諧波分辨率增強的高精度頻率排布和周期性編碼的制作方法

專利名稱：諧波分辨率增強的高精度頻率排布和周期性編碼的制作方法
技術領域：
本發明涉及可植入的醫療裝置，更具體地說，涉及在這樣的裝置、例如耳蝸植入系統中用于編碼刺激脈沖的技術。
背景技術：
耳蝸植入物可以為深度耳聾或嚴重聽覺受損的人提供聽覺。與將放大后的聲音信號機械施加到中耳的傳統助聽器不同，耳蝸植入物向激勵內耳中的聽神經的多個刺激電極提供直接電刺激。大多數現有耳蝸植入物的刺激編碼策略通過將聲音信號劃分成不同的頻帶，并提取這些頻帶中每一個的包絡(即能量)，來表示所述聲音信號。聲信號的這些包絡表示用來定義到每個電極的刺激脈沖的脈沖振幅。帶通信號的數量一般等于刺激電極的數量，并需要相對寬的頻帶來覆蓋聲頻范圍。例如產生元音的人類語音的典型聲信號包括基頻和為基頻倍數的另外諧波。因此如果基頻一般在100和200Hz之間，那么也將有每100至200Hz間隔開的諧波頻率。在現有的耳蝸植入系統中，帶通濾波器的帶寬通常超過100Hz，以致通常利用每個帶通濾波器處理超過一個諧波。在現代的精細結構編碼策略中，刺激信號定時得自于濾波器組帶通信號。當多個諧波落在給定頻帶內時，得到的刺激定時通常不表示任何特定諧波，而是取決于相對振幅和頻率間隔。這意味著，在低至中頻信道中的刺激定時相對復雜，而不是對主導諧波的周期性進行簡單編碼。通常一個特定諧波主導一個濾波器頻帶，在正常聽覺中，這樣的主導諧波掩蔽了相鄰諧波并攜載應該在頻率排布和時間上正確的音頻信息。在心理聲學音調測試中，已經證明周期性音調和頻率排布音調概念對耳蝸植入物患者發揮作用。刺激模式以比較高的速率從頂端電極向更基底的電極逐漸移位，導致音調感知的增加。Nobbe 等(Acta Oto-Laryngologica，2007 ;127 :1洸6_1272 ；在此引為參考) 顯示，同時或相繼的刺激導致低至一個半音的、音調改變的恰能察覺差異。如果一個電極的低刺激速率加快，可以發現相似的結果，而在這樣的情況下，音調中的恰能察覺差異范圍在一個半音內。這些結果提示，這兩種音調提示(cue)的組合可以導致耳蝸植入物使用者更好的音調感知。但在現有的耳蝸植入系統中，頻率排布和周期性音調提示二者并沒有同時整合。輸入信號的時域精細結構在相對寬的頻帶中進行分析，這產生分析濾波器之間過渡處刺激模式的變化，導致想不到的和不想要的音調感知改變。部分解決以上問題的一個編碼策略是用于Med-El OPUS 1和OPUS 2語音處理器的精細結構處理(FSP)策略。FSP策略通過使用范圍降至低于預計基頻的濾波器組來編碼非常低頻的諧波，通常是基頻和二次諧波。最低頻帶的間距要使得編碼的諧波通常能被分辨，亦即，一個低頻濾波器頻帶內僅落入一個諧波。但較高次諧波不能通過這類信號處理來清楚分辨。另外，諧波移動主要在時域上進行編碼。從IOOHz向上滑動的基頻的時域編碼的頻率排布移動僅僅在200Hz左右實現。Advanced Bionics公司的HiRes 120策略使用有功電流導引和另外的頻譜帶。 輸入信號被濾波成許多頻譜帶，對于精細頻譜分辨率運用快速傅里葉變換(FFT)算法。 Hilbert處理從信號得到時域細節，同時跨所有濾波器頻帶確定各電極對的頻譜最大值 (spectral maximum)。根據頻譜最大值的估算頻率來確定脈沖率和刺激位置。將許多頻譜帶分配到各電極對，以及通過改變同時遞送至各電極對中相鄰電極的電流比例，將所述頻譜帶遞送至沿著電極陣列的位置。

發明內容
