具有個人特徵的聲門波模擬式電子人工喉的製作方法

2023-12-11 15:23:37

專利名稱：具有個人特徵的聲門波模擬式電子人工喉的製作方法
技術領域：
本發明屬於語音缺失患者的語音康復領域，並涉及一種具有個人特徵的聲門波模 擬式電子人工喉。
背景技術：
人類用於交流的各種手段中，語音是最基本、最有效和最重要的一種。目前世界 上有數十萬計的喉癌和其他嚴重的喉病患者，為了治療喉部疾病而不得不進行喉頭切除手 術，這種方法在治療的同時，也使患者喪失了發聲能力，從而也就失去了運用語音進行語言 交流的能力。電子人工喉作為一種語音缺失患者使用的外部語音康複方法已經有約40年 歷史，目前存在的電子人工喉工作原理簡單。患者把設備頂在喉部，控制開關所產生的脈衝 通過振動施加到患者頸部，經組織傳到聲道，經調製後產生語音。目前的電子人工喉存在語 音缺乏變化，帶有明顯機器味道，背景噪聲大等諸多缺點。為改進發音效果，目前的研究者把主要精力放在電子人工喉背景噪聲的去除上， 以及通過肌電等信號進行電子人工喉脈衝產生的控制上，由於肌電信號產生與分析的複雜 性，效果並不理想。一些研究者運用語音信號、圖像信號和噪聲信號的採集、分析來調控電 子人工喉語音，機構複雜，成本增加、且可靠性低。基於目前存在的電子喉技術的局限性，電 子人工喉產生的振動波形和正常聲門波形無論在時域還是頻域都存在很大差異，這些差異 是造成正常語音和電子人工喉語音質量不同的主要原因。

發明內容
本發明人認識到，運用儘量接近於正常聲門波形的激勵源作為電子人工喉的振動 源，才可以產生高質量的人工語音，並且可能使恢復語音保留患者個人的某些語音特徵。按 照這個思路，本發明人設計了本發明的具有個人特徵的聲門波模擬式電子人工喉設備。本發明的主要目的在於，提供一種具有個人特徵的聲門波模擬式電子人工喉，其 提高了語音缺失患者的語音可懂度。本發明的組成如下主要包括帶幅度和頻率抖動特徵的波形產生與處理系統，功 率放大電路、微型電-力轉換系統三個主要部分。該電子人工喉語音可以提高患者所產生 語音的可懂度，具有個人語音特點。其中波形產生與處理系統包括存儲器、處理與控制系統及D/A轉化模塊，該系統 可根據存儲器中預先存儲的具有個人特徵的聲門波形產生聲門波，並按照算法加入頻率擾 動和幅度擾動，經過D/A轉換後輸出。其中微型電-力轉換系統由振動膜片、高場強磁鐵、繞組支架、線圈繞組、外磁軛 和塑料外殼構成，該系統是基於安培力原理製作的一種簡單、無方向轉換的電磁裝置，響應 快速、平滑、無嵌齒、無滯後響應，產生高速、高加速度、直線往復運動。本發明的主要工作原理基于波形產生與處理系統中存儲器可以存儲具有個人發聲特徵的聲門波形(個人發聲特徵可以是先前錄製、處理的)，在聲門波產生的過程中可以按照算法(如下文所述)加 入幅度擾動和頻率擾動；波形產生與處理系統所產生的波形通過系統中的數模轉換模塊轉 換為模擬信號；通過模數轉換器輸出的信號波形與功率放大電路連接，經過功率放大後施 加於電_力能量轉換器，功率放大電路由專用晶片實現。放大後的波形通過高磁場的電-力 能量轉換器轉換為機械振動，該振動通過振動膜施加於患者頸部，產生聲門波，該波形經過 患者舌、鼻腔、口腔、唇等器官的調製，在唇外形成語音。本發明主要的部分之一是幅度擾動和頻率擾動的產生，一般我們以參數、表示聲 門波的基頻周期，實際產生的聲門波的周期為t = t。