ES2628521T3 - Método para la separación de recorridos de señal y uso para la mejora del habla con laringe electrónica - Google Patents

Método para la separación de recorridos de señal y uso para la mejora del habla con laringe electrónica Download PDF

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Abstract

Procedimiento para la mejora de la calidad del habla de un hablante mediante laringe electrónica (LE), cuya señal de habla S (w, t) se digitaliza mediante medios adecuados, caracterizado por los siguientes pasos: a) dividir una señal de habla de un canal S (w, t), la cual consiste en la suma de los componentes de una parte variable en el tiempo x (w) H (w, t) y de una parte no variable en el tiempo x (w) F (w), en una serie de canales de frecuencia mediante la conversión del dominio temporal a un dominio de frecuencia discreto, b) filtrar la parte no variable en el tiempo x (w) F (w) mediante el filtrado de la frecuencia de modulación 0 Hz mediante un filtro de paso alto o de notch en cada canal de frecuencia, y c) retransformar la señal de habla filtrada del dominio de frecuencia al dominio temporal y reunir dando lugar a una señal de salida de un único canal.

Description

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DESCRIPCION
Metodo para la separacion de recorridos de senal y uso para la mejora del habla con laringe electronica
En el caso de la invention se trata de un procedimiento para la mejora de la calidad del habla de un hablante mediante laringe electronica (LE), digitalizandose la senal de habla del hablante a traves de medios adecuados. Con medios adecuados se entienden en este caso por ejemplo, un microfono con convertidor analogico/digital correspondiente, un telefono u otros medios mediante el uso de equipo electronico.
En el caso de una LE se trata de un dispositivo para la conformation de una voz de sustitucion artificial, por ejemplo, para pacientes, a los cuales se les ha retirado operativamente la laringe. La laringe electronica se coloca en este caso en el lado inferior de la mandlbula; un generador de sonidos con una determinada frecuencia pone en vibration el aire de la cavidad bucal a traves de las partes blandas en el lado inferior de la mandlbula. Estas vibraciones se modulan entonces mediante los organos de articulation, de manera que se posibilita el habla. Dado que no obstante, el generador de sonidos habitualmente solo trabaja con una frecuencia, la voz suena monotona y no natural, o “tipo robot”.
Es desventajoso ademas de ello, que la vibracion de la LE perturba la perception del habla o incluso la supera, dado que solo se articula una parte del sonido en la cavidad bucal. Las partes que salen directamente del aparato o en el punto de paso en la garganta solapan las partes articuladas y reducen la inteligibilidad. Este es el caso en particular en el caso de hablantes, los cuales fueron sometidos a una terapia de radiation en la zona de la garganta, debido a lo cual se rigidiza la estructura del tejido. Se han desarrollado por lo tanto diferentes metodos, los cuales han de reforzar la senal util -es decir, las vibraciones articuladas- frente a la senal perturbadora - es decir, el sonido directo, o la vibracion no modulada de la LE.
Estos metodos se usan en este caso sobre todo en situaciones, en las cuales el oyente no esta expuesto directamente al sonido emitido, sino que se usan medios electronicos, por ejemplo, al hablar por telefono, en el caso de grabaciones de sonido o en general al hablar mediante microfono y amplificador.
En el documento US 6,359,988 B1 se somete una senal de voz de LE a un analisis cepstrum y se solapa con el habla de un hablante normal, debido a lo cual, puede configurarse la modification de la tesitura de manera mas natural de aquel que habla con LE; al mismo tiempo se impide de esta manera tambien la parte del sonido directo emitido en la senal. Es desventajoso en esta solution sobre todo, que en caso de cada enunciado de un hablante de LE se requiere al mismo tiempo el mismo enunciado de un hablante sano (es decir, hablante sin LE), lo cual practicamente apenas es realizable.
