聽(tīng)力植入物中的瞬變聲音的減小的制作方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 本申請(qǐng)要求于2012年8月27日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/693, 356的優(yōu)先權(quán)， 其通過(guò)引用并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及一種諸如耳蝸植入物的聽(tīng)力植入物系統(tǒng)，并且具體地涉及在其中使用 的信號(hào)處理。
【背景技術(shù)】
[0003] 正常耳朵像圖1中所示出的那樣通過(guò)外耳101向鼓膜（耳膜）102發(fā)送聲音，所述 鼓膜102移動(dòng)中耳103的骨頭（錘骨、砧骨以及鐙骨）使耳蝸104的卵圓窗和圓窗開口振 動(dòng)。耳蝸104是螺旋地纏繞其軸以得到大約兩個(gè)半匝的窄長(zhǎng)管。它包括通過(guò)耳蝸管連接的 稱為前庭階的上部通道和稱為鼓室階的下部通道。耳蝸104形成聲神經(jīng)113的螺旋神經(jīng)節(jié) 細(xì)胞所駐留在的具有稱作蝸軸的中心的立式螺旋錐。響應(yīng)于接收到的由中耳103發(fā)送的聲 音，充液耳蝸104用作換能器以生成被發(fā)送到耳蝸神經(jīng)113并且最終到大腦的電脈沖。
[0004] 當(dāng)在沿著耳蝸104的神經(jīng)基質(zhì)將外部聲音換能成有意義的動(dòng)作電位的能力方面 存在問(wèn)題時(shí)聽(tīng)力受損。為了改進(jìn)受損聽(tīng)力，已開發(fā)了聽(tīng)覺(jué)假體。例如，當(dāng)損傷與中耳103 的操作有關(guān)時(shí)，常規(guī)的助聽(tīng)器可以被用來(lái)以放大聲音的形式提供到聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的聲-機(jī)械刺 激。或者當(dāng)損傷與耳蝸104相關(guān)聯(lián)時(shí)，具有植入刺激電極的耳蝸植入物能夠采用通過(guò)沿著 電極分布的多個(gè)電極觸點(diǎn)所遞送的小電流來(lái)電刺激聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)組織。
[0005] 圖1還示出了典型的耳蝸植入物系統(tǒng)的一些部件，所述耳蝸植入物系統(tǒng)包括將音 頻信號(hào)輸入提供給其中能夠?qū)崿F(xiàn)各種信號(hào)處理方案的外部信號(hào)處理器111的外部麥克風(fēng)。 經(jīng)處理的信號(hào)然后被轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)格式，諸如數(shù)據(jù)幀的序列，以用于發(fā)送到植入物108 中。除接收經(jīng)處理的音頻信息之外，植入物108還執(zhí)行諸如誤差校正、脈沖形成等的附加的 信號(hào)處理，并且產(chǎn)生通過(guò)電極引線109發(fā)送到植入電極陣列110的刺激方式（基于所提取 的音頻信息）。通常，這個(gè)電極陣列110在其表面上包括提供耳蝸104的選擇性刺激的多個(gè) 電極。
[0006] 現(xiàn)今在耳蝸植入物中，相對(duì)少量的電極各自與相對(duì)較廣的頻帶相關(guān)聯(lián)，其中每個(gè) 電極通過(guò)刺激脈沖對(duì)一組神經(jīng)細(xì)胞尋址，所述刺激脈沖的電荷是從包絡(luò)在該頻帶內(nèi)的即時(shí) 振幅得到的。在一些編碼策略中，以恒定速率跨越所有電極施加刺激脈沖，而在其它編碼策 略中，以電極特定速率施加刺激脈沖。