+N，N可以在tQ的士5% -士 10%的範 圍內隨機變化，產生頻率的擾動；如果以Ae表單個波形的最大幅度，則可以選擇實際生成的 聲門波幅度A = M*Ae，其中M在0. 95 1. 05之間變化，M的變化可以產生幅度的擾動。本發明採用了如下的技術設計方案本發明的一個特徵是提供一種聲門波模擬式電子人工喉，該設備主要由波形產生 與處理系統、功率放大電路、可調控的微型電-力轉換器組成。本發明的另一個特徵是波形 產生與處理系統可以對聲門波形產生幅度擾動和頻率擾動，併疊加於聲門波形之上，形成 電-力轉換的激勵信號。本發明的工作特徵如下(1)在波形產生與處理系統中預先存儲具有個人語音特徵的聲門波形，波形產生 與處理系統按照該波形產生連續的聲門波，該波形按照算法加入幅度波動和頻率擾動，波 形頻率調節旋鈕和波形幅度調節旋鈕可用於調節波形的基本頻率和幅度；(2)波形產生與處理系統所產生的波形通過系統中的DA數模轉換模塊轉換為模 擬信號；(3)通過模數轉換器輸出的信號波形與功率放大電路連接，經過功率放大到可以 驅動電-力轉換系統工作，功率放大電路由專用晶片實現。(4)經過的放大的信號，經過高磁場的電-力能量轉換器轉換為機械振動，該轉換 器經過特殊設計，可以最小失真的實現電壓波形到機械振動的轉換。(5)由(4)所產生的振動通過振動膜施加於患者頸部，產生聲門波。該聲門波經過 患者舌、鼻腔、口腔、唇等器官的調製，在唇外形成語音。(6)系統由可充電鋰電池供電。


為便於理解本發明的原理及其實際運作過程與狀況，結合一個實施例及附圖對本 發明作進一步描述。其中圖1為根據本發明的一個實施例的電子人工喉的構成原理圖；圖2a為可存儲於單片機中的具有個人發聲特徵的單個聲門波形；圖2b為根據本發明的一個實施例的單片機產生的未加入頻率和幅度微擾的具有 個人發聲特徵的連續聲門波形；圖2c為根據本發明的一個實施例的單片機產生的加入頻率和幅度微擾的具有個 人發聲特徵的連續聲門波形；圖3為根據本發明的一個實施例的聲門波模擬式電子人工喉的外觀示意圖4為根據本發明的一個實施例的聲門波模擬式電子人工喉的內部結構示意圖；圖5是根據本發明的一個實施例的聲門波模擬式電子人工喉的系統配置圖；圖6是根據本發明的一個實施例的聲門波模擬式電子人工喉的電-力轉換部分結 構示意圖；圖7為根據本發明的一個實施例的聲門波模擬式電子人工喉的工作流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖詳細描述本發明的實施例。圖1為根據本發明的一個實施例的具有個人特徵的聲門波模擬式電子人工喉的 構成圖，該電子人工喉包括波形產生與處理系統101、功率放大電路102、微型電-力轉換系 統 103。根據本發明的一個具體實施例，波形產生與處理系統101包括能夠存儲具有個人 特徵的聲門波的存儲器、處理與控制系統、和D/A數模轉化模塊。根據本發明的一種具體實施方式
，波形產生與處理系統101可以基於單片機開 發，利用單片機自帶存儲器作為上述存儲具有個人特徵的聲門波的存儲器，存儲具有個人 特徵的聲門波；通過在單片機中寫入實現相應功能的程序，而實現波形產生與處理系統 101的相應模塊，包括最初波形生成模塊12、頻率擾動生成模塊13、幅度擾動生成模塊14、 波形頻率調節模塊(15)、波形幅度調節模塊(16)(見圖5) ；D/A轉化模塊17由專用D/A芯 片實現；添加了頻率擾動和幅度擾動的數字波形信號經過D/A轉化模塊轉化為模擬信號， 再輸出至功率放大電路102。