專利名稱：一種獲得聲門下壓力值及計(jì)算發(fā)聲效率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于正常及病變語音的空氣動力學(xué)參量及發(fā)聲特性參量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種獲得聲門下壓力值及發(fā)聲效率的方法。
背景技術(shù)：
語音是人類進(jìn)行交流最基本、最有效、最重要的手段。在語音的產(chǎn)生過程中，聲帶是最重要的發(fā)音器官，但它同時也是最易受損傷和發(fā)生病變的部位。聲帶在發(fā)聲過程中呈現(xiàn)一種復(fù)雜的三維振動，這種三維振動模式通過語音的空氣動力學(xué)參量和發(fā)聲聲學(xué)特性參量表現(xiàn)出來，在根本上決定了語音產(chǎn)生的效率和質(zhì)量。因此，對于發(fā)聲過程中的空氣動力學(xué)參量和發(fā)聲聲學(xué)特性參量進(jìn)行研究分析，不僅對于臨床上喉病檢查、喉功能評價、發(fā)聲生理和基礎(chǔ)研究有重要意義，而且對藝術(shù)嗓音、語音聲學(xué)、語音信號處理和語言學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域都有著深遠(yuǎn)的影響。
在語音產(chǎn)生的空氣動力學(xué)參量中，聲門下壓力值由于直接控制和影響聲門阻抗、聲門腔內(nèi)氣流流量、氣流狀態(tài)、聲門上壓力、氣流分離點(diǎn)等重要參量，而成為語音產(chǎn)生過程中的一個非常重要的空氣動力學(xué)參量。另一個語音產(chǎn)生過程中的重要參數(shù)就是發(fā)聲效率，它是衡量人類發(fā)聲過程中空氣動力學(xué)能量向語音聲學(xué)能量轉(zhuǎn)化能力的重要參數(shù)。在所有有關(guān)聲帶的基礎(chǔ)研究和實(shí)際使用中，以及對病理語音信號進(jìn)行分析處理和臨床輔助診斷中，這兩個參數(shù)都是十分基礎(chǔ)而且重要的。
目前，國內(nèi)外通常采用兩類方法來獲得聲門下壓力值和估算發(fā)聲效率。一類是侵入性的，甚至是有創(chuàng)的方法來獲取聲門下壓。如采用跨聲門壓導(dǎo)管和食管氣球的方法進(jìn)行侵入性測量聲門下壓(VandenBerg，1956)，或利用脊椎麻醉針穿過氣管測量聲門下壓(Isshiki，1964)，另一類是非侵入性的，如利用呼吸氣流面罩和壓力傳感器通過測量口腔內(nèi)壓來估算發(fā)音時的聲門下壓(Ronthenberg，1973)，應(yīng)用反濾波或者無反射管測量出氣流的交直流分量，用它們的比率來估算發(fā)聲效率和聲門下壓(Isshiki，1981)，用“波流指數(shù)”法測試聲門下壓和發(fā)聲效率(Kakita，1986)。前一類方法由于是侵入性和有創(chuàng)的，給測試對象帶來許多不便，而后一類方法則是估算值，其精確性受到測量操作及計(jì)算方法的局限。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，基于申請人對語音的產(chǎn)生及其空氣動力學(xué)建模研究已取得的成果，提出一種非侵入的，利用X線斷層圖、口腔語音氣流壓力信號、圖像邊緣提取、聲帶表面形狀三維建模和三維有限元計(jì)算方法等多種技術(shù)獲得較精確聲門下壓力值及發(fā)聲效率的方法。
本發(fā)明主要面向喉病檢查、喉功能評價和發(fā)聲生理研究，同時兼顧藝術(shù)嗓音、語音聲學(xué)、語音信號處理和語言學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的需要。