[0007] 能夠?qū)崿F(xiàn)各種信號(hào)處理方案來(lái)產(chǎn)生電刺激信號(hào)。在耳蝸植入物的領(lǐng)域內(nèi)眾所周知 的信號(hào)處理方法包括連續(xù)交錯(cuò)采樣（CIS)數(shù)字信號(hào)處理、信道特定采樣序列（CSSS)數(shù)字信 號(hào)處理（如通過(guò)引用并入本文的美國(guó)專利No. 6, 348, 070中所描述的）、譜峰（SPEAK)數(shù)字 信號(hào)處理以及壓縮模擬（CA)信號(hào)處理。例如，在CIS方法中，語(yǔ)音處理器的信號(hào)處理涉及 以下步驟：
[0008] (1)借助于濾波器組將音頻頻率范圍分解成光譜帶，
[0009] (2)每個(gè)濾波器輸出信號(hào)的包絡(luò)檢測(cè)，
[0010] (3)包絡(luò)信號(hào)的即時(shí)非線性壓縮（映射定律）。
[0011] 根據(jù)耳蝸的拓?fù)浣M織，鼓室階中的每個(gè)刺激電極與外部濾波器組的帶通濾波器相 關(guān)聯(lián)。為了刺激，施加了對(duì)稱二相性電流脈沖。模擬脈沖的振幅是從經(jīng)壓縮的包絡(luò)信號(hào)直接 獲得的。這些信號(hào)被順序地采樣，并且以嚴(yán)格地非重疊順序施加刺激脈沖。因此，作為典型 的CSI特征，僅一個(gè)刺激信道同時(shí)活動(dòng)并且總體刺激速率是比較高的。例如，假定18kpps的 總體刺激速率和12信道濾波器組，每個(gè)信道的刺激速率是I. 5kpps。每個(gè)信道的這樣的刺 激速率通常對(duì)于包絡(luò)信號(hào)的適當(dāng)時(shí)間表示是足夠的。最大總體刺激速率受每個(gè)脈沖的最小 相位持續(xù)時(shí)間限制。不能夠?qū)⑾辔怀掷m(xù)時(shí)間選取為任意短，因?yàn)槊}沖越短，電流振幅必須越 高以將在神經(jīng)細(xì)胞中引出動(dòng)作電位，并且電流振幅由于各種實(shí)際原因而受限。對(duì)于ISkpps 的總體刺激，相位持續(xù)時(shí)間是27 μ s，其接近下限。CIS帶通濾波器的每個(gè)輸出在帶通濾波 器的通過(guò)包絡(luò)信號(hào)調(diào)制的中心頻率下約略地可以被認(rèn)為是正弦波。這是由于濾波器的品質(zhì) 因數(shù)（Q~ 3)而導(dǎo)致的。在濁音語(yǔ)音段情況下，這個(gè)包絡(luò)是近似周期性的，并且重復(fù)率等于 音調(diào)頻率。
[0012] 在現(xiàn)有CIS策略中，僅包絡(luò)信號(hào)被用于進(jìn)一步處理，即，它們包含整個(gè)刺激信息。 對(duì)于每個(gè)信道，包絡(luò)被以恒定重復(fù)率表示為二相性脈沖的序列。CIS的特有特征是該重復(fù)率 (通常為1.5kpps)對(duì)于所有信道來(lái)說(shuō)相等并且不與單獨(dú)信道的中心頻率有關(guān)。意圖是，重 復(fù)率對(duì)于患者來(lái)說(shuō)不是時(shí)間線索，g卩，它應(yīng)該足夠高，使得患者不感知到具有等于重復(fù)率的 頻率的音調(diào)。重復(fù)率通常被選取在大于包絡(luò)信號(hào)的帶寬的兩倍（奈奎斯特定理）。
[0013] 發(fā)送精密時(shí)間結(jié)構(gòu)信息的另一耳蝸植入刺激策略是通過(guò)Med-El的精密結(jié)構(gòu)處 理（FSP)策略。經(jīng)帶通濾波的時(shí)間信號(hào)的零交叉被跟蹤，并且在每個(gè)負(fù)到正零交叉處開 始信道特定采樣序列（CSSS)。通常僅在前一個(gè)或兩個(gè)最頂端信道上施加覆蓋多達(dá)200Hz 或 330Hz 的頻率范圍的 SSS 序列。在 Hochmair I, Nopp P, Jolly C, Schmidt Μ, Schdfier H, Garnham C, Anderson I, MED-EL耳蝸植入物：State of the Art and a Glimpse into the Future, Trends in Amplification,第 10 卷，201-219, 2006 中進(jìn)一步描述了 FSP 裝置，其 通過(guò)引用并入本文。
