Procesamiento y Compresin de Seales de Audio PROGRAMA

Procesamiento y Compresión de Señales de Audio PROGRAMA DE POSGRADO EN SISTEMAS MULTIMEDIA Ángel de la Torre ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 1

Organización: • Audición. • Implantes cocleares. • Reconocimiento robusto de voz. • Presentación de trabajos. – ( 1/2 hora y/o memoria) Transparencias en: http: //www. ugr. es/~atv E-mail: atv@ugr. es ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 2

Audiología ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 3

Audición • Papel esencial en: – Comunicación oral • Producción de la voz • Percepción de la voz – Percepción del sonido (señales de audio) • Procesamiento de señales de audio – ¿Cómo se perciben las señales de audio? ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 4

Órganos de la audición • Anatomía (se conoce desde siglo XIX) • Fisiología (años 60) • Órganos de la audición: – Oído externo – Oído medio – Oído interno – Vías auditivas – Corteza cerebral ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 5

Papel de los órganos • 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 ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 6

cadena de huesecillos nervio auditivo cóclea ventana redonda tímpano ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y ventana oval 7

Transducción auditiva 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 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 8

Los mecanismos involucrados en la audición son más complicados • Oído externo: respuesta en frecuencia depende de la dirección (localización y detección de movimiento de fuentes) • Oído medio: reflejo estapedial • Oído interno: sintonización – Células ciliadas externas (inervación eferente – descendente-) – Células ciliadas internas (inervación aferente – ascendente-) ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 9

• Vías auditivas: distintas estaciones: – Tronco cerebral (núcleos cocleares, colículo inferior, cuerpo geniculado medio) – Con distintas funciones: • • Generación reflejo estapedial Estimulación eferente células ciliadas internas Inhibición/realce de respuestas Localización del sonido • Corteza cerebral: – Procesamiento de la información – Conexión con otras áreas (lenguaje) ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 10

Audiología • Funcionamiento 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 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 11

El laberinto • Laberinto: – Vestíbulo – Cóclea – Conductos semicirculares • Laberinto: – Laberinto óseo – Laberinto membranoso ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 12

Laberinto óseo y cóclea ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 13

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 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 14

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 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 1. 2. 3. Canal de Rosenthal Canal aferente de la lámina espiral Habénula perforata 15

Laberinto membranoso (rampas cocleares) ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 16

El órgano de Corti ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 17

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 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 18

Células ciliadas 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Núcleo Mitocondrias Estereocilios Placa basal de los estereoc. Cuerpo de Hensen Microvellosidades C. Soporte Placa basal kinocilio vestigial Fibras nerviosas afer. efer. 19

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 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 20

Fisiología de la audición • • Oído externo: pabellón y CAE Oído medio: tímpano y osículos Oído interno: cóclea Vías auditivas: – Nervio acústico (VIII par) – Tronco cerebral • Corteza cerebral ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 21

Oído externo • Pabellón auditivo: – Amplificación 10 d. B – 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 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 22

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 d. B dependiendo de la frecuencia ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 23

. . . 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 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 24

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 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 25

. . . 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 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 26

Onda viajera en membrana Basilar ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 27

Punto de máxima estimulación 6 k. Hz 5 k. Hz 8 k. Hz 4 k. Hz 10 k. Hz 350 Hz 3200 Hz 250 Hz 600 Hz 12 k. Hz 800 Hz 200 Hz 80 Hz 150 Hz 2000 Hz 15 k. Hz 2500 Hz 1400 Hz 20 k. Hz ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 28

Respuesta en frecuencia de 6 puntos de la cóclea ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 29

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 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 30

Capacidad de sincronización ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 31

Excitación de las células ciliadas (mecanismo pasivo) ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 1. 2. 3. 4. 5. 6. Modiolo o columela M. Tectoria M. Basal Lámina reticular C. C. Interna C. C. Externa 7. 8. A. Reposo B- Excitación 32

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 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 33

Curvas de sintonización A. BC- ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Fibras aferentes C. C. Internas Membrana basilar 34

Curvas de sintonización Efecto de daño en las células ciliadas externas ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 35

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 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 36

Vías auditivas • Homolateral para frecuencias bajas • Contralateral para frecuencias altas Corteza cerebral Cuerpo geniculado medio Colículo inferior Núcleos cocleares Función: ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y • Inhibición sonidos estacionarios • Disparo sonidos nuevos • Audición binaural 37

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 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 38

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 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 39

Patologías de la audición • Hipoacusias – – – Transmisión Neurosensoriales Mixtas Retrococleares (Presbicusias) • Acúfenos ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y • Origen – Trauma acústico – Ototóxicos: • Antibióticos • Drogas estimulantes – Malformaciones – Síndromes – Infecciones (otitis, otitis laberintizadas, infecciones víricas) – Anoxia perinatal – Traumatismo craneoencefálico – Meningitis. . 40

Tipos de pérdida auditiva • Nivel de pérdida: – – Leve Moderada Severa Profunda 20 – 40 d. B 40 – 70 d. B 70 – 90 d. B > 90 d. B • En relación al nivel de lenguaje: – Prelocutiva / perilocutiva / postlocutiva • En relación al momento de adquisición: – Prenatal (genética/adquirida) / perinatal / postnatal ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 41

Exploraciones audiológicas • Infantil: – Otoemisiones acústicas (OAE): screening – Audiometría conductual – Potenciales evocados auditivos (EABR) • Adultos: – Audiometría tonal – Audiometría verbal – EABR ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 42

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 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 43

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 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y 44