本發明的實施方案涉及產生用于例如耳蝸植入系統的植入電極陣列的電極刺激信號。處理聲學音頻信號以產生代表音頻相關頻帶的帶通信號。限定宏帶(Macro bands), 每個宏帶表現多個帶通信號的特性。宏帶以取樣間隔的順序來處理。對每個取樣間隔而言， 處理包括i.從每個帶通信號提取定時和能量信息，以形成要求的刺激事件，ii.對要求的刺激事件進行抽取以選擇每個宏帶內最大能量的帶通信號，和iii.根據脈沖選擇抑制函數來對各個選擇的帶通信號進行抽取，并保持帶通信號的時域和譜結構，以便產生刺激事件信號。刺激事件信號用反映患者特異性的音調感知特性的加權矩陣進行加權，以產生用于輸出到植入電極陣列的電極刺激信號。對每個選擇的帶通信號進行抽取也可以考慮空間信道交互特性和/或靶神經不應(refractory)性質。帶通信號的過零或相可以用于從每個帶通信號提取定時和能量信息。信道特異性取樣序列(CSSQ可用于對定時和能量信息進行編碼。最大能量帶通信號可以根據帶通信號的信號包絡來選擇。帶通信號的數量可以比電極刺激信號的數量大得多。 電極刺激信號可以包括同時的電極刺激信號。本發明的實施方案還包括在計算機可讀存儲介質中實現的、用于根據上述任何內容來生成用于植入電極陣列的電極刺激信號的計算機程序產品。實施方案還包括根據以上任何內容操作的耳蝸植入系統。附圖簡述


圖1顯示根據本發明實施方案的功能性信號處理塊。
圖2顯示在一個具體實施方案的信息提取(IE)級中的功能塊。
圖3顯示典型聲信號的實例——元音滑音。
圖4顯示聲信號分解成一組77個分離的頻帶信號的實例。
圖5顯示帶通信號包絡的實例。
圖6顯示最低的15個帶通信號的細節。
圖7顯示要求的刺激事件的實例。
圖8顯示在信息提取模塊的第二級內選擇的帶通信號包絡。
圖9顯示濾波器的抑制狀態的實例。
圖10顯示在選擇的頻帶內所選擇的刺激事件的實例。
圖11顯示信道1至20上所選擇的刺激事件的實例。
圖12顯示映射到較小數量電極的要求脈沖的同時刺激。
圖13顯示同時刺激的細節。圖14顯示沿著耳蝸的激勵最大值的實例。具體實施方案的詳細說明

本發明的實施方案涉及生成用于耳蝸植入系統的植入電極陣列的電極刺激信號， 該耳蝸植入系統保留了原始音頻輸入信號的時域和譜特性。高精度技術利用增強的諧波分辨率對頻率排布和周期性的音調信息進行編碼。這提供了對于諸如共振峰的主導信號分量以及低頻諧波的增強的時域編碼。圖1顯示了根據本發明的一個具體實施方案的各種功能性信號處理塊，其中，包含刺激定時和振幅信息的N個帶通信號被分配給M個刺激電極。預處理器濾波器組101對初始聲學音頻信號進行預處理，例如自動增益控制、噪音減少等等。在預處理器濾波器組 101中的各個帶通濾波器與特定的音頻頻帶相關聯，以致聲學音頻信號被濾波成為N個帶通信號-B1至 ，其中各個信號對應于帶通濾波器之一的頻帶。向信息提取器102輸入帶通信號，信息提取器102將信號特異性刺激信息一例如， 包絡信息、相位信息、要求的刺激事件的定時等等一提取成為一組N個刺激事件信號S1至 、，這些刺激事件信號代表電極特異性要求的刺激事件。例如，可以如美國專利6，594，525 所述使用信道特異性取樣序列(CSSS)，該專利在此引為參考。將帶通信號匯集成數量較少的重疊宏帶，并且在每個宏帶內，對于給定的取樣間隔選擇具有最高包絡的信道。根據信道交互和抑制函數來抽取刺激事件。脈沖加權103用反映患者特異性知覺特性的M個刺激幅度的加權矩陣，對每個要求的刺激事件信號S1至Sn進行加權，以產生一組電極刺激信號A1至Am，該組電極刺激信號 A1至Am提供聲信號的最佳電頻率排布表現。