способ построения электронной гортани

Формула изобретения

Способ построения электронной гортани, включающий возбуждение сигнала основного тона в полости рта пациента с помощью вибратора, прижимаемого к шее, преобразование речевого сигнала, поступающего изо рта пациента, в электрический эквивалент с помощью микрофона, усиление электрического сигнала и преобразование его в акустическую форму с помощью электроакустического преобразователя, отличающийся тем, что возбуждение вибратора осуществляется с помощью импульсного сигнала, частота следования импульсов у которого совпадает с частотным интервалом между зубцами гребенчатого фильтра, на вход которого поступает электрический эквивалент речевого сигнала, сформированный в микрофоне, а после прохождения гребенчатого фильтра все частотные компоненты сигнала сдвигаются по частоте на частотный интервал, равный половине частотного интервала между зубцами гребенчатого фильтра, а полученный сигнал подвергается процедуре спектрального вычитания, после которой очищенный электрический эквивалент речевого сигнала усиливается и преобразуется в акустическую форму с помощью электроакустического преобразователя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине, точнее к оториноларингологии, и может найти применение при восстановлении речевой функции у пациентов с неработающей гортанью из-за патологии или в результате операции по ее удалению, например вследствие злокачественной опухоли.

В настоящее время для восстановления речеобразования у лиц с неработающей или отсутствующей гортанью обычно используются электромеханические или электронные гортани, создающие в ротовой полости пациента звуковой сигнал, заменяющий таковой ранее формировавшийся там отсутствующей естественной гортанью.

Наиболее широкое применение нашла электромеханическая электронная гортань, которая формирует в ротовой полости пациента сигнал основного тона с помощью вибратора, прикладываемого с внешней стороны к горлу пациента. Вибратор возбуждается специальным генератором, питаемым от батарей или аккумулятора. При достаточной интенсивности колебаний вибратора звуковой сигнал проходит через кожный покров ткани горла и создает в полости рта звук основного тона, из которого с помощью артикуляции пациент формирует достаточно разборчивую речь.

Примером электромеханической гортани является АГ-80, выпускаемая заводом «Ритм» Россия, Servox Inton Германия, Amplicord Италия, патенты US 5812681, JP 11069476, US 3978286, WO 9953867 и др.

Недостатком электромеханической гортани являются:

1. Вибратор создает очень сильный шум, который маскирует речь и ухудшает ее восприятие.

2. Пациент вынужден прижимать вибратор к горлу рукой, что неудобно, т.к. одна рука оказывается все время занятой.

3. У многих пациентов прохождение звука чрез ткани горла и шеи оказывается невозможным из-за толстых складок или жировых отложений.

4. Точку приложения вибратора к участку горла необходимо подбирать в процессе речеобразования. Кроме того, в течение речи вибратор часто сдвигается и речевой контакт с собеседником нарушается.

5. Качество речи недостаточно высокое. Речь монотонна, недостаточно четко формируются согласные звуки.

Недостаток 2 отсутствует у голосообразующего аппарата, выполненного в соответствии с патентом 2056811 от 27.03.1996 г. (АГМ95).

В указанном аппарате вибратор выполнен в виде отдельного блока, который может быть закреплен на шее пациента, и тем самым руки последнего оказываются освобожденными.

Вместе с тем все остальные недостатки, присущие голосообразующим аппаратам электромеханического типа, остаются характерными и для АГМ95.

Очевидные недостатки электромеханической гортани привели к попыткам создания электронной гортани, основанной на возбуждении звукового сигнала основного тона звукоизлучателем, помещенным непосредственно в ротовую полость.

Примером электоронной гортани такого типа являются: патенты US 2273077, US 4473905, US 3072745, US 5326349, US 4547894 и др.

Во всех упомянутых выше типах электронной гортани звукоизлучатель помещается внутри ротовой полости. Основное отличие между типами электронной гортани состоит в местоположении электрического источника сигнала, подаваемого на звукоизлучатель, и методе их связи друг с другом.

