помехами, вход блока сравнения ответов пациента с фактически предъявленным тестовым сигналом соединен с выходом блока запоминания ответов пациента, а его выход соединен одновременно со входом блока определения числа фактически предъявленных тестовых сигналов и со входом блока определения вероятности правильных ответов пациента, выходы которых соединены со входами блока управления, пять выходов которого соединены с соответствующими управляющими входами блоков выборки тестовых сигналов и помех, блока усиления помех с управляемым коэффициентом усиления, блока усиления тестовых сигналов с управляемым коэффициентом усиления, блока сравнения ответа пациента с фактически предъявленным тестовым сигналом, блока печати результатов измерений и блока определения вероятности правильных ответов пациента, выход блока сложения тестовых сигналов с помехой соединен с электроакустическим преобразователем.

Функциональная блок-схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 1, где использованы следующие обозначения:

1 - блок запоминания тестовых сигналов;

2 - блок выборки тестовых сигналов;

3 - блок усиления тестовых сигналов с управляемым коэффициентом усиления;

4 - блок сложения тестовых сигналов с помехой;

5 - блок запоминания помех;

6 - блок выборки помех;

7 - блок усиления помех с управляемым коэффициентом усиления;

8 - электроакустический преобразователь;

9 - слушатель (пациент);

10 - блок запоминания (записи) ответов пациента на тестовый сигнал;

11 - блок сравнения ответов пациента с фактически предъявленным тестовым сигналом;

12 - блок определения числа фактически предъявленных тестовых сигналов;

13 - блок определения вероятности правильных ответов пациента;

14 - блок печати (печатающее устройство);

15 - блок управления.

Оценка помехоустойчивости восприятия человеком речевых сигналов в соответствии с предлагаемым устройством, представленным в виде блок-схемы на фиг. 1, производится следующим образом.

- Набор тестовых сигналов (например, сбалансированного теста числительных) хранится в виде аналоговых или цифровых записей в блоке 1. Все записанные слова имеют одинаковую интенсивность и каждому из них присвоен порядковый номер.

- По команде блока управления 15, поступающей в блок 2, сигнал заданного номера считывается из блока 1 и поступает в блок 3, где он усиливается (или ослабляется) в соответствии с командой, полученной от блока 15.

- Сигнал заданной интенсивности поступает в блок суммирования 4, где складывается с помехой, поступившей из блока 7.

- Помехи (например "речевой" шум и т.п.) хранятся в блоке 5 в виде аналоговых или цифровых записей.

- По команде от блока управления 15 помеха (например, речевой шум) с помощью блока 6 считывается из блока 5, усиливается (или ослабляется) в блоке 7 в заданное командой от блока управления число раз и поступает в блок суммирования 4.

- С выхода блока 4 тестовый сигнал (например, числовой сбалансированный тест), смешанный с помехой, поступает в блок 8, где преобразуется в звук, который подается на уши слушателя 9.

- Слушатель в ответ на услышанный сигнал нажимает в блоке 10 кнопку (клавишу), соответствующую услышанному сигналу (например, числу), или клавишу, соответствующую невозможности опознания тестового сигнала.

- Перед началом проведения измерений помехоустойчивости восприятия речи пациентом необходимо определить значение исходной вероятности правильного опознания им тестовых сигналов. Для этого вначале тестовые сигналы предъявляются пациенту без помех, а их интенсивность увеличивается до тех пор, пока вероятность правильных ответов не достигнет наибольшей величины. Определенная таким образом интенсивность тестовых сигналов является наиболее комфортным уровнем для данного пациента, а полученное при этом уровне значение вероятности правильного опознания тестовых сигналов запоминается в качестве исходной вероятности правильного опознания тестовых сигналов (ИВПОТС). При низком уровне ИВПОТС (< 0,5) следует дополнительно провести инструктаж и тренировку пациента.

- В блоке 10 ответ слушателя на предъявленный ему сигнал регистрируется и подается в блок 11, где сравнивается с информацией о поданном тестовом сигнале, поступившей в блок 11 из блока управления 15.

- Результат сравнения в виде символов 1 (правильно) и 0 (неправильно или непонятно) поступает в блок 13, где они запоминаются.

- Ответ слушателя фиксируется в блоке 12 и при его появлении подается сигнал в блок управления 15, на основании которого им выдается команда на подачу следующего тестового сигнала.