為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案一種獲得聲門下壓力值及計(jì)算發(fā)聲效率的方法，其特征在于，包括下列步驟1)首先對聲帶表面三維形狀特征用一組形狀參數(shù)來定義聲帶運(yùn)動過程中處于各種狀態(tài)的形狀和參數(shù)，圖2給出了這些形狀參數(shù)的具體意義示意圖；2)利用圖像的邊緣檢測和提取技術(shù)對人體喉部的X線的橫向斷層及縱向斷層圖進(jìn)行邊緣檢測和提取，將提取出來的聲帶邊緣曲線與聲帶運(yùn)動過程中的參數(shù)進(jìn)行擬合，得到最小聲門直徑、聲門入口曲線半徑、聲門出口曲線半徑、聲門上表面角、聲門下表面角、聲門傾角、聲門長度、聲門上腔長度、聲門下腔長度和聲門厚度參數(shù)；3)將步驟2)所獲得的各項(xiàng)聲門形狀參數(shù)，用步驟1)所述的方法進(jìn)行聲帶表面三維形狀重建，由發(fā)聲對象發(fā)/a/音時測得的語音壓力信號和氣流流量值作為邊界條件，采用補(bǔ)償有限元算法進(jìn)行空氣動力學(xué)建模，即可獲得聲門下壓力值及其它空氣動力學(xué)參數(shù)值；假設(shè)氣流均質(zhì)、無重力、且其流動為定常、不可壓縮，則三維Navier-Stokes方程表達(dá)為∂vx∂t+vx∂vx∂x+vy∂vx∂y+vz∂vx∂z+1ρ∂p∂x-μρ[∂2vx∂x2+∂2vx∂y2+∂2vx∂z2]=0---(1)]]>∂vy∂t+vx∂vy∂x+vy∂vy∂y+vz∂vy∂z+1ρ∂p∂y-μρ[∂2vy∂x1+∂2vy∂y2+∂2vy∂z2]=0---(2)]]>∂vz∂t+vx∂vz∂x+vy∂vz∂y+vz∂vz∂z+1ρ∂p∂z-μρ[∂2vz∂x2+∂2vz∂y2+∂2vz∂z2]=0---(3)]]>以及∂vx∂x+∂vy∂y+∂vz∂z=0---(4)]]>其中vx，vy，vz分別為x，y和z方向的速度分量，ρ是空氣密度，p是空氣壓力，μ為空氣的分子粘度系數(shù)；在補(bǔ)償有限體積方法中，連續(xù)性方程可表達(dá)為∂vx∂x+∂vy∂y+∂vz∂z=-1λp---(5)]]>其中λ是補(bǔ)償數(shù)，當(dāng)補(bǔ)償數(shù)趨于無窮大時，滿足質(zhì)量守恒定律；有限體積方程是由Galerkin方法構(gòu)造的，速度元使用四階的形狀函數(shù)進(jìn)行內(nèi)插值計(jì)算，壓力元則采用四面體單元上定義的線性形狀函數(shù)來內(nèi)插替換計(jì)算，這種壓力內(nèi)插函數(shù)能產(chǎn)生高精度的快速收斂結(jié)果；在整個氣流域中，采用十節(jié)點(diǎn)的速度元和四節(jié)點(diǎn)的壓力元；整體有限體積方程采用直接迭代法進(jìn)行求解，每次迭代的解都用亞松馳方法校正以確保迭代的穩(wěn)定性，直到標(biāo)準(zhǔn)誤差比收斂標(biāo)準(zhǔn)小時，整體有限體積方程的迭代就完成，標(biāo)準(zhǔn)誤差定義為ei=Maxj=1,N[|ai,jn-ai,jn-1ai,maxn|]---(6)]]>其中下標(biāo)i(i＝vx，vy，vz，或者p)表示流體變量的每個分量，n是迭代級數(shù)，αi，j表示在第j個節(jié)點(diǎn)上的第i個氣流變量的節(jié)點(diǎn)值，N表示節(jié)點(diǎn)的總數(shù)；4)利用步驟3)所獲得的聲門下壓力和通過呼吸面罩獲得的口腔氣流流量和口腔語音壓力的直流分量值來計(jì)算獲得發(fā)聲效率發(fā)聲效率通過下式計(jì)算VE=PrPa=PsAmPsbU---(7)]]>其中Pr為唇端輻射的聲學(xué)信號功率；Pa為聲門下空氣動力功率；Ps為測量呼吸面罩內(nèi)麥克風(fēng)得到的聲壓信號；Am為測量呼吸面罩的內(nèi)表面面積；Psb為聲門下平均壓力；U為聲門氣流體積速度波平均值。
