基于柔性傳感器的失語癥語音檢測系統(tǒng)設(shè)計

唐翊涵，王宇飛（通信作者），王冰，安曉峰

（吉林工程技術(shù)師范學(xué)院，吉林長春，130052）

0 引言

失語癥對患者日常生活有很大影響，不能進行正常交流。部分患者選擇在醫(yī)院進行康復(fù)治療，但目前我國言語康復(fù)訓(xùn)練水平不足，不知道語音信號采集是否滿足準(zhǔn)確性，更多普通家庭也不適合請專業(yè)言語康復(fù)師，目前通用的恢復(fù)方法都是訓(xùn)練師輔助訓(xùn)練[1]，以主觀聽覺感知為主的方法體系，缺乏客觀性與穩(wěn)定性，沒有起到精確作用。針對這種情況，市場上出現(xiàn)很多產(chǎn)品，檢測精確但價格高昂，小巧輕便但沒有實際用處。使用柔性傳感器，將采集到的信號轉(zhuǎn)換為語音信號，具有方便穿戴，無毒無害，實時傳輸，體積小等優(yōu)勢[2]。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計

由震動傳感器，呼吸傳感器，聲卡所構(gòu)成數(shù)據(jù)采集模塊，將傳感器貼在患者的胸部、頭部、嘴部部位上，傳感器會實時的將所獲得的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙或者無線網(wǎng)絡(luò)輸送給接收終端。由接收終端進行程序數(shù)據(jù)處理和識別，讓使用者能夠?qū)崟r的監(jiān)測結(jié)果。柔性傳感器的基底材料在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，傳感器的電阻值也隨之發(fā)生變化；借助于傳感器匹配的測量電路，將傳感器的阻值轉(zhuǎn)換成電信號；最后本設(shè)計信號采集部分，使得此電信號完成采集功能，并放大信號，傳送到電信號處理部分進行處理。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架

2 柔性傳感器技術(shù)

柔性電子應(yīng)變傳感器[3]由四部分組成，分別是基底材料、介電材料、活性材料和電極材料。柔性基底承擔(dān)能量儲存和收集的作用，介電材料是電的絕緣材料,柔性電子的介電材料常使用傳統(tǒng)的彈性材料。活性層,具有優(yōu)異的機械性能和電子特性的活性材料是決定活性層性能的關(guān)鍵，電極是柔性電子應(yīng)變傳感器中輸入和導(dǎo)出電流的兩個端極，在材料準(zhǔn)備過程中，材料的穩(wěn)定性和靈敏性會產(chǎn)生一定影響。傳輸需要易傳輸?shù)碾娦盘枺褂脗鞲衅鲗⒉杉男盘栕兂蛇m合傳輸?shù)碾娦盘枺D(zhuǎn)換電信號有四種方法，用壓阻的方法，電容的方式，又或者光學(xué)轉(zhuǎn)換和壓電轉(zhuǎn)換。傳感單元的設(shè)計要具備一定的綜合能力，考慮一個傳感器的性能指標(biāo)，主要考慮的是傳感器它的靈敏度，恢復(fù)需要時間，檢測最大范圍，響應(yīng)速度和電壓工作伏度。壓阻式傳感器，是本設(shè)計最優(yōu)選擇，它轉(zhuǎn)換電信號方法主要是，器件受到外部刺激產(chǎn)生電阻值變換，通過電阻值的改變實現(xiàn)輸出電信號，它的優(yōu)點是數(shù)據(jù)容易輸出、容易集成、結(jié)構(gòu)簡單。是目前主流研究，應(yīng)用廣泛的一種傳感器。材料的電阻如公式(1)所示：

其中：ρ是敏感材料的電阻率，L和A分別代表材料的長度和面積。當(dāng)電阻率為常數(shù)，材料電阻的變化主要由體積決定，此時應(yīng)變傳感器的靈敏度可以用應(yīng)變系數(shù)(GF)來表示，應(yīng)變系數(shù)如公式(2)所示：

其中R0為不受應(yīng)力時材料的初始電阻值，ε為受應(yīng)力時材料的形變量,傳統(tǒng)的活性材料，制備成本較低，但拉伸性和穩(wěn)定性有局限性，最大的拉伸形變一般只能達(dá)到5%，因此，基于幾何體變化的應(yīng)變傳感系數(shù)GF約等于2,其中需要注意的是：石墨烯、碳納米管的電阻變化主要是由其能帶帶隙變化所導(dǎo)致的。為了實現(xiàn)與不規(guī)則的皮膚均勻接觸的電子器件，使用柔性和機械順從陣列單元是一種最為有效的途徑。聚二甲基硅氧烷可以作為柔性電子傳感器常用材料主要是因為其耐腐蝕性強，在廣泛的使用溫度范圍內(nèi)具有很好的透明性和穩(wěn)定性，可用于大面積透明柔性電子器件或者熱穩(wěn)定性器件的基底材料；聚酰亞胺同樣是具有出色的穩(wěn)定性、絕緣性和機械性質(zhì)，且其耐溫性能比較好，可以適應(yīng)較大范圍內(nèi)的溫度變化，同時還具有很好的抗腐蝕性。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

