Download audiolog_2003 - Departamento de Teoría de la Señal

Procesamiento y compresión
de señales de audio
Curso de Doctorado del programa:
Tecnologías Multimedia
ATV 2003 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR
1
1.- Producción de voz y audición:
• Modelos de producción de voz
– Victoria Sánchez Calle (1 h.)
• Anatomía y fisiología de la audición
– Ángel de la Torre Vega (2 h.)
• Implantes cocleares
– Ángel de la Torre Vega (3 h.)
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Audición
• Papel esencial en:
– 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?
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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
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4
Papel de los órganos
• Oídos externo y medio:
– 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
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cadena de huesecillos
nervio auditivo
cóclea
ventana
redonda
tímpano
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ventana oval
6
Transducción auditiva
cóclea
cóclea desenrollada
v. oval
estribo
Memb. de
Reissner
Cel.ciliadas
pared
coclear
vibración
v. redonda
perilinfa
nervio
auditivo
Memb. basilar
Impulsos eléctricos
Potenciales de acción
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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-)
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• 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)
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Audiología
• 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
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El laberinto
• Laberinto:
– Vestíbulo
– Cóclea
– Conductos semicirculares
• Laberinto:
– Laberinto óseo
– Laberinto membranoso
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Laberinto óseo y cóclea
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Laberinto óseo anterior (cóclea)
1-2 mm
5-6 mm
• Hueso compacto
• Formado en el 5º mes de vida embrionaria
• Tubo cónico, enrollado sobre cono que describe 2
vueltas y media
32-35 mm
9 mm
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Sección de la cóclea
Sección de la lámina
espiral ósea
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Columela o modiolo
Lámina de los contornos
Canal de Rosenthal
Lámina espiral ósea
Habénula perforata
Orificios salida nervio auditivo
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1.
2.
3.
Canal de Rosenthal
Canal aferente de la
lámina espiral
Habénula perforata
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Laberinto membranoso (rampas cocleares)
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El órgano de Corti
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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
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Células ciliadas
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
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Núcleo
Mitocondrias
Estereocilios
Placa basal de los estereoc.
Cuerpo de Hensen
Microvellosidades C. Soporte
Placa basal kinocilio vestigial
Fibras nerviosas afer. efer.
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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
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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
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Oído externo
• Pabellón auditivo:
– 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
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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
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... Oído medio
• Trompa de Eustaquio:
– 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
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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
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...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
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Onda viajera en membrana Basilar
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Punto de máxima estimulación
6 kHz
5 kHz
8 kHz
4 kHz
10 kHz
350 Hz
3200 Hz
250 Hz
600 Hz
12 kHz
800 Hz
20 Hz
200 Hz
80 Hz 150 Hz
2000 Hz
1000 Hz
15 kHz
2500 Hz
1400 Hz
20 kHz
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Respuesta en frecuencia de 6
puntos de la cóclea
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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
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Capacidad de sincronización
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Excitación de las células ciliadas
(mecanismo pasivo)
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1.
2.
3.
4.
5.
6.
Modiolo o columela
M. Tectoria
M. Basal
Lámina reticular
C.C. Interna
C.C. Externa
A.
B-
Reposo
Excitación
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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
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Curvas de sintonización
A.
BC-
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Fibras aferentes
C.C. Internas
Membrana basilar
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Curvas de
sintonización
Efecto de daño en
las células ciliadas
externas
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Vías auditivas
• Nervio coclear:
– 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
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Vías auditivas
•
Homolateral para frecuencias bajas
•
Contralateral para frecuencias altas
Corteza cerebral
Cuerpo geniculado medio
Colículo inferior
Núcleos cocleares
Función:
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•
Inhibición sonidos estacionarios
•
Disparo sonidos nuevos
•
Audición binaural
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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
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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
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Patologías de la audición
• Origen
• Hipoacusias
–
–
–
–
–
Transmisión
Neurosensoriales
Mixtas
Retrococleares
(Presbicusias)
• Acúfenos
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– Trauma acústico
– Ototóxicos:
• Antibióticos
• Drogas estimulantes
– Malformaciones
– Síndromes
– Infecciones (otitis,
otitis laberintizadas,
infecciones víricas)
– Anoxia perinatal
– Traumatismo
craneoencefálico
– Meningitis....
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Tipos de pérdida auditiva
• Nivel de pérdida:
–
–
–
–
Leve
Moderada
Severa
Profunda
20 – 40 dB
40 – 70 dB
70 – 90 dB
> 90 dB
• En relación al nivel de lenguaje:
– Prelocutiva / perilocutiva / postlocutiva
• En relación al momento de adquisición:
– Prenatal (genética/adquirida) / perinatal / postnatal
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Exploraciones audiológicas
• Infantil:
– Otoemisiones acústicas (OAE): screening
– Audiometría conductual
– Potenciales evocados auditivos (EABR)
• Adultos:
– Audiometría tonal
– Audiometría verbal
– EABR
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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)
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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
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