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  • 引言

聋人听声问题一直是世界性的难题。目前解决聋人问题的主要方法是助听器(第一类)和电子耳蜗(第二类)。由于助听器仍然要利用聋人的残余听力,所以仅仅适用于轻度聋人。电子耳蜗可用于全聋人,但仍存在很多问题,不仅价格很昂贵还需要复杂的外科手术。另外,由于电子耳蜗仍然要依赖听觉神经,所以不是每个聋人都适用。手语、读唇法仍然是聋哑教育的主流。皮肤听声是一种新的概念,就是利用声音电流信号刺激皮肤达到听声的效果,皮肤听声过程完全脱离人体原有的听觉系统,由此产生了第三类助听工具称为皮肤听声器。
皮肤听声的概念由陕西科技大学李建文教授提出,他所带领的皮肤听声技术研究小组对皮肤听声的理论和技术进行了长期和深入的研究,并产生了两代皮肤听声器,使聋人听声问题出现了光明的前景。皮肤听声的最大优势就是解决聋人听声问题不通过任何外科手术,而且分辨率高、价格低廉,所以容易推广,而且与助听器和电子耳蜗的使用都不冲突。
关于皮肤听声的研究开始于1994年12月,2005年获得陕西省教育厅专项基金资助;
2006年课题“声-电转换皮肤听声的进一步研究”又获得国家自然科学基金面上项目资助,编号:60672001。2010年2月该项目结题,证明了多通道皮肤听声器对于解决全聋人的听声问题具有巨大的实用价值;
2006年10月“变压式皮肤听声器”获国家发明专利,专利号:ZL200410026265.5。2007年9月研制成功第一代皮肤听声器,特点单通道;
2011年8月“多通道阵列式皮肤听声器” 获国家发明专利,专利号:ZL200910219078.1。在此技术基础上,2013年12月研制成功第二代皮肤听声器,称为高性能皮肤听声器。特点:扎臂式、12通道滤波,阵列电极、自动音量调节、拟合感觉曲线。高性能皮肤听声器能使聋人分辨语音。
研究的结论是:(1)第一代皮肤听声器能使任何人通过皮肤获得声音信号,即“听”到声音,使得电子耳蜗不再是全聋人的唯一选择;(2)通过对于皮肤听声现象的细致研究我们发现,人体皮肤对于声音和次声信号的响应范围至少包括0.1Hz~30kHz,说明人体皮肤的听声范围比耳朵更宽;(3)通过人体解剖学的研究发现了影响皮肤听声的重要因素是皮肤角质层,角质层是产生电阻的主要原因;(4)对于电子学带通滤波技术进行了研究,发现多通道阵列式皮肤听声技术将皮肤对于声音频率的分辨转化为皮肤对不同位置刺激信号的感觉,使人体通过皮肤位置获得对于声音频率的辨别能力,可以明显的增强皮肤对于语音信号的分辨能力;(5)多通道皮肤听声器需要进一步发展,皮肤听声技术涉及声学、数学、生理学、电子学和电磁学属于典型的跨学科前沿性研究,皮肤听声技术还揭示了很多学科之间的关系,所以科学研究需要多通道皮肤听声实验环境。12通道皮肤听声实验环境是比较理想的实验模型,现在研制成功的高性能皮肤听声器属于第二代皮肤听声器。

  • 第一代皮肤听声器

第一代皮肤听声器以发明专利“变压式皮肤听声器”为技术基础。
第一代皮肤听声器的听觉效果大致可以归结如下:⑴几乎对于所有的声音都非常敏感,如说话声、关门声、电话声、走路声、咳嗽声及各种环境声音等;⑵经过培训,聋人可以分辨一些很简单的语音;⑶对于说话声、关门声、走路声等具备区分能力;⑷对于音乐的节拍具有明显的感觉及辨析能力。可能最原始的动物听声效果就是这样。
第一代皮肤听声器的构造与原理是:(1)麦克风将外部声音信号转化为电流脉冲信号; (2)音频功放将音频信号放大; (3)音频升压装置克服人体皮肤的电阻,为驱动平面电极提供高压的交流信号; (4)电池为音频功放提供电源; (5)平面电极用来刺激皮肤,将脉冲电流信号通过皮肤传给大脑,见图1。在图1中可以看到皮肤听声器中没有使用扬声器,从而在使用过程中没有与人的原有听觉系统发生任何关系。


