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基於ISTS言語信號的助聽器質控方法研究

來源 : 中國醫療設備雜誌2021第8期
update : 2021/11/17
引言
助聽器是一種用來放大聲音、補償聽力損失的有源類醫療器械。通過把原本聽不到的聲音信號加以放大,再利用聽障者的殘餘聽力,使聲音能送到大腦聽覺中樞,從而使聽障者感覺到聲音[1],主要由傳聲器、放大器、耳機、電源和音量調節裝置五部分組成。助聽器作為重要的聽力輔助醫療器械,對聽力受損患者的意義重大,直接關係到患者的身心健康[2-3]。近年來我國老齡人口規模呈上升趨勢,為了提升老年人生活品質,解決聽力受損問題,唯一的解決途徑就是助聽器[4]。因此對於助聽器性能的測試評價,是確保助聽器行業健康發展的關鍵因素。

助聽器行業發展迅速,目前主流的助聽器產品多為非線性壓縮數位式助聽器,具有言語增強、降噪等附加功能[5-7]。但是,國內現行標準對於助聽器的言語識別能力等附加功能的品質控制評價十分有限,助聽器產品上市前質控局限於產品的基本聲學性能,如最大輸出聲壓級、等效輸入雜訊級等[8-10]。助聽器的言語識別效果主要通過患者佩戴後的主觀評價獲得[11-14]。主觀評價雖然能直接回饋患者的佩戴效果,但是僅僅應用主觀評價不僅週期長、成本高,而且評價指標不穩定、難以重複,很難在實驗室評價階段實現。因此,對於助聽器言語識別的客觀評價研究迫在眉睫,本文通過搭建基於言語信號的助聽器測試平臺,研究助聽器言語識別的客觀評價方法,以期解決目前助聽器質控領域無法實現言語刺激下助聽器性能客觀評價的問題,提升助聽器實驗室測試評價的全面性和準確性。

1 基於國際語音測試信號的測試方法
歐洲聽力設備製造商聯合會設計建立了一種國際語音測試信號(International Speech Test Signal,ISTS)[15]。ISTS 基於自然語音錄音,自然語音來源於講述六國語言的21 位元女性。然後將語音分割成片段又重新組合而成。

在使用ISTS 進行助聽器特性測試時,主要測試的評價指標分別是長期平均語音訊譜增益(Long Time Averaged Speech Spectrum Gain,LTASS Gain)和百分比聲壓級增益
(Percentile Sound Pressure Level Gain,後文簡稱Percentile Gain)[16]。其中LTASS Gain 指的是以長時間平均的三分之一倍頻程結果計算的增益,而Percentile Gain 指的是基於短時間的百分比聲壓級統計結果的增益。

LTASS Gain 反映助聽器產品對言語信號的整體增益情況。考慮正常交談環境下的言語聲音強度,65 dB 聲壓級下的助聽器LTASS Gain 作為評價助聽器言語識別性能的最重要參數。在80 dB 下的LTASS Gain 可以代表比較響的語音,如大聲喧嘩;而55 dB 下的LTASS Gain 代表比較弱的語音,如低聲說話。

Percentile Gain 能夠反映言語信號內部結構的放大倍數。語音中的有些成分包含較弱的聲音,譬如語音間隔或呼吸聲。這些安靜成分可用30% 聲壓級來表示,65% 聲壓級則接近於語音中的中等大小的成分,而最大或接近峰值的成分用99% 聲壓級來表示。考慮到言語交談的現實場景,採用65% 聲壓級來代表語音中的中等大小能量的成分。

2 基於ISTS言語信號的助聽器測試系統
基於上述分析,搭建了基於ISTS 言語信號的助聽器測試系統,系統原理如圖1 所示。

圖1 測試系統原理圖

要計算前文提到的兩個關鍵參數,需要分別測量輸入信號和輸出信號,輸入和輸出信號分別來自參考麥克風和助聽器通過耦合腔輸出至測試麥克風的輸出信號。

2.1 測試系統的搭建
該測試系統包括聲學分析儀、功率放大器、模擬嘴、麥克風以及耦合腔,測試系統組成圖,見圖2。其中, 聲學分析儀是聲信號的處理和控制單元,主要負責信號接收、信號調製、校準等信號處理和輸出信號的控制等工作;功率放大器用於對聲源信號的功率放大,配合模擬嘴共同搭建了言語聲的發聲裝置;參考麥克風主要用於監控採集測試點的聲源輸入信號;測試麥克風用於採集連接耦合腔的被測助聽器接收的聲信號...完整資訊