一种基于肌电流传感器的嗓音监控分析训练装置和方法

本申请的属于智慧医疗设备领域，特别是在医疗设备领域结合信号处理和分析方法，借助传统用于心脏监控的肌电流传感器和数据控制处理模块对人体发生予以监控、分析和训练的装置。

背景技术：

1、表面肌电信号是人体肌肉在收缩时，多个运动单元兴奋时产生的生物电信号在时间和空间上的叠加。人体通过调节肌肉的兴奋度和参与收缩的运动单元数量来控制肌力，而这两者的变化都会引起表面肌电信号的变化。在人体生物学特征的诊断和治疗的仪器设备中，表面肌电信号的最为广泛的应用就是心电图的测量过程，该过程通过测量心脏跳动过程中心肌收缩产生的微小电电信号以获得心脏动态信息。肌电流的测量通常使用皮肤表面电极，它是置于皮肤表面用以记录整块肌肉的电活动，以此来获得神经传导速度、脊髓反射、肌肉不自主运动等。肌电流测量仪通过测量运动单位电位的时限、波幅，安静情况下有无自发的电活动，以及肌肉大力收缩的波型及波幅，可区别神经源性损害和肌源性损害，诊断脊髓前角急、慢性损害（如脊髓前灰质炎、运动神经元疾病），神经根及周围神经病变（例如肌电图检查可以协助确定神经损伤的部位、程度、范围和预后）。另外对神经嵌压性病变、神经炎、遗传代谢障碍神经病、各种肌肉病也有诊断价值。

2、人体在发生的过程仔细分解可以发现需要三个系统的协同工作，即，动力系统、振动系统和共鸣系统。具体各个系统在人体器官上的对应为：呼吸器官（包括肺、横膈膜和腹肌）属动力系统，喉、声带属振动系统，口腔、咽腔、和胸腔鼻腔和头腔属共鸣系统，此外，咬音、字部分配合产生言语的唇、舌、颊和齿等。而这些系统的工作都是需要肌肉带动而进行的。因此，发声的特征参量，音频、音质、音量等参数都是由于上述三个系统的状态所决定的。人体在处于生理性疾病状态下，正是由于上述系统中的某些部位产生了病变而导致声音发生改变。现有的治疗过程中，医生通过声音的辨析和对相关器官的检查以获得疾病信息，随着大数据技术的应用，也已经开始采用音频分析的方法来确定嗓音病症。此外，对于一些专业从事声乐、播音等行业的人员，其发声各个器官更是保证其嗓音完美呈现的保证，为了实现保证嗓音的专业效果，这些专业人员需要对各个发声器官进行专业的训练，在训练中通常通过听觉获得效果来调整各个器官的工作状态以达到训练目的。正是由于发声过程也是各个器官的肌肉参与收缩的过程，因此主动控制器官肌肉同样也达到对发声效果的定量化标定。而将现有的人体发声的监控、测量、训练借助其他设备测量（非声音检测）予以定量化并未有相关仪器和装置，本申请就是针对上声音检测、分析、训练的空白技术领域提出技术上创新。

技术实现思路

1、本申请的技术方案针对现有医疗领域在声音分析测量中集中在所发声音性能参数的检测局限性的基础上，另辟蹊跷的将肌电流测量技术应用于人体发声的三大系统中（动力系统、振动系统和共鸣系统），通过测量各个器官系统肌肉运动所产生的肌电流信号，并对该信号进行数据处理、分析以实现声音分辨、疾病诊断及专业声乐人员训练的目的。实现上述发明目的，本申请采用的技术方案为，一种基于肌电流传感器的嗓音监控分析训练装置，该装置包括：测量用肌电流传感器阵列及至少一个参考用肌电流传感器，测量用肌电流传感器阵列安装在人体咽喉口腔部及胸腔部，参考用肌电流传感器安装在不限于肩、臂或腿部的人体发声时肌肉不发生收缩的位置；控制及数据处理单元，该单元模块与各肌电流传感器连接以实现数据交换；设备终端，该终端与控制及数据处理单元连接并实现命令和信息传输，测量用肌电流传感器贴敷于人体咽喉口腔部、胸腔部肌肉皮肤表面，测量获取肌肉收缩中的表面肌电信号（semg）。该装置创新性的首次将肌电流传感器布局在人体发声的器官肌肉位置，从而直接获取发声过程中各个肌肉收缩的电信号，通过数据分析获得各个位置的肌肉工作参数，并利用终端实时给医疗人员或者用户显示获取信息。为了避免发声过程中的数据收到其他运动的噪声信号影响，在肌电流传感器的配置上专门设置参考用肌电流传感器，其测量数据用于对发声数据的噪声信息的取除。

2、上述控制及数据处理单元的信号处理的关键，其包括：表面肌电信号（semg）信号处理模块，该模块首先将不同位置电流传感器传送的表面肌电信号进行数据同步化，再对同步后的信号进行滤波以保留仅与嗓音发声相关的信号并对该信号进行频谱处理及计算功率密度。这里的滤波所过滤的肌电流信号包括但不限于心脏跳动、咽喉吞咽类非发声产生的肌肉收缩电信号，参考用肌电流传感器的信号用于滤波的参考。通过数据处理单元对表面肌电信号（semg）的处理，其信息更准确，数据处理和后续计算获得声音频谱功率将更精准，对后续病症部位的确定及发声部位的训练提供保证。

