Optyczna rejestracja i analiza ruchów stawu skroniowo-żuchwowego
dr inż. Witold Mickiewicz, dr inż. Jerzy Sawicki


Elektroniczny system współbieżnej rejestracji i analizy ruchów żuchwy
 oraz towarzyszących im sygnałów akustycznych i EMG
dr inż. Jerzy Sawicki, dr inż. Witold Mickiewicz, mgr inż. Andrzej Biedka, dr n.med. Krzysztof Woźniak,
dr inż. Krzysztof Penkala, dr inż. Marek Jaskuła

(streszczenie projektu)

     Elektroniczny system współbieżnej rejestracji i analizy ruchów żuchwy i towarzyszących im sygnałów akustycznych i elektrycznych jest oryginalną i użyteczną praktycznie koncepcją połączenia trzech rodzajów pomiarów, wykonania ich w sposób równoczesny i automatycznego opracowania wyników badania z wykorzystaniem związków pomiędzy poszczególnymi typami sygnałów. Podczas wykonywania przez badaną osobę swobodnych ruchów żuchwy rejestrowane będą za pomocą układu kamer CCD (lewy i prawy profil oraz front) przestrzenne trajektorie ruchu wybranych (znaczniki optyczne) punktów głowy i żuchwy pozwalając, dzięki opracowanemu modelowi geometrycznego obiektu, na szczegółowe odtworzenie, trójwymiarowego ruchu niewidocznej osi zawiasowej stawu. Dysfunkcjom pracy stawu towarzyszą zwykle zjawiska akustyczne, które będą rejestrowane synchronicznie z obrazem z kamer za pomocą dwóch mikrofonów (lewa i prawa strona głowy) umieszczonych jak najbliżej źródła dźwięku. Trzeci rodzaj sygnału to potencjały elektromiograficzne, zmieniające się podczas pracy mięśni poruszających żuchwą, odbierane z powierzchni skóry i pozwalające na określenie aktywności poszczególnych mięśni. Sygnały EMG będą synchronicznie z dwoma pozostałymi sygnałami (obraz i dźwięk) zapisywane w pamięci systemowego komputera.
    Zasadniczą częścią projektu jest połączenie trzech systemów pomiarowych w jedną spójną całość i stworzenie oryginalnego oprogramowania systemowego do cyfrowej obróbki wszystkich zebranych sygnałów z uwzględnieniem korelacji pomiędzy nimi. Efektem końcowym będą syntetyczne wyniki pozwalające na wszechstronną ocenę narządu żucia człowieka. Na podstawie zarejestrowanego obrazu zewnętrznego głowy zostaną precyzyjnie odtworzone niewidoczne dla oka ludzkiego wzajemne przesunięcia geometryczne elementów stawu. Ponadto dla każdej fazy stanu kinematycznego stawu znane będą powstające sygnały akustyczne (ich występowanie świadczy od dysfunkcjonalności stawu) oraz elektromiograficzne, świadczące o siłach występujących w układzie stawowym.

    Wyniki prezentowane będą w postaci wykresów, animacji 3D, próbek dźwiękowych, zapisów EMG i innych. Synchroniczne zestawienie wyników potrójnego pomiaru (aksjograficznego, akustycznego, elektromiograficznego) przyniesie efekt synergiczny i pozwoli na wszechstronną, niedostępną dotychczas w podobnym układzie analizę stanu narządu żucia człowieka. Końcowym efektem projektu będzie wykonanie prototypu urządzenia, wykonanie wszechstronnych badań potwierdzających poprawność otrzymywanych wyników i ich użyteczność oraz sporządzenie dokumentacji technicznej (zawierającej także specjalistyczne oprogramowanie) pozwalającej na podjęcie w przyszłości produkcji tego typu systemów elektronicznej, kompleksowej analizy narządu żucia człowieka. Do wykonania projektu skompletowany zostanie interdyscyplinarny zespół specjalistów z zakresu elektroniki, informatyki, automatyki, inżynierii mechanicznej i stomatologii.
© Jerzy Sawicki, 2009


Zindywidualizowany procesor cyfrowy do przestrzennej reprodukcji dźwięku przez słuchawki
dr inż. Witold Mickiewicz, dr inż. Jerzy Sawicki, mgr inż. Andrzej Biedka

(streszczenie projektu)