本發(fā)明首次提出了一種非侵入的，利用人體喉部的橫向與縱向X線斷層圖和從人體口腔面罩所獲得的語音氣流壓力信號，結(jié)合圖像的邊緣檢測和提取、聲帶的三維形狀特征值定義方法、聲帶的三維形狀重建方案和發(fā)聲的空氣動力學(xué)建模方法，來獲得聲門下壓力值、發(fā)聲效率值及其它空氣動力學(xué)參數(shù)值的方法。經(jīng)過對臨床喉病患者的檢測和計(jì)算機(jī)編程計(jì)算，不同喉病病人的聲門下壓力值、發(fā)聲效率值及其它空氣動力學(xué)參數(shù)值差異較大，經(jīng)與臨床治療效果對比，本發(fā)明所提出的方法對于單側(cè)或雙側(cè)聲帶麻痹、息肉、杓狀肌固定、厚邊、組織水腫、上皮損傷、喉癌等臨床喉病病癥的輔助診斷及治療均有廣泛的應(yīng)用前景，同時為發(fā)聲功能評價提供了有效的方法。


圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)框圖。
圖2為聲帶表面形狀特征參數(shù)定義方法。
圖3為一個10°聲門傾角條件下聲帶表面三維形狀重建的示例。
圖4為聲門角分別取-40°，-20°，-10°，-5°，0°，5°，10°，20°，40°時，9個重建的聲門形狀及其它參數(shù)。
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明人給出的實(shí)施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
具體實(shí)施例方式
采用圖1所示流程圖，用本方法獲得聲門下壓力值、發(fā)聲效率值及其它空氣動力學(xué)參數(shù)值的步驟如下1)定義聲帶表面三維形狀特征值用一組形狀參數(shù)來定義聲帶運(yùn)動過程中處于各種狀態(tài)的形狀，為聲帶形狀的三維重建打下基礎(chǔ)。
圖2給出了這些形狀參數(shù)的具體意義示意圖，這些形狀參數(shù)包括①最小聲門直徑。指聲門腔內(nèi)聲門最窄處的間距值，即圖2中Dmin所示的長度。
②聲門入口曲線半徑。指聲門入口處弧線的曲率半徑，即圖2中Rin所示的半徑。
③聲門出口曲線半徑。指聲門出口處弧線的曲率半徑，即圖2中Rout所示的半徑。
④聲門上表面角。指聲門上表面切線斜率與水平線之間的夾角，即圖2中θsup所示的角度。
⑤聲門下表面角。指聲門下表面切線斜率與水平線之間的夾角，即圖2中θsub所示的角度。
⑥聲門傾角。指聲帶兩個表面某一瞬時時刻的夾角，即圖2中T所示的長度。
⑦聲門長度。指聲帶入口曲線與出口曲線之間的直線的長度，即圖2中T所示的長度。
⑧聲門厚度。指聲帶上沿與下沿之間的長度。
⑨聲門上腔長度。指上聲道的長度，即圖2中Q1所示的長度。
⑩聲門下腔長度。指下聲道的長度，即圖2中Q2所示的長度。
2)聲帶表面三維形狀重建利用圖像的邊緣檢測和提取技術(shù)對人體喉部的X線橫向及縱向斷層圖進(jìn)行邊緣檢測和提取，將提取出來的聲帶邊緣曲線與步驟1)所述的形狀參數(shù)進(jìn)行擬合，從而重建聲帶表面的三維形狀。
重建聲帶表面三維形狀采用如下步驟即可(1)獲取研究對象喉部橫向與縱向的X線斷層圖，同時同步采集研究對象的口腔氣流流量信號和口腔語音壓力信號。
在醫(yī)生的協(xié)助下，在研究對象以胸聲區(qū)發(fā)聲方式發(fā)元音/a/時，獲取研究對象喉部橫向與縱向的X線斷層圖，一般應(yīng)分別采集至少十張斷層圖以獲得較為準(zhǔn)確的聲門形狀參數(shù)，同時利用口腔面罩同步采集研究對象的口腔氣流流量信號和口腔語音壓力信號。
