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 Comunicaciones - UGR

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 Comunicaciones - UGR

Audiología ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

Audición Papel esencial en: Procesamiento de señales de audio 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 Comunicaciones - UGR

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 Comunicaciones - UGR

Papel de los órganos Oídos externo y medio: Oído interno: 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 Comunicaciones - UGR

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

Transducción auditiva cóclea cóclea desenrollada estribo v. oval vibración v. redonda Cel.ciliadas Memb. de Reissner perilinfa coclear Memb. basilar Potenciales de acción pared Impulsos eléctricos auditivo nervio ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

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 Comunicaciones - UGR

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 Comunicaciones - UGR

Relación entre Audiología y el Procesamiento de Señales de Audio 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 Comunicaciones - UGR

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

Laberinto óseo y cóclea ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - 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 ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

Sección de la lámina espiral ósea Sección de la cóclea Sección de la lámina espiral ósea Columela o modiolo Lámina de los contornos Canal de Rosenthal Lámina espiral ósea Habénula perforata Orificios salida nervio auditivo Canal de Rosenthal Canal aferente de la lámina espiral Habénula perforata ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

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

El órgano de Corti ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - 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 ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - 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. ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

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 Comunicaciones - UGR

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 Comunicaciones - UGR

Oído externo Pabellón auditivo: Conducto Auditivo Externo (CAE): Amplificación 10dB 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 Comunicaciones - UGR

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 dB dependiendo de la frecuencia ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

... Oído medio Trompa de Eustaquio: Músculo estapedial: 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 Comunicaciones - UGR

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 Comunicaciones - UGR

...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 Comunicaciones - UGR

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

Punto de máxima estimulación 20 Hz 80 Hz 150 Hz 200 Hz 250 Hz 350 Hz 600 Hz 800 Hz 1000 Hz 1400 Hz 2000 Hz 2500 Hz 3200 Hz 4 kHz 5 kHz 6 kHz 8 kHz 10 kHz 12 kHz 15 kHz 20 kHz ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

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

Capacidad de sincronización ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

Excitación de las células ciliadas (mecanismo pasivo) Modiolo o columela M. Tectoria M. Basal Lámina reticular C.C. Interna C.C. Externa A. Reposo B- Excitación ATV 2007 – Dpto. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones - UGR

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 Comunicaciones - UGR

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

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

Vías auditivas Nervio coclear: Conexión con tronco cerebral 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 Comunicaciones - UGR

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

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 Comunicaciones - UGR

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 Comunicaciones - UGR

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

Tipos de pérdida auditiva Nivel de pérdida: Leve 20 – 40 dB Moderada 40 – 70 dB Severa 70 – 90 dB Profunda > 90 dB 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 Comunicaciones - UGR

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 Comunicaciones - UGR

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 Comunicaciones - UGR

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 Comunicaciones - UGR