Download Master Tecn. Multim.: PCSA: Audiología

Procesamiento y Compresión
de Señales de Audio
PROGRAMA DE POSGRADO EN
SISTEMAS MULTIMEDIA
Ángel de la Torre
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
1
Organización:
•
Audiología (2 sesiones; Ángel de la Torre)
•
– Anatomía y fisiología de la audición
– Audífonos
Exploraciones en audiología (4 sesiones; Roger Thornton)
– Otoemisiones acústicas y potenciales evocados
– Diagnóstico y trat. de s. Meniere, neurinoma acústico y lesiones SNC
– Respuestas corticales; atención y plasticidad
Implantes cocleares (2 sesiones; Ángel de la Torre)
•
Evaluación:
•
–
–
–
–
Asistencia:
Participación:
Prueba escrita:
Entrega de trabajo:
10%
15%
25%
50%
Transparencias en:
http://www.ugr.es/~atv
E-mail: atv@ugr.es
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
2
Audiología
• Anatomía y fisiología del oído normal:
– Procesamiento señal de audio
• Funcionamiento oído patológico:
– Problemas
– Limitaciones en la audición
– Tratamiento
• Exploraciones audiológicas
– Evaluación de la funcionalidad
Relación entre Audiología y el
Procesamiento de Señales de Audio
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
3
Audición
• Papel esencial en:
– Comunicación oral
• Percepción de la voz
• Producción de la voz
– Percepción del sonido (señales de audio)
• Procesamiento de señales de audio
– ¿Cómo se perciben las señales de audio?
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
4
Órganos de la audición
• Oídos externo y medio:
– Protección y transmisión onda mecánica
• Oído interno:
– Transducción auditiva (generación de potenciales de acción)
• Vías auditivas:
– Transmisión de los potenciales de acción
• Corteza cerebral:
– Procesamiento de la información
Anatomía y fisiología de la audición
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
5
cadena de huesecillos
nervio auditivo
cóclea
ventana
redonda
tímpano
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
ventana oval
6
Transducción auditiva
cóclea
cóclea desenrollada
v. oval
estribo
Memb. de
Reissner
Cel.ciliadas
pared
coclear
vibración
v. redonda
perilinfa
nervio
auditivo
Memb. basilar
Impulsos eléctricos
Potenciales de acción
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
7
Oído externo
• Pabellón auditivo:
– Amplificación 10dB
– Función de transferencia dependiente de
la dirección (localización y detección de
movimiento)
• Conducto Auditivo Externo (CAE):
– Amplifica la zona 2.000 – 5.000 Hz
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
8
Oído medio
• Tímpano y osículos (martillo, yunque y
estribo)
• Función: amplificación y transmisión de onda
mecánica al oído interno
• Amplificación:
– Brazo de palanca cadena de huesecillos
– Relación superficie tímpano – platina del estribo
(de 14:1 a 27:1)
– Ganancia: 27 – 35 dB dependiendo de la
frecuencia
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
9
... Oído medio
• Trompa de Eustaquio:
– Equilibrio de presión del aire entre caja del oído
medio y el exterior
• Si no, disminuye la movilidad del tímpano y se reduce la
ganancia del oído medio
– Drenaje y secreción de agentes antiinfecciosos
• Músculo estapedial:
– Sonido intenso produce contracción bilateral
– Reduce el movimiento del estribo
– Función: reducir ganancia para:
• Protección del oído interno
• Mejor percepción a altas intensidades
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
10
El laberinto
– Vestíbulo
– Cóclea
– Conductos semicirculares
– Laberinto óseo
– Laberinto membranoso
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
11
Laberinto óseo y cóclea
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
12
Laberinto óseo anterior (cóclea)
1-2 mm
5-6 mm
• Hueso compacto
• Formado en el 5º mes de vida embrionaria
• Tubo cónico, enrollado sobre cono que describe 2
vueltas y media
32-35 mm
9 mm
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
13
Sección de la cóclea
Sección de la lámina
espiral ósea
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Columela o modiolo
Lámina de los contornos
Canal de Rosenthal
Lámina espiral ósea
Habénula perforata
Orificios salida nervio auditivo
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
1.
