Sistema de Audición - Universidad Politécnica de Madrid

El Sistema de Audición
Rafael Martínez Olalla
Grupo 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]
Tratamiento Digital de la Señal de Voz, Curso 2010/2011. Sistema de Audición
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Física acústica del sonido
Si se cae un árbol en el bosque y no hay nadie para oirlo, ¿hace ruido?
„
Definiciones 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 dB
„
Umbral del dolor: SL de I=1 Watt/m2
„
Umbral audición: SL de I = 10-12 Watt/m2
„
„
„
I1
SL( dB) = 10 • log 10( )
I0
SL=120dB
SL=0dB
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El pabellón auricular y el canal auditivo
„
„
Pabellón auricular
‹ permite localizar sonidos.
‹ Protege al oído
Canal auditivo
‹ Cilindro 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
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Tímpano
„
„
„
Interfaz entre el oído externo y el medio.
Las ondas de presión acústica sólo alcanzan el
tímpano. A partir de allí: vibraciones mecánicas
Las ondas de presión del aire provocan
vibraciones en la membrana timpánica (de modo
similar a algunos micrófonos).
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Oído medio I
„
„
„
„
„
„
Contiene: 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
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Oído Medio II
Tímpano
+
cadena de huesecillos
Transforman vibraciones de
aire en vibraciones de fluido
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La ventana oval
„
„
„
Interfaz entre el oído medio y el interno
El 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.
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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.
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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 audición
‹ La cóclea: convierte el sonido en
impulsos eléctricos que viajan hasta
el cerebro.
‹
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El oído interno: La cóclea
„
„
La fuerza mecánica amplificada es
transformada en presión hidráulica
en la cóclea
Esta presión imprime un
movimiento en el conducto coclear
y en el órgano de Corti.
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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.
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Sección de la cóclea
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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.
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Transmisión de las ondas en la cóclea II
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Vibración de la membrana basilar I
Posición de las
resonancias
en la cóclea
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Vibración de la membrana basilar II
Ventana oval
Ventana circular
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El Órgano de Corti
„
„
„
„
„
„
„
„
Masa 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.
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Cortex Auditivo
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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
Digital
de la Señal
profunda, y losTratamiento
graves en
la zona
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fi i l
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Percepción
„
El 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, la
„
Tono: relacionado con la frecuencia
‹ Elevación: relacionado con la Intensidad
‹ Timbre: sobretonos y armónicos
El oído es un elemento no lineal: su comportamiento es logarítmico
„
Percepción de direccionalidad:
elevación y el timbre
‹
‹
‹
Para frecuencias bajas está
basada en la diferencia de
tiempos en llegar la onda a
cada oído.
Para frecuencias altas ->
diferencia de intensidad
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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 menos
con la frecuencia que el nivel de audición.
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Tono
„
El 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.
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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.
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Elevación II
„
La intensidad subjetiva del tono (elevación), para tonos de
corta duración, depende de esta duración: cuando un sonido se
escucha durante un tiempo relativamente alto, su elevación
disminuye, aumentando el nivel de audición (es la llamada fatiga
auditiva).
„
„
Al oír dos sonidos simultáneamente (f1 y f2), uno de ellos puede
enmascarar al otro. El enmascaramiento es mayor cuando f1~f2.
Por lo general, los sonidos bajos enmascaran a los altos más
efectivamente que los altos a los bajos.
Cuando un tono de intensidad débil se escucha en presencia de
un tono próximo, el nivel de audición necesario para oír el
primer tono aumenta. Este fenómeno ocurre dentro de unas
bandas críticas situadas alrededor del tono enmascarado
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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 de
señal (proporcional al cuadrado de su amplitud) y la
sensación sonora varía con el logaritmo (Ley de
Weber-Fechner).
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Curvas de Fletcher-Munson I
„
„
Indican 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 igual
sensación sonora, en dB, con relación al tono de 1000 Hz.
I1
SL( dB) = 10 • log 10( )
I0
I0=10-12 Watt/m2
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Curvas de Fletcher-Munson II
Igual sonoridad en fonios
Igual sonoridad
percibida 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
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
La intensidad sonora en dB
no refleja directamente los
cambios en la sensibilidad del
oído con la frecuencia y con
el nivel sonoro
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Curvas de Fletcher-Munson III
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Audiometrías
„
„
Prueba o test que determina las
pérdidas auditivas de un sujeto
Tipos:
‹
De conducción aérea.
)
Audiometrías de tonos puros
)
Audiometría vocal
De conducción ósea.
‹ La comparación de ambas o
Rinne audiométrico.
‹
Audiometría de un paciente con
audición normal en el oído
derecho (triángulos) y una ligera
pérdida de audición en el oído
izquierdo (círculos).
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Audiometría de tonos puros
„
„
„
Se realiza exponiendo al paciente a tonos de distinta frecuencia y
de distinta amplitud.
Umbral de detectabilidad, en el que se empieza a sentir, para un
sonido continuo, una sensación interrumpida, irregular, en la cual no
es posible reconocer la frecuencia.
Umbral de audibilidad, que es en el que verdaderamente se
percibe el sonido. Esta generalmente 5 dB por encima del anterior
(de ahí que los saltos de energía en los audiómetros sean de 5 en 5
dB).
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Audiometría vocal
„
„
Umbral de inteligibilidad: el sujeto oye y comprende
el 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.
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Audiometría ósea
„
„
„
Cuando la patología está en el oído externo.
En estas condiciones, el sonido no llega
perfectamente a la cadena de huesecillos.
Se utilizan unos vibradores que se suelen
colocar, o bien en la frente, si se pretende
testear ambos oídos a la vez, o bien en el
mastoides.
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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.
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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 las
células ciliadas (del órgano de Corti).
Transductor que transforma señales acústicas
eléctricas que estimulan el nervio auditivo.
en
señales
Consta de una prótesis interna que se fija quirúrgicamente y una
parte externa que recoge los sonidos y los selecciona, codifica y
transmite al receptor interno.
La rehabilitación, es fundamental.
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Implantes cocleares
„
„
„
„
„
El sonido se captura
por un pequeño
micrófono localizado
en la cápsula que se
sitúa 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.
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
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Implantes cocleares
Inserción del implante Medel C40+
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Implantes cocleares
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Implantes cocleares
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Implantes cocleares
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Esquema de un implante
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Elementos de un implante
„
„
„
„
Electrodos: Número y configuración (Bipolar/monopolar).
Transmisión: Transcutánea o percutánea.
Estimulación: Analógica / pulsante. Simultánea/secuencial.
Información a transmitir: Forma de onda o parámetros.
Electrodes
Device
Type of
stimulation
Transmission
link
Number
Spacing
Configuration
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
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Electrodos
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Tx transcutánea / percutánea
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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).
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Excitación de los electrodos
palabra “CHOICE”
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Inteligibilidad
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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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