(2)對獲得的一幀幀喉部橫向斷層像，利用蛇形算法(Karim，1998)檢測聲帶邊緣曲線。
(3)將采用步驟(1)所獲得的聲帶橫向表面邊緣曲線與聲門形狀參數(shù)進(jìn)行擬合，得到如下參數(shù)①最小聲門直徑；②聲門入口曲線半徑；③聲門出口曲線半徑；④聲門上表面角；⑤聲門下表面角；⑥聲門傾角；⑦聲門長度；⑧聲門上腔長度；⑨聲門下腔長度；(4)對獲得的一幀幀喉部縱向斷層像，利用蛇形算法(Karim，1998)檢測聲帶邊緣曲線。
(5)將獲得的聲帶縱向表面邊緣曲線與聲門形狀參數(shù)進(jìn)行擬合，得到聲帶的厚度參數(shù)。
(6)利用獲得的聲門形狀參數(shù)和聲帶的三維形狀特征值定義方法，對聲帶表面三維形狀進(jìn)行重建。
3)將所重建的聲帶表面三維形狀中的聲門角參數(shù)進(jìn)行變化，分別取-40°，-20°，-10°，-5°，0°，5°，10°，20°，40°，其它參數(shù)不變，得到9個重建的聲門形狀。圖4給出了這9個重建聲帶的形狀及其它參數(shù)，在研究過程中假設(shè)聲門形狀完全對稱，因此只給出了一半的形狀參數(shù)。
4)以口腔氣流流量和口腔語音壓力信號的直流分量為邊界條件，利用發(fā)聲的三維有限元建模方法，對于重建的9個聲帶表面三維形狀分別計(jì)算聲門下壓力值，及其它空氣動力學(xué)參數(shù)值。將計(jì)算所得的各參數(shù)值取平均后得到的就是希望獲得的參數(shù)值。
聲門下壓力值的計(jì)算基于三維有限元算法，其方法是由于人類發(fā)聲過程中Reynolds數(shù)較低(一般不大于2000)，因此可認(rèn)為氣流均質(zhì)、無重力、且其流動為定常、不可壓縮，則三維Navier-Stokes方程可表達(dá)為∂vx∂t+vx∂vx∂x+vy∂vx∂y+vz∂vx∂z+1ρ∂p∂x-μρ[∂2vx∂x2+∂2vx∂y2+∂2vx∂z2]=0---(1)]]>∂vy∂t+vx∂vy∂x+vy∂vy∂y+vz∂vy∂z+1ρ∂p∂y-μρ[∂2vy∂x2+∂2vy∂y2+∂2vy∂z2]=0---(2)]]>∂vz∂t+vx∂vz∂x+vy∂vz∂y+vz∂vz∂z+1ρ∂p∂z-μρ[∂2vz∂x2+∂2vz∂y2+∂2vz∂z2]=0---(3)]]>以及∂vx∂x+∂vy∂y+∂vz∂z=0---(4)]]>其中vx，vy，vz分別為x，y和z方向的速度分量，，ρ是空氣密度，p是空氣壓力，μ為空氣的分子粘度系數(shù)。
在補(bǔ)償有限體積方法中，連續(xù)性方程(4)可表達(dá)為∂vx∂x+∂vy∂y+∂vz∂z=-1λp---(5)]]>其中λ是補(bǔ)償數(shù)。當(dāng)補(bǔ)償數(shù)趨于無窮大時，滿足質(zhì)量守恒定律。
有限體積方程是由Galerkin方法構(gòu)造的。速度元使用四階的形狀函數(shù)進(jìn)行內(nèi)插值計(jì)算，壓力元則采用四面體單元上定義的線性形狀函數(shù)來內(nèi)插替換計(jì)算，這種壓力內(nèi)插函數(shù)能產(chǎn)生高精度的快速收斂結(jié)果。在整個氣流域中，我們采用了十節(jié)點(diǎn)的速度元和四節(jié)點(diǎn)的壓力元。
整體有限體積方程采用直接迭代法進(jìn)行求解。每次迭代的解都用亞松馳方法校正以確保迭代的穩(wěn)定性。直到標(biāo)準(zhǔn)誤差比收斂標(biāo)準(zhǔn)小時，整體有限體積方程的迭代就完成。標(biāo)準(zhǔn)誤差定義為ei=Maxj=1,N[|ai,jn-ai,jn-1ai,maxn|]---(6)]]>其中下標(biāo)i(i＝vx，vy，vz，或者p)表示流體變量的每個分量，n是迭代級數(shù)，αi，j表示在第j個節(jié)點(diǎn)上的第i個氣流變量的節(jié)點(diǎn)值，N表示節(jié)點(diǎn)的總數(shù)。