錄音使用的采集設(shè)備是AD Instruments公司，生產(chǎn)的PowerLab PL3516 16通道高速記錄儀，使用自帶軟件Chart5同步采錄4個通道的信號：第1通道為通過麥克風(fēng)和調(diào)音臺采集的語音信號，第2通道為通過電子聲門儀（EGG）采 集的嗓音信號，第3通道為通過呼吸帶傳感器采集的胸呼吸信號，第4通道為腹呼吸信號。采樣頻率均為40kHz。錄音使用的話筒是Sony ECM－44B，調(diào) 音 臺是Behringer XENYX502。使用KA6103完成電子聲門儀的功能。AD instrument MLT1132是胸部腹部完成兩根呼吸帶功能的主要部件。采用單項微振動傳感器MVS1006.01測量喉部，胸腔的振動。語音、嗓音、胸呼吸、腹呼吸，振動5路信號進行同步分析，提取語音、嗓音和呼吸3類參數(shù)。通過程序計算出發(fā)出語音的重置幅度、時長、斜率、面積等參數(shù)。將數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)語音數(shù)據(jù)庫進行比對。為便于收集各類傳感器數(shù)據(jù)，通過傳感器技術(shù)收集患者所發(fā)出的信號，包括語音信息，呼吸頻率信息，肌肉形變信息等。通過RFID技術(shù)與通信技術(shù)將所收集到的信號發(fā)送到終端。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，包括人機交互界面與labVIEW平臺使用戶可以與機器進行溝通。應(yīng)用labVIEW開發(fā)一個平臺。利用快速VI進行濾波和頻譜分析等信號處理，平臺可安裝家用計算機上，可以通過藍(lán)牙和無線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)接受，程序計算，結(jié)果對比等。平臺還可以提供友好的人機交互界面，可供用戶配置修改采樣頻率，并可通過選擇菜單項的方式標(biāo)記當(dāng)前的數(shù)據(jù)，方便進行樣本標(biāo)注。流程圖如圖2所示。

圖2 流程圖

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軟件UHFREADER是對讀寫器的調(diào)控軟件，通過此軟件可以通過串口連接讀寫器并對讀寫器經(jīng)行參數(shù)調(diào)整，它可以控制讀寫器的基本參數(shù)有讀寫的頻點或者頻段、讀寫器功率、讀寫時間間隔和讀寫地址等，這里的控制參數(shù)是實驗的進行依據(jù)。UHFREADER具有直接讀取RFID標(biāo)簽和多標(biāo)簽讀取的功能，此功能為語音檢測儀的精確感知搭建了良好的基礎(chǔ)。

本設(shè)計由四部分組成，系統(tǒng)重置模塊、狀態(tài)更新模塊、語音識別模塊、藍(lán)牙模塊。系統(tǒng)重置模塊主要用于對系統(tǒng)程序、外部端口、傳感器功能等完成重置的配置，狀態(tài)更新模塊主要用于由柔性傳感器及標(biāo)簽的移動形變判斷人體佩戴狀態(tài)。藍(lán)牙控制無線通信模塊發(fā)送遠(yuǎn)程語音信息至電腦等移動端，在系統(tǒng)初始化之后, PowerLab PL3516采用USB3.1串行口，采樣數(shù)據(jù)不斷地寫入磁盤（聚合），串行口與PC端指令自動保存磁盤中數(shù)據(jù)，用戶讀入數(shù)據(jù)操作時，藍(lán)牙自動將所有數(shù)據(jù)傳送到計算機中，如圖3所示，采集卡利用PowerLab PL3516完成數(shù)據(jù)的讀取。

圖3 系統(tǒng)程序設(shè)計

5 系統(tǒng)測試

數(shù)據(jù)采集模塊通過硬件和軟件兩個部分的實現(xiàn)。硬件部分包括過話筒（傳聲器）和聲卡，直接面向聲音信號的原始形式，即電流或聲波。軟件部分主要負(fù)責(zé)采樣參數(shù)的調(diào)整。分析模塊主要基于labVIEW的分析平臺對聲卡轉(zhuǎn)換所得到的數(shù)字信號進行各種運算，從而得到分析的結(jié)果。在這里，分析模塊實際上就是計算這些參數(shù)的一系列的數(shù)學(xué)算法。它形象地將傳統(tǒng)儀器的控制面板運用在電腦屏幕上，使得顯示結(jié)果既可以是波形輸出也可以是數(shù)碼形式，清晰地顯示出原始信號，濾波信號，加窗后的信號以及信號的功率譜等波形，如圖4所示。患者音頻原聲信號經(jīng)過麥克風(fēng)錄入，使用聲卡采集，完成采集測試，經(jīng)大量測試測量，取平均數(shù)值仍有80%的相似度，能夠顯示證明，語音信號基本匹配。由此可見，本系統(tǒng)可以完成，語音信號的精準(zhǔn)匹配識別。

圖4 語音識別檢測

6 結(jié)束語

本設(shè)計使用計算機的聲卡，對聲卡采集范圍中，設(shè)計規(guī)定頻率范圍內(nèi)的，音頻原聲信號進行采集，利用RFID監(jiān)控技術(shù)，進行患者語音信號的進行識別，使用LabVIEW軟件編程，構(gòu)造出易于操作的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，本系統(tǒng)可以完成采集聲卡設(shè)計頻率范圍內(nèi)的信號，可以實現(xiàn)基本的測量功能，頻譜分析方面也能完成一定功能。與市場上的傳統(tǒng)康復(fù)手段相比，可有效的避免在康復(fù)訓(xùn)練時語音信號的準(zhǔn)確性問題。