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Design and Implementation of a Digital Signal Processing Algorithm to Improve Esophageal Speech Excitation Signal

Mejor Proyecto Fin de Grado en Ingeniería de Telecomunicación

JON ZARRAJERIA GONZÁLEZ DE ASPURU

BEGOÑA GARCÍA ZAPIRAIN. Directora del proyecto

Figura 1. Linear Source Filter Model
Figura 1. Linear Source Filter Model

El origen del proyecto, según su autor

Durante mis estudios de grado he ido obteniendo conocimientos en diferentes áreas de la ingeniería de telecomunicación. Aún así, esta carrera tiene una estrecha relación con el sonido ya que éste no deja de ser una onda más a estudiar. Cuando empecé a trabajar en uno de los departamentos de investigación de la universidad  (DeustoTech-Life). A finales de mi segundo curso de carrera, me di cuenta de que quería aprender más sobre cómo se procesa la voz humana y por eso no dejé escapar esta oportunidad.
El proyecto presentado se enmarca en el contexto de la mejora de la voz esofágica. Los laringectomizados son personas que por diversos problemas médicos se han visto obligadas a someterse a una cirugía para extirpar la laringe, cuerdas vocales, epiglotis y cartílagos que rodean la laringe. Debido a que estos elementos son una parte vital del aparato fonador, la eliminación de estas partes afecta en gran medida la calidad de la voz, y consecuentemente puede llegar a acarrear problemas psicológicos ya que hay personas que prefieren dejar de hablar antes de hacerlo con su nueva voz.

Figura 2. Esquema general del algoritmo
Figura 2. Esquema general del algoritmo

Un verdadero proyecto científico

El algoritmo propuesto trata de descomponer la voz de los pacientes siguiendo el modelo «Linear Source Model» presentado en la Figura 1 y a posteriori modificar la señal excitación para así poder reconstruir una nueva señal con mayor calidad. A continuación se referirá cada punto del esquema general del algoritmo representado en la Figura 2.

  1. Para la adquisición de la señal excitación primero hay que obtener los coeficientes (polos) del tracto vocal que actúan como un filtro. Además, dichos coeficientes son modificados eliminado los situados en las frecuencias más bajas y consiguiendo así una mejor base  donde trabajar en el punto 2.
  2. Para la modificación de la señal fuente se ha generado un pulso de señal excitación de forma artificial y se ha combinado con el original para crear uno con mejores características. Una de las razones por las que se han combinado ambas señales (pulso original y pulso modificado) es que se quiere mantener la «personalidad» de cada persona, es decir, si sólo se usara la señal excitación generada de forma artificial el sonido resultante sería muy robótico y sería complicado saber distinguir entre dos personas que estén usando este algoritmo.
  3. Finalmente, se ha reconstruido una nueva señalde voz a partir de las modificaciones hechas anteriormenteconsiguiendo un habla de mayor calidad.
Figura 3. Herramienta para el procesado de voces esofágicas
Figura 3. Herramienta para el procesado de voces esofágicas

¿Un producto comercializable?

Además de diseñar el algoritmo, también se ha implementado en una herramienta para procesar este tipo de señales (Figura 3). En ella es posible cargar bases de datos con diferentes sonidos y poder
ajustar los parámetros deseados para un correcto funcionamiento del algoritmo, además de añadir un bloque de post-procesado para aplicar filtros a la nueva señal de voz. Este software podría ser preparado para ser comercializado en base a licencias.

Mejorando la calidad de vida de las personas

Jon y Begoña comparten satisfacción por el logro alzanzado. «Con la realización de este proyecto ha sido posible mejorar significativamente el «NHR» (Noise to Harmonic Ratio) y «jitter» en la voz de estas personas. Además, también se realizó una prueba más subjetiva (Mean Opinion Score) en la que diferentes personas tenían que escuchar sonidos, tanto procesados como no procesados por el algoritmo, para ver si resultaba mejor el modificado por la herramienta. Para este caso, también se demostró ser mejor la nueva voz propuesta por este proyecto».
«Finalmente, nos gustaría destacar que aunque hay muchos centros de investigación trabajando en temas de sonido y voz, son pocos aquellos que se centran en ayudar a personas con esta patología,
y por lo que a nosotros respecta, es de gran importancia poder aplicar nuestros conocimientos en un área en la que estemos ayudando en mejorar la calidad de vida de otras personas».