- Когда число ответов слушателя сравняется с заданным в блоке управления 15 числом предъявленных в данном цикле измерений тестовых сигналов, из блока управления 15 в блок 13 подается команда на определение по запомненным ответам слушателя вероятности правильного опознания тестовых сигналов, предъявленных в данном цикле. Одновременно с окончанием цикла устанавливаются параметры для проведения следующего цикла измерений, а именно новое значение усиления помехи в блоке 7.

- Выработка номеров тестовых сигналов, подаваемых на опознание слушателю, осуществляется с помощью генератора случайных чисел, имеющегося в блоке управления 15. Там же задаются значения интенсивности тестовых сигналов, типа и интенсивности помехи, значения числа подаваемых тестовых сигналов в данном цикле измерений.

- По окончании данного цикла измерений в блоке 13 производится сравнение полученного в нем значения вероятности правильного распознавания тестовых сигналов (ВПОТС) с ИВПОТС в отсутствие помехи.

- При снижении вероятности правильного распознавания тестовых сигналов по отношению к исходному уровню более чем на заранее заданную величину из блока 13 в блок управления 15 поступает сигнал окончания работы, по которому блок управления 15 выдает команду на прекращение подачи тестовых сигналов и одновременно производит распечатку в блоке 14 того отношения сигнал/помеха, при котором производились измерения в течение последнего цикла.

Предлагаемое устройство позволяет исключить зависимость результатов измерений от уровня предъявляемых тестовых сигналов. Известно, что у пациентов, страдающих сенсоневральной тугоухостью, вероятность правильного распознавания тестовых сигналов существенно и немонотонно зависит от их уровня даже при отсутствии помех [3]. Поэтому использование уровня интенсивности тестовых сигналов, предъявляемых на фоне помехи постоянной интенсивности, для характеристики помехоустойчивости восприятия речи данным пациентом в ряде случаев приводит к ошибкам. Так, при предъявлении тестовой речи на фоне музыкальной помехи с интенсивностью 65 дБ пациент с сенсоневральной тугоухостью не в состоянии дать 50% правильных ответов при любой интенсивности тестовых сигналов [3-4].

В предлагаемом устройстве уровень интенсивности тестовых сигналов выбирается наиболее комфортным для данного пациента и далее в процессе измерений поддерживается постоянным. Для этого вначале тестовые сигналы предъявляются пациенту без помех, а их интенсивность увеличивается до тех пор, пока вероятность правильных ответов пациентом не достигнет наибольшей величины. При дальнейших измерениях интенсивность тестовых сигналов поддерживается на найденном уровне, а в качестве переменной величины используется уровень интенсивности помехи. При этом величина помехи автоматически увеличивается от 0 до той величины, при которой вероятность правильного опознания слушателем речевых сигналов не уменьшится на заданный процент. Отношение сигнал/шум, при котором это происходит, берется в качестве параметра, характеризующего помехоустойчивость восприятия речевых сигналов данным пациентом.

Новым в предлагаемом устройстве является то, что благодаря дополнительным блокам в процессе предъявления пациенту тестовых сигналов ведется непрерывный контроль вероятности их правильного распознавания и при снижении этого параметра до заданного уровня устанавливается и запоминается значение величины с/ш. Найденное значение и является характеристическим показателем по оценке помехоустойчивости слухового анализатора по разборчивости речевых сигналов в шуме.

В качестве помехи может использоваться "речевой шум", спектр которого имитирует средний энергетический спектр речи (с максимумом в зоне 400-700 Гц и спадом в сторону высоких частот с крутизной 6 дБ/окт). В зависимости от задачи измерений в качестве помехи могут использоваться также белый шум, транспортный шум, музыка, сторонняя речь и т.д.

В качестве тестовых сигналов может использоваться энергетически сбалансированный набор слов (числительных), воспроизводимый на одном уровне (наиболее комфортном для данного пациента) и позволяющий регистрировать ответы пациентов не только вербально, но и на основании их моторной реакции (в блоке сравнения ответа пациента с фактически предъявленным сигналом).

С целью экспериментального определения эффективности предложенного устройства для измерения помехоустойчивости восприятия речи человеком был собран макет, реализующий функциональную блок-схему, изображенную на фиг. 1.

