CURSO PRÁCTICO PARA EL FUNCIONAMIENTO Y MANEJO DEL PROCESADOR DE VOZ EN IMPLANTADOS MED-EL Congreso Internacional de Foniatría, Audiología y Psicología del Lenguaje Salamanca, 26 - 29 de Junio de 2002 Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

Parte 1: FUNCIONAMIENTO DEL IMPLANTE COCLEAR Ángel de la Torre Vega Dpto. Electrónica y Tecnología de Computadores Universidad de Granada Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

cadena de huesecillos nervio auditivo cóclea ventana redonda tímpano ventana oval ventana cóclea nervio auditivo redonda Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

Laberinto óseo y cóclea Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

Laberinto óseo anterior (cóclea) Hueso compacto Formado en el 5º mes de vida embrionaria Tubo cónico, enrollado sobre cono que describe 2 vueltas y media 5-6 mm 1-2 mm 32-35 mm 9 mm Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

Sección de la cóclea Columela o modiolo Lámina de los contornos Canal de Rosenthal Lámina espiral ósea Habénula perforata Orificios salida nervio auditivo Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

Laberinto membranoso (rampas cocleares) Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

El órgano de Corti Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

Células ciliadas Núcleo Mitocondrias Estereocilios Placa basal de los estereoc. Cuerpo de Hensen Microvellosidades C. Soporte Placa basal kinocilio vestigial Fibras nerviosas afer. efer. Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

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 Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

Percepción auditiva cóclea cóclea desenrollada Memb. de v. oval estribo v. oval vibración v. redonda Cel.ciliadas Memb. de Reissner perilinfa coclear Memb. basilar Potenciales de acción pared Impulsos eléctricos auditivo nervio Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

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 Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

Punto de máxima estimulación 6 kHz 5 kHz 8 kHz 4 kHz 10 kHz 350 Hz 3200 Hz 250 Hz 20 Hz 600 Hz 200 Hz 2500 Hz 12 kHz 800 Hz 80 Hz 150 Hz 2000 Hz 1000 Hz 15 kHz 1400 Hz 20 kHz Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

Capacidad de sincronización Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

Pérdidas auditivas Tipo Nivel Origen Transmisión Trauma acústico Neurosensoriales Mixtas Retrococleares (Presbicusias) Nivel Leves (<20 dB) Moderadas (40-70 dB) Severas (70-90 dB) Profundas (>90 dB) Origen Trauma acústico Ototóxicos: Antibióticos Drogas estimulantes Malformaciones Síndromes Infecciones (otitis, otitis laberintizadas, infecciones víricas) Anoxia perinatal Traumatismo craneoencefálico Meningitis.... Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

receptor RF y emisor de estímulos micrófono y procesador transmisor RF receptor RF y emisor de estímulos electrodo de referencia guía de electrodos electrodos Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

Imagen Rx de un implante Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

Ángel de la Torre Vega – G. I Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

Objetivos del implante coclear: Proporcionar una representación del sonido que permita la comunicación oral: Identificar, discriminar y reconocer las distintas unidades de la voz: fonemas sílabas Palabras Proporcionar percepción de los sonidos Limitaciones: Técnicas Aprendizaje Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

La señal de voz /sal/ Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

La señal de voz /s/ /a/ /l/ Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

Espectro de las vocales /i/ /a/ /o/ /a/ cerrada /u/ /e/ Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

Formantes 1º y 2º en vocales 3000 2500 /e/ /i/ 2000 freq. 2o formante (Hz) 1500 /a/ /u/ /o/ 1000 500 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 freq. 1er formante (Hz) Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

Espectro de consonantes sonoras /m/ /l/ /n/ /y/ /ñ/ /R/ Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

Espectro de consonantes fricativas /z/ /sh/ /f/ /ss/ /j/ Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

