评价分析建模功能的发声发病过程

文摘

人类的声音源于喉部的声带的振动。声音发作的持续时间(VO),称为嗓音起始时间(电话投票),目前正在调查作为正确的喉功能的临床指标。不同的分析方法计算基于内窥镜成像的嗓音起始时间进行比较,以确定最可靠的方式量化自动瞬态声襞振荡在签证官。底内窥镜成像结合高速相机(8000 fps)是应用到可视化发声发病过程。签证官的两种不同定义区间进行调查。6分析功能进行了测试,近似过滤或未经过滤的声门的区域波形的包络线(衣服上的破处)在发声过程中出现。126录音从9名健康男性和210录音从15名健康女性进行评估。分析了三个标准来确定最合适的计算方法:(1)正确的适应函数近似的可靠性签证官;(2)一致性由嗓音起始时间的标准偏差;和(3)签证官的近似精度。 The results suggest the computation of VOT by a fourth-order polynomial approximation in the interval between 32.2 and 67.8% of the saturation amplitude of the filtered GAW.

1。介绍

语音是人类交流的重要组成部分,在现代已经成为越来越重要的在专业和私人生活。随着语音通信的增加,然而,语音障碍更经常遇到和金融成本增加(1]。尤其是等专业的教学,就经常会有一种过度的声音,显著增加语音障碍的患病率(2]。更好的理解发声的复杂的过程是必不可少的新的和更有效的治疗的人痛苦的声音障碍,甚至失去声音。

主要的语音信号来源于振动声带(3]。随后,这主声道的声音信号调制,产生正常的语音信号。发声是表示声音的开始出现(VO)。这是事件后声带加合物,空气开始流动从肺部通过喉头和声带震动(图发起1)[4]。因此,签证官从阻尼过渡到持续声襞振荡(5]。

有不同的方法观察声襞动力学(100 - 400赫兹在正常发声)。当前使用的可视化技术是videostroboscopy、高速videokymography (HSK)和高速videoendoscopy (HSE) [6]。Videostroboscopy是广泛应用的临床检查声襞振动和代表的黄金标准。然而,videostroboscopy不适合在病理观察不规则或非周期的振荡的声音或者签证官6]。相比之下,HSK使用更高的帧率高达8000帧/秒,因此适用于检查和记录整个发声周期振荡中的违规行为。然而,HSK显示了声带动力学在一个水平线声带(即。,one trajectory at one vocal fold position) and therefore does not reflect the entire vocal fold vibrations. In contrast, HSE enables the entire superior vocal fold dynamics to be visualized. To visualize and analyze the vocal fold oscillations from the HSE recordings, the area of the glottis is segmented for each frame [7]。通过串联声门的每一帧,声门的区域生成波形(谁啊),反映了声襞振动(8]。

此外,由于增加数字高速相机芯片的性能,可以使用灵活的鼻地介绍了内视镜,而不是常用的HSE刚性内窥镜在高帧率高达20000 fps (9]。灵活的内窥镜影响发音过程少,因为它是鼻地诱导,因此并没有限制的舌头的灵活性刚性内窥镜。只有灵活的内窥镜,声襞振荡可以直观地检查在清晰度,例如,双音节的词['妈妈]被分析在我们的研究中。

签证官作为暂态效应的短不规则声带的振动可能包含有价值的信息来评估声襞特点决定振动函数(6]。通过分析非平稳的签证官,病态的声音可以区分从健康的声音10]。发声,与年龄相关的变化,变得越来越重要的社会增加寿命,签证官(期间可衡量的6]。

在以前的研究中,基于声学分析了签证官,electroglottographic(蛋),和HSE信号(轨迹和衣服上的破处)除了发声阈值压力等气动措施(6,10- - - - - -15]。签证官的特点分析了在体内6,11,14基于物理模型[]和体外研究16)或切除人工喉(15]。

不同的措施如声门的参数开放商11,17)和声音的持续时间发作(嗓音起始时间、电话投票)源自HSE信号量化VO (10,13,17]。嗓音起始时间特别是似乎是一个有前途的措施。