Так, в электронной гортани, предложенной в патентах US 2273077, US 3072745 звукоизлучатель помещается в ротовой полости, а источник электрического сигнала его возбуждающий находится в кармане и их соединение осуществляется с помощью проводов. Таким образом, изо рта пациента к источнику сигнала проходит провод, что существенно мешает артикуляции и ухудшает эксплуатационные и эстетические характеристики устройства.

Этим объясняется тот факт, что электронные гортани такого типа практического применения не нашли.

Близко к вышеописанному типу электронной гортани стоит устройство, предложенное в патентах US 3914550, US 3766318, US 4338488. В электронной гортани, предложенной в этих патентах, и источник электрического сигнала, и звукоизлучатель находятся вне ротовой полости, а звук сигнала основного тона поступает в ротовую полость по звукопроводу. Как и в предыдущем случае, основным недостатком такого построения электронной гортани является необходимость существования инородного тела торчащего изо рта пациента в процессе речеобразования. В последнем случае таковым является звукопровод, мешающий артикуляции и неудобный при эксплуатации. Кроме того, один из основных недостатков электромеханической электронной гортани - сильный гул здесь также присутствует за счет звукоизлучения от звукопровода.

Наиболее эффективными и современными представляются электронные гортани, предложенные в патентах US 5326349, US 4672673, которые могут считаться прототипом и аналогом предлагаемого устройства.

В соответствии с описанием электронной гортани, приведенным в патенте US 4672673, как звукоизлучатель, так и источник электрического сигнала основного тона помещены на челюстном протезе в ротовой полости вместе с источником питания.

Вся электронная гортань полностью автономна и все ее элементы находятся в полости рта.

Основным недостатком электронной гортани, построенной в соответствии с патентом, является необходимость использования строго индивидуальной искусственной челюсти, на которой размещаются все элементы конструкции. Это существенно удорожает изделие и делает его малодоступным большинству пациентов.

Вторым недостатком описанного типа электронной гортани являются ограниченные возможности в генерации формы сигнала основного тона. Это не дает возможности использовать все потенциальные возможности для улучшения качества речи за счет усложнения форы сигнала основного тона. Речь остается по качеству такой же, какой она формируется с помощью искусственной гортани электромеханического типа, т.е. монотонной и с плохо выраженными согласными звуками.

Указанные выше недостатки в качестве речи частично отсутствуют у электронной гортани, предложенной в патенте US 5326349.

В соответствии с описанием электронной гортани, предложенной в патенте US 53226349, сигнал основного тона формируется с помощью микропроцессора, вынесенного из ротовой полости. Сформированный сигнал попадает в звукоизлучатель по радиоканалу, для чего в карманную часть устройства добавляется радиопередатчик, а во внутриротовую часть устройства вводится радиоприемник. Использование микропроцессора для формирования сигнала основного тона позволяет существенно его усложнить и, соответственно, улучшить качество производимой речи.

Описанные выше существующие методы построения электронной гортани отличаются от электронных гортаней электромеханического типа тем, что звукоизлучатель помещается непосредственно в ротовую полость пациента.

Это позволяет существенно уменьшить гул и шум, неизбежные при использовании внешнего вибратора, освободить руки пациента, обеспечить стабильность речеобразования, несколько повысить качество производимой речи за счет усложнения формы сигнала основного тона.

В то же время введение звукоизлучателя в ротовую полость приводит к появлению ряда существенных недостатков, общих для электронных гортаней подобного типа:

1. Помещение звукоизлучателя в ротовую полость пациента требует создания строго индивидуальной искусственной челюсти, в которую встраиваются сам звукоизлучатель, источник питания, радиоприемник (в соответствии с патентом US 5326349) или генератор сигнала основного тона (в соответствии с патентом US 4672673). Это приводит к созданию достаточно сложной и относительно громоздкой конструкции, которая существенно удорожает устройство.

2. Помещение звукоизлучателя в ротовую полость приводит к ухудшению артикуляции и, соответственно, снижает качество производимой речи.

