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1移频助听技术

Frequency Transposition Algorithm in Hearing Instruments

2移频助听技术产生的背景

       助听器工业正一如既往的为听力障碍的人们发展能改善其听力的各种各样的助听器。听力学家和用户所面临的技术发展是令人吃惊的:数字信号处理助听器,多麦克风助听器,集成于助听器内部的调频接收器,一次性的助听器等。选配人员不禁要问:什么技术能最好地改善病人的听力?什么技术能最好地改善病人的生活质量?怎样评价助听器的效果?听力障碍的病人们能在噪音环境下听的更清楚吗?数字助听器真的比模拟助听器更好吗?对病人来讲更容易理解言语是最重要的吗?
虽然上述一系列科技进步的确改善了病人的舒适度,但仍然不能解决在所有听觉环境都能理解语言的问题(FM例外)。有了这些先进技术,为什么改善言语理解仍然是一个挑战?为什么为重度以上听力障碍者选配助听装置一直是一个挑战?为什么测试病人的助听效果仍如此困难?    
传统的助听器调控信号的振幅,使各频率的振幅变大,这种理念满足了部分病人的需求。但有研究认为当高频听力损失大于60dB时,放大这些频段的声音不但不能改善言语的识别,反而有事实上的负面影响。
产生以上结果的原因是:
①非移频助听器均采用传统的振幅压缩放大原理,其振幅放大量和频带宽度受到麦克风和扬声器性能的限制,使其在高频尤其是2 kHz以上的增益效果有限。按经典的1/2补偿原则,仅采用振幅压缩放大原理的助听器的助听效果不足以补偿高频听力损失超过60 dB的病人对增益的需求。
②与语言中辅音的声学物理特性有关。其中清辅音中绝大部分中心频率位于4 kHz以上,而在大部分的日常会话声谱中的声强范围主要在5~40 dB HL之间,平均为30 dB。因此,一旦患者在4 000 Hz以上的听力损失超过60 dB时,按1/3补偿原则只有当其至少可以获得20 dB以上的高频增益时才有可能感知高频辅音。而非移频助听器在4 kHz以上频率很难产生20 dB的增益,所以对于重度及其以上听力损失的病人来说非移频助听器在清辅音的感知方面帮助不大。因为超过35%的重要言语信息分布在2千赫兹以上,即使助听器可以补偿病人高频听力损失所需的增益量,如果病人的听觉系统不能得益于这些放大信号,听力康复专家又怎样使他的用户(助听器使用者)改进言语理解呢?。
③与声学上的上扩散掩蔽特性有关,这种特性决定了低频声音对高频声有更多的掩蔽性。鉴于此,现在已有很多助听器都采用了降低低频增益的方法来降低助听器的噪声。语言音素中元音的声谱多分布在低频,而辅音的声谱多分布在高频,如果助听器在中低频段有足够的增益而高频增益不足,就会产生放大声音中元音对辅音的掩蔽。这也正是国外许多研究证明的当病人的高频听力损失超过60 dB时,传统的助听器对病人的言语辨别力不但没有作用,反而有负面影响的原因所在。
④感音神经性聋病人需要更多更好的信噪此才能达到正常人在日常信噪比状况下的言语辨别力。所以需要一种助听装置在传统降噪的基础上使语言中对言语辨别和理解至关重要的辅音音素的信噪比有了进一步的提高。而且,在繁忙的日常工作中又怎样才能快速评价众多用户的助听器效果呢?    
正是因为传统助听器的种种缺陷,已经满足不了听障患者的诸多需求,以致于各国听力学专家致力于研究新的解决方案。就在这时,“移频”(frequency shifting techniques)概念被提出。

3移频助听技术的产生

    早在20世纪五六十年代就有研究人员试图用应用“频率降低技术”(frequency lowering techniques)进行助听器和语训(Ben net and Byers,1967;Beasley et al,1976)我国著名科学家张家璐教授也于1998年发表过有关探讨移频技术的文章,当时的设想就是将语言信号的带宽匹配到病人具有较好敏感残余听觉动态范围之内而不是企图使不复存在的高频听力有反应。有许多方法可以用来进行不按比例和按比例的频率转换,然而它们在很多时间内没有被用于可以佩戴的装置或语训工具。例如变频装置就是一种不按比例频率转换的方法,它是通过恒定的频率移动导致语言声不自然的变化,它对语言理解没有帮助。因为不按比例频率转换的方法不能保护语言信号中语素之间的相应关系,所以反而干扰了听觉。按比例移频类似于录音机的慢放,即先按正常速度录音然后以较慢速度播放,因此这种方法保持了语言中各语素之间的相应频谱位置关系。
为重度以上听力障碍者选配助听装置,一直是一个挑战,普通助听器不但没能解决这些问题,反而导致新问题的出现。解决这一挑战的候选技术或装置为“移频”技术和电子耳蜗。澳大利亚国家听力实验室的Davis Penn和Ross(1993)认为“移频”助听填补了普通助听器与电子耳蜗之间的空白领域。 “移频”助听装置是一种避开增益限制和无用听力的信号处理策略即按比例的频率压缩(Proportional Frequency Compression)。按比例的频率压缩可以让选配师将关键的高频言语信息“移”到具有较好残余听力的低频区。用此技术有可能“将输入言语信号的带宽匹配到患耳最敏感的有限频带,而不是企图使不复存在的高频听力有反应。”