3、肌电流传感器与控制及数据处理单元之间的数据通讯采用有线或无线方式；并且设备终端通过有线或无线方式与控制及数据处理单元连接显示数据结果及接收外部指令。这些无线连接方式的采用，更有利于数据的实时传送和分析，为诊断和训练提供了便捷。

4、利用前述的装置，本申请还提出了对嗓音进行监控分析训练的方法，该方法包括如下步骤：

5、s1：在人体的咽喉部及胸腔部贴敷肌电流传感器构成阵列，用于测量发声时的咽喉部、胸腔部的肌肉收缩产生的点信号，在人体的肩、臂或腿部的人体发声时肌肉不发生收缩的位置贴敷参考用肌电流传感器用以提供测量过程中的参考信号；

6、s2：肌电流传感器实时获取信号数据传送至控制及数据处理单元，该模块对信号数据同步化、根据参考信号进行噪声处理、滤波处理后计算不同位置传感器信号的频谱和功率谱；这里的信号处理包括根据各肌电流传感器位置不同考虑其延时进行时域上的信号同步，信号滤波处理主要根据参考信号的特性对测量信号进行降噪并过滤低频噪声；

7、s3：根据s2步得到的不同位置肌电流传感器的数据判断该嗓音信号产生所收缩肌肉的构成，实现嗓音分析，如果分析发现该嗓音的产生占比中胸腔的振动大于咽喉口腔部，则判断该嗓音为男性发生，否则为女性产生；

8、s4：上述s2、s3步的数据处理结果通过设备终端予以呈现。

9、上述过程中，训练者可以根据步骤s4所呈现的结果，有意识的训练自己发生过程中的肌肉动作：需要声音效果更男性化时，靠胸腔部肌肉收缩发声，需要声音效果更女性化时，则咽喉口腔部肌肉收缩发声。

10、上述方法中，经过s1和s2步的数据处理和分析，各个肌电流传感器位置处的肌肉运动信息已经可以明确获悉，医疗人员通过对其数据分析也可以获得该部位是否存在病症的诊疗结果。

11、本申请的嗓音监控分析训练装置将肌电流传感器首次引入声音的分析和治疗领域，由此与数据分析和控制相结合产生了一种新的可用于声音病理诊断、专业人员声音训练的设备，同时在肌电信号数据的处理和分析上利用参考传感器的测量数据对信号数据进行了纯化保证了分析结果的正确性。

1.一种基于肌电流传感器的嗓音监控分析训练装置，其特征在于，该装置包括：测量用肌电流传感器阵列及至少一个参考用肌电流传感器，测量用肌电流传感器阵列安装在人体咽喉口腔部及胸腔部，参考用肌电流传感器安装在不限于肩、臂或腿部的人体发声时肌肉不发生收缩的位置；

2.根据权利要求1所述的基于肌电流传感器的嗓音监控分析训练装置，其特征在于，测量用肌电流传感器贴敷于人体咽喉口腔部、胸腔部肌肉皮肤表面，测量获取肌肉收缩中的表面肌电信号（semg）。

3.根据权利要求1所述的基于肌电流传感器的嗓音监控分析训练装置，其特征在于，控制及数据处理单元包括：表面肌电信号（semg）信号处理模块，该模块首先将不同位置电流传感器传送的表面肌电信号进行数据同步化，再对同步后的信号进行滤波以保留仅与嗓音发声相关的信号并对该信号进行频谱处理及计算功率密度。

4.根据权利要求1所述的基于肌电流传感器的嗓音监控分析训练装置，其特征在于，滤波所过滤的肌电流信号包括但不限于心脏跳动、咽喉吞咽类非发声产生的肌肉收缩电信号，参考用肌电流传感器的信号用于滤波的参考。

5.根据权利要求1、2或3所述的基于肌电流传感器的嗓音监控分析训练装置，其特征在于，肌电流传感器与控制及数据处理单元之间的数据通讯采用有线或无线方式。

6.根据权利要求1所述的基于肌电流传感器的嗓音监控分析训练装置，其特征在于，设备终端通过有线或无线方式与控制及数据处理单元连接显示数据结果及接收外部指令。

7.利用1-6任一权利要求所述的基于肌电流传感器的嗓音监控分析训练装置进行嗓音监控分析训练的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的嗓音监控分析训练的方法，其特征在于，训练者可以根据步骤s4所呈现的结果，有意识的训练自己发生过程中的肌肉动作：需要声音效果更男性化时，靠胸腔部肌肉收缩发声，需要声音效果更女性化时，则咽喉口腔部肌肉收缩发声。

9.根据权利要求7所述的嗓音监控分析训练的方法，其特征在于，步骤s2中的信号处理包括根据各肌电流传感器位置不同考虑其延时进行时域上的信号同步，信号滤波处理主要根据参考信号的特性对测量信号进行降噪并过滤低频噪声。