專利名稱：具有低頻信道優先權的耳蝸植入物刺激的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于耳蝸電極的刺激的信號處理。
背景技術：
通常的耳朵如圖1中所示通過外耳101向鼓膜(耳膜)102發送聲音，鼓膜(耳膜)102移動中耳103的骨頭，該骨頭繼而振動耳蝸104的卵圓窗并且和圓窗膜開口。耳蝸104是窄的填充了流體的導管，該導管圍繞其軸螺旋地纏繞大約兩個半匝。耳蝸104包括通過蝸管連接的被稱為前庭階的上信道和被稱為鼓階的下信道。鼓階形成具有中心的直立螺旋錐，該中心被稱為耳蝸軸，其中，聽覺神經113的螺旋節細胞駐留。響應于所接收的由中耳103發送的聲音，所以填充流體的耳蝸104作為換能器，用于產生電脈沖，該電脈沖被傳送到耳蝸神經113，并且最后被傳送到大腦。當在沿著耳蝸104的神經基質將外部聲音轉換為有意義的動作電位的能力上存在問題時，損害聽力。
在一些情況下，可以通過耳蝸植入物來處理聽力損害，該耳蝸植入物使用由沿著植入電極分布的多個電極觸點傳遞的小電流來電子地刺激聽覺神經組織。圖1也示出典型的耳蝸植入物系統的一些部件，其中，外部麥克風向外部信號處理級111提供音頻信號輸入，外部信號處理級111實現各種已知信號處理方案之一。所處理的音頻信號被外部信號處理級111轉換為數字數據格式，以發送到植入刺激器108。除了提取音頻信息之外，植入刺激器108可以執行另外的信號處理，諸如糾錯、脈沖形成等，并且產生刺激模式(基于所提取的音頻信息)，該刺激模式通過所連接的導線109被發送到植入電極110。通常，植入電極110包括在其表面上的多個刺激電極，該多個刺激電極提供了耳蝸104的選擇性刺激。
在耳蝸植入物中，較小數量的刺激電極每個與較寬的頻帶相關聯，各個刺激電極使用從在相關聯的頻帶內的信號包絡的瞬時振幅得出的電荷的刺激脈沖來處理一組神經元。在一些編碼策略中，在所有刺激電極上以不變的速率來施加刺激脈沖，而在其他編碼策略中，以電極特定的速率來施加刺激脈沖。
在耳蝸植入物中的一個問題是空間信道交互。空間信道交互意味著如果在相同的時間附近啟動多個不同的刺激電極，則在被激勵的神經組織的位置處存在電場的顯著幾何重疊。空間信道交互主要是因為圍繞植入電極110的導電流體和組織所導致的。
一種成功的刺激策略是通過引用在此包含的下文:“Continuous-1nterleaved-Sampling，，(CIS)as introduced by Wilson at al., Better Speech Recognition withCochlear Implants, Nature, vol.352, 236-238, July 1991。CIS 信號處理通常包含:
(I)通過濾波 器組將音頻頻率范圍劃分為頻譜帶；
(2)各個濾波器輸出信號的包絡檢測；以及
(3)包絡信號的瞬時非線性壓縮(映射法)
基于耳蝸的音質分布組織，在鼓階中的各個刺激電極與外部濾波器組的帶通濾波器相關聯，并且對稱的二相電流脈沖被施加作為刺激。直接地從壓縮的包絡信號獲得刺激脈沖的振幅(上面的步驟(3))。這些信號依序被采樣，并且以嚴格地不重疊的序列來施加刺激脈沖。因此，最小化空間信道交互，并且實現在耳蝸中的電場的部件精確的限定。例如，考慮具有最大的整體刺激速率18kpps的12信道CIS系統；假定在一個循環中對各個信道尋址一次，各個信道的刺激速率是1.5kpps。這樣的每個信道的刺激速率通常對于包絡信號的足夠的時間表示是足夠的。最大整體刺激速率被各個脈沖的最小相延續時間限制。相延續時間不能被任意地選擇得短，因為脈沖越短，則在神經元中引出動作電位所需電流振幅越高。并且，為了各種實際原因而限制電路振幅。對于ISkpps的整體刺激速率，相延續時間是接近下限的27微秒。
與CIS相關的刺激策略是“M選N”策略，其中，在各個刺激循環期間，僅從總共M個帶通信號信道選擇具有最大能量的N個電極信道，如通過引用包含的下文所述=Wilsonet al., Comparative Studies Of Speech Processing Strategies For Cochlear Implants, Laryngoscopel998; 98:1069-1077。通常，帶通信號信道的數量M是不變的，并且等于可用信道的總數。由此，將所選擇的信道的瞬時刺激速率提高因子M/N。有趣的是，M選N策略看起來與標準CIS作比較未改善語音感知，如在通過引用包含的下文中所述:Zieseet al.，Speech Understanding With CIS And N-Of-M Strategy In The MED-EL COMBI40+system,0RL2000;62:321-329。