Otra solucion la muestra el documento US 6,975,984 B2, en el cual se describe una solucion para la mejora de una senal de habla de LE en la telefonla. En este caso se procesa de tal manera en un procesador de senal digital la senal de habla, que el ruido de base zumbante de la LE se reconoce y se elimina de la senal de habla. La senal de habla se distribuye en lugar de ello en un componente con sonido y en uno sin sonido, y se procesan por separado. La parte con sonido se transforma mediante transformation de Fourier por bloques, se filtra en frecuencia (la frecuencia de base y armonica se continuan utilizando), se retransforma y como consecuencia se substrae de la totalidad de la senal original. Como resultado queda la parte sin sonido de la senal original. Alternativamente se propone tambien, filtrar la parte sonora mediante paso de baja frecuencia, filtrar completamente en caso del reconocimiento de una pausa de habla y solapar posteriormente la parte sin sonido.
El documento "Enhancement of Electrolaryngeal Speech by Adaptive Filtering' de Carol Y. Espy-Wilson et al. (JSLHR, 41: 1253-1264, 1998) describe un metodo para la mejora de la calidad del habla de un hablante mediante LE. El ruido de base de la LE se iguala en este caso mediante filtrado adaptativo a la senal de habla perturbada mediante el ruido de base de la LE (o el ruido de base de la LE articulado dando lugar a habla); en otro paso, se separan las senales una de otra. Como resultado queda una senal de error, que se usa para el control y la adaptation de los parametros de filtro con el objetivo de la minimization de la senal de error. La senal de error es en el presente metodo la senal de habla liberada del ruido de base de la LE. Se presupone en este caso, que si bien la senal de perturbation en la senal de habla esta correlacionada con el ruido de base de la LE, la senal de habla que interesa es sin embargo independiente de las otras senales, que por lo tanto, en cierto modo, el ruido de base perturbador y la senal de habla proceden de diferentes fuentes.
El documento "Enhancement of Electrolarynx Speech Based on Auditory Masking' de Hanjun Liu et al. (IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 53(5): 865-874, 2006) describe un algoritmo de substraccion para la mejora de la senal de un hablante mediante LE, en particular en lo que se refiere al ruido del entorno.
A diferencia de otros metodos, los cuales preven parametros de substraccion fijos, se adaptan en el caso de este algoritmo los parametros de substraccion en el dominio de frecuencia, en base a enmascaramiento auditivo. En este caso se parte de que el habla y los ruidos de fondo no estan correlacionados y debido a ello se calcula el ruido de fondo y puede restarse en el dominio de frecuencia de la senal.
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Estas soluciones tienen en comun, que se usan metodos los cuales se basan en un modelo, segun los cuales el habla y la senal perturbadora (es decir, ruidos del entorno, pero tambien el ruido de base de la LE) son estadlsticamente independientes, o no estan correlacionados.
Debido a esta suposicion, la implementation de los metodos mencionados se produce de manera muy laboriosa. Cuando se intenta suprimir el sonido directo con un filtro notch (adaptativo), se reduce debido a ello tambien la calidad de la senal de habla, que suena entonces como un susurro; la senal de habla y el ruido perturbador se encuentran sobre el mismo componente armonico.
El documento US 2005/0004604 A1 describe una solution para laringe, en la cual, un reproductor de sonidos y un microfono se disponen directamente delante de la boca de un usuario, emitiendo el reproductor de sonidos un sonido con un volumen mas reducido y la senal se graba para su procesamiento a traves del microfono. Durante el procesamiento, la senal se filtra esencialmente con un filtro de peine para reducir o para eliminar los componentes armonicos de la senal. En este caso queda afectada no obstante fuertemente la calidad de la senal de habla.
