基于柔性传感器的失语症语音检测系统设计

唐翊涵，王宇飞（通信作者），王冰，安晓峰

（吉林工程技术师范学院，吉林长春，130052）

0 引言

失语症对患者日常生活有很大影响，不能进行正常交流。部分患者选择在医院进行康复治疗，但目前我国言语康复训练水平不足，不知道语音信号采集是否满足准确性，更多普通家庭也不适合请专业言语康复师，目前通用的恢复方法都是训练师辅助训练[1]，以主观听觉感知为主的方法体系，缺乏客观性与稳定性，没有起到精确作用。针对这种情况，市场上出现很多产品，检测精确但价格高昂，小巧轻便但没有实际用处。使用柔性传感器，将采集到的信号转换为语音信号，具有方便穿戴，无毒无害，实时传输，体积小等优势[2]。

1 系统功能设计

由震动传感器，呼吸传感器，声卡所构成数据采集模块，将传感器贴在患者的胸部、头部、嘴部部位上，传感器会实时的将所获得的数据通过蓝牙或者无线网络输送给接收终端。由接收终端进行程序数据处理和识别，让使用者能够实时的监测结果。柔性传感器的基底材料在外力作用下产生弹性变形，传感器的电阻值也随之发生变化；借助于传感器匹配的测量电路，将传感器的阻值转换成电信号；最后本设计信号采集部分，使得此电信号完成采集功能，并放大信号，传送到电信号处理部分进行处理。系统整体框架如图1所示。

图1 系统整体框架

2 柔性传感器技术

柔性电子应变传感器[3]由四部分组成，分别是基底材料、介电材料、活性材料和电极材料。柔性基底承担能量储存和收集的作用，介电材料是电的绝缘材料,柔性电子的介电材料常使用传统的弹性材料。活性层,具有优异的机械性能和电子特性的活性材料是决定活性层性能的关键，电极是柔性电子应变传感器中输入和导出电流的两个端极，在材料准备过程中，材料的稳定性和灵敏性会产生一定影响。传输需要易传输的电信号，使用传感器将采集的信号变成适合传输的电信号，转换电信号有四种方法，用压阻的方法，电容的方式，又或者光学转换和压电转换。传感单元的设计要具备一定的综合能力，考虑一个传感器的性能指标，主要考虑的是传感器它的灵敏度，恢复需要时间，检测最大范围，响应速度和电压工作伏度。压阻式传感器，是本设计最优选择，它转换电信号方法主要是，器件受到外部刺激产生电阻值变换，通过电阻值的改变实现输出电信号，它的优点是数据容易输出、容易集成、结构简单。是目前主流研究，应用广泛的一种传感器。材料的电阻如公式(1)所示：

其中：ρ是敏感材料的电阻率，L和A分别代表材料的长度和面积。当电阻率为常数，材料电阻的变化主要由体积决定，此时应变传感器的灵敏度可以用应变系数(GF)来表示，应变系数如公式(2)所示：

其中R0为不受应力时材料的初始电阻值，ε为受应力时材料的形变量,传统的活性材料，制备成本较低，但拉伸性和稳定性有局限性，最大的拉伸形变一般只能达到5%，因此，基于几何体变化的应变传感系数GF约等于2,其中需要注意的是：石墨烯、碳纳米管的电阻变化主要是由其能带带隙变化所导致的。为了实现与不规则的皮肤均匀接触的电子器件，使用柔性和机械顺从阵列单元是一种最为有效的途径。聚二甲基硅氧烷可以作为柔性电子传感器常用材料主要是因为其耐腐蚀性强，在广泛的使用温度范围内具有很好的透明性和稳定性，可用于大面积透明柔性电子器件或者热稳定性器件的基底材料；聚酰亚胺同样是具有出色的稳定性、绝缘性和机械性质，且其耐温性能比较好，可以适应较大范围内的温度变化，同时还具有很好的抗腐蚀性。