刺激脈沖的矩陣加權在2008年4月22日提交的美國專利申請61/046，832中進一步描述，所述申請在此引為參考。方程式1顯示大小為MXN的典型加權矩陣最后，通過在脈沖整形器104中的各個幅值映射和脈沖形狀定義，實現了患者特異性刺激，所述脈沖整形器104將該組電極刺激信號A1至Am變換成一組輸出電極脈沖E1至 EM，用于刺激鄰近神經組織的植入電極陣列中的電極。當要求的刺激事件信號S1至Sn之一要求刺激事件時，則用一組輸出電極脈沖E1至&激活相應數量的電極。圖2是功能框圖，顯示了關于在信息提取器102內的信息提取的進一步細節。定時和能量檢測201得出在每個帶通信號內的定時和能量信息，例如過零或帶通信號的相。帶通信號的包絡一般通過例如使用希爾伯特變換(Hilbert transform)或通過整流和低通濾波而確定。圖3描繪了特定形式的合成元音滑音中典型的聲音信號，其包含上升的基頻和相應上升的諧波，以及一個下降和一個上升的共振峰。圖4顯示了預處理器濾波器組101 為此輸入信號產生的帶通信號B1-Bn,以及圖5顯示使用希爾伯特變換從帶通信號A-Bn得
1 0.923 0.846 0 0.077 0.154 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 W =
方程式1
0 0 0 0 0 0
0.154 0.077 0 0.846 0.923 1
6出的包絡信號。圖4和5 二者反映了合成元音的各種特征性性質，例如從濾波器頻帶信號 #1至#7的最大包絡的移動中所見的、上升的基頻，以及激勵頻帶內的信號頻率的增加。圖 6顯示在頻帶1至15中的增加的聲音基頻和二次諧波。圖7顯示了通過定時和能量檢測 201級從計算的所有要求的刺激時間事件(即要求的刺激脈沖)。時域和頻譜特性很好地保持到這個信號處理級。最大能量抽取202塊根據濾波器頻帶中的能量，減少了大量所要求的刺激事件， 將所述濾波器頻帶匯集在一起成為數量較少的宏帶組。對于每個宏帶內的每個取樣間隔， 確定具有最大振幅的信道，只使用在選擇的濾波器頻帶內的要求的刺激事件進行進一步處理。信道選擇在美國專利7，觀3，876中進一步描述，所述專利在此引為參考。圖8顯示了在最大能量抽取202塊內選擇的帶通信號的包絡的實例。時域和側抑制抽取203塊按照2008年11月10日提交的美國專利申請12/267，858 中的進一步描述，定義每個信道的抑制狀態，所述專利申請是在此引為參考。在這個級，使用聽神經的不應性質的模型，進一步減少刺激脈沖。信道抑制還可以被應用于相鄰信道。 圖9顯示每個選擇的帶通信號的抑制狀態的實例，其中可以清楚識別抑制區域在選擇的低頻諧波周圍的向上移動。在特定信道上選擇刺激事件后，重新設置相鄰信道中所選信道的抑制狀態。所得的選擇的刺激事件在圖10中示出。雖然在該處理級上刺激事件的數目已經急劇減少，但仍然保留了原始信號的主導的時域和譜結構，這可以在圖11顯示的低頻帶中清楚觀察到。圖12顯示了在對每個選擇的帶通信道進行加權和患者特異性幅值映射后所產生的同時刺激脈沖，其可以施加到植入電極陣列中的刺激電極。圖13詳細顯示了兩個相鄰的電極對的同時刺激(simulation)。對于每個取樣間隔，計算所模擬的最大激勵的相應頻率， 并顯示在圖14中。該分析顯示，原始信號的頻率排布和周期性結構通過所描述發明的特定實施方案進行傳達。如上所述的本發明實施方案提供了主導信號分量的增強的時域編碼，所述主導信號分量例如共振峰和低頻諧波。還改善了耳蝸植入物刺激的頻率排布性和周期性之間的匹配。另外，用比現有技術更多的濾波器頻帶對輸入音頻信號進行分析。