HSE的信号,电话投票决定了轨迹(5,10)或衣服上的破处18),在过滤5,10)和过滤信号(18]。Kunduk et al。18安装一个多项式函数的山峰谁啊。Mergell et al。5安装一个分析包络曲线霍普夫分岔分析的基础上代表的动态系统出现振荡(从阻尼过渡到声襞持续振荡)的希尔伯特包络轨迹的功能。同时,嗓音起始时间的定义指的是完整的声门开放不同。签证官的间隔设置的定义(嗓音起始时间从5到90%_90年)[18)和(嗓音起始时间从32.2到67.8%_67年)[5,10)饱和的振幅(17]。

这些不同的方法和定义的嗓音起始时间显示没有标准化的测定或计算的发病过程。因此,很难比较不同研究的结果来确定电话投票。在各种研究签证官使用不同的分析方法,有广泛的主体和intrasubject变异性之间的内部和不同的研究(11]。变化结果的嗓音起始时间可能部分由于方法用于确定电话投票。

因此,由于HSE录音的优点结合GAW分析如上所述,我们试图调查方法可能是最健壮和可靠的方式自动定量、客观地衣服上的破处的嗓音起始时间。因此我们研究不同的现有方法来确定基于GAW嗓音起始时间。特别是我们分析功能(5)有不同数量的参数优化(,,)和多项式(18的第二个、第三,四阶。此外,我们结合不同地区的方法找到合适的潜在的最佳组合功能。此外,我们应用在过滤或过滤GAW和不同的定义指的嗓音起始时间的百分比饱和嗓音起始时间的计算是基于振幅。目标是确定潜在的最佳组合的原始数据,适应函数,计算规则嗓音起始时间找到一个健壮和可靠的过程来确定基于GAW嗓音起始时间。此外,我们旨在建议改进现有的方法。

进一步的方法论的新奇在这项研究中,我们使用HSE录音8000 fps与灵活的内窥镜签证官的分析。灵活和鼻地插入内窥镜发声或演讲生产过程影响不大;因此在分析VOs这允许关节或单词更接近正常的声音比刚刚式发音的元音。

2。方法

2.1。主题

9人(年龄15年)和女性(年龄年)参加了实验。所有的受试者以德语为母语。没有声音或听力障碍的诊断在预备考试考试。所有的科目都是训练有素的歌手和他们签署了同意书。实验符合《赫尔辛基宣言》(1964年),并经当地伦理委员会批准(批准号4364)。

2.2。测试设置

受试者听到这个词['妈妈]使用一个模型扬声器/耳机记住发音和语调的速度。受试者的['妈妈]在一个方便的响度级在75分贝左右。每个主题产生大约20['妈妈]年代,记录。同时,声襞振动记录与Photron SA1.1高速相机(hs)耦合的弹性纤维内窥镜(奥林巴斯)通过25毫米Storz目标。介绍了内窥镜鼻地(图2)。hs录音的空间分辨率为128×128像素的帧率8000 fps。270 W Storz光源是附加到灵活的内窥镜来照射在录音声带。根据视频(即。,visibility of the entire vocal folds) and the segmentation quality (see Section2.4),一些视频被排除在进一步分析。总的来说,126 9名男性受试者的录音和210的录音15个女性受试者评估。

2.3。图像处理

图像处理是改善图像质量的亮度和对比度,并允许更精确的分割的hs录音(图3)。50赫兹闪烁的光源和干扰由于分馏的光纤受损商品的质量记录。因此,图像处理的三个步骤进行。拉伸的灰度值256年整个灰度值增加亮度和降低时间变化引起的亮度光源的50 Hz闪烁。一个空间与线性响应低通滤波器应用于减少干扰模式。最后,剪裁上50%的灰度范围,其余的灰度值分布在整个灰度范围进行,再次增加黑暗声门之间的对比和周围的声带。

2.4。声门的面积波形(谁啊)

声门的区域决定通过内部分割工具“声门分析工具(手枪)”每一帧。声门的区域波形(衣服上的破处)自动生成。衣服上的破处是声门的区域像素单元(图3)。在以下的GAW图所示规范化声门的区域作为时间的函数。其中,衣服上的破处是规范化的最大峰值这个词的第一个音节的妈妈(图4)。

2.5。定义的声音出现

声音出现。就我们的目的而言,发声过程可以大致分为三个主要部分(图4)。第一个是发声开始,事件当气管气流从肺部开始通过加合物声带,开始震动。在这个过程中,声带的振动振幅增加,直到他们达到他们最大振幅和传递给一个周期振荡状态。这种周期性的状态叫做持续发声。当发声(即结束。,sustained state), the amplitudes decrease until the vocal fold oscillations stop entirely. This process is called the phonation offset. The duration of onset or offset is then consequently denoted as the phonation/voice onset time (VOT) and voice offset time. In our study, we focused only on VOT. At the very beginning of the voice onset and during the offset, the vocal folds oscillate but do not touch each other (Figure4)。