事实上第一代皮肤听声器就是对于普通的助听器进行改造,将助听器的耳机改成升压变压器和平面电极。缺点是分辨语音的能力极其有限,但可作为声学实验设备。

  • 皮肤对于声音信号的响应研究

皮肤对于声音电流信号的响应范围是声电转换皮肤听声的基本问题。为了进一步探讨皮肤听声技术的基础理论,我们利用数字信号发生器直接驱动平面电极,重新对于皮肤接受振荡电流信号的频率与电压的临界点进行了实验,首次揭示了人体皮肤对于脉冲电流信号响应的频率范围至少包括0.1Hz~30kHz,见表1。

表1? 皮肤响应声音信号的生理曲线


信号频率(Hz)

被测量者1,男,49岁

被测量者2,男,36岁

第1次测量

第2次测量

第1次测量

第2次测量

信号源幅值

实际电压

信号源幅值

实际电压

信号源幅值

信号源幅值

0.156

2.40

无法测量

2.20

无法测量 

4.5

4.2

0.313

2.30

无法测量 

2.10

无法测量 

3.9

3.8

0.625

2.30

无法测量 

2.10

无法测量 

4.1

4.0

1.250

2.70

无法测量 

2.70

无法测量 

4.0

3.9

2.500

2.70

1.942

2.67

1.942

4.5

3.8

5.000

1.98

1.428

1.75

1.270

2.8

3.0

10.00

1.56

1.149

1.37

0.991

2.4

2.6

20.00

1.65

1.188

1.68

1.229

2.7

2.9

40.00

1.76

1.267

1.82

1.308

3.2

2.8

80.00

1.77

1.267

1.88

1.347

3.5

3.0

160.0

1.83

1.307

1.97

1.426

3.55

2.9

320.0

1.94

1.386

1.99

1.426

3.73

3.0

640.0

2.33

1.662

2.36

1.702

4.2

3.3

1280

2.74

1.975

2.77

1.975

4.9

3.8

2560

3.31

2.367

3.31

2.367

5.7

4.5

5120

4.26

3.030

4.16

2.949

6.4

5.5

10240

5.62

3.995

5.22

3.678

7.3

6.7

20480

8.12

5.699

7.64

5.349

8.8

8.3

28963

9.81

6.820

9.80

6.810

10.0

9.9

40960

无感觉

 

无感觉

 

10.0

无感觉

声音的频率范围是20Hz~20KHz,次声频率范围大致为20Hz以下[23,24]。在表1中,我们可以看到,人体皮肤不但能感觉到全部的音频信号,还能感觉到范围很宽的次声信号,至少包括20Hz~0.1Hz,10Hz附近是临界电压值最低的频率点。同时还获得以下实验现象:

  1. 每次测量开始时皮肤没有任何感觉,这时如果使用较为强烈的低频信号(1Hz以下)进行冲击后,便很快激活了了皮肤的感觉能力;

  2. 加电刺激的时间越长电压临界值越低,约1小时后电压临界值稳定;

  3. 如果将贴在皮肤上的电极按紧可以获得更低的临界电压值,如10Hz附近可达1V;

  4. 对于低于1Hz的信号,每次信号的振荡皮肤能够感觉到两次,电压上升和电压下降时各一次。每一次感到电压上升或电压下降时有一种皮肤被按压的感觉;

  5. 皮肤的电阻值不确定,正常情况大约400 K ?,被刺激的时间越长电阻值越小,加电刺激1小时后电阻变为80K ?;

  6. 人体皮肤对于音频和次声信号的敏感程度因位置不同而异,也因人而异;

在前面的实验中我们可以看到,人体皮肤对于脉冲电流信号响应的范围至少包括0.1Hz~30kHz。能让皮肤获得感觉的电压临界值大约为1~6V,一般的信号电压强度应该超过2~12V,才能保证皮肤的感觉强度。但是对于一般的便携式电子仪器来说要产生这么高的电压是很难办到的。
皮肤神经对于振荡的电流信号的感觉范围至少包括0.1Hz-30kHz,但人体的听觉范围却只有20Hz-20kHz,这个损失发生在哪里?这也为生理学提出了新的课题。
这次实验充分证明了人体皮肤不但能接收全部声音信号,还能接收很宽范围的次声信号。从这一点上来说,皮肤听声超过人耳是可能的。

 