圖2a所示為一個典型男性的單個聲門波形，該波形是經過預先採集的相關個人 語音經過聲門波反變換後得到的，該波形被數位化後存儲于波形產生與處理系統101的存 儲器中，利用該波形可以產生圖2b所示的具有個人發聲特徵的連續聲門波，各個聲門波幅 度都是相同的，而且周期相等，圖中變現為間距相同(即圖2b中ab = be = cd)。根據本發 明的一個實施例，對該波形添加了幅度擾動和頻率擾動，形成了諸如圖2c所示的波形(如 下文將要進一步描述的)。圖3是根據本發明的一個實施例的電子喉的結構示意圖，其包括一個振動膜片 1 ；一個塑料上端外殼2 ；開關按鈕3 ；幅度調節旋鈕4 ；頻率調節旋鈕5 ；塑料下端外殼6。開關按鈕(3)按下則電子喉開始工作，振動膜片(1)產生振動，利用幅度調節旋鈕 (4)可以調節所產生的聲門波的幅度，利用頻率調節旋鈕(5)可以調節所產生的聲門波的 頻率(頻率範圍在60-180HZ)，進而調節振動膜片(1)振動幅度和頻率.圖4是根據本發明的一個實施例的電子喉的內部結構示意圖，其中包括振動膜 片1 ；振動頭線圈架7 ；高強度磁芯8 ；功率放大模塊9 ；單片機波形產生系統10 ；電源11。圖5為根據本發明的一個實施例的聲門波模擬式電子喉的系統工作原理圖，該電 子喉包括波形產生模塊12 ；波形頻率擾動生成模塊13 ；波形幅度擾動生成模塊14 ；波形 頻率調節模塊15 ；波形幅度調節模塊16 ；D/A轉換模塊17 ；功率放大模塊18 ；電子人工喉 電-力轉換裝置19 ；電源20，本實施例中採用可充電電池作為電源。波形產生模塊(12)根據預先存儲的單個聲門波形產生連續聲門波，波形頻率擾 動生成模塊(13)和波形幅度擾動生成模塊(14)按照預定的調節算法加入幅度波動和頻率擾動，所產生的最終波形(，通過D/A數模轉換模塊(17)轉換為模擬信號，該模擬信號經過 功率放大模塊(18)放大後，驅動電-力轉換裝置(19)工作，產生振動。整個系統由低功 耗和高功耗兩部分組成，圖中上部虛線框中為低功耗部分，下部虛線框中為高功耗部分；根 據本發明的一個實施例，整個系統都由可充電的鋰電池電源(20)供電；調節旋鈕5作用於 波形頻率調節模塊(15)，用於調節聲門波基本頻率。調節旋鈕4作用于波形幅度調節模塊 (16)，用於調節聲門波幅度。圖6是根據本發明的一個實施例的電-力轉換裝置19的結構示意圖，其包括振 動膜片1 ；高場強磁鐵21 ；繞組支架22 ；外磁軛23 ；塑料外殼24 ；線圈繞組25。該電-力轉 換裝置是基於安培力原理製造的一種簡單、無方向轉換的電磁裝置，響應快速、平滑、無嵌 齒、無滯後，產生高速、高加速度、直線往復運動。圖7為根據本發明的一個實施例的工作流程圖。為了便於理解本發明及其實際運 作過程與狀況，現參照圖7描述本發明的實際運作過程的一個實施例。將具有個人語音特徵的聲門波形預先存儲在單片機波形產生與處理系統中，患者 需要使用時，按下開始按鈕(3)，將振動膜頂在喉部(步驟S701)。可選地，藉助調節頻率調節旋鈕5和/或幅度調節旋鈕4，分別通過波形頻率調節 模塊15和/或波形幅度調節模塊16，調節波形產生模塊(12)生成的聲門波的頻率和/或 幅度(S702)；當頻率和/或幅度已滿足要求時可不進行調節。根據單片機中存儲器存儲的 具有個人特徵的聲門波產生連續的聲門波(S703)。對於聲門波形的幅度，波形幅度擾動生成模塊14產生一個隨機數M，M在0. 