基于柔性傳感器的失語癥語音檢測系統設計

唐翊涵，王宇飛（通信作者），王冰，安曉峰

（吉林工程技術師范學院，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。部分患者選擇在醫院進行康復治療，但目前我國言語康復訓練水平不足，不知道語音信號采集是否滿足準確性，更多普通家庭也不適合請專業言語康復師，目前通用的恢復方法都是訓練師輔助訓練[1]，以主觀聽覺感知為主的方法體系，缺乏客觀性與穩定性，沒有起到精確作用。針對這種情況，市場上出現很多產品，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，體積小等優勢[2]。

1 系統功能設計

由震動傳感器，呼吸傳感器，聲卡所構成數據采集模塊，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據通過藍牙或者無線網絡輸送給接收終端。由接收終端進行程序數據處理和識別，讓使用者能夠實時的監測結果。柔性傳感器的基底材料在外力作用下產生彈性變形，傳感器的電阻值也隨之發生變化；借助于傳感器匹配的測量電路，將傳感器的阻值轉換成電信號；最后本設計信號采集部分，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。系統整體框架如圖1所示。

圖1 系統整體框架

2 柔性傳感器技術

柔性電子應變傳感器[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的彈性材料。活性層,具有優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鍵，電極是柔性電子應變傳感器中輸入和導出電流的兩個端極，在材料準備過程中，材料的穩定性和靈敏性會產生一定影響。傳輸需要易傳輸的電信號，使用傳感器將采集的信號變成適合傳輸的電信號，轉換電信號有四種方法，用壓阻的方法，電容的方式，又或者光學轉換和壓電轉換。傳感單元的設計要具備一定的綜合能力，考慮一個傳感器的性能指標，主要考慮的是傳感器它的靈敏度，恢復需要時間，檢測最大范圍，響應速度和電壓工作伏度。壓阻式傳感器，是本設計最優選擇，它轉換電信號方法主要是，器件受到外部刺激產生電阻值變換，通過電阻值的改變實現輸出電信號，它的優點是數據容易輸出、容易集成、結構簡單。是目前主流研究，應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。當電阻率為常數，材料電阻的變化主要由體積決定，此時應變傳感器的靈敏度可以用應變系數(GF)來表示，應變系數如公式(2)所示：

其中R0為不受應力時材料的初始電阻值，ε為受應力時材料的形變量,傳統的活性材料，制備成本較低，但拉伸性和穩定性有局限性，最大的拉伸形變一般只能達到5%，因此，基于幾何體變化的應變傳感系數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致的。為了實現與不規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具有很好的透明性和穩定性，可用于大面積透明柔性電子器件或者熱穩定性器件的基底材料；聚酰亞胺同樣是具有出色的穩定性、絕緣性和機械性質，且其耐溫性能比較好，可以適應較大范圍內的溫度變化，同時還具有很好的抗腐蝕性。

3 硬件系統設計

錄音使用的采集設備是AD Instruments公司，生產的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通道為通過麥克風和調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 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。通過程序計算出發出語音的重置幅度、時長、斜率、面積等參數。將數據與標準語音數據庫進行比對。為便于收集各類傳感器數據，通過傳感器技術收集患者所發出的信號，包括語音信息，呼吸頻率信息，肌肉形變信息等。通過RFID技術與通信技術將所收集到的信號發送到終端。數據采集系統中，包括人機交互界面與labVIEW平臺使用戶可以與機器進行溝通。應用labVIEW開發一個平臺。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，可以通過藍牙和無線網絡進行數據接受，程序計算，結果對比等。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記當前的數據，方便進行樣本標注。流程圖如圖2所示。

圖2 流程圖

4 系統的軟件設計

軟件UHFREADER是對讀寫器的調控軟件，通過此軟件可以通過串口連接讀寫器并對讀寫器經行參數調整，它可以控制讀寫器的基本參數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，這里的控制參數是實驗的進行依據。UHFREADER具有直接讀取RFID標簽和多標簽讀取的功能，此功能為語音檢測儀的精確感知搭建了良好的基礎。

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

圖3 系統程序設計

5 系統測試

數據采集模塊通過硬件和軟件兩個部分的實現。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。軟件部分主要負責采樣參數的調整。分析模塊主要基于labVIEW的分析平臺對聲卡轉換所得到的數字信號進行各種運算，從而得到分析的結果。在這里，分析模塊實際上就是計算這些參數的一系列的數學算法。它形象地將傳統儀器的控制面板運用在電腦屏幕上，使得顯示結果既可以是波形輸出也可以是數碼形式，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過麥克風錄入，使用聲卡采集，完成采集測試，經大量測試測量，取平均數值仍有80%的相似度，能夠顯示證明，語音信號基本匹配。由此可見，本系統可以完成，語音信號的精準匹配識別。

圖4 語音識別檢測

6 結束語

本設計使用計算機的聲卡，對聲卡采集范圍中，設計規定頻率范圍內的，音頻原聲信號進行采集，利用RFID監控技術，進行患者語音信號的進行識別，使用LabVIEW軟件編程，構造出易于操作的數據采集系統，本系統可以完成采集聲卡設計頻率范圍內的信號，可以實現基本的測量功能，頻譜分析方面也能完成一定功能。與市場上的傳統康復手段相比，可有效的避免在康復訓練時語音信號的準確性問題。