  1. 语音频谱图与语音辨析

皮肤听声技术与声学、数学关系极为密切。我们不但需要弄清楚语音的频率范围,还通过语音频谱分析可以获得多通道阵列式皮肤听声技术辨析语音的原理。
a.“能量-时域”图与“频率-能量-时域”图
一般的语音信息可由计算机麦克风录入后保存成为.wav文件,如图8a,这是一种“能量-时域”坐标图。经过傅里叶变换以后可以转化为“频率-能量-时域”坐标图,如图8b。我们观看图8a时很难辨别语音信号它们之间的差异,但是如果我们观察图8b时我们很容易区别它们的不同,这是因为在这个图中出现了频率分布信息。

在图8b中可以看出,汉语“一”的频率主要分布在500Hz以下和2k-4k之间,由于没有声母,在发音过程中变化不大。汉语“二”的频率主要分布在2kHz以下,由于没有声母,在发音过程中变化不大。由“一”变到“二”时能够明显看到中间状态。“三”明显的分为两部分声母部分和韵母部分,韵母部分为噪声特征,看不到轻重条纹。韵母部分在5kHz附近可以看能量空缺,2kHz附近也可看到能量空缺。韵母部分能够看到明显的能量分布结构,与“一”、“二”有明显的共同特征。由于以上明显的特征,我们在4通道皮肤听声实验中,将频率点设为400Hz、800Hz、1.6kHz、3.2kHz,能很容易区分“一”、“二”、“三”。但由于频率点取得很稀疏,还有一些音区分不明显,如“四”和“十”。
事实上,我们对于许多语音都进行了频谱分析,如汉语的“你我他”,“爸爸”,“妈妈”,“一二三四五六七八九十”,见图8c,汉语拼音的“a o e y u ü b p m f g k h j q x z c s zh ch sh”等。将语音进行频谱分析后,我们仅通过图形的观察就能分辨出语音的含义。
b. 皮肤听声器第一代与第二代的理论差异
第一代皮肤听声器只有一个通道,所以只能识别“能量-时域”信息,无法分辨频率。在第二代皮肤听声器中,我们使用多通道滤波技术,其中的每一个通道还是一个独立的“能量-时域”传感器,这样第二代皮肤听声器就有了分辨频率的能力。我们使用第二代皮肤听声器听声音时就相当于我们使用眼睛观察语音频谱图,这也就是第二代皮肤听声器辨析语音的原理。人耳听觉中枢可能也是这个道理,但是还没有被证实。但是在实际制作第二代皮肤听声器时它对于频率的分辨能力要受制作工艺的限制。特别是通道数究竟达到多少才能辨析语音,而且要合理分布每个通道所对应的频率点。我们认为4通道太粗略,应该至少达到12个通道,而且这些点应该分布在300Hz~3.2kHz的范围内。
c.声音的频率范围与汉语语音的频率范围
声音的频率范围很宽,20Hz~20kHz。我们的频率分辨能力究竟达到何种程度才能分辨我们日常所用的语音信息,这是值得我们探讨的学问。经过我们的语音带通滤波实验,汉语语音的频率范围只需要考虑300Hz~3kHz就够了。有了这个范围使得皮肤辨析声音技术的研究变得更加现实可行了。
使用4通道皮肤听声器被试验者能明显区分许多声音,如汉语“一”、“二”、“三”、“四”、“五”,? 频率点设为400Hz、800Hz、1.6kHz、3.2kHz好于500 Hz、1kHz、2kHz、4kHz。汉语“五”特别依赖于低频率点,见图8c。
我们在频率400Hz、800Hz、1.6kHz、3.2kHz的基础上进行了细化,对于12通道实验,我们采用的频率点为317 Hz、400 Hz、504 Hz、635 Hz、800 Hz、1008 Hz、1270 Hz、1600 Hz、2016 Hz、2540 Hz、3200 Hz、4032 Hz。使用12通道后,很容区分“一”、“二”、“三”、“四”、“五”、“六”、“七”、“八”、“九”、“十”。这也说明,在关键频率区间内将频率点增多很重要。