3. Нахождение звукоизлучателя в ротовой полости несовместимо с пережевыванием пищи, что требует изымания искусственной челюсти изо рта при приеме пищи, что крайне неудобно для пациента.

Указанные выше недостатки не дают возможности широкого применения электронных гортаней с внутриротовым положением звукоизлучателя в клинической практике.

Для исключения указанных выше недостатков предлагается способ восстановления речевой функции у людей с неработающей или удаленной гортанью, заключающийся в создании в их ротовой полости искусственного звукового сигнала основного тона, отличающийся тем, что сигнал, возбуждающий вибратор, имеет частоту, равную той, на которую настроен гребенчатый фильтр, на вход которого поступает речевой сигнал с выхода микрофона, а сигнал с выхода гребенчатого фильтра поступает на вход блока частотного сдвига, обеспечивающего смещение частотного спектра сигналов, поступивших на его вход, на половину шага гребенки гребенчатого фильтра, а с выхода блока частотного сдвига сигнал поступает на блок спектрального вычитания, обеспечивающий подавление стационарных составляющих в спектре сигнала, а сигнал с выхода блока спектрального вычитания поступает на вход усилителя, с выхода которого сигнал поступает на электроакустический преобразователь.

Блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ, изображена на чертеже. На чертеже использованы следующие обозначения:

1 - микрофон

2 - гребенчатый фильтр

3 - блок сдвига частотного спектра сигнала

4 - блок спектрального вычитания

5 - усилитель

6 - электроакустический преобразователь

7 - генератор

8 - вибратор.

Устройство, изображенное на блок-схеме, работает следующим образом.

Микрофон (1) улавливает акустический речевой сигнал, сформированный в ротовой полости пациента, и преобразует его в электрическую форму.

Речевой сигнал в ротовой полости пациента формируется за счет артикуляции сигнала основного тона, созданного электромеханическим вибратором (8), прижатым к шее пациента. Вибратор (8) возбуждает в ротовой полости пациента звуковой сигнал основного тона в виде последовательности коротких импульсов с частотой следования, задаваемой генератором (7). Спектр такого сигнала имеет форму гребенки, частотный интервал между зубцами которой определяется частотой следования импульсов.

В ротовой полости пациента за счет артикуляционных движений языка и челюстей пациента звук основного тона преобразуется в речевой сигнал, который несмотря на монотонность оказывается достаточно разборчивым.

Электрический сигнал на выходе микрофона (8) имеет спектрально-временные характеристики, аналогичные таковым у звука на его входе. Соответственно наилучшая фильтрация такого сигнала может быть обеспечена с помощью гребенчатого фильтра, частотный интервал между гребенками которого равен частоте следования импульсов вибратора (8). Равенство частотного интервала между пиками гребенчатого фильтра (2) частоте следования импульсов вибратора (8) обеспечивается тем, что генератор (7), осуществляя возбуждение вибратора (8), одновременно устанавливает параметры гребенчатого фильтра, необходимые для наилучшей фильтрации сигнала, генерируемого вибратором (8). При этом ширина зубцов амплитудно-частотной характеристики гребенчатого фильтра должна быть не менее нескольких десятков Гц для неискаженного воспроизведения коротких элементов речи. С выхода гребенчатого фильтра (2) сигнал поступает на вход блока частотного сдвига (3), в котором осуществляется смещение всех частот - составляющих текущего спектра сигнала на величину, приблизительно равную половине частотного интервала между зубцами гребенчатого фильтра. С выхода блока частотного сдвига (3) сигнал поступает в блок спектрального вычитания (4), где производится подавления всех стационарных составляющих в спектре сигнала. При этом происходит почти полное удаление постоянной составляющей основного тона, присутствовавшей в сигнале из-за непрерывного звучания вибратора в процессе формирования речи в ротовой полости пациента.

С выхода блока спектрального вычитания (4) сигнал поступает на вход блока усиления (5), с выхода которого усиленный электрический сигнал попадает на вход блока электроакустического преобразования (6), где он преобразуется в акустическую форму.