Fonemas no estacionarios Fonemas estacionarios: vocales: /a/ /e/ /i/ /o/ /u/ consonantes sonoras: /l/ /y/ /R/ /m/ /n/ /ñ/ consonantes fricativas: /s/ /sh/ /ss/ /z/ /f/ /j/ Fonemas no estacionarios: Plosivas sordas: /p/ /t/ /k/ Plosivas sonoras: /b/ /d/ /g/ Otras consonantes: /ch/ /r/ Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

Espectrograma (representación tiempo - frecuencia) Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

Espectrograma (representación tiempo - frecuencia) m b o i a kom p r a R p a n Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

Información relevante de la señal de voz: Para reconocimiento de voz: Envolvente espectral (formantes) Evolución temporal de los formantes Información espectral de tiempo corto Información complementaria: Tono fundamental Estructura fina del espectro Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

Cómo funciona el oído Extrae información de la señal de audio Envía la información al cerebro en forma de estímulos nerviosos Mecanismos de percepción: Tonotópico Patrón temporal de estimulación El implante coclear trata de imitar el mecanismo de conversión del sonido en potenciales de acción Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

Características del oído humano Configuración de la cóclea: 6.000 células ciliadas internas 40.000 terminaciones nerviosas Repolarización: 2 ms (400 - 500 disparos/seg) Conexión sináptica: sin interacción entre canales Capacidad de un oído entrenado: Resolución espectral: 1/9 tono (450 – 456 Hz) Resolución temporal: 400 - 500 Hz Resolución de intensidad: 1 dB Mecanismos de adaptación Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

Limitaciones del implante coclear No hay conexión sináptica: Un electrodo estimula muchas fibras Si se estimulan simultáneamente varios electrodos hay interferencia entre canales Consecuencias: Pocos electrodos (se representa sólo la envolvente espectral) Alta tasa de estimulación En cada instante sólo se estimula un canal Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

Estrategias de estimulación Separación de señal de audio en bandas de frecuencia Asignación de bandas a electrodos (tonotópica) Estimulación de los electrodos de acuerdo con la energía en cada banda de frecuencia en cada instante de tiempo (patrón temporal) Las limitaciones - compromisos y soluciones dan lugar a las estrategias de estimulación Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

Estrategias de codificación Analógicas: Compressed Analog Pulsátiles: Extracción de características F0/F1/F2 MPEAK Híbridas: SMSP / SPEAK N-of-M ACE Forma de onda: ACE / CIS / CIS+ Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

CIS: Continuous Interleaved Sampling Adquisición de la señal Ajuste niveles Banco de filtros y detecc. envolvente Generación estímulos Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

Tendencias en las estrategias Estimulación monopolar Estimulación pulsátil con pulsos bifásicos Estrategias de forma de onda Algoritmos de respuesta rápida en la detección de envolvente Pulsos no solapados Alta tasa de estimulación Objetivos: Resolución frecuencial Resolución temporal Resolución en intensidad Sensibilidad Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

Percepción con Implante Coclear Limitaciones Resolución espectral: Pocos electrodos (muchos menos de 6.000) ¿Por qué no más electrodos? Intervalo de frecuencia 200 Hz – 10.000 Hz Resolución temporal: 300 ... 3000 disparos/seg Respuesta a los distintos niveles de intensidad Limitaciones fisiológicas y ausencia de mecanismos de adaptación Limitaciones relacionadas con las habilidades Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

¿Cómo oye un implantado? No se puede saber Sólo unos pocos pacientes están en condiciones de hacer comparaciones Observación indirecta (qué son capaces de hacer) Teniendo en cuenta todo el proceso de estimulación se puede sintetizar la señal “tal y como la oiría un implantado” Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR

Aportaciones del Implante Coclear Percepción auditiva con calidad suficiente para comprensión del habla (sin ruido) Para ello, antes hay que desarrollar.... habilidades perceptuales habilidades lingüísticas Comprensión de la voz en ruido: difícil Percepción de los distintos sonidos, música proporciona toda la información temporal que un oído normal puede percibir (poca resolución espectral) Ángel de la Torre Vega – G.I. Procesamiento de Señales y Comunicaciones – DETC – UGR