  1. 人体皮肤构造与皮肤听声的理论关系

我们还查阅了大量的生理学文献,对于声电转换皮肤听声的生理机理进行了探讨。事实上,皮肤听声的理论可以通过人体皮肤解剖学获得比较完整的解释。
如图12,人体皮肤可分为表皮、真皮和皮下组织三部分。其中表皮(epidermis)的厚度约0.1mm(与具体的位置、年龄、性别有关),包括角质层、颗粒层、棘层、基底层,角质层含水量少,电阻较大(约为500K),对低电压电流有一定的阻抗能力,事实上皮肤各处的电阻还可以由万用表直接测得。真皮(dermis)的厚度1~3mm左右,真皮又可分为乳头层和网状层,乳头层与表皮呈犬牙交错样连接,内部含有丰富的毛细血管和毛淋巴管,还有游离神经末梢和囊状神经小体,内部含有丰富的血管、淋巴管、神经和肌肉。皮下组织(subcutaneous tissue)也含有血管、淋巴管、神经等。皮肤中有感觉神经和运动神经,通过它们与中枢神经系统联系,可产生各种感觉,支配肌活动及完成各种神经反射。皮肤的神经支配呈节段性,但相邻节段间有部分重叠。皮肤中的神经纤维分布在真皮和皮下组织中(图13)。人类对皮肤的认识还很不全面,有许多理论需要依靠实践的推动。皮肤听声现象就是首先在实践中发现的,对于它的不断完善的解释就是人体生理学理论的完善过程。

词条图片


皮肤对于电流信号的感觉能力可以解释为:人体皮肤真皮层内分布有丰富的神经末梢,这些神经末梢本来就可以接收各种刺激信号,同时也能将各种感觉信号以电流的方式传到大脑皮层的。经过我们的进一步实验发现,人体的面颊、手指头、前臂等处的皮肤都具备听声的能力。
通过皮肤听声也能解释生物进化理论:最初的简单动物没有听觉能力,以后由于逃避捕猎者的需要进化出了最初的听声器官-单通道皮肤听声。以后又由于较高级动物捕猎、逃避捕猎以及求偶过程的需求使得动物对于声音特征能够进行更为详细的分析和判断,慢慢地演化出了多通道听声-耳朵听声。不同的动物,由于耳朵的构造不同,对于声音频率的分辨范围也不同。人耳对于声音频率的接收范围大约为20~20kHz,但分辨能力会因人而异,有些人对于声音频率分辨能力差,唱歌不好听,被称为五音不全。

 

  1. 耳蜗大脑皮层的解剖学关系

多通道阵列式皮肤听声器与人耳听觉的原理基本一样。人耳对于声音频率的分辨能力产生于耳蜗,耳蜗就是高效率的多通道带通滤波器。人体耳蜗构造非常复杂,限于篇幅,这里不详细讨论人耳的构造。
虽然人耳非常复杂,但除了通向大脑皮层的听觉神经,其它功能都可以由电子技术完成,如声电转换、音频放大、带通滤波等。那末,除了听神经外还有其它通向大脑皮层的通道吗?答案是肯定的,这种通道不但有,而且非常丰富,它就是遍布于我们身体的皮肤感觉神经。如图14所示,感觉中枢负责处理由皮肤感觉神经送来的各种信号,它的面积远远大于听觉中枢的面积。由这里也可以看到,关于皮肤感觉资源的利用有着十分广阔的应用前景。

 


我们所研究的多通道阵列式皮肤听声技术就是将人体某些确定位置的皮肤感觉神经用作耳蜗的基底膜(耳蜗解剖名词),也就是利用人体皮肤识别如图8所示的“频率-能量-时域”图。事实证明,通过训练人体大脑皮层的各个分区的功能是可以互相转换的,如聋哑人熟练的手语、盲人用手识别盲文等。

  1. 高性能皮肤听声器(第二代)

第二代皮肤听声器主要使用多通道带通滤波与阵列电极技术。这种技术涉及的内容包括:确定语音频率区间,设计与制作带通滤波电路,确定通道数,确定每个通道的频率中心,制作阵列电极,确定排列方式与制作,连接麦克风与麦克风放大电路、多通道功率放大电路、多通道升压变压器,设计与制作高效率且体积小的升压变压器。实验过程可以通过导线连接实现。如图15a是第二代皮肤听声器的原理图。
于2009年11月20日申请了发明专利“多通道阵列式皮肤听声器”,2011年8月10日获得授权,专利号:ZL200910219078.1。发明专利证书见附件2。
以发明专利“多通道阵列式皮肤听声器”为技术基础,2013年10月研制成功(第二代)高性能皮肤听声器(扎臂式、12通道滤波,阵列电极、自动音量调节、拟合感觉曲线)。

高性能皮肤听声器汇集了人体解剖学、声学、数学、电子学等前沿科学技术,充分利用人体皮肤原有的感觉神经资源,在人体手臂皮肤上开辟了新的听觉通道,并与传统的助听器、电子耳蜗的使用都不冲突,没有副作用,且分辨率高,听觉效果又十分类似人耳听觉的效果,应该作为聋人首选的助听工具。

 

 

参考文献

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