En el documento WO 2006/099670 A1 se describe un dispositivo para la supervision de las vlas respiratorias, introduciendose sonido de dominio de frecuencia mas alto en las vlas respiratorias de un objeto y a partir de los sonidos reflejados o procesados, se determina el estado de las vlas respiratorias. De esta manera es posible por ejemplo, determinar un desplazamiento de las vlas respiratorias. En una variante de la invention se comprueba mediante FFT (del ingles Fast Fourier Transform, transformada de Fourier) la superacion de determinados valores umbral, de lo cual se sacan conclusiones sobre el tratamiento de la senal medida.
Es una tarea de la invencion superar las desventajas mencionadas mas arriba del estado de la tecnica y mejorar la calidad del habla de usuarios de LE al usarse medios electronicos como por ejemplo, microfonos.
Esta tarea se soluciona con un procedimiento del tipo mencionado inicialmente segun la invencion con los siguientes pasos:
a) dividir una senal de habla de un canal S (w, t), la cual consiste en la suma de los componentes de una parte variable en el tiempo x (w) H (w, t) y de una parte no variable en el tiempo x (w) F (w), en una serie de canales de frecuencia mediante la conversion del dominio temporal a un dominio de frecuencia discreto,
b) filtrar la parte no variable en el tiempo x (w) F (w) mediante el filtrado de la frecuencia de modulation 0 Hz mediante un filtro de paso alto o de notch en cada canal de frecuencia, y
c) retransformar la senal de habla filtrada del dominio de frecuencia al dominio temporal y reunir dando lugar a una senal de salida de un unico canal.
La invencion aprovecha un modelo mejorado del uso de una LE, debido a lo cual, el ruido de base de la LE articulado dando lugar a una senal de habla, as! como las partes no modificadas de la LE, que perturban la perception de la senal de habla, provienen de una misma fuente, en concreto de la LE. Dado que el ruido de base no articulado perturbador de la LE puede reconocerse en el dominio de modulacion como senal no variable en el tiempo, puede filtrarse facilmente mediante un procedimiento adecuado. No se produce por lo tanto una separation de fuentes de senal, sino de recorridos de propagation (de un recorrido de propagation a traves de los organos de articulation de un hablante, otro recorrido de propagacion del lugar de uso en la garganta del hablante directamente al oldo del oyente, o al microfono o medio de grabacion).
El experto conoce una pluralidad de posibilidades de trasladar una senal digitalizada de un canal, al dominio de frecuencia y de dividirla as! en una serie de canales de frecuencia. En cada canal de frecuencia se suprime la frecuencia de modulacion de la LE mediante filtros adecuados - por ejemplo, filtros notch o de paso alto, aplicados a la cantidad - y de esta manera se mejora la calidad de las partes de senal articuladas.
Procedimientos similares del estado de la tecnica tienen en consideration las partes articuladas, as! como las partes no modificadas, como provenientes de diferentes fuentes y eligen enfoques correspondientes a este modelo, por ejemplo, filtrados mediante filtro de paso banda, que amortiguan entonces no obstante tambien la senal de habla.
El procedimiento segun la invencion tiene por lo tanto el objetivo de aumentar la inteligibilidad del habla de los usuarios de LE o de hacer mas agradable y “humana” la senal. El objetivo es reducir o eliminar el sonido directo de la LE en caso de comunicacion a traves de medios electronicos (por ejemplo, el telefono).
La realization del procedimiento segun la invencion puede producirse por ejemplo, mediante una conexion de software, como solucion cableada o tambien como conexion analogica.
De la pluralidad de metodos conocidos para la conversion de una senal al dominio de frecuencia o de vuelta, la conversion se produce en el paso a) del procedimiento segun la invencion ventajosamente mediante transformation de Fourier y la retransformacion en el paso c) mediante transformacion de Fourier inversa. La conversion se produce por bloques (por ejemplo, bloques de 20 ms) a intervalos cortos (actualization por ejemplo, cada 10 ms). La division
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de la senal en una serie de canales de frecuencia se produce durante la conversion de la senal al dominio de frecuencia.