[0014] 圖2示出了現(xiàn)有耳蝸植入物（Cl)系統(tǒng)典型的信號(hào)處理裝置中的主要功能塊，其中 包含刺激定時(shí)和振幅信息的帶通信號(hào)被分配給刺激電極。預(yù)處理器濾波器組201預(yù)處理初 始聲學(xué)音頻信號(hào)，例如，自動(dòng)增益控制、噪聲減小等。預(yù)處理器濾波器組201中的每個(gè)帶通 濾波器與音頻頻率的特定帶相關(guān)聯(lián)，使得聲學(xué)音頻信號(hào)被濾波成一些N個(gè)帶通信號(hào)&至~， 其中每個(gè)信號(hào)對(duì)應(yīng)于帶通濾波器中的一個(gè)的頻帶。
[0015] 帶通信號(hào)&至B屑輸入到刺激脈沖發(fā)生器202,所述刺激脈沖發(fā)生器202將信號(hào) 特定刺激信息（例如，包絡(luò)信息、相位信息、請(qǐng)求刺激時(shí)間的定時(shí)等）提取成一組N個(gè)刺激 事件?目號(hào)Sjlj SN，其表不電極特定請(qǐng)求刺激事件。例如，彳目道特定米樣序列（CSSS)可以用 作如美國(guó)專利6, 594, 525中所描述的那樣，其通過(guò)引用并入本文。
[0016] 脈沖映射模塊203對(duì)每個(gè)帶通包絡(luò)的振幅應(yīng)用非線性映射函數(shù)（通常為對(duì)數(shù)的）。 該映射函數(shù)通常適于單獨(dú)CI用戶在植入物的裝配期間的需要以便實(shí)現(xiàn)自然響度增長(zhǎng)。這 可以具有特定形式的函數(shù)，所述函數(shù)被應(yīng)用于反映患者特定感知特性的每個(gè)請(qǐng)求刺激事件 信號(hào)3 1至S N以產(chǎn)生提供聲信號(hào)的最佳電表示的一組電極刺激信號(hào)A 1至A M。
[0017] 脈沖映射模塊203控制響度映射函數(shù)。電脈沖的振幅是從所分配的帶通濾波器輸 出的包絡(luò)得到的。通?？梢匀珥懚扔成浜瘮?shù)那樣對(duì)刺激事件信號(hào)31至S 用具有形狀因 數(shù)C的對(duì)數(shù)函數(shù)，所述響度映射函數(shù)通?？缭剿袔ǚ治鲂诺蓝际窍嗤摹Ｔ诓煌南?統(tǒng)中，可以使用除對(duì)數(shù)函數(shù)以外的不同的特定響度映射函數(shù)，但是仍然對(duì)所有信道應(yīng)用僅 一個(gè)相同的函數(shù)以產(chǎn)生從脈沖映射模塊203輸出的電極刺激信號(hào)&至A m。
[0018] 患者特定刺激通過(guò)脈沖整形器204中的單獨(dú)振幅映射和脈沖形狀定義來(lái)實(shí)現(xiàn)，所 述脈沖整形器204將該組電極刺激信號(hào)&至A M發(fā)展成刺激相鄰神經(jīng)組織的植入電極陣列 中的電極的一組輸出電極脈沖E1至E M。
[0019] 背景噪聲削弱了助聽(tīng)器和耳蝸植入用戶的語(yǔ)音可懂度。根據(jù)Hernandez 等人，An Assessment Of Everyday Noises And Their Annoyance,Hearing Review, 2006, 13(7)，16-20(通過(guò)引用并入本文），可感覺(jué)背景噪聲的33%由諸如計(jì)算機(jī) 擊鍵、使勁關(guān)上門、盤咔嗒聲等的瞬變聲音形成，其中的全部都是討厭的并且減小收聽(tīng)舒 適（同樣見(jiàn)，德國(guó)專利DE 102005043314)。