95 1.05之間變化，用M作為乘數對聲門波形的幅度進行擾動，從而使擾動後的聲門波形幅度 為A = M*Ae，由此可以實現聲門波幅度的擾動(S704)。對於聲門波的基頻周期、，波形頻率擾動生成模塊13產生一個隨機數N，通過把 N加到基頻周期、上，實現對聲門波的周期的擾動，即，使實際產生的聲門波的周期為t = t。+N，其中N可以在tQ的士5% -士 10%的範圍內隨機變化，由此實現聲門波頻率的擾動 (S705)。隨後，輸出最終波形(S706)。該最終波形通過D/A數模轉換模塊(17)轉換為模擬信號(步驟S707)。該模擬信號經過功率放大模塊(18)放大(步驟S708)後，驅動電-力轉換模塊 (19)工作，將電能轉化為機械能，產生振動(步驟S709)，振動被施加於患者頸部，產生聲門 波(步驟S709)，該波形經過患者舌、鼻腔、口腔、唇等器官的調製，在唇外形成語音。應當理解的是，以上結合附圖和實施例對本發明所進行的描述只是說明而非限定 性的，且在不脫離如所附權利要求書所限定的本發明的前提下，可以對上述實施例進行各 種改變、變形、和/或修正。
權利要求
一種具有個人特徵的聲門波模擬式電子人工喉，其特徵在於包括波形產生與處理系統(101)，功率放大電路(102)，可調控的微型電 力轉換系統(103)。
2.如權利要求1所述的具有個人特徵的聲門波模擬式電子人工喉，其特徵在於所述波 形產生與處理系統(101)進一步包括用於存儲具有個人發聲特徵的聲門波形的存貯器， 波形產生模塊(12)，用於根據預先存儲的單個聲門波形產生連續聲門波， 波形頻率擾動生成模塊(13)用於在所述波形產生模塊(12)產生的聲門波中加入頻率 擾動，波形幅度擾動生成模塊(14)，用於在所述波形產生模塊(12)產生的聲門波中加入幅 度擾動，一個幅度調節旋鈕(4)和一個波形幅度調節模塊(16)，用於調節所述波形產生模塊 (12)產生的波形的幅度；一個頻率調節旋鈕(5)和一個波形頻率調節模塊(15)，用於調節所述波形產生模塊 (12)產生的波形的基本頻率。
3.如權利要求2所述的具有個人特徵的聲門波模擬式電子人工喉，其特徵在於 所述聲門波模擬式電子人工喉進一步包括數模轉換模塊(17)，用於把所述波形產生模塊(12)所產生的聲門波轉換為模擬信號，所述功率放大電路(102)用於對所述數模轉換模塊(17)輸出的信號波形進行功率放大。
4.如權利要求3所述的具有個人特徵的聲門波模擬式電子人工喉，其特徵在於所述可 調控的微型電_力轉換系統(103)進一步包括一個高場強磁鐵(21)；被設置在所述高場強磁鐵(21)周圍的外磁軛(23)；被設置在所述高場強磁鐵(21)和所述外磁軛(23)之間的線圈繞組(25)；與所述線圈繞組(25)機械耦合的一個振動膜片(1)；其中功率放大電路(102)輸出的信號被加到所述線圈繞組(25)上，從而用於把所述功 率放大電路(102)放大後的波形轉換為所述振動膜片(1)的機械振動。
5.如權利要求4所述的具有個人特徵的聲門波模擬式電子人工喉，其特徵在於 所述線圈繞組(25)與所述振動膜片(1)之間的機械耦合是藉助一個繞組支架(22)實現的，所述振動膜片(1)的機械振動用於被施加於使用者頸部以產生聲門波，從而使聲門波 經過使用者舌、鼻腔、口腔、唇等器官的調製在唇外形成語音，且所述可調控的微型電-力 轉換系統(103)是基於安培力原理製作的一種簡單、無方向轉換的電磁裝置，其響應快速、 平滑、無嵌齒、無滯後響應，並適合於產生高速、高加速度的直線往復運動。