5)利用獲得的口腔氣流流量和口腔語音壓力信號的直流分量，和獲得的聲門下壓力值，通過下式計(jì)算發(fā)聲效率VE=PrPa=PsAmPsbU---(7)]]>其中Pr為唇端輻射的聲學(xué)信號功率；Pa為聲門下空氣動力功率；Ps為測量呼吸面罩內(nèi)麥克風(fēng)得到的聲壓信號；Am為測量呼吸面罩的內(nèi)表面面積；Psb為聲門下平均壓力；U為聲門氣流體積速度波平均值；
6)利用獲得的其它空氣動力學(xué)參數(shù)值進(jìn)行發(fā)聲聲學(xué)特性分析。
采用本方法，除了能計(jì)算出聲門下壓力值以外，還能計(jì)算出以下其它空氣動力學(xué)參數(shù)值，主要有①聲門阻抗，由跨聲門壓力與相應(yīng)的氣流流量值相比得到；②跨聲門壓力，由聲門下壓力值與聲門上壓力值相減得到；③壓力極小值，由聲門腔內(nèi)壓力分布場值得到；④速度極大值，由聲門腔內(nèi)速度分布場值得到；⑤氣流分離點(diǎn)，由聲門腔內(nèi)壓力分布場得到；⑥上聲帶表面壓力與下聲帶表面壓力比率，由聲門腔內(nèi)壓力分布場值得到；⑦壓力極低值與跨聲門壓的比率，由壓力極小值與跨聲門壓值相比得到；⑧聲門上壓與聲門下壓的比率；由聲門上壓值與聲門下壓值相比得到。
發(fā)聲的聲學(xué)特性主要包括聲強(qiáng)、基頻和聲調(diào)等參量，發(fā)聲的空氣動力學(xué)參數(shù)與發(fā)聲參量間存在著密切的、非常重要的關(guān)系。利用本發(fā)明的研究成果還可以定性分析發(fā)聲的聲學(xué)特性，主要包括①跨聲門壓的增加會使發(fā)聲強(qiáng)度增加；②跨聲門壓的增加會使發(fā)聲基頻同時增加；③跨聲門壓的增加同時會使發(fā)聲時的聲調(diào)變高，這是因?yàn)槁晭枰叩目缏曢T壓來維持同樣幅度的振動；④聲門阻抗的增加會降低發(fā)聲的聲強(qiáng)；另外對于本發(fā)明所采用的方法、技術(shù)手段和結(jié)果分析作以下說明1.本發(fā)明敘述獲得研究對象喉部的橫向與縱向斷層圖的手段時主要提出的是利用X射線斷層成像技術(shù)(CT)，但本發(fā)明的使用范圍并不局限于此，本發(fā)明對于磁共振成像(MRI)，高能聚焦超聲(HIFU)成像，正電子發(fā)射斷層成像(PET)等其它斷層成像方法也有較高的適應(yīng)性。
2.本發(fā)明敘述圖像的邊緣檢測和提取技術(shù)時提出了蛇形算法(snake)(Karim，1998)，主要是因?yàn)檫@種方法具有動態(tài)靈活、計(jì)算量小的特點(diǎn)，但對于圖像的邊緣檢測和提取并不局限于本方法，其它眾多有效的圖像邊緣檢測和提取方法也都適用于本發(fā)明。
3.本發(fā)明所述方法的結(jié)果也并不局限于獲取聲門下壓力值、發(fā)聲效率值及其它空氣動力學(xué)參數(shù)值，正如上述步驟6)所述，發(fā)聲空氣動力學(xué)參數(shù)與發(fā)聲聲學(xué)特性有密切關(guān)系，對它們之間關(guān)系的深入研究將揭示出更多的研究對象發(fā)聲特性方面的成果。