諸如來(lái)自Unitron Connect的AntiShock和 來(lái)自Siemenshave的SoundSmoothing的現(xiàn)有助聽(tīng)器中的瞬變?cè)肼暅p小算法已發(fā)現(xiàn)為在收 聽(tīng)體驗(yàn)上產(chǎn)生改進(jìn)。見(jiàn)通過(guò)引用并入本文、如doi:10. 1044/1059-0889(2011/10-0007)于 2011 年9月 22 日首次公布的DiGiovanni 等人，Effects of Transient-Noise Reduction Algorithms on Speech Intelligibility and Ratings of Hearing Aid Users，American Journal of Audiology。瞬變?cè)肼暅p小也是其它應(yīng)用所探尋的。例如，可以通過(guò)減小在輪 胎擊中障礙時(shí)創(chuàng)建的瞬變道路噪聲來(lái)改進(jìn)汽車乘客的聲音質(zhì)量。見(jiàn)通過(guò)引用并入本文的美 國(guó)專利7, 725, 315。同樣地，在渲染音頻數(shù)據(jù)的高端音頻設(shè)備中，修改像鼓錘擊打鼓這樣的 瞬變特征的可能性期望滿足音樂(lè)收聽(tīng)方面的不同個(gè)體偏好。見(jiàn)通過(guò)引用并入本文的美國(guó)專 利 7, 353, 169。
[0020] 在現(xiàn)有耳蝸植入物中，當(dāng)發(fā)生密集瞬變時(shí)雙前端自動(dòng)增益控制（AGC)的并入改進(jìn) 性能。見(jiàn)例如通過(guò)引用并入本文的Stdbich等人，Influence of Automatic Gain Control Parameter Settings on Speech Understanding of Cochlear Implant Users Employing the Continuous Interleaved Sampling Strategy, Ear&Hearing, 1999, 20, 104-116。然而 AGC增益的周期太長(zhǎng)而不能在瞬變開始時(shí)開始減小并且減小的量是不足夠的。
[0021] 瞬變信號(hào)由聲音信號(hào)的快速且陡峭的上升包絡(luò)來(lái)表征。因此在瞬變的發(fā)生期間， 包絡(luò)在短時(shí)間間隔內(nèi)有高得多的值。在德國(guó)專利DE102005043314中，考慮了聲音信號(hào)的包 絡(luò)的陡度和/或振幅。如果這些值中的一個(gè)或兩者超過(guò)特定閾值，則聲音信號(hào)衰減。
[0022] 在歐洲專利EP 1371263(通過(guò)引用并入本文）中，聲音信號(hào)被變換成頻域內(nèi)的K 個(gè)子信號(hào)。然后，對(duì)于每個(gè)子信號(hào)，計(jì)算了兩個(gè)或三個(gè)子指標(biāo)，其被用來(lái)將目前聲音信號(hào)分 類成類別"穩(wěn)態(tài)噪聲"、"準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)噪聲"、"期望語(yǔ)音和音樂(lè)"以及"瞬變?cè)肼?。這些子指標(biāo)分別 指代給定時(shí)間間隔期間的強(qiáng)度改變、調(diào)制頻率以及信號(hào)的非常相似的強(qiáng)度的持續(xù)時(shí)間。根 據(jù)經(jīng)分類的類別，計(jì)算了增益函數(shù)，其被用來(lái)在經(jīng)分類的類別"穩(wěn)態(tài)噪聲"或"準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)噪聲" 情況下增強(qiáng)SNR或者