3 硬件系统设计

录音使用的采集设备是AD Instruments公司，生产的PowerLab PL3516 16通道高速记录仪，使用自带软件Chart5同步采录4个通道的信号：第1通道为通过麦克风和调音台采集的语音信号，第2通道为通过电子声门仪（EGG）采 集的嗓音信号，第3通道为通过呼吸带传感器采集的胸呼吸信号，第4通道为腹呼吸信号。采样频率均为40kHz。录音使用的话筒是Sony ECM－44B，调 音 台是Behringer XENYX502。使用KA6103完成电子声门仪的功能。AD instrument MLT1132是胸部腹部完成两根呼吸带功能的主要部件。采用单项微振动传感器MVS1006.01测量喉部，胸腔的振动。语音、嗓音、胸呼吸、腹呼吸，振动5路信号进行同步分析，提取语音、嗓音和呼吸3类参数。通过程序计算出发出语音的重置幅度、时长、斜率、面积等参数。将数据与标准语音数据库进行比对。为便于收集各类传感器数据，通过传感器技术收集患者所发出的信号，包括语音信息，呼吸频率信息，肌肉形变信息等。通过RFID技术与通信技术将所收集到的信号发送到终端。数据采集系统中，包括人机交互界面与labVIEW平台使用户可以与机器进行沟通。应用labVIEW开发一个平台。利用快速VI进行滤波和频谱分析等信号处理，平台可安装家用计算机上，可以通过蓝牙和无线网络进行数据接受，程序计算，结果对比等。平台还可以提供友好的人机交互界面，可供用户配置修改采样频率，并可通过选择菜单项的方式标记当前的数据，方便进行样本标注。流程图如图2所示。

图2 流程图

4 系统的软件设计

软件UHFREADER是对读写器的调控软件，通过此软件可以通过串口连接读写器并对读写器经行参数调整，它可以控制读写器的基本参数有读写的频点或者频段、读写器功率、读写时间间隔和读写地址等，这里的控制参数是实验的进行依据。UHFREADER具有直接读取RFID标签和多标签读取的功能，此功能为语音检测仪的精确感知搭建了良好的基础。

本设计由四部分组成，系统重置模块、状态更新模块、语音识别模块、蓝牙模块。系统重置模块主要用于对系统程序、外部端口、传感器功能等完成重置的配置，状态更新模块主要用于由柔性传感器及标签的移动形变判断人体佩戴状态。蓝牙控制无线通信模块发送远程语音信息至电脑等移动端，在系统初始化之后, PowerLab PL3516采用USB3.1串行口，采样数据不断地写入磁盘（聚合），串行口与PC端指令自动保存磁盘中数据，用户读入数据操作时，蓝牙自动将所有数据传送到计算机中，如图3所示，采集卡利用PowerLab PL3516完成数据的读取。

图3 系统程序设计

5 系统测试

数据采集模块通过硬件和软件两个部分的实现。硬件部分包括过话筒（传声器）和声卡，直接面向声音信号的原始形式，即电流或声波。软件部分主要负责采样参数的调整。分析模块主要基于labVIEW的分析平台对声卡转换所得到的数字信号进行各种运算，从而得到分析的结果。在这里，分析模块实际上就是计算这些参数的一系列的数学算法。它形象地将传统仪器的控制面板运用在电脑屏幕上，使得显示结果既可以是波形输出也可以是数码形式，清晰地显示出原始信号，滤波信号，加窗后的信号以及信号的功率谱等波形，如图4所示。患者音频原声信号经过麦克风录入，使用声卡采集，完成采集测试，经大量测试测量，取平均数值仍有80%的相似度，能够显示证明，语音信号基本匹配。由此可见，本系统可以完成，语音信号的精准匹配识别。

图4 语音识别检测

6 结束语

本设计使用计算机的声卡，对声卡采集范围中，设计规定频率范围内的，音频原声信号进行采集，利用RFID监控技术，进行患者语音信号的进行识别，使用LabVIEW软件编程，构造出易于操作的数据采集系统，本系统可以完成采集声卡设计频率范围内的信号，可以实现基本的测量功能，频谱分析方面也能完成一定功能。与市场上的传统康复手段相比，可有效的避免在康复训练时语音信号的准确性问题。