2.
3.
Canal de Rosenthal
Canal aferente de la
lámina espiral
Habénula perforata
14
Laberinto membranoso (rampas cocleares)
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
15
El órgano de Corti
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
16
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
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
17
Células ciliadas
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
18
Papel de las células ciliadas externas
• Capacidad motriz (inervación eferente)
• Mueven la membrana basal
• Relacionadas con mecanismo de afinación o
sintonización
• Relacionadas con las otoemisiones acústicas
• Ototóxicos selectivos (afectan a CCE y no a
CCI): gentamicina, estreptomicina:
– Pérdida de OAE
– Pérdida de capacidad de sintonización
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
19
Oído interno
• Conocimientos Siglo XIX:
– Histología: Huschke, Reissner y Corti
– Teoría de la resonancia: Fourier, Ohm,
Helmholtz:
cuerdas en el oído interno que vibrarían
por resonancia de acuerdo con
frecuencias del sonido
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
20
...Oído interno
• Von Bekesy (años 60)
– Teoría tonotópica
– Onda viajera en la membrana basilar
Para cada frecuencia existe una zona del
órgano de Corti que da una respuesta
máxima. Esta zona da lugar a una
sensación precisa de tono
– Nobel en Medicina
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
21
Onda viajera en membrana Basilar
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
22
Punto de máxima estimulación
6 kHz
5 kHz
8 kHz
4 kHz
10 kHz
350 Hz
3200 Hz
250 Hz
600 Hz
12 kHz
800 Hz
20 Hz
200 Hz
80 Hz 150 Hz
2000 Hz
1000 Hz
15 kHz
2500 Hz
1400 Hz
20 kHz
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
23
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
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
24
Capacidad de sincronización
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
25
Excitación de las células ciliadas
(mecanismo pasivo)
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Modiolo o columela
M. Tectoria
M. Basal
Lámina reticular
C.C. Interna
C.C. Externa
A.
B.
Reposo
Excitación
26
Mecanismo activo (sintonización)
• La actividad de las C.C.E.
modifica la onda viajera,
apareciendo un pico para la
frecuencia sintonizada
• De este modo se mejora
la selectividad frecuencial
por encima de los límites
permitidos por la mecánica
coclear
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
27
Curvas de sintonización
A.
BC-
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
Fibras aferentes
C.C. Internas
Membrana basilar
28
Curvas de
sintonización
Efecto de daño en
las células ciliadas
externas
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
29
Vías auditivas
• Nervio coclear:
– 30.000 a 40.000 terminaciones nerviosas que
hacen sinapsis con células ciliadas
• Conexión con tronco cerebral
– Núcleos cocleares
– Colículo inferior
– Cuerpo geniculado medio
• Corteza cerebral
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
30
Vías auditivas
•
Homolateral para frecuencias bajas
•
Contralateral para frecuencias altas
Corteza cerebral
Cuerpo geniculado medio
Colículo inferior
Núcleos cocleares
Función:
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
•
Inhibición sonidos estacionarios
•
Disparo sonidos nuevos
•
Audición binaural
31
Codificación del sonido (I)
• Frecuencia:
– Mecanismo tonotópico
– Patrón temporal de estimulación (sincronización
disparos)
• Intensidad:
– Tasa de disparo
– Número de fibras activadas
• Evolución temporal de intensidad y freq.:
– Ataque – caída de sonidos: sincronización
– Sonidos estacionarios: no se percibe la fase
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
32
Codificación del sonido (II)
• Mecanismos activos de audición:
– Reflejo estapedial
– Sintonización frecuencial:
• Involucra vías eferentes y células ciliadas externas
• Papel clave en la percepción en entornos ruidosos
• Papel clave en la atención en varias fuentes sonoras
• Entrenamiento auditivo
– Inhibición de respuestas estacionarias:
• Papel clave en la percepción en condiciones de ruido
– Detección de desfase entre respuesta bilaterales
• Papel clave en la percepción binaural
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
33
Patologías de la audición
• Origen
• Hipoacusias
–
–
–
–
–
Transmisión
Neurosensoriales
Mixtas
Retrococleares
(Presbicusias)
• Acúfenos
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
– Trauma acústico
– Ototóxicos:
• Antibióticos
• Drogas estimulantes
– Malformaciones
– Síndromes
– Infecciones (otitis,
otitis laberintizadas,
infecciones víricas)
– Anoxia perinatal
– Traumatismo
craneoencefálico
– Meningitis....