Diseño e implementación de un sistema de tracción eléctrico para una motocicleta convencional

Mejor Proyecto Fin de Grado en Ingeniería en Ingeniería Electrónica Industrial y Automática

Cristian Alonso Vallejo
cr.alonsov@gmail.com
IconoLinkedin https://www.linkedin.com/in/cristianalonso

JOSÉ IGNACIO GARCÍA QUINTANILLA
Director del proyecto

Figura 1. Equipo montado en mesa de pruebas
Figura 1. Equipo montado en mesa de pruebas

 

Tras estos últimos cuatro años de etapa universitaria, siempre había leído con un cierto recelo las páginas de esta revista. Me preguntaba qué es lo que debería hacer para poder leer algún día mi propio artículo, aunque fuera una receta de cocina como suele aparecer
en las últimas páginas. De lo que no me daba cuenta es que mientras pensaba esto, usando el esfuerzo como ingrediente, estaba cocinando lo que sería ésta magnífica invitación. Ahora, a seiscientos
kilómetros de casa, me toca comentar un proyecto que nunca pensé que se convertiría en realidad.
Creo que al menos una vez en la vida, todo aficionado a la automoción ha soñado con poder crear y conducir su propio vehículo, sentir lo que sintió Ferdinand Porsche cuando creó su primer automóvil.
No he elegido el nombre de este prestigioso ingeniero por casualidad, ya que con tan solo 25 años y con la colaboración de Jacob Lohner, presentó en el salón de París de 1900 un vehículo que incorporaba un motor eléctrico en cada una de las ruedas delanteras.
A falta de menos de un año para llegar al cuarto de siglo, todavía podría adelantarle al construir mi primer vehículo a una edad más temprana. Obviamente la innovación en el proyecto no será la misma, ya que ha pasado más de un siglo, ni tampoco se presentará
en ningún salón de París, pero no será por falta de ilusión.
El Proyecto Fin de Grado consistió en el diseño de un sistema de tracción eléctrico, con motor síncrono de imanes permanentes de 4kW, para una motocicleta. El objetivo del proyecto era sustituir el motor de gasolina convencional de un ciclomotor existente, por un método de transporte más eficiente y que ofreciera al menos las mismas, o similares, relaciones «potencia/peso» y «potencia/dimensiones» sin dejar de lado el problema de la
autonomía.

Figura 2. Aprilia RS 50. Motocicleta donde irá montado el sistema
Figura 2. Aprilia RS 50. Motocicleta donde irá montado el sistema

 

Siempre se ha considerado al motor de combustión como una máquina imperfecta debido a su bajo rendimiento térmico, sin embargo, pese a que en sus comienzos el vehículo usaba motores eléctricos, éstos no terminaron de imponerse. Ahora parece que
las cosas están cambiando y los vehículos eléctricos están empezando a conseguir más popularidad, aunque todavía están muy lejos de alcanzar las prestaciones que se les exige.
Por ello, y porque haber construido un coche hubiera supuesto un coste mucho más elevado, me decanté por un ciclomotor, ya que al realizar trayectos muy cortos y con unos niveles de potencia relativamente bajos, la distancia máxima a recorrer podría ser abordable.

Durante el desarrollo de mi proyecto encontré tres grandes dificultades. Una de ellas fue por desconocimiento de la técnica de sintonización del controlador, ya que al adquirir un modelo comercial había muchos conceptos nuevos. Las otras dos, fueron causadas por el mismo motivo, las baterías.

Supusieron la mitad del coste de todo el proyecto, supondrán más de la mitad de la masa total de la motocicleta una vez terminada y, debido a su tamaño, condicionarán el emplazamiento de todos los demás componentes. Todo ello, pese a ser una de las tecnologías más eficientes actualmente en el mercado (LiFePo4).
Pese a todas esas dificultades, gracias a la paciencia de mi tutor de proyecto, la ayuda técnica por parte de los suministradores del controlador en España, el apoyo económico de mis padres y muchas
tardes de trabajo duro, el proyecto terminó funcionando.
El camino ahora es aprovechar este proyecto y que los equipos de la mesa de pruebas pasen a estar finalmente montados sobre la  motocicleta de la imagen y, algún día, también circulando por las carreteras de forma legal.