結果是，可以例如利用半音濾波器組改善音樂信號的表現。因為有如此多的濾波器頻帶，每個頻帶就窄得多，這使得能夠識別主導的信號分量(通常是諧波)。從選擇的帶通信號直接得出要求的刺激脈沖的定時，以及在每個宏帶內，僅僅選擇一個帶通信號，該帶通信號通常編碼主導諧波。因此僅僅主導諧波被編碼，并且容易跟蹤，大大減少了具有得出的刺激定時的未分辨的諧波的交互。對于將總共77個分析濾波器分配給12個刺激接觸件的耳蝸植入系統而言，可以將諧波之間的時域交互的限制推進到遠超過語音信號的相關共振峰頻率。尤其是對于低頻諧波，如果信號的頻率逐漸增加，大量分析濾波器頻帶的確導致更逐漸(gradual)和自然的音調感知變化。在當前的耳蝸植入系統中，信號頻率的逐漸移動經常產生對來自相鄰濾波器頻帶的所要求的刺激脈沖的掩蔽。這種效果在本發明的特定實施方案中可以避免。另外，大量的分析濾波器頻帶和經加權后分配給刺激接觸件，可以得到系統的精確擬合。可以操縱加權矩陣，使得音程被耳蝸植入物使用者正確感覺到。并且在減少同時刺激事件的數量時，可以將神經元不應性質和信道串擾考慮在內。因此系統通過確保僅僅施加無掩蔽的刺激脈沖來增加時域精度。本發明的實施方案可以用任何傳統的計算機編程語言來實現。例如，優選的實施方案可以用過程編程語言(例如“C”)或面向對象的編程語言(例如“C++”，Python)來實現。本發明的其它實施方案可以作為預編程的硬件元件、其他相關部件、或作為硬件和軟件部件的組合來實現。實施方案可以作為用于與計算機系統一起使用的計算機程序產品來實施。這樣的實施可以包括一系列計算機指令，所述指令固定在有形介質例如計算機可讀介質(例如軟盤，⑶-ROM，ROM，或固定盤)、或可通過調制解調器或其他接口裝置例如經過介質與網絡連接的通信適配器傳送給計算機系統。所述介質可以是有形介質(例如，光學或模擬通信線路)或用無線技術實現的介質(例如微波、紅外線或其他傳輸技術)。計算機指令系列體現本文前面關于系統描述的所有或部分功能性。本領域技術人員應當領會，這樣的計算機指令可以利用許多編程語言來編寫，供許多計算機體系結構或操作系統使用。此外，這樣的指令可以儲存在任何存儲器件例如半導體、磁性、光學或其他存儲器件中，和可以利用任何通訊技術例如光學、紅外線、微波或其他的傳送技術來傳送。預期這樣的計算機程序產品可以作為帶有伴隨的印刷或電子文檔的移動介質(例如收縮包裝軟件)進行分送，可以用計算機系統預裝載(例如在系統ROM或固定盤上)，或經過網絡(例如因特網或萬維網)從服務器或電子公告板分送。當然，本發明的有些實施方案可以作為軟件(例如計算機程序產品)和硬件的組合來實施。本發明的其他實施方案完全作為硬件或完全作為軟件(例如， 計算機程序產品)來實施。雖然已經公開了本發明的各種示例性實施方案，但對于本領域技術人員顯而易見的是，可以作出能夠實現本發明的某些優點而不背離所述發明的真正范圍的各種各樣的改變和更改。
權利要求
1.一種用于生成用于植入電極陣列的電極刺激信號的方法，所述方法包括 處理聲學音頻信號以產生多個帶通信號，每個帶通信號代表相關聯的音頻頻帶； 定義多個宏帶，每個宏帶表現多個帶通信號的特性；以取樣間隔的順序處理所述宏帶，其中對每個取樣間隔而言，所述處理包括i.從每個帶通信號提取定時和能量信息，以形成要求的刺激事件，ii.對要求的刺激事件進行抽取以選擇每個宏帶內最大能量的帶通信號，和 iii.根據脈沖選擇抑制函數對每個選擇的帶通信號進行抽取，并保持所述帶通信號的時域和譜結構，以便產生刺激事件信號；以及用反映患者特異性音調感知特性的加權矩陣對所述刺激事件信號進行加權，以產生用于所述植入電極陣列的輸出電極刺激信號。