34
Tipos de pérdida auditiva
• Nivel de pérdida:
–
–
–
–
Leve
Moderada
Severa
Profunda
20 – 40 dB
40 – 70 dB
70 – 90 dB
> 90 dB
• En relación al nivel de lenguaje:
– Prelocutiva / perilocutiva / postlocutiva
• En relación al momento de adquisición:
– Prenatal (genética/adquirida) / perinatal / postnatal
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
35
Problemas de la sordera
• En niños:
– Afecta al desarrollo lingüístico
– ...por tanto al desarrollo educativo
– ...y al desarrollo social
• En adultos:
– Dificulta la comunicación
– Vías alternativas:
• Lectura labial (adultos postlocutivos)
• Lenguaje de signos (adultos prelocutivos)
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
36
Tratamiento de hipoacusias
• Importancia de la intervención temprana
• Importancia de los métodos de screening:
– En grupos de riesgo
– Screening universal
• Sorderas moderadas – severas:
– Audífonos (amplificación) analógicos/digitales
• Sorderas severas – profundas:
– Implante coclear (estimulación eléctrica del nervio
coclear)
– Implante de tronco cerebral
– Implante de oído medio
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
37
Audífonos
Dispositivo para compensar pérdidas
auditivas Leves – Moderadas – Severas
mediante amplificación
• Elementos:
– Micrófono
– Electrónica (amplificador, procesamiento)
– Altavoz
– Batería
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
38
Tipos de adífono
• Aspecto:
–
–
–
–
Intracanal
Intra-auricular
Retroauricular
De bolsillo
• Tecnología:
– Analógico
– Analógico con control digital
– Digital
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
39
Audífonos analógicos
• Pocas bandas de frecuencia (2,3,4)
• Ganancia modificable para cada banda
– Controles internos
– Conmutador programa A-B
• Control de volumen
• Compresión
• Audífonos analógicos con control digital
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
40
Ejemplo audífono analógico
• Acoustitone MAX
Hearing Aid
– Max salida: 123.4
dBSPL
– Max ganancia: 35 dB
– Rango freq: 330 – 4k5
– Input noise: 24 dBSPL
– Consumo: 2.4 mA
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
41
Audífonos digitales
• Más bandas de frecuencia (10, 15, 20…)
• Ganancia modificable para cada banda
– Programación de la ganancia en cada banda
– Posibilidad de establecer varios programas
• Control de volumen
• Compresión
– Programación de la curva de compresión
•
•
•
•
Control automático de ganancia
Algoritmos de reducción de ruido
Direccionalidad de micrófonos
Algoritmos de reducción de feedback
• Mayor flexibilidad (adaptación más delicada)
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
42
Ejemplo audífono digital
• Applause Hearing Aid
(Sonic) 16 canales
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
43
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
44
Exploraciones audiológicas
• Infantil:
– Otoemisiones acústicas (OAE): screening
– Audiometría conductual
– Potenciales evocados auditivos (EABR)
• Adultos:
– Audiometría tonal
– Audiometría verbal
– EABR
ATV 2011 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR
45