基于颈带肌电信号的电子人工喉的控制研究

发布时间：2017-04-10 16:14

  本文关键词：基于颈带肌电信号的电子人工喉的控制研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：电子人工喉凭借其易学易掌握、无需发音重建手术等优点,在现有的语音代偿类工具中得到了广泛应用。据统计,我国约有137万患者,由于喉癌、喉外伤等原因造成发声功能丧失,并且喉癌患者的新增数量逐年提高,故对电子人工喉的需求量越来越大、性能要求也越来越高。目前电子人工喉存在以下几项缺点:电子喉发出的声音频率单一;缺乏自然的音调变化,且需要手动控制。近些年来,基于生物电信号的人机接口技术不断改进与快速发展,使得将与发声有关的肌肉(颈带肌)肌电信号应用于电子人工喉的参数调控成为可能。这样做的目的,一方面在于使用者可因此减少采用手动方式来调节声音大小、音调高低,使电子人工喉发出的声音更为自然,接近人声;另一方面为具有便携性的可穿戴电子喉设备提供了一种方法。因此,肌电信号对电子人工喉振动控制机理的研究有着非常广泛的实用价值。本文首先对现有人工喉的控制方法进行介绍,对现有人工喉优缺点进行对比,阐述了国内外电子人工喉的肌电控制方法发展近况。目前,电子人工喉的主要缺点是对电子喉发声时间、声强、声调三方面的调控不够精确。而发声时间、声强、声调三方面的控制分别对应电子人工喉开关、PWM占空比和PWM频率的实时控制。为实现对电子喉开关、PWM占空比和PWM频率三者的准确调控,主要进行了以下的研究工作:分析了表面肌电信号的产生原理,对电子喉语音信号的数学模型进行了研究,并对肌电信号检测方法、时域分析和频域分析方法进行了深入研究,为肌电特征分析和肌电式-电子喉实验平台中肌电信号调理电路的设计做准备;通过语音信号的基本特征分析,对基频的估算进行改进优化。搭建了肌电式-电子喉的信号检测系统,为分析建立sEMG调控模型以及应用试验提供基础。该系统硬件主要包括肌电信号放大与滤波电路、语音信号采集与放大电路、电子喉控制电路、信号采集卡。该系统上位机软件是基于LabVIEW平台设计实现,其主要功能是对整个采集系统进行操作控制,实现多通道sEMG的接收、处理、保存以及实时显示和语音信号的保存。最后,通过进行多组实验,找出sEMG与电子人工喉开关、PWM占空比和PWM频率的关系,并将三者调控模型在肌电式-电子喉实验平台上进行应用测试。试验结果,验证了肌电对电子喉语音发声时间、声强、声调控制的实时性和有效性。
【关键词】：EMG 人工喉 声强 基频
【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R318.1;TN912.3
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-15
• 1.1 课题研究背景和意义9-10
• 1.2 肌电信号控制电子喉的研究进展10-12
• 1.2.1 几种常见人工喉的控制源10-11
• 1.2.2 国内外肌电-电子喉研究现状11
• 1.2.3 肌电控制电子喉方式11-12
• 1.3 课题研究目的及内容12-13
• 1.4 小结13-15
• 第二章 颈部肌电信号检测分析技术15-25
• 2.1 肌电信号产生的生理学分析15-18
• 2.2 肌电信号的特征描述18-21
• 2.2.1 肌电信号的特点18
• 2.2.2 肌电信号数学模型18-21
• 2.3 肌电信号检测分析方法21-24
• 2.3.1 肌电信号检测分析系统的研究21-22
• 2.3.2 肌电信号特征分析方法22-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第三章 电子人工喉的语音信号分析与研究方法25-41
• 3.1 语音信号的特性与数学模型25-28
• 3.1.1 语言信号特性25-26
• 3.1.2 语音信号的数字模型26-28
• 3.2 语音信号特征的基本处理28-36
• 3.2.1 分帧和窗函数28-30
• 3.2.2 语音信号的基本特征分析30-36
• 3.3 基于三电平削波的基音周期估算方法改进与实现36-39
• 3.4 小结39-41
• 第四章 肌电式-电子喉的信号检测分析系统41-51
• 4.1 肌电式-电子喉的信号采集分析系统41-43
• 4.2 肌电式-电子喉信号采集系统的硬件设计43-45
• 4.3 肌电式-电子喉信号采集系统的软件设计45-47
• 4.4 采集系统的创新与测试效果47-49
• 4.4.1 系统创新47-48
• 4.4.2 系统评测与结论48-49
• 4.5 小结49-51
• 第五章 电子人工喉发声时的肌电实验及其分析51-63
• 5.1 实验设计及内容51-53
• 5.1.1 实验简介51-53
• 5.1.2 sEMG信号采集实验注意事项53
• 5.2 实验结果和讨论53-62
• 5.2.1 sEMG信号与电子喉发声起止时间的关系53-57
• 5.2.2 sEMG信号与电子喉发声强度的关系57-60
• 5.2.3 sEMG信号与电子喉发声基频的关系60-62
• 5.3 小结62-63
• 第六章 结论63-65
• 6.1 总结63
• 6.2 工作展望63-65
• 参考文献65-69
• 致谢69-71
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果71

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