Сформированный описанным выше образом акустический сигнал имеет текущий спектр, сдвинутый по отношению к сигналу на входе микрофона на частотный интервал, равный половине частотного интервала между пиками в амплитудно-частотной характеристике гребенчатого фильтра (2).

Таким образом, частотные составляющие выходного сигнала, подвергшиеся наибольшему усилению, оказываются расположенными на минимумах в амплитудно-частотной характеристике гребенчатого фильтра.

Тем самым наиболее сильно усиленные частотные компоненты выходного сигнала, попадая на вход микрофона за счет акустической обратной связи, приведут к возникновению самовозбуждения в системе только в том случае, если степень их усиления превысит степень их подавления в гребенчатом фильтре.

В результате предложенный способ построения речеобразующего устройства позволяет обеспечить значительно большее акустическое усиление речевого сигнала до появления самовозбуждения, обусловленного действием акустической обратной связи, чем это может быть сделано при использовании существующих усилителей.

Полученное преимущество дает возможность снизить требования к интенсивности речевого сигнала, формируемого в полости рта пациента. Точка приложения вибратора на шее пациента оказывается менее критичной. Улучшается устойчивость речевого контакта пациента с собеседником, так как небольшие смещения вибратора в процессе общения перестают влиять на разборчивость производимого речевого сигнала.

Микрофон может быть отнесен ото рта на комфортное расстояние, что значительно улучшает условия эксплуатации устройства, так как позволяет пациенту в процессе речевого общения принимать пищу и делать доступной для собеседника мимику своего лица.

Для экспериментальной проверки эффективности предложенного способа был собран действующий макет в соответствии с блок-схемой, изображенной на чертеже.

В качестве вибратора использовался таковой от речеобразующего устройства фирмы "Servox". При экспериментах применялся электретный направленный микрофон типа МЕ670 Philips.

Блоки гребенчатого фильтра, частотного сдвига и спектрального вычитания были реализованы программно с помощью отладочного комплекта EZ KIT LITE фирмы Analog Devices. Генератор импульсов для возбуждения вибратора формировался программно на основе того же сигнального процессора, что и гребенчатый фильтр. При этом частота следования импульсов для возбуждения вибратора (F) и частотный интервал между пиками амплитудно-частотной характеристики гребенчатого фильтра (f) выбирались строго одинаковыми. В экспериментах применялась F=f=64 Гц. Частотный сдвиг выбирался равным 32 Гц. Ширина полосы пропускания зубцов амплитудно-частотной характеристики гребенчатого фильтра равнялась 25 Гц.

В качестве блоков усилителя и электроакустического преобразователя использовалась акустическая колонка MS 691.

Целью эксперимента являлось:

1. Определение максимально-достижимого акустического усиления макета (Кумакс.) при его работе в условиях свободного поля до наступления самовозбуждения, обусловленного акустической обратной связью (при заданном пространственном разнесении микрофона и электроакустического преобразователя). Так как процедура спектрального вычитания предназначена для исключения из сигнала его стационарных компонент и не влияет на величину усиления речи, то блок спектрального вычитания при определении Кумакс. отключался.

2. Определение насколько Кумакс. отличается от максимально достижимого акустического усиления макета до наступления самовозбуждения, обусловленного действием акустической обратной связи при отключенных блоках гребенчатого фильтра, частотного сдвига и спектрального вычитания (Кумакс.1).

При этом в обоих случаях измерения должны проводиться в свободном акустическом поле и пространственное расположение микрофона и электроакустического преобразователя меняться не должно.

Измерения производились по следующей методике.

Микрофон и электроакустический преобразователь располагались на расстоянии 1 м друг от друга. При этом микрофон располагался так, чтобы минимум его диаграммы направленности был направлен на боковую сторону колонки электроакустического преобразователя. Обеспечивалось отсутствие предметов, отражающих звуковую волну на расстоянии не менее 5 м от электроакустического преобразователя (в направлении основного распространения звука).