本發(fā)明不僅對于臨床喉病檢查、喉功能評價有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義，而且對發(fā)聲生理和基礎(chǔ)研究，以及藝術(shù)嗓音、語音聲學(xué)、語音信號處理和語言學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域都具有重要意義。更重要的是，它為進(jìn)一步對于喉部病理狀態(tài)下語音產(chǎn)生機(jī)理的研究、分析、建模，以及病理信號的采集、分析、分類、處理，尤其是由于聲門幾何形狀變化所引起的語音畸變研究打下了良好基礎(chǔ)，它同時對嗓音康復(fù)、語音合成、語音處理、語音識別的發(fā)展，都有著深遠(yuǎn)的影響。
以下是發(fā)明人給出的實(shí)施例，但并不局限于這些實(shí)施例。
實(shí)施例1男性正常輕聲發(fā)聲時聲門下壓力值及發(fā)聲效率獲得方法實(shí)施例的研究對象為一名25歲的青年男性，采用如下步驟得到聲門下壓力、發(fā)聲效率值及其它空氣動力學(xué)參數(shù)值1)在醫(yī)生的協(xié)助下，在研究對象以胸聲區(qū)發(fā)聲方式輕聲發(fā)元音/a/時，分別采集十張研究對象喉部橫向與縱向的X線斷層圖，同時利用口腔面罩同步采集研究對象的口腔氣流流量信號和口腔語音壓力信號，所采集到的口腔氣流流量為189.4cm3/s，口腔語音壓力為0.51Pa。
2)對獲得的喉部橫向與縱向斷層像，利用蛇形算法(Karim，1998)檢測聲帶邊緣曲線。
3)將獲得的聲帶橫向與縱向表面邊緣曲線與聲門形狀參數(shù)進(jìn)行擬合，綜合十個斷層圖像得到以下參數(shù)值①平均最小聲門直徑＝0.06cm；②聲門入口曲線半徑＝0.15cm；③聲門出口曲線半徑＝0.0987cm；④聲門上表面角＝0°；⑤聲門下表面角＝40°；⑥聲門傾角＝10°；⑦聲門長度＝0.3cm；⑧聲門上腔長度＝0.6cm；⑨聲門下腔長度＝1.5cm；⑩聲門厚度＝1.2cm。
4)利用獲得的聲門形狀參數(shù)和聲帶的三維形狀特征值定義方法，對聲帶表面三維形狀進(jìn)行重建。圖3示出了聲門角為10°時，聲帶的三維形狀重建圖。
5)將所重建的聲帶表面三維形狀中的聲門角參數(shù)進(jìn)行變化，分別取-40°，-20°，-10°，-5°，0°，5°，10°，20°，40°，其它參數(shù)不變，得到9個重建的聲門形狀。圖4示出了這9個重建聲帶的形狀及其它參數(shù)，假設(shè)聲門形狀完全對稱，因此只給出了一半的形狀參數(shù)。
6)以步驟1)獲得的口腔氣流流量(189.4cm3/s)和和聲門重建形狀為邊界條件，設(shè)模型出口壓力為零，利用權(quán)利要求1第3)步所述發(fā)聲的三維有限元建模方法，對于步驟5)重建的9個聲帶表面三維形狀分別計(jì)算聲門下壓力值，得到的9個聲門下壓力值依次為7.86，7.87，8.21，8.53，9.81，7.49，6.93，7.55，7.68cmH2O，其均值7.99cmH2O即為所求的聲門下壓力值。
7)利用步驟1)獲得的口腔氣流流量和口腔語音壓力信號，和步驟6)獲得的聲門下壓力值，利用權(quán)利要求1中的公式(7)計(jì)算發(fā)聲效率。其中，呼吸面罩內(nèi)麥克風(fēng)得到的聲壓信號為0.51Pa，氣流量為189.4cm3/s，呼吸面罩的內(nèi)表面面積為100cm3，聲門下平均壓力由步驟6)得到為7.99cmH2O，由公式可得該男性輕聲發(fā)聲時的發(fā)聲效率為3.37*10-4。
8)利用得到的聲門下壓力值和氣流壓力速度場，結(jié)合權(quán)利要求2所述的方法，計(jì)算得其它參量值。本例中①聲門阻抗值為4.22gcm-4s-1；②跨聲門壓力為7.99cmH2O；③壓力極小值為-866.08Pa；④速度極大值為7.097m/s；⑤氣流分離點(diǎn)在最小聲門直徑下游0.08cm處；⑥上聲帶表面壓力與下聲帶表面壓力比率為1(由于聲帶及其壓力分布完全對稱)；⑦壓力極低值與跨聲門壓的比率為1.08；⑧聲門上壓與聲門下壓的比率在出口壓力設(shè)為大氣壓的情況下為零。