    Tematem proponowanego projektu badawczo-rozwojowego jest opracowanie i wykonanie prototypu urządzenia do indywidualizacji algorytmu przetwarzania sygnału audio w procesorze do przestrzennej reprodukcji dźwięku przez słuchawki. Celem projektu jest opracowanie produktu rynkowego będącego uzupełnieniem typowego domowego  zestawu hi-fi lub kina domowego i pozwalającego wytwarzać identyczne wrażenia słuchowe podczas odsłuchu słuchawkowego sygnałów audio z dowolnych źródeł (np. odtwarzacz MP3), jak przy tradycyjnym odsłuchu głośnikowym w pomieszczeniu domowym. Znane problemy z poprawnością lokalizacji pozornych źródeł dźwięku podczas odsłuchu słuchawkowego mogą być przezwyciężone dzięki zastosowaniu zaawansowanego cyfrowego przetwarzaniu sygnałów audio docierających do słuchawek, wykorzystującemu znajomość funkcji HRTF (Head Related Transfer Function). Każdemu człowiekowi, ze względu na różnice anatomiczne, odpowiada własny, zindywidualizowany zestaw funkcji HRTF i pomimo wielu prób nie udało się dotychczas stworzyć metody modyfikacji funkcji HRTF zapewniających te same wrażenia uprzestrzenniania dźwięku, na bazie funkcji zmierzonych w uszach jednej osoby. W celu prawidłowej reprodukcji dźwięku przez słuchawki (imitującej wrażenia odsłuchu głośnikowego) konieczny jest zatem pomiar rzeczywistych charakterystyk częstotliwościowych od źródła dźwięku (głośnik) do ucha użytkownika. Charakterystyki takie uwzględniać będą zarówno właściwości akustyczne pomieszczenia odsłuchowego, anatomiczne szczegóły kształtu głowy i ciała, jak i usytuowanie użytkownika względem głośników.
     Planowane urządzenie zawierać będzie programowalny, lekki i przenośny (zasilany bateryjnie) procesor słuchawkowy dźwięku oraz zestaw przyrządów stacjonarnych do samodzielnego, jednorazowego pomiaru przez ostatecznego użytkownika swoich indywidualnych dwuusznych odpowiedzi impulsowych zarejestrowanych w wybranym pomieszczeniu, przy wykorzystaniu posiadanego sprzętu audio do odsłuchu głośnikowego. Użytkownik postępując według instrukcji łatwo dokona (w sposób częściowo zautomatyzowany) pomiaru odpowiedzi impulsowych, a następnie wyniki te zostaną automatycznie wprowadzone do procesora słuchawkowego stając się integralnym elementem algorytmu cyfrowego przetwarzania dowolnych sygnałów audio. Po zaprogramowaniu (zindywidualizowaniu algorytmu) procesora słuchawkowego będzie on mógł być dowolnie wykorzystywany do odtwarzania sygnałów audio przez słuchawki w sposób imitujący znane użytkownikowi warunki domowe (lub inne wykorzystane przy programowaniu). Część stacjonarna urządzenia będzie odtąd niepotrzebna, chyba że użytkownik postanowi przeprogramować kolejny raz procesor słuchawkowy.
Część stacjonarna urządzenia będzie pozwalać na pomiar charakterystyk w czasie rzeczywistym w układzie jednokanałowego, dwukanałowego lub wielokanałowego odtwarzania testowego sygnału audio. Odbiornikami sygnałów będą miniaturowe (stosunkowo tanie) mikrofony douszne. Konieczne zatem będzie uwzględnienie nierównomierności ich charakterystyki częstotliwościowej w procesie programowania procesora słuchawkowego.
     Urządzenie zostanie zrealizowane przy użyciu wyspecjalizowanych układów cyfrowych (DSP, FPGA), co powinno zapewnić stosunkowo niski koszt wytworzenia nawet w małoseryjnej produkcji. Kompletne urządzenie będzie gotowe do wprowadzenia na rynek elektroniki użytkowej (systemy hi-fi, kino domowe), rynek sprzętu komputerowego (edukacja, gry komputerowe), ale również jako uzupełnienie osobistych odtwarzaczy muzyki, telefonów komórkowych a nawet aparatów słuchowych. Dzięki stosowaniu takiego urządzenia użytkownik zachowa wrażenia odsłuchowe dostarczane dotychczas przez systemy głośnikowe 2.0, 2.1, 5.1 itp., a jednocześnie wykorzysta zalety odsłuchu słuchawkowego (stanie się nieuciążliwy dla bliskiego otoczenia, a całość toru elektroakustycznego może stać się mniej energochłonna)). Dzięki możliwości inteligentnego domiksowywania dźwięków z zewnątrz, odsłuch słuchawkowy nie spowoduje całkowitego odizolowania od otoczenia (kwestia bezpieczeństwa na drodze, ulicy itp.).
Zbudowane prototypowe urządzenie będzie poddane praktycznym próbom w celu weryfikacji przyjętych rozwiązań i poznania opinii przyszłych potencjalnych producentów i użytkowników. Przeprowadzone zostaną badania psychoakustyczne z udziałem wielu słuchaczy (studentów) pozwalające określić na podstawie analizy statystycznej wyników jakość procesu przetwarzania sygnału i wygodę użytkowania urządzenia.
© Witold Mickiewicz & Jerzy Sawicki, 2009