6.如權利要求2-5之一所述的具有個人特徵的聲門波模擬式電子人工喉，其特徵在於所述波形頻率擾動生成模塊(13)用於產生一個隨機數M，M在0. 95 1. 05之間隨機變化，用所述隨機數M作為乘數對聲門波形的幅度進行擾動，S卩，使擾動後的聲門波形幅度 為A = M*Ae，其中ke表示施加擾動前的聲門波形的幅度， 所述波形幅度擾動生成模塊(14)用於對於聲門波的基頻周期tQ，產生一個隨機數N，N在tQ的大約士5% -士 10%的範圍內 隨機變化，把N加到基頻周期、上，從而實現對聲門波的周期的擾動，S卩，使實際產生的聲門波的 周期為t = t0+N。
7.產生具有個人特徵的聲門波的方法，其特徵在於包括 根據預先存儲的單個聲門波形產生連續聲門波，對所產生的所述連續聲門波進行功率放大，把功率放大後的所述連續聲門波轉換為一個微型電-力轉換系統(103)的一個振動膜 片(1)的機械振動。
8.如權利要求7所述的產生具有個人特徵的聲門波的方法，其特徵在於進一步包括 在所述功率放大前，在所述連續聲門波中加入幅度擾動和頻率擾動。
9.如權利要求8所述的產生具有個人特徵的聲門波的方法，其特徵在於進一步包括 把所述聲門波轉換為模擬信號把所述振動膜片(1)的機械振動施加於使用者頸部以產生聲門波，從而使聲門波經過 使用者舌、鼻腔、口腔、唇等器官的調製在唇外形成語音，利用一個幅度調節旋鈕(4)和一個波形幅度調節模塊(16)，調節所述波形產生模塊 (12)產生的波形的幅度；利用一個頻率調節旋鈕(5)和一個波形頻率調節模塊(15)，調節所述波形產生模塊 (12)產生的波形的基本頻率。
10.如權利要求8或9所述的產生具有個人特徵的聲門波的方法，其特徵在於 在所述連續聲門波中加入幅度擾動的步驟包括產生一個隨機數M，M在0. 95 1. 05之間隨機變化，用所述隨機數M作為乘數對聲門波形的幅度進行擾動，從而使擾動後的聲門波形幅度 為A = M*Ae，其中ke表示施加擾動前的聲門波形的幅度， 在所述連續聲門波中加入幅度擾動的步驟包括對於聲門波的基頻周期tQ，產生一個隨機數N，N在tQ的大約士5% -士 10%的範圍內 隨機變化，把N加到基頻周期、上，從而實現對聲門波的周期的擾動，S卩，使實際產生的聲門波的 周期為t = t0+N。
全文摘要
本發明涉及具有個人特徵的聲門波模擬式電子人工喉。一種真實聲門波模擬式電子人工喉，包括帶幅度和頻率抖動特徵的波形產生與處理系統，功率放大電路18、可調控的微型電-力轉換系統19。其工作為波形產生與處理系統中可以存儲具有個人發聲特徵的聲門波形，由波形產生模塊12按存儲的聲門波產生初始聲門波，並由幅度擾動模塊14加入幅度擾動和由頻率擾動生成模塊13加入頻率擾動；所產生的波形通過數模轉換模塊17轉換為模擬信號；輸出的信號波形經過功率放大後由電-力轉換裝置19轉換為機械振動，該振動被施加於患者頸部，產生聲門波，該波形經過患者舌、鼻腔、口腔、唇等器官的調製，在唇外形成語音。波形頻率調節模塊15和波形幅度調節模塊16分別作用于波形產生模塊12對頻率和幅度進行調節。
文檔編號A61F2/20GK101966106SQ200910089700
公開日2011年2月9日 申請日期2009年7月27日 優先權日2009年7月27日
發明者李有亮, 李立峰, 樊瑜波, 牛海軍, 邵曉寧 申請人:北京航空航天大學;國家康復輔具研究中心