4移频助听的工作原理 

      “移频”(frequency shifting techniques)的概念出自已久:早在上个世纪五六十年代就有研究人员试图应用“频率降低技术”( frequency lowering techniques) 进行助听和语训。(Ben net and Byers,1967;Beasley et al,1976),我国著名科学张家璐教授也于己于1998年发表过有关移频技术方面的文章。当时的设想就是将语言信号的带宽匹配到病人具有较好敏感残余听觉动态范围之内而不是企图使不复存在的高频听力有反应。有许多方法可以用来进行不按比例和按比例的频率转换,然而它们没被用于可以佩戴的装置或语训工具。例如变调装置就是一种不按比例频率转换的方法,它是通过恒定的频率移动导致语言声不自然的变化,它对语言理解没有帮助。因为不按比例频率转换的方法不能保护语言信号中语素之间的相应关系,所以反而干扰了听觉。
按比例移频类似于录音机的慢放,即先按正常速度录音然后以较慢速度播放,因此这种方法保持了语言中各语素之间的相应频谱位置关系。然而将一架录音机变成一个可以佩戴装置并实时进行录音和慢放,是不现实的。
美国EMILY一直在使用一种“移频”装置,该装置统计的原理是基于1000----2000HZ范围内的声谱信息对于语言接受至关重要。EMILY装置可探知此范围的音素和能量构成,然后将在较高或较低的频带范围内进行移动复制,从而使其声音特性更易被觉查。这一频率移动可使所选择的音素实时地得以增加。虽然这一技术可以用于可佩戴装置上,并且为广泛范围听力损失的病人展示了希望。但有关的临床数据有限。早期海德公司生产的移频助听器是一种利用“慢放” 移频技术的特大功率助听器(1994年),为了克服传统助听器的限制,它应用了按比例的“慢放”频率压缩,通过利用电子磁带装置,它将语言信号几乎“实时”地按比例移动并压缩,它也对高频弱小的辅音信息进行辅音推动,它尽量将有用的高频信号移到可以利用的低频区。从理论上讲,将病人不可能听到的高频辅音信号移到可以听到的低频区应该克服了普通助听器对无或少有高频残余听力的病人无能为力的窘境。

5目前的移频助听技术 

近几年已有数篇文献提及将按比例的频率压缩作为改善听力的一种方法7-8。虽然有各种各样的按比例压缩方案7-9,到目前为止,海德公司是唯一的一家可以生产耳级的具有按比例压缩功能的助听器的公司。即ImpaCt和Logicom助听器。   
ImpaCt 是专门为提高高频听力损失耳聋人士的言语可懂度而设计制造的,她根据输入言语信号实时地数字分析对言语的频率.振幅和时间特性进行动态调控. 即在传统的振幅压缩放大策略助听器的基础上采用特有的类似于电子耳蜗语言编码的实时地动态言语重新编码(Dynamic Speech Re-coding,DSR),动态辅音推动(Dynamic Consonant Boost,DCB) 和频率压缩(Proportional Frequency Compression ,FC)数字处理技术以及大量标准的可编程选配参数改善对言语理解至关重要的语言辨别能力.对低频元音信号进行自动增益控制(AGC) 处理,使其保持在最适阈 (MCL)的同时ImpaCt的数字音素分析器跟随言语的动态范围DSR 调控,当言语中的高频辅音一旦被识破, DSR 功能立即启动.,将高频辅音信号推动到病人残存的听觉动态范围之内。 但太多的频率压缩虽然可以提高觉察力但会降低言语辨别力.,采用DCB与频率压缩(FC)技术有效地平衡了言语觉察力与辨别力两者之间的关系. 。ImpaCt尤其可以满足那些低频听力正常或轻度损失而高频听力严重损失患者的需求.这些患者是目前听障人士中最大的群体. 
听力康复工作者在处理高频听力损失的听力康复过程中应仔细考虑现有的各种选择。目前的研究结果支持改用具有频率压缩功能的“移频”助听器。如果我们认识到高频清辅音的重要性,尤其是英语中带有很多语法信息的/s/ 音的重要性时,就可以理解改用“移频”助听器的重大意义。戴“移频”助听器的人可以听到复数音、所有格、第三人称单数等。这些声音对于言语和语言发展、言语理解和言语产生有着重要意义。
选配助听器,就好象听力康复工作者与病人在玩“幸运轮”游戏。如果我们只给病人提供易于听辨的浊辅音和元音,病人就难以解决言语的理解问题。如果我们提供清辅音,病人“解决问题”的能力大增。当助听器专业选配人员寻找能给病人提供最完美声音“图画”的技术时,他们有必要重新考虑助听器是如何放大言语的;放大声信号是如何传入听障耳?以及怎么样去评价助听器效果?按比例频率压缩是为助听器专业选配人员设计的用于高频听力损失的病人改进言语辨别能力的工具。 

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