En una variante de la invencion, la conversion de la senal de habla en el paso a) y la retransformacion en el paso c) se producen con un correspondiente banco de filtros.
Los resultados del procedimiento segun la invencion pueden continuar mejorandose cuando antes del filtrado en el paso b) se produce una compresion de senal y tras el paso b) una descompresion. Mediante la compresion puede evitarse que en el caso de amplias amplitudes sus modificaciones sean tan dominantes, que las modificaciones de pequenas amplitudes no se tengan en cuenta. Mediante la compresion adquieren mejor visibilidad por lo tanto para el filtro las modificaciones relativas.
En otra configuracion del procedimiento segun la invencion se produce tras la retransformacion en el paso c) una rectificacion de los componentes de senal negativos.
En lo sucesivo se explica la invencion con mayor detalle mediante un ejemplo de realizacion no limitativo, que se representa en el dibujo. En este muestra esquematicamente:
La Figura 1, una representacion simplificada del uso de una LE y los recorridos de senal que aparecen,
La Figura 2, una representacion simplificada de la situacion en la cual se usa el metodo segun la invencion y La Figura 3, un diagrama de bloques del metodo segun la invencion.
En la Figura 1 se muestran esquematicamente los diferentes recorridos de transmision de la senal de una LE 1. En este caso, hay dispuesta en la garganta de un hablante 2 una EL 1. El sonido producido por la EL 1 se expande por un lado por los canales de habla normales (boca y nariz) 5 del primer hablante 2 y se articula all! dando lugar a habla; esta primera senal 3 es claramente modificable o variable en el tiempo. Al oldo de un oyente llega ademas de esta senal 3 variable en el tiempo, tambien una segunda senal 6 (representada en la Figura 1 mediante puntos y llneas) en forma de sonido directo de la EL 1, siendo esta senal 4 en su mayor medida estacionaria y asumiendose por lo tanto, como temporalmente no variable. La segunda parte 6 de la totalidad de la senal, es decir, el ruido de base de la EL 1, es percibida por el oyente 4 como senal de perturbacion y reduce la inteligibilidad del habla del oyente 2. El estimulo original mediante la EL 1 se transmite por lo tanto, a traves de dos recorridos diferentes.
Bien es cierto que la invencion se refiere a la mejora de la calidad del habla de un hablante mediante EL al usarse medios electronicos - en lugar de un oyente, se grabarlan por ejemplo las senales con un microfono. Para la ilustracion de la situacion de partida se ha elegido no obstante por motivos de comprension, este modelo general.
La Figura 2 muestra una representacion de modelo simplificada de la situacion, en la cual se usa el metodo segun la invencion para la supresion de una segunda senal 6 perturbadora (vease la Figura 1). Puede verse bien, que en el caso del metodo segun la invencion, no se da una separation de fuentes de senal, sino de recorridos de propagacion.
Una senal de fuente x (w) de una fuente de senal 7 se propaga por dos diferentes recorridos de senal. En el primer recorrido de senal, la senal de partida se modula mediante un filtro variable en el tiempo H (w, t) dando lugar a una senal variable en el tiempo x (w) H (w, t). En un segundo recorrido de senal, la senal de partida se modifica solo mediante un filtro no variante en el tiempo F (w) dando lugar a una senal x (w) F (w).
Las senales de los dos recorridos se suman entonces en un receptor 8 - por ejemplo, el oldo de un oyente, un microfono o similar - dando lugar a una senal S (w, t) a disposition para una medicion. La senal consiste entonces en la suma de los componentes S (w, t) = x (w) H (w, t) + x (w) F (w).
Pueden separarse ahora las partes de senal del recorrido de senal no variable en el tiempo y del variable en el tiempo, en cuanto que o bien se amortiguan todas las partes de senal, que se modifican temporalmente, o que son temporalmente constantes. Se obtiene por lo tanto por ejemplo, como resultado solo la parte variable en el tiempo S1 (w, t) □ x (w) H (w, t).