M選N策略(具有常數Μ)的一個缺點是如果電極信道從“失活”轉換為“激活”，則神經元或神經元組可能受到“弱電擊”的影響。例如，考慮下述情形:其中，在特定的刺激電極處施加一系列閾值之上的刺激脈沖。初始脈沖在大多數相鄰神經元中引起動作電位，其后是不應期，在此期間，可以引出更有限的神經元脈沖。神經元的大多數繼續處于類似的不應狀態中，直到已經過去了足以引起不應狀態的充分分布的時間。因此，對于至少初始時間段，大多數神經元將因為它們的類似的不應狀態而以相同的方式響應于各個脈沖，如在通過引用包含的下文中所述:Wilson et al., Temporal Representation With CochlearImplants, Am.J.0tology, Vol.18, N0.6 (Suppl), S30-S34, 1997。
在傳統CIS中，在特定刺激電極處沒有行為的時間段不出現，因為在各個循環中刺激各個電極，并且最小脈沖振幅通常接近或略大于閾值。因此，即使當在特定的頻帶中不存在頻譜能量時，相關聯 的電極將激活，以將神經元保持在不同的不應狀態中。另外，因為在相鄰信道中的行為，可以將多個神經元保持忙。在這個方面，空間信道交互可以具有有益(非故意)的效果。
對于M選N刺激的另一個問題是較高頻率信號信道相對于低頻刺激信道占主導的趨勢。該效果因為下述情況而是特別不幸的:較低頻率的信號信道包含整個音頻信號的基頻，它是用于語音理解的最主要的線索。發明內容
本發明的實施例涉及用于啟動在耳蝸植入物電極中的刺激電極的系統、方法和計算機程序產品。預處理濾波器組處理輸入的聲音音頻信號以產生帶通信號，該帶通信號的各個表示音頻的相關聯的頻帶。信息提取器基于向其中各個包含一個或多個刺激電極的對應的電極刺激組分配帶通信號來從帶通信號提取刺激信號信息，并且產生用于各個電極刺激組的一組刺激事件信號，該一組刺激事件信號限定了電極刺激定時和振幅。脈沖選擇器基于脈沖加權函數從刺激事件信號選擇一組電極刺激信號，來啟動刺激電極以刺激相鄰的聽覺神經組織，該脈沖加權函數使用有利于較低頻率的信道特定加權因子。在另外的特定實施例中，也可以有脈沖整形器，用于基于病人特定因素將電極刺激信號發展為向刺激電極的一組輸出電極脈沖。
所述脈沖選擇器可以基于電極刺激組來在遞歸的刺激循環中選擇一組電極刺激信號，以便例如在各個刺激循環中依序啟動在各個電極刺激組中的單個刺激電極或在各個刺激循環中同時啟動在至少一個電極刺激組中的至少兩個刺激電極。或者，對于至少一個刺激組，脈沖選擇器可以隨著時間改變在各個刺激循環中啟動哪些特定刺激電極。
信息提取器可以基于對于各個電極刺激組限定的組脈沖速率來產生刺激事件信號。脈沖選擇器可以基于刺 激神經組織的一個或多個非線性響應特性來產生用于各個電極刺激組的電極刺激信號。例如，該一個或多個非線性響應特性可以反映在刺激電極之間的空間交互。
脈沖選擇器可以選擇電極刺激信號以便依序啟動在各個電極刺激組內的刺激電極。或者，脈沖選擇器可以選擇電極刺激信號以便同時啟動在至少一個電極刺激組內的刺激電極。脈沖加權函數可以使用隨著時間不變或隨著時間變化的信道特定加權因子。
圖1示出在人耳中的解剖結構和典型的耳蝸植入物系統的元件。
圖2是脫水哈根據本發明的一個實施例的、用于啟動在多信道電極陣列中的電極的方法的流程圖。
圖3示出在傳統CIS系統中的選擇的組的示例(現有技術)。
圖4示出基于M選N策略的選擇的組的示例(現有技術)。
圖5示出在所有耳蝸區域中提供不變的行為的選擇的組的示例。
圖6示出提供良好的時間表示的選擇的組的示例。
圖7示出包括同時刺激的選擇的組的示例。
圖8示出根據本發明的一個實施例的刺激限定級的輸入和輸出。
圖9示出在典型的M選N耳蝸植入物系統中的功能信號處理塊。
具體實施方式
本發明的實施例涉及用于啟動在植入的電極陣列中的電極的技術。與連續交織采樣(CIS)手段作比較，可以使用較高的刺激速率，同時避免例如在M選N策略中遇到的“弱電擊”。在較高頻率FSP信道中的信號比較低頻率信道傳遞更多的過零和因此的更多的脈沖。在沒有用于低頻信道的優先權的情況下，因為M選N選擇導致的脈沖的比例丟失對于低頻信道比對于較高信道更高。低頻信道因此被因為M選N選擇導致的信號失真更多地影響(假定在信道中的相等振幅)。
圖9示出在典型實施例中的主要功能信號處理塊，其中，預處理濾波器組901是并行頻率特定信號濾波器的組，各個濾波器與音頻頻率的特定頻帶相關聯。因此，輸入聲音音頻信號被濾波為M個帶通信號B1至^，其中，各個信號對應于用于帶通濾波器之一的相應頻帶。通常，預處理濾波器組901具有大量的窄帶頻帶濾波器，用于區分和映射所分析的頻率范圍。預處理濾波器組901也被設計來向輸入聲音音頻信號應用某種初始預處理，例如，自動增益控制、噪聲減小等。