В качестве источника тестового сигнала использовался электроакустический преобразователь типа ТМ-5, возбуждаемый от генератора (7). Сам источник тестового звука (ТМ-5) располагался непосредственно перед микрофоном рядом с измерительным микрофоном. В качестве последнего использовался микрофон от двухканального шумомера. Второй микрофон шумомера располагался непосредственно перед колонкой электроакустического преобразователя. Интенсивность сигнала на выходе источника тестового звука выбиралась так, чтобы при выключенном макете показания на выходе второго измерительного микрофона были близки к уровню фоновых помех.

При определении Кумакс. вначале определялся уровень тестового звука на входе макета. Для этого включался макет, коэффициент усиления устанавливался на минимум, и по показанию первого канала шумомера определялся уровень тестового звука на входе макета (Рвх). После этого включался второй канал шумомера и коэффициент усиления макета увеличивался до тех пор, пока не возникало самовозбуждения за счет действия акустической обратной связи. Это проявлялось резким увеличением уровня выходного сигнала и характерным свистом или воющим звуком. После проявления акустической обратной связи коэффициент усиления макета уменьшался, пока действие обратной связи не прекращалось. Значение уровня выходного сигнала, соответствующее зафиксированному положению регулятора коэффициента усиления макета, определялось по показанию второго канала шумомера (Рвых). Отношение Рвых/Рвх определяло искомую величину Кумакс.

Значение Кумакс.1 определялось по аналогичной методике с тем отличием, что в обследуемом макете отключались блоки гребенчатого фильтра и частотного сдвига.

Проведенные измерения показали, что Кумакс. = 42 дБ, а Кумакс.1 = 21 дБ.

Таким образом, предлагаемый способ построения дает выигрыш в достижимом уровне усиления речевого сигнала на 20 дБ, что и определяет его преимущество перед существующими способами.

Проведенные измерения разборчивости производимой речи показали, что последняя остается одинаковой как при использовании блоков гребенчатого фильтра, частотного сдвига и спектрального вычитания, так и без них.

В то же время реализация преобразований, указанных на чертеже, с помощью отладочного комплекта EZ KIT LITE показала, что предлагаемый способ построения электронной гортани может быть осуществлен с помощью цифрового процессора, имеющего производительность более 40 mips. В частности, в процессе проведения разработки был выполнен конструктивный макет электронной гортани, построенной в соответствии с предлагаемым способом на основе сигнального процессора ADSP-2189, который обеспечил реализацию всех требуемых преобразований сигнала в реальном времени.

Существенное увеличение достижимого усиления речевого сигнала с помощью предлагаемого способа построения электронной гортани дает возможность значительно улучшить эксплуатационные свойства устройства, а именно:

1. Обеспечить малую зависимость выходной громкости создаваемого речевого сигнала от местоположения вибратора на шее пациента. Это повышает стабильность речевого контакта пациента с собеседниками.

2. Дать возможность пользоваться электронной гортанью пациентам, у которых наблюдается плохая проводимость звукового сигнала, создаваемого вибратором от поверхности шеи до ротовой полости, из-за кожных складок на шее, отечности, жировых отложений на шее. В этом случае речевой сигнал, формируемый в ротовой полости, оказывался очень слабым, что затрудняет установление речевого контакта.

3. При предлагаемом способе построения электронной гортани устройство позволяет даже слабый сигнал из ротовой полости усилить до требуемой громкости.

4. При прочих равных условиях предлагаемый способ позволяет отнести микрофон от ротового отверстия и сместить его так, чтобы дать возможность пациенту принимать пищу, сохраняя речевое общение, а также делать доступным собеседнику слежение за мимикой говорящего.

5. Разборчивость речи при построении электронной гортани в соответствии с предлагаемым способом остается такой же, как и у существующих устройств того же класса, но уровень шума (гудения) уменьшается за счет большей фильтрации и подавления стационарных помех.

Тем самым значительно повышается комфортность устройств электронной гортани, построенной в соответствии с предлагаемым способом, а также расширяется круг пациентов, могущих использовать электронную гортань для восстановления речевой функции.