Al usarse para el habla con LE, la parte de senal no articulada x (w) F (w) (es decir, el ruido de base de la LE), solapa la senal de habla variable en el tiempo x (w) H (w, t) y provoca debido a ello una perdida de inteligibilidad para la senal de habla. La inteligibilidad del habla mejora en cuanto que se separa la parte de senal variable en el tiempo de la parte de senal no variable en el tiempo.
La Figura 3 muestra una posible realizacion del metodo segun la invencion. En este caso, puede llegar al inicio una senal de habla 9 digital cualquiera de un hablante con LE. En un primer paso 10 se transforma mediante el uso de la transformation de Fourier a corto plazo, la senal de habla 9 por bloques en el dominio de frecuencia y se divide de esta manera en una serie de canales de frecuencia. El experto puede elegir en este caso a partir de diferentes metodos establecidos para la transformacion de una senal del dominio temporal al dominio de frecuencia; ademas de la transformacion de Fourier se usa por ejemplo tambien, la transformada de coseno discreta. El requisito para un
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uso segun la invention es no obstante, que la transformation sea reversible. La senal se divide con una determinada frecuencia de actualization (por ejemplo, 10 ms) en bloques de por ejemplo, 20 ms de longitud, los cuales se alinean respectivamente en una hilera de canales de frecuencia 11. La senal de habla 9 originalmente de un canal se divide por lo tanto, en una pluralidad de dominios de frecuencia, los cuales se modifican como consecuencia del tiempo. La senal de frecuencia es compleja, pero en lo sucesivo solo se modifica el valor total, la fase 15 permanece sin cambios.
En el paso 10 puede usarse tambien un banco de filtros, reduciendose la frecuencia de muestreo de la senal tras el banco de filtros. La reduction de la frecuencia de muestreo se corresponde en este caso con la configuration de bloqueo al usarse transformacion de Fourier.
En otro bloque funcional 12 se filtra ahora cada canal de frecuencia 11, por ejemplo con un filtro de paso alto o notch. Este filtrado permite el filtro de determinadas frecuencias - en la tecnica de sonido se eliminan perturbaciones de banda estrecha con filtros notch. Dado que la LE oscila en una determinada frecuencia - por ejemplo, 100 Hz - la senal de perturbation, la cual no esta modificada por los organos de articulation de un hablante, da como resultado en el dominio de frecuencias, amplitudes en el canal de 100 Hz con la frecuencia de modulation 0 Hz - es decir, que la amplitud de la senal de LE no cambia. La senal de perturbacion se caracteriza por que es perfectamente no variable temporalmente. Para el filtro del ruido de base de la LE se usan un filtro de notch o uno de paso alto. Como frecuencia llmite para el filtro de paso alto sirve en este caso la frecuencia de modulacion de la LE; el filtro de notch se elige de tal manera, que bloquea exactamente en la frecuencia de modulacion de la LE.
En una realization real, no podra lograrse naturalmente una no variation temporal perfecta debido a reflexiones, refracciones, ruidos de entorno y requerimientos constructivos de la LE. Dado que tampoco el filtro esta limitado a solo una frecuencia, sino que cubre un determinado dominio de frecuencias - en este caso un dominio de frecuencias de modulacion-, se asegura la funcion del metodo segun la invencion.
En un bloque de funcionamiento 13 final se produce el retorno de las senales al dominio temporal, por ejemplo, mediante transformacion de Fourier inversa y la reunion de los canales de frecuencia 11 de vuelta a un canal mediante metodo de solapamiento y suma. El metodo de solapamiento y suma es en este caso un procedimiento de procesamiento de datos digital conocido por el experto. El resultado es una senal de salida de un canal, en la cual, la senal de perturbacion de la LE se ha filtrado o esta al menos amortiguada. La senal de salida puede entonces continuar procesandose.