帶通信號B1至Bm然后被輸入到信息提取器902，信息提取器902將信號特定刺激信息——例如，包絡信息、相位信息、所請求的刺激事件的定時等——提取為一組M個刺激事件信號S1至SM，該一組M個刺激事件信號S1至Sm表示所請求的刺激事件。例如，可以如在通過引用包含的美國專利6，594，525中描述那樣使用信道特定采樣序列(CSSS)。可以將帶通信號B1至Bm置于較小數量的重疊的宏帶內，并且在各個宏帶內，選擇具有最高包絡的信道來用于給定的采樣間隔。也可以基于信道交互和禁止功能來將刺激事件信號S1至Sm抽取以提取導通信號的時域精細結構。
脈沖選擇器903使用反映病人特定感知特性的刺激幅度的加權矩陣來加權各個所請求的刺激事件信號S1至Sm，以產生一組N個電極刺激信號A1至An，該一組N個電極刺激信號A1至An提供聲音信號的最佳的電子音質分布表不。在通過引用在此包含的在2008年4月22日提交的美國專利申請61/046，832中進一步描述了刺激脈沖的矩陣加權。等式I示出大小M X N的典型加權矩陣:
權利要求
1.一種可植入刺激裝置，用于產生用于在耳蝸植入物中的刺激電極的電極刺激信號，所述裝置包括: 預處理濾波器組，用于處理輸入聲音音頻信號以產生多個帶通信號，所述多個帶通信號的各個表示音頻頻率的相關聯的頻帶； 信息提取器，用于基于向其中各個包含一個或多個刺激電極的多個電極刺激組分配所述帶通信號來從所述帶通信號提取刺激信號信息，并且產生用于各個電極刺激組的一組刺激事件信號，所述一組刺激事件信號限定了電極刺激定時和振幅；以及 脈沖選擇器，用于基于脈沖加權函數從所述刺激事件信號選擇一組電極刺激信號，用于啟動所述刺激電極以刺激相鄰的聽覺神經組織，所述脈沖加權函數使用有利于較低頻率的信道特定加權因子。
2.根據權利要求1所述的裝置，進一步包括: 脈沖整形器，用于基于病人特定因素將所述電極刺激信號發展為向所述刺激電極的一組輸出電極脈沖。
3.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述脈沖選擇器進一步基于所述電極刺激組來在遞歸的刺激循環中選擇所述一組電極刺激信號。
4.根據權利要求3所述的裝置，其中，所述脈沖選擇器選擇所述電極刺激信號以便在各個刺激循環中依 序啟動在各個電極刺激組中的單個刺激電極。
5.根據權利要求3所述的裝置，其中，所述脈沖選擇器選擇所述電極刺激信號，以便在各個刺激循環中同時啟動在至少一個所述電極刺激組中的至少兩個刺激電極。
6.根據權利要求3所述的裝置，其中，對于至少一個刺激組，所述脈沖選擇器隨著時間改變在各個刺激循環中啟動哪些特定刺激電極。
7.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述信息提取器基于對于各個電極刺激組限定的組脈沖速率來進一步產生所述刺激事件信號。
8.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述脈沖選擇器基于所刺激的神經組織的一個或多個非線性響應特性來進一步產生用于各個電極刺激組的所述電極刺激信號。
9.根據權利要求8所述的裝置，其中，所述一個或多個非線性響應特性反映在所述刺激電極之間的空間交互。
10.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述脈沖選擇器選擇所述電極刺激信號以便依序啟動在各個電極刺激組內的所述刺激電極。
11.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述脈沖選擇器選擇所述電極刺激信號以便同時啟動在至少一個電極刺激組內的所述刺激電極。
12.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述脈沖加權函數使用隨著時間不變的信道特定加權因子。
13.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述脈沖加權函數使用隨著時間變化的信道特定加權因子。
全文摘要
描述了用于啟動在耳蝸植入物電極中的刺激電極的系統和方法。在預處理濾波器組處理輸入的聲音音頻信號以產生帶通信號，該帶通信號的各個表示音頻的相關聯的頻帶。信息提取器基于向其中各個包含一個或多個刺激電極的對應的電極刺激組分配帶通信號來從帶通信號提取刺激信號信息，并且產生用于各個電極刺激組的一組刺激事件信號，該一組刺激事件信號限定了電極刺激定時和振幅。脈沖選擇器基于脈沖加權函數從刺激事件信號選擇一組電極刺激信號，該脈沖加權函數使用有利于較低頻率的信道特定加權因子來啟動刺激電極以刺激相鄰的聽覺神經組織。
文檔編號A61N1/36GK103140260SQ201180042370
公開日2013年6月5日 申請日期2011年9月1日 優先權日2010年9月1日
發明者彼得·施萊赫, 迪爾克·梅斯特, 彼得·諾普 申請人:Med-El電氣醫療器械有限公司