Макет представлял собой персональный компьютер типа Pentium с платой ввода-вывода. В качестве звуковоспроизводящего устройства использовались наушники типа ТДС-5М с усилителем LV-103. В качестве блока регистрации ответов слушателя (блок 10 на фиг. 1) применялась клавиатура персонального компьютера, а в качестве блока индикации 14 использовался его пример. В качестве тестовых сигналов применялись числительные из сбалансированного по энергии числового теста, предварительно записанного цифровым способом на CD (запись осуществлялась в профессиональной студии звукозаписи, профессиональным диктором-мужчиной). Помехой служил речевой и "белый" шум. В последующем все сигналы были записаны в память компьютера. Всего использовалось 25 тестовых сигналов. Длительность каждого тестового сигнала составляла 1 с. В одном цикле измерений подавалось на опознание 50 сигналов. Все остальные блоки, входящие в функциональную блок-схему, изображенную на фиг. 1, и связи между ними были реализованы программно.

С помощью вышеописанного макета предлагаемого устройства были получены речевые аудиограммы и их зависимость от уровня помех для пациентов с нормальным слухом (фиг. 2) и с сенсоневральной тугоухостью (фиг. 3).

По оси абсцисс на фиг. 2 и 3 отложены отношения сигнал/шум, по оси ординат - вероятности правильного распознавания тестовых сигналов.

Из приведенных на фиг. 2 и 3 данных следует, что при отсутствии помех оба слушателя обеспечивают восприятие речи со 100% вероятностью (при условии установления для обоих пациентов наиболее комфортного уровня интенсивности тестовых сигналов). При наличии помех человек с нормальным слухом показывает снижение вероятности правильного распознавания тестовых сигналов на 20% при отношении сигнал/шум = -14 дБ. В то же время пациент с сенсоневральной тугоухостью показал снижение вероятности правильного распознавания тестовых сигналов на ту же величину уже при отношении сигнал/шум = -4 дБ. Полученные аналогичным методом данные для 12 пациентов сведены в таблицу 1.

В таблице 1 обозначено:

P c/n = 5 дБ - вероятность правильного опознания фонем при отношении сигнал/шум = 5 дБ (тест распознавания фонем - PRT);

S/N P/P₀ = 0,8 - отношение сигнал/шум (дБ) при уменьшении вероятности правильного распознавания (P) тестовых слов на 20% по отношению к исходному значению вероятности правильного распознавания тестовых слов, определенной при отсутствии шума (P₀).

Из данных, приведенных в таблице 1, следует, что критерий Ps/n = 5 дБ (критерий PRT) в существующей форме, определенный на имеющемся устройстве, не позволил установить дифференциально-диагностические различия между нормой и сенсоневральной тугоухостью. Данные, полученные с помощью предлагаемого устройства, помещенные в строке S/N p/p = 0,8 таблицы 1, показывают, что они оказались диагностически значимыми для выявления нарушений в восприятии речи на фоне помех (сравните данные пациентов 1-5 и 6-12).

Для сопоставления на фиг. 4 приведена характеристика помехоустойчивости пациента, описанная в работе [3]. По оси абсцисс на фиг. 4 отложены интенсивности тестовых речевых сигналов. По оси ординат отложены значения вероятности правильного распознавания тестовых сигналов. Интенсивность помех при этом поддерживалась постоянной и равнялась 60 дБ.

Кривая 1 на фиг. 4 характеризует разборчивость речи пациентом в том случае, если в качестве помехи используется белый шум. Кривая 2 на том же рисунке характеризует разборчивость речи данным пациентом для случая, когда в качестве помехи применяется сторонняя речь. Из кривой 2 на фиг. 4 следует, что способ оценки помехоустойчивости, описанный в прототипе, неприемлем, т. к. требуемый уровень 50%, распознавания тестовой речи здесь вообще не достигается.

Тем самым показана эффективность и полезность предлагаемого устройства.

Литература

1. Zelnic E. Hearing Insruments. Published by National Institute for hearing instrument Studies, USA, 1987.

2. Soli S.D., Nilsson M. Assessment of communication handicap with the HINT. Hearing Instruments, 1994, v. 45, N 2, p. 14-16.

3. Ханамирян Р. М. Маскировка при речевой аудиометрии и ее диагностическое значение. Вестник оториноларингологии, 1983, N 3, с. 17-20.

4. Сагалович Б.М., Кислякова Н.А., Сошникова М.Г. Восприятие речи через слуховой аппарат при возрастной тугоухости в отсутствии и при наличии посторонних помех. Методические рекомендации. Министерство здравоохранения РСФСР, М., 1979 г.