饱和振幅。被定义为平均振荡幅度在持续的从衣服上的破处获得发声。衣服上的破处的一个词的发音没有显示恒定振幅,饱和振幅被定义为最大的峰的中心移动平均线的值每个振动周期的内核大小五个山峰在第一个音节,它对应于第一个谁啊(图的40%4)。

嗓音起始时间(嗓音起始时间)。电话投票决定是基于分析功能(表1和(1))模型的最高权力下放谁啊。功能是适合所有山峰之间第一个安装点(见部分2.6)和最后一个峰中计算。我们测试了两个不同的区间,计算给定的文献中,电话投票。

嗓音起始时间_67年。嗓音起始时间_67年被定义为适应函数的时间需要达到饱和振幅的67.8%从饱和振幅的32.2% (5)(图5)。

嗓音起始时间_90年。嗓音起始时间_90年被定义为适应函数的时间需要达到饱和振幅的90%从饱和振幅的5% (18)(图5)。

2.6。过滤和未过滤的谁啊

对于每个衣服上的破处,嗓音起始时间是计算原始未经过滤的信号(18)和过滤信号根据Mergell et al。5)(图6)。

衣服上的破处是过滤使用四阶巴特沃斯带通滤波器达到基本频率从0.7到1.3倍各自的衣服上的破处。基频计算第一gaw 180 ms。男性组是87赫兹到131赫兹和女性话题组是184赫兹到243赫兹。这种滤波频带选择由于相对强劲的变化初(妈妈)这个词。带通滤波器具有以下优势:(1)低通滤波器消除高频,因此消除了谁啊。通过这种方式,每个的实际最大声门的周期可以更准确地确定。高频工件user-caused质量可能产生的变化的半自动分割,从而导致稍微不正确的声门的地区确定为每个图片。高频工件也可以减少所致的hs录音质量。可以影响商品的质量记录,例如,通过内窥镜的轻微运动或多雾的内窥镜光学所造成图像质量下降。(2)高通滤波器去除低频,因此消除了抵消,这样的适应函数(Mergell et al。5]),也自然会收敛于零(图7)变得合理。当配件未过滤的衣服上的破处,只有山峰在第一声襞接触包括(18]。对于过滤谁啊,所有的山峰出现,包括那些在第一声襞接触之前,(作为拟合点5)(图6)。

2.7。适应函数和优化方法

比较(图6分析适合功能7、表1)。他们被一个非线性最小二乘曲线拟合优化在MATLAB脚本。三个六个功能是基于解析函数(1)提出了Mergell et al。5]: 在,参数嗓音起始时间的倒数吗_67年。因此,对于功能,只是嗓音起始时间_67年而不是嗓音起始时间_90年计算。的参数的峰值振幅归一化GAW在第一发声周期(数据吗5和6)。相比之下Mergell et al。5另外,我们优化和增加自由度的收益率之间的均方根误差最小峰值振幅的振荡周期在发病和近似信封由。

判断一个优化参数的影响,三个功能,,应用不同的参数优化,下标表示的(表吗1列2)。这些优化参数是不同的在物理上合理范围内加快识别最适合显示在第三列的表1。

此外,三个多项式适应函数的第二,第三,和四阶测试: 多项式适应函数的系数进行了优化,找到最适合的衣服上的破处的信封在发声发病较低的错误。作为标准,RMSE GAW和最大值之间的拟合曲线是评价。在优化过程中,系数的变化范围并不局限于寻找全局最优的近似GAW信封。一个额外的“支点”是添加到多项式函数在一个振荡周期的距离第一个拟合点防止多项式适合功能上升ms。如果多项式函数上升女士(图8虚线),测试表明,多项式适合函数不达到5%或32.2%的饱和振幅如图8的多项式函数不支持点(虚线)和嗓音起始时间不能确定。