實(shí)施例2男性正常大聲發(fā)聲時聲門下壓力值及發(fā)聲效率獲得方法采用與實(shí)施例1相同的研究對象和研究步驟，在該研究對象以胸聲區(qū)發(fā)聲方式大聲發(fā)元音/a/時，所采集到的口腔氣流流量為502.8cm3/s，口腔語音壓力為2.6Pa。又對其發(fā)聲時的X線斷層圖進(jìn)行分析，提取的參數(shù)值與輕聲發(fā)聲時相同，故聲帶的三維形狀圖相同，將聲門角參數(shù)進(jìn)行與實(shí)施例1相同的變化后計(jì)算得到9個聲門下壓力值依次為56.62，48.22，45.55，44.94，43.9，43.01，42.55，43.38，44.18cmH2O，其均值45.87cmH2O，即為所求的聲門下壓力值。采用同樣方法可計(jì)算得到該男性大聲發(fā)聲時的發(fā)聲效率為1.127*10-4。再利用得到的聲門下壓力值和氣流壓力速度場，得到其它參量值如下①聲門阻抗值為9.12gcm-4s-1；②跨聲門壓力為45.87cmH2O；③壓力極小值為-52.12cmH2O；④速度極大值為15.3m/s；⑤氣流分離點(diǎn)在最小聲門直徑下游0.10cm處；⑥上聲帶表面壓力與下聲帶表面壓力比率為1(由于聲帶及其壓力分布完全對稱)；⑦壓力極低值與跨聲門壓的比率為1.14；⑧聲門上壓與聲門下壓的比率在出口壓力設(shè)為大氣壓的情況下為零。
權(quán)利要求
1.一種獲得聲門下壓力值及計(jì)算發(fā)聲效率的方法，其特征在于，包括下列步驟1)首先對聲帶表面三維形狀特征用一組形狀參數(shù)來定義聲帶運(yùn)動過程中處于各種狀態(tài)的形狀和參數(shù)；2)利用圖像的邊緣檢測和提取技術(shù)對人體喉部的X線的橫向斷層及縱向斷層圖進(jìn)行邊緣檢測和提取，將提取出來的聲帶邊緣曲線與聲帶運(yùn)動過程中的參數(shù)進(jìn)行擬合，得到最小聲門直徑、聲門入口曲線半徑、聲門出口曲線半徑、聲門上表面角、聲門下表面角、聲門傾角、聲門長度、聲門上腔長度、聲門下腔長度和聲門厚度參數(shù)；3)將步驟2)所獲得的各項(xiàng)聲門形狀參數(shù)，用步驟1)所述的方法進(jìn)行聲帶表面三維形狀重建，由發(fā)聲對象發(fā)/a/音時測得的語音壓力信號和氣流流量值作為邊界條件，采用補(bǔ)償有限元算法進(jìn)行空氣動力學(xué)建模，即可獲得出聲門下壓力值及其它空氣動力學(xué)參數(shù)值；假設(shè)氣流均質(zhì)、無重力、且其流動為定常、不可壓縮，則三維Navier-Stokes方程表達(dá)為∂vx∂t+vx∂vx∂x+vy∂vx∂y+vz∂vx∂z+1ρ∂p∂x-μρ[∂2vx∂x2+∂2vx∂y2+∂2vx∂z2]=0...(1)]]>∂vy∂t+vx∂vy∂x+vy∂vy∂y+vz∂vy∂z+1ρ∂p∂y-μρ[∂2vy∂x2+∂2vy∂y2+∂2vy∂z2]=0...(2)]]>∂vz∂t+vx∂vz∂x+vy∂vz∂y+vz∂vz∂z+1ρ∂p∂z-μρ[∂2vz∂x2+∂2vz∂y2+∂2vz∂z2]=0...(3)]]>以及∂vx∂x+∂vy∂y+∂vz∂z=0...(4)]]>其中vx，vv，vz分別為x，y和z方向的速度分量，ρ是空氣密度，p是空氣壓力，μ為空氣的分子粘度系數(shù)；在補(bǔ)償有限體積方法中，連續(xù)性方程可表達(dá)為∂vx∂x+∂vy∂y+∂vz∂z=-1λp...