2.根據權利要求1所述的方法，其中對每個選擇的帶通信號進行抽取還考慮空間信道交互特性。
3.根據權利要求1所述的方法，其中對每個選擇的帶通信號進行抽取還考慮靶神經不應性質。
4.根據權利要求1所述的方法，其中帶通信號的過零用于從每個帶通信號提取定時和言旨量信息。
5.根據權利要求1所述的方法，其中帶通信號的相用于從每個帶通信號提取定時和能 M.fn 息。
6.根據權利要求1所述的方法，其中信道特異性取樣序列(CSSQ用于對定時和能量信息進行編碼。
7.根據權利要求1所述的方法，其中基于帶通信號的信號包絡來選擇最大能量帶通信號。
8.根據權利要求1所述的方法，其中帶通信號的數量比電極刺激信號的數量大得多。
9.根據權利要求1所述的方法，其中所述電極刺激信號包括同時的電極刺激信號。
10.適于使用根據權利要求1-9中任何一項所述的方法的耳蝸植入系統。
11.一種在計算機可讀存儲介質中實現的計算機程序產品，其用于產生用于植入電極陣列的電極刺激信號，所述產品包括用于處理聲學音頻信號以產生多個帶通信號的程序代碼，每個帶通信號代表相關聯的音頻頻帶；用于定義多個宏帶的程序代碼，每個宏帶表現多個帶通信號的特性； 用于以取樣間隔的順序處理所述宏帶的程序代碼，其中對每個取樣間隔來說所述處理包括i.從每個帶通信號提取定時和能量信息，以形成要求的刺激事件， .對要求的刺激事件進行抽取以選擇每個宏帶內最大能量的帶通信號，和 iii.根據脈沖選擇抑制函數對每個選擇的帶通信號進行抽取并保持帶通信號的時域和譜結構，以便產生刺激事件信號；以及用于利用反映患者特異性音調感知特性的加權矩陣對所述刺激事件信號進行加權以產生用于植入電極陣列的輸出電極刺激信號的程序代碼。
12.根據權利要求11所述的產品，其中對每個選擇的帶通信號進行抽取還考慮空間信道交互特性。
13.根據權利要求11所述的產品，其中對每個選擇的帶通信號進行抽取還考慮靶神經不應性質。
14.根據權利要求11所述的產品，其中帶通信號的過零用于從每個帶通信號提取定時和能量信息。
15.根據權利要求11所述的產品，其中帶通信號的相用于從每個帶通信號提取定時和言旨量信息。
16.根據權利要求11所述的產品，其中信道特異性取樣序列(CSSQ用于對定時和能量信息進行編碼。
17.根據權利要求11所述的產品，其中基于帶通信號的信號包絡來選擇最大能量帶通信號。
18.根據權利要求11所述的產品，其中帶通信號的數量比電極刺激信號的數量大得多ο
19.根據權利要求11所述的產品，其中所述電極刺激信號包括同時的電極刺激信號。
全文摘要
本發明描述了生成用于植入電極陣列的電極刺激信號。處理聲學音頻信號以產生代表相關聯的音頻頻帶的帶通信號。定義宏帶，每個宏帶表現多個帶通信號的特性。以取樣間隔的順序來處理宏帶。對每個取樣間隔而言，處理包括i.從每個帶通信號提取定時和能量信息，以形成要求的刺激事件，ii.對要求的刺激事件進行抽取以選擇每個宏帶內最大能量的帶通信號，和iii.根據脈沖選擇抑制函數來對每個選擇的帶通信號進行抽取并保持帶通信號的時域和譜結構，以便產生刺激事件信號。用反映患者特異性音調感知特性的加權矩陣對刺激事件信號進行加權，以產生用于植入電極陣列的輸出電極刺激信號。
文檔編號A61N1/36GK102342132SQ201080010871
公開日2012年2月1日 申請日期2010年1月20日 優先權日2009年1月20日
發明者彼得·施萊赫 申請人:Med-El電氣醫療器械有限公司