powerlab生物信號處理系統(tǒng)在音語生理研究中的應(yīng)用new

1、PowerLabPowerLab生物信號處理系統(tǒng)在音語生理研究中的應(yīng)用生物信號處理系統(tǒng)在音語生理研究中的應(yīng)用孫婷(西北民族大學(xué)中國民族語言文字信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室甘肅蘭州730030)摘要：摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和先進(jìn)儀器的出現(xiàn)，生理語音學(xué)研究正在向采用高精端設(shè)備進(jìn)行多模態(tài)研究的方向發(fā)展。本文通過PowerLab硬軟件的介紹，主要從肌電采集器、呼吸帶和腦電帽三個(gè)方面，重點(diǎn)闡述了每項(xiàng)設(shè)備的工作原理、提取的參數(shù)和在言語生理研究中的應(yīng)用。Po

2、werLab生物信號處理系統(tǒng)在語音生理研究中有著廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞:肌電，腦電，呼吸帶；生理語音學(xué)中圖法分類號：TP391H214文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A1引言引言著名的PowerLab生物信號采集處理系統(tǒng)是澳大利亞ADInstruments的核心產(chǎn)品，ADlnstruments公司是生命科學(xué)領(lǐng)域全球領(lǐng)先的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)制造商，從創(chuàng)始至今20余年來。PowerLab系統(tǒng)包括軟件和硬件兩個(gè)部分，軟件主要有t和Scope提供了實(shí)時(shí)的

3、多通道記錄儀，硬件包括各種類型的信號調(diào)節(jié)器。PowerLab系統(tǒng)具有多種可選的采樣速率和分辨率為生命科學(xué)的研究提供了功能強(qiáng)大的工具己經(jīng)成為全球使用最為廣泛的生物信號采集分析系統(tǒng)之一目前PowerLab不僅廣泛用于生命科學(xué)的各個(gè)研究領(lǐng)域，而且在心血管、神經(jīng)科學(xué)、藥理學(xué)、生物學(xué)、生物化學(xué)、心理學(xué)、言語生理等方面的也有廣闊的應(yīng)用前景。跟言語生理有關(guān)的研究包括心電，腦電、肌電、眼電、交感神經(jīng)活動(dòng)（SNA）、呼吸等方面。2儀器簡介儀器簡介Powe

4、rLab系統(tǒng)通過對生物電信號(心電、肌電、腦電等)與非生物電信號(血壓、呼吸等)進(jìn)行采集然后對采集到的信號進(jìn)行加工處理再由USB線將信號傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)上的t軟件軟件最后對采集到的生物電信號進(jìn)顯示、保存、處理、將處理結(jié)果導(dǎo)入Excel表格、定制實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)回放、在線分析、采樣過程控制及打印輸出結(jié)果等多種操作。(1)硬件部分硬件部分包括平板電極、呼吸帶傳感器、生物電信號放大器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。PowerLab主機(jī)有二通道，四通道、八通道、十六

5、通道等幾種型號用戶可根據(jù)自己的需要進(jìn)行選擇。PowerLab系統(tǒng)的每一個(gè)通道都有獨(dú)立可調(diào)的抗干擾低通濾波器且系統(tǒng)最高采樣率可以達(dá)到400kHz的連續(xù)記錄16位分辨率；特別是對神經(jīng)信號的采集提供了強(qiáng)有力的保證。硬件直接通過USB線與計(jì)算機(jī)連接方便快捷信號輸入準(zhǔn)確而穩(wěn)定。MLAWBT9EEG平板電極：MLAWBT9EEG平板電極是一套五個(gè)純錫制成的杯裝圓板，貼在發(fā)音人身體上相應(yīng)的部位，用以采集EEGEMG和ECG等生物電信號。g.tec生物

6、信號放大器：g.tec生物信號放大器是一個(gè)基本的信號調(diào)節(jié)單元，放大并調(diào)節(jié)信號以供基于MATLAB或Simulink的生物信號數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)分析。具有以下特點(diǎn)：心電，腦電、肌電、眼電信號放大（EEGEMGEOGHixon1973HixonMeadetal.1976Bakenal.1979)（1）工作原理MLT1132呼吸帶傳感器用來測量呼吸導(dǎo)致的胸腹部位的變化，不需要前置放大器。壓電晶體呼吸換能器可以把呼吸過程中胸圍收縮擴(kuò)張所引起的壓力變

7、化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，通過POWERLAB采集器進(jìn)入電腦，從而獲得隨時(shí)間變化的呼吸幅度信號。將兩條呼吸帶分別系在發(fā)音人的胸部和腹部，原則是要將呼吸帶系于呼吸時(shí)胸或腹擴(kuò)張最大處。呼吸信號曲線上升一般是吸氣過程，信號下降表示呼氣過程，無信號時(shí)是平滑直線。（2）主要參數(shù)人在朗讀或說話前呼吸均勻，氣流順暢，體內(nèi)氣壓與外界大氣壓一致的狀態(tài)，呼吸信號為零，在朗讀或說話前有一個(gè)深的吸氣過程，信號從零點(diǎn)攀升到信號峰值點(diǎn)，在朗讀或說話的過程中，隨著體內(nèi)氣流的減

8、少，氣壓的降低，信號隨之也緩慢下降，直到最谷點(diǎn)，完成第一個(gè)呼吸基元，然后重復(fù)吸氣過程準(zhǔn)備下一句話。將一次完整的呼吸過程定義為呼吸基元（BreathCell）包括吸氣單元(InspirationCell)和呼氣單元(ExpirationCell)，分別對應(yīng)一次呼吸過程中包含兩個(gè)子過程：吸氣和呼氣。呼吸信號最直接，也最基本的兩個(gè)參數(shù)是時(shí)長和幅度，時(shí)長表示一個(gè)過程持續(xù)的時(shí)間，吸氣單元時(shí)長用ID表示，呼氣單元時(shí)長用ED表示，呼吸基元的時(shí)長用BD

9、表示。幅度表示信號數(shù)值的變化大小。呼吸信號斜率代表吸氣量和呼氣量的變化速度，斜率的絕對值越大，數(shù)據(jù)變化越快，分別用IK和EK來表示，吸氣量為某吸氣單元從谷值變化到峰值的幅度差，衡量人體吸入氣流量的大小，呼氣量為某呼氣單元從峰值降到谷值的幅度差，衡量人朗讀是所耗費(fèi)的氣流量，氣流總量代表某呼吸基元整個(gè)呼吸過程的氣流總量，表1列出了詩歌的呼吸信號所用到的參數(shù)。信號的標(biāo)記和參數(shù)的提取可以使用“呼吸信號處理平臺”[5]表1呼吸基元參數(shù)表吸氣單元I

10、呼氣單元E呼吸基元B時(shí)長峰值斜率吸氣量時(shí)長谷值斜率呼氣量時(shí)長氣總量IDPIKIQEDVEKEQBDBQ計(jì)算公式如下：IQ(n)=P(n)V(n1)EQ(n)=P(n)V(n)BD(n)=ID(n)ED(n)BQ(n)=IQ(n)EQ(n)圖2呼吸信號參數(shù)圖（3）言語生理研究中的應(yīng)用呼吸信號對應(yīng)人的生理言語表達(dá)過程中吸氣和呼氣過程，屬于宏觀信號，目前主要用于漢語普通話和民族語言的詩歌、小說、散文、新聞等不同文體朗讀時(shí)的呼吸韻律特性研究[6