Al usarse un banco de filtros en el paso 10 vuelve a aumentarse la frecuencia de muestreo de la senal tras el filtrado en el paso 12 y se continua tratando como se ha explicado.
Basicamente, estas realizaciones solo representan los componentes mas importantes del metodo segun la invencion; antes del filtrado en el bloque 12 la senal puede ser comprimida, tras el filtrado puede estar prevista una descompresion. Puede ser ventajosa tambien una rectification antes de la retransformacion al dominio temporal, dado que durante el procesamiento pueden resultar valores negativos no permitidos.
La invencion puede usarse por ejemplo, como dispositivo adicional para hablar por telefono. En el caso de un telefono analogico convencional, el dispositivo se integra facilmente en el auricular. En el caso de un telefono con procesador de senal digital integrado, la integration de la invencion es posible mediante una conexion de software. Es posible tambien la realizacion en el marco de una solution cableada, por ejemplo, tambien en una conexion analogica.
El metodo segun la invencion puede utilizarse tambien al usarse una LE, en la cual, puede conmutarse en una y otra direction entre dos o mas frecuencias para darle al habla un sonido mas realista. Esto es valido tanto para saltos de frecuencia discretos, como tambien para modificaciones continuas de la frecuencia de base, suponiendose que las frecuencias, entre las cuales se cambia, se encuentran dentro de una banda de frecuencia, en la cual se divide la senal de base.
La anchura del filtro de frecuencia de modulacion determina en este caso, como de rapido puede cambiar la frecuencia. En el caso de modificaciones continuas muy lentas, la frecuencia puede modificarse con supresion en funcionamiento por la totalidad del dominio de la banda de frecuencia - lo importante no es la magnitud, sino la velocidad de la modification. Al conectarse y desconectarse la LE, lo cual se corresponde a una modification rapida, la supresion comienza solo tras unos milisegundos - independientemente de lo ancho que se elija el filtro de notch o de donde se encuentre la frecuencia de base del filtro de paso alto.
En este caso, las modificaciones de la frecuencia de base no deben ser sin embargo, demasiado grandes. Para asegurar el funcionamiento segun la invencion, los canales de frecuencia, en los cuales se divide la senal, deberlan por ejemplo, ensancharse, o el filtrado mediante filtro de paso alto deberla iniciarse en una frecuencia algo mas alta.

Claims (5)

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    REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento para la mejora de la calidad del habla de un hablante mediante laringe electronica (LE), cuya senal de habla S (w, t) se digitaliza mediante medios adecuados, caracterizado por los siguientes pasos:
    a) dividir una senal de habla de un canal S (w, t), la cual consiste en la suma de los componentes de una parte variable en el tiempo x (w) H (w, t) y de una parte no variable en el tiempo x (w) F (w), en una serie de canales de frecuencia mediante la conversion del dominio temporal a un dominio de frecuencia discreto,
    b) filtrar la parte no variable en el tiempo x (w) F (w) mediante el filtrado de la frecuencia de modulacion 0 Hz mediante un filtro de paso alto o de notch en cada canal de frecuencia, y
    c) retransformar la senal de habla filtrada del dominio de frecuencia al dominio temporal y reunir dando lugar a una senal de salida de un unico canal.
  2. 2. Procedimiento segun la reivindicacion 1, caracterizado por que la conversion de la senal de habla en el paso a) se produce mediante transformacion de Fourier y la retransformacion en el paso c) mediante transformacion de Fourier inversa.
  3. 3. Procedimiento segun la reivindicacion 1, caracterizado por que la conversion de la senal de habla en el paso a) y la slntesis de los canales de frecuencia en el paso c) se produce con un banco de filtros.
  4. 4. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que antes del filtrado en el paso b) se produce una compresion de senal y tras el paso b) se produce una descompresion.
  5. 5. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que antes de la retransformacion en el paso c), se produce una rectification de los componentes de senal negativos.
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