2.8。评估合适的功能质量

判断不同的质量分析符合功能和比较结果过滤,过滤gaw和男性和女性组,三个参数标准差的嗓音起始时间,可靠性,和均方根误差(RMSE)符合功能的调查:(1)嗓音起始时间的标准偏差(嗓音起始时间)提供信息一致性的嗓音起始时间计算。它需要一个小标准偏差能够单独的生理与病理嗓音起始时间在未来临床应用。因此,分析适合的功能可分为生理嗓音起始时间的繁殖能力在一个狭窄的时间间隔。(2)的参数可靠性的比例是衣服上的破处的嗓音起始时间是可计算的,也就是说,如果一个合适的功能在于定义的时间间隔(电话投票吗_67年:32.2 - -67.8%;嗓音起始时间_90年:5 - 90%)与饱和振幅(部分2.5)。它显示了如何可靠地嗓音起始时间可以计算每个健康的功能。此外,嗓音起始时间之间的比较_90年和电话投票_67年执行的多项式函数。(3)的近似的准确性RMSE给出了适合之间的归一化误差函数的峰值GAW每个声门的周期。RMSE表明准确合适的函数是谁啊。不同的适用性分析适应函数计算嗓音起始时间终于决定相结合的三个参数标准差结果嗓音起始时间,可靠性和RMSE。

3所示。结果与讨论

3.1。符合功能的可靠性

3.1.1。嗓音起始时间_67年

在表2列出的可靠性,分析适应函数为女性和男性组和过滤()和过滤()数据。

为年代的女性团体,所有函数有一个100%的可靠性。在多项式函数组,和显示可靠性最高,为98%。为,可靠性达到100%符合功能和。比较与,所有的适应函数显示100%的可靠性年代和年代。多项式适应函数的可靠性比较高的年代比年代。

为年代的男性群体,,,达到100%的可靠性。为,,和达到100%的可靠性。可靠性最低(97%)。比较与,是通过可靠性最高的100%,,。而显示了99%的可靠性筛选和过滤数据,和有1%更高的可靠性年代比年代,女性组相比,可靠性多项式适合功能稍高的相比之下,。

一个性别组和100%的可靠性年代和年代是通过因此,它是最健壮的适应函数。的可靠性100%为男性和女性群体的年代的100%和98%年代。显示了至少99%的可靠性。和可靠性在100%和98%之间。是最健壮的适应函数。总之,电话投票_67年,类似的高可靠性给出合适的功能除外。

3.1.2。嗓音起始时间_90年

在表3的可靠性分析功能,,列出为女性和男性组和过滤和过滤数据。一般来说,可靠性低于嗓音起始时间_67年由于嗓音起始时间的严格定义_90年。

对于女性组,显示了最高的可靠性和,94%和93%。基本上,可靠性增加与多项式的顺序。男性组,最高的可靠性和表明,有98%。再次,可靠性增加多项式的顺序。关于两个性别群体,显示了过滤和最高的可靠性筛选谁啊。

3.1.3。起始时间定义嗓音起始时间_67年与嗓音起始时间_90年

比较适合之间的可靠性函数的嗓音起始时间的两个起始时间定义_67年和电话投票_90年揭示了嗓音起始时间更好的结果_67年。然而,更高的可靠性嗓音起始时间_67年预计,因为根据定义函数达到5%的饱和振幅自然总是达到饱和振幅的32.2%(图8)。对于可靠性、最佳组合将嗓音起始时间_67年结合以外的任何合适的函数。

3.2。适应函数的一致性

3.2.1之上。嗓音起始时间_67年

在表4,意味着嗓音起始时间_67年年代及其标准差(SDs)列出。两个性别群体,米功能大大提高嗓音起始时间_67年年代和SDs比多项式函数和。嗓音起始时间_67年的年代功能基本上与优化参数的数量增加。多项式的适应函数,嗓音起始时间_67年年代与多项式程度降低(51→32 ms)。多项式与函数,SDs的嗓音起始时间_67年s是在21岁和37女士之间类似的范围(女士)。相比之下,SDs的函数在一个区间从71年到241年(女士女士)。

总的来说,最稳定的性别群体是由组合,,过滤数据≤SD≤34女士女士(21);然而,,,过滤数据显示几乎相同一致的结果≤SD≤37女士女士(28)。

3.2.2。嗓音起始时间_90年

在表5,意味着嗓音起始时间_90年年代及其标准差(SDs)列出的分析功能,,女性和男性群体和过滤和过滤数据。两个性别群体,多项式适合功能显示类似的一致性进行过滤和过滤GAW(57≤女士SD≤63 ms)。同时,绝对的嗓音起始时间值非常相似(88 ms≤嗓音起始时间_90年≤116 ms)。总的来说,最稳定的性别群体是由组合和由于标准差比越小。因此计算嗓音起始时间_90年为或收益率同样好的结果。