(5)]]>其中λ是補(bǔ)償數(shù)，當(dāng)補(bǔ)償數(shù)趨于無窮大時，滿足質(zhì)量守恒定律；有限體積方程是由Galerkin方法構(gòu)造的，速度元使用四階的形狀函數(shù)進(jìn)行內(nèi)插值計(jì)算，壓力元則采用四面體單元上定義的線性形狀函數(shù)來內(nèi)插替換計(jì)算，這種壓力內(nèi)插函數(shù)能產(chǎn)生高精度的快速收斂結(jié)果；在整個氣流域中，采用十節(jié)點(diǎn)的速度元和四節(jié)點(diǎn)的壓力元；整體有限體積方程采用直接迭代法進(jìn)行求解，每次迭代的解都用亞松馳方法校正以確保迭代的穩(wěn)定性，直到標(biāo)準(zhǔn)誤差比收斂標(biāo)準(zhǔn)小時，整體有限體積方程的迭代就完成，標(biāo)準(zhǔn)誤差定義為ei=Maxj=1,N[|ai,jn-ai,jn-1ai,maxn|]...(6)]]>其中下標(biāo)i＝vx，vy，vz或者p，表示流體變量的每個分量，n是迭代級數(shù)，ai，j表示在第j個節(jié)點(diǎn)上的第i個氣流變量的節(jié)點(diǎn)值，N表示節(jié)點(diǎn)的總數(shù)；4)利用步驟3)所獲得的聲門下壓力和通過呼吸面罩獲得的口腔氣流流量和口腔語音壓力的直流分量值來計(jì)算獲得發(fā)聲效率發(fā)聲效率通過下式計(jì)算VE=PrPa=PsAmPsbU...(7)]]>其中Pr為唇端輻射的聲學(xué)信號功率；Pa為聲門下空氣動力功率；Ps為測量呼吸面罩內(nèi)麥克風(fēng)得到的聲壓信號；Am為測量呼吸面罩的內(nèi)表面面積；Psb為聲門下平均壓力；U為聲門氣流體積速度波平均值。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的其它空氣動力學(xué)參數(shù)值，主要有①聲門阻抗，由跨聲門壓力與相應(yīng)的氣流流量值相比得到；②跨聲門壓力，由聲門下壓力值與聲門上壓力值相減得到；③壓力極小值，由聲門腔內(nèi)壓力分布場值得到；④速度極大值，由聲門腔內(nèi)速度分布場值得到；⑤氣流分離點(diǎn)，由聲門腔內(nèi)壓力分布場得到；⑥上聲帶表面壓力與下聲帶表面壓力比率，由聲門腔內(nèi)壓力分布場值得到；⑦壓力極低值與跨聲門壓的比率，由壓力極小值與跨聲門壓值相比得到；⑧聲門上壓與聲門下壓的比率；由聲門上壓值與聲門下壓值相比得到。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于聲帶的三維形狀重建和發(fā)聲的空氣動力學(xué)建模技術(shù)的，獲得聲門下壓力值與計(jì)算發(fā)聲效率及其它空氣動力學(xué)參數(shù)值的方法。具體包括提出了一種定義聲帶三維幾何形狀特征值的方法；在此基礎(chǔ)上給出了聲帶表面三維形狀重建的方法；同時提出了一種基于三維有限元算法的發(fā)聲的空氣動力學(xué)建模方法；并進(jìn)而給出了獲得聲門下壓力值、計(jì)算發(fā)聲效率及其它空氣動力學(xué)參數(shù)值的方法。本發(fā)明的方法對于單側(cè)或雙側(cè)聲帶麻痹、息肉、杓狀肌固定、厚邊、組織水腫、上皮損傷、喉癌等臨床喉病病癥的輔助診斷及治療均有廣泛的應(yīng)用前景，同時為發(fā)聲功能評價、發(fā)聲生理和基礎(chǔ)研究，以及藝術(shù)嗓音、語音聲學(xué)、語音信號處理和語言學(xué)等學(xué)科都有重要意義。
文檔編號G06F19/00GK1875877SQ20061004280
公開日2006年12月13日 申請日期2006年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月15日
發(fā)明者李盛, 萬明習(xí), 王素品 申請人:西安交通大學(xué)