3.2.3。嗓音起始时间的比较_90年与嗓音起始时间_67年

由于嗓音起始时间的定义_90年和电话投票_67年,这是预期,嗓音起始时间_90年值会明显高于嗓音起始时间_67年值。然而,对于一致性,这不是显而易见的。在这里,电话投票的SD值_67年只有大约一半(≤34 ms)的嗓音起始时间吗_90年女士(≥56)。因此,从一致性的角度来看,最好的选择将是一个多项式函数筛选或过滤GAW应用电话投票_67年。

3.3。准确性:均方根误差(RMSE)

在表6,所有符合功能的rms和SDs的嗓音起始时间的实验数据的基础上_67年可以可靠地计算。计算的RMSE,所有的山峰GAW导致相应的适应函数的确定。

所有的值只有嗓音起始时间函数给出_67年。多项式的适应函数,比较嗓音起始时间的rms是相等的_90年和电话投票_67年只因为这两个定义不同的时间考虑计算时间间隔。

关于功能,最好的性别群体和过滤性能和过滤GAW提供(0.07≤RMSE≤0.08)。多项式的适应函数,和展示最佳性能(0.06≤RMSE≤0.08)。总之,为年代最低RMSE值除了很小的SDs,紧随其后(),。最高的rms的显示。

3.4。评价的应用方法

对于三种不同的标准,以下最佳组合被发现:(我)可靠性:嗓音起始时间_67年结合以外的任何合适的函数。(2)一致性:多项式适合函数过滤,过滤GAW应用电话投票_67年。(3)准确性(RMSE):为独立的嗓音起始时间的定义。结合三个标准产量的结果得出的结论是,最可靠的方法计算出嗓音起始时间是适合一个四阶多项式适合函数()过滤声门区波形(嗓音起始时间)起始时间定义_67年之间的时间(开始时间= 32.2和67.8%的饱和状态)。一个高度嗓音起始时间的重要优势_67年是高一致性(即。,small SD of onset time) compared with VOT_90年。这是非常重要的对于未来潜在的临床使用,由于生理标准组的起始时间只能从病理分化起始时间如果病理嗓音起始时间在给定的规范出现的时间间隔之外。

4所示。结论

研究计算基于GAW嗓音起始时间从['妈妈]一词来源于HSE数据得到一个灵活的内窥镜是为了确定最健壮和可靠的方法。不同的顺序多项式函数和一个霍普夫分岔函数进行近似瞬态签证官的过程,表现出增加振幅的声门的区域不同数量的参数优化。过滤和未过滤的衣服上的破处的结果比较。作为衡量方法的适用性,选择三种不同标准的组合:可靠性,也就是说,衣服上的破处的百分比的嗓音起始时间是可计算的,电话投票本身及其SD, RMSE之间的适应函数和衣服上的破处的高峰值。总之,结果表明应用四阶多项式近似拟合的嗓音起始衣服上的破处的高峰值。此外,预处理的衣服上的破处的形式带通滤波器结合电话投票_67年(32.2和67.8%的饱和振幅之间的第一个音节词['妈妈])关于可靠性和一致性是最有利的。

签证官根据GAW源自HSE分析数据得到一个灵活的内窥镜结合了不同的好处。声襞动力学基本反映实际语音信号不修改的声道声语音信号。灵活的内窥镜影响声音生产不到一个刚性内窥镜,允许连接的记录。此外,GAW反映整个声襞动力学、与轨迹,反映了声襞动力学只在一个细线。然而,由于图像质量,并不是所有的HSE结果可能包括在嗓音起始时间计算。与新一代的hs摄像头,图像质量的亮度,对比度和空间分辨率将增加9]。此外,hs录音的时间分辨率可以增加,这在某种程度上它会跟上声学语音录音。

作为视角,本文中的数据是一个贡献建立嗓音起始时间作为临床措施在临床诊断和治疗的声音障碍,尤其是功能性发声困难。结果的可靠性、健壮性和精度的不同方法测定的嗓音起始时间是适合导致这种方法的标准化。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持的德意志Forschungsgemeinschaft (DFG)(批准号D01247/4-1)。这项工作进行的(部分)实现需求获取博士学位”。r。医学杂志。哼。”

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