光學耦合的耳蝸植入系統及方法

專利名稱：光學耦合的耳蝸植入系統及方法
技術領域：
本發明大體上涉及利用電極的組織刺激，并且更具體而言涉及用于聽力的耳蝸刺激。盡管對耳蝸植入進行了具體參考，但是本發明的實施例可以用于其中組織受到刺激的應用中，例如對肌肉、神經和神經組織的刺激,例如帕金森癥的治療。
背景技術：
用于刺激組織的現有裝置至少在某些情況下可能多少是侵入性的。用于刺激組織的裝置的一個示例是耳蝸植入(cochlea implant)，其可以用于刺激耳蝸的神經組織。用于耳蝸植入的至少某些現有裝置太過侵入性，而顯得不夠理想。例如，在至少某些情況下，耳蝸植入依賴于骨頭的切割而被切的骨頭至少需要一段時間才可以愈合，從而外科手術太過侵入性，而顯得不夠理想。此外，骨頭的切割至少在某些情況下可能導致骨頭的弱化。此外，至少在某些情況下，至少某些現有的耳蝸植入可能被移除而被切割的骨頭可能在骨頭中留下至少部分空洞。此外，與耳蝸植入相連的電路可能比理想的稍大。耳蝸植入與外部驅動器的耦合可能是稍微笨重的并且至少在某些情況下可能不夠理想。例如，現有的耳蝸植入可以通過發射器和接收器RF線圈配對來傳輸能量，但至少在某些情況下這些線圈的使用可能是稍嫌笨拙的而不夠理想。例如，線圈可能需要對準，并且盡管可以使用磁鐵配對來使RF線圈對準，但兩個磁鐵之一可能半永久地植入顳骨中，至少在某些情況下這樣可能多少是侵入性的。因為對于MRI機器而言，身體植入磁鐵是禁忌的，并且至少在某些情況下可能要在成像之前通過外科手術移除磁鐵。因為可以在18個月大的兒童以及成人中植入耳蝸植入，所以至少存在合理的可能性，即，至少在某些情況下，可能需要在MRI之前移除通過外科手術植入的磁鐵，并且在MRI之后重新植入耳蝸植入的第二工序。至少在某些情況下，現有的耳蝸植入中的至少某些可能產生較比理想情況差的感知聲音質量。例如，聲音定位提示信息允許人在嘈雜環境中定位聲音并且聆聽，而至少在某些情況下，現有的耳蝸植入裝置可能不提供自然聽力具有的聲音定位提示信息。此外，至少在某些情況下，利用至少某些耳蝸植入裝置產生的聲音可能聽起來至少稍有些失真。以以克服現有耳蝸植入裝置的至少某些現有缺點的方式利用電流來刺激組織將是有益的。理想地，這些裝置將具有較少侵入性并且提供具有聲音定位提示信息和較少失真以及在植入之后較少手術的改進的聽力。

發明內容
本發明大體上涉及采用電極的組織刺激，并且更具體而言涉及用于聽力的耳蝸刺激。盡管對耳蝸植入進行了具體參考，但是本發明的實施例可以用于其中組織受到刺激的許多應用，例如對肌肉、神經和神經組織的刺激，例如帕金森癥治療。本發明的實施例提供了采用電流刺激組織的裝置、系統和方法，這些裝置、系統和方法克服了與現有裝置相關聯的至少某些問題。例如，輸出組件的尺寸可以被定制成布置在中耳和內耳中，從而可以減少骨頭的移除。此外，輸出組件可以包括實質上非磁性材料，從而當植入了輸出組件時人可以經歷MRI成像。該輸出組件可以包括尺寸被定制成穿過耳膜中的切口的至少一個光探測器、多路分用器(demultiplexer)以及電極陣列。輸入換能器組件可以被配置成將多路復用光學信號傳輸至輸出組件。例如，輸入組件可以被配置成通過耳膜傳輸多路復用光學信號，從而可以減少組織移除并且可以在不移除骨頭的情況下植入裝置。多路復用光信號可以包括脈沖寬度調制信號，以便減少光源和光探測器的非線性效應并且為使用者提供優質的聲音。例如，脈沖寬度調制信號可以包括頻率在聽力頻率之上(例如在至少約20kHZ之上)的光學脈沖，從而耳蝸對脈沖進行解調并且傳輸至使用者的聲音信號的相位實質上得以維持。聲音可以包括對應于多個信道的多個頻率，并且可以針對每個信道確定一系列寬度調制脈沖。每個信道的寬度調制脈沖可以通過鼓膜以高頻率光學輸送，從而耳蝸將高頻脈沖解調為具有振幅和相位得以維持的、使用者可感知的聲音 在第一方面，本發明的實施例提供了一種刺激組織的方法。傳輸多路復用光學信號以便刺激該組織。在另一方面，本發明的實施例提供了一種將聲音傳輸至使用者的耳蝸的方法，使用者具有組織，該方法包括通過使用者的組織傳輸多路復用光學信號，從而使得使用者響應于通過組織傳輸的多路復用光學信號而聽到聲音。在許多實施例中，組織包括耳膜的組織。在許多實施例中，將多路復用光學信號傳輸至由中耳支撐的光學結構，該光學結構被配置成分離多路復用信號的波長以刺激耳蝸。在許多實施例中，該光學結構固定至中耳。該光學結構的尺寸可以被定制成穿過耳膜中的切口以便布置在中耳的腔中。在許多實施例中，該光學結構包括以下各項中的至少一個光學濾波器、光纖、光柵、標準具、多個光纖、波導、多個波導、反射鏡或棱鏡。在許多實施例中，多路復用光學信號包括多個信道，多個信道的每一個信道對應于聲音的至少一個頻率。在許多實施例中，多個信道對應于至少約十六個信道并且至少一個頻率對應于至少約十六個頻率。在許多實施例中，多路復用光學信號利用多個光源傳輸通過耳膜，每個光源被配置成傳輸對應于多個信道的信道的光信號，從而光源對應于聲音的至少一個頻率。多個光源可以包括至少三個光源，并且至少三個光源的每一個光源被配置成發射分離的光波長。在許多實施例中，多個信道的每一個信道對應于電極配對，并且第一電流響應于第一寬度調制光脈沖而在該電極配對之間傳播，以及第二電流響應于第二寬度調制光脈沖而在該電極配對之間傳播。第一電流與第二電流相反。第一電流具有對應于第一脈沖的第一寬度的第一量，并且第二電流具有對應于第二脈沖的第二寬度的第二量。第一脈沖的寬度對應于第二脈沖的寬度，以便抑制整流并且平衡在第一電極和第二電極之間的電荷轉移。在許多實施例中，第一光脈沖包括耦合至第一探測器的第一光波長，并且第二光脈沖包括耦合至第二探測器的第二光波長。在許多實施例中，多路復用光學信號通過使用者的耳膜傳輸至至少一個光電探測器，并且至少一個光電探測器固定至中耳并且耦合至至少部分地位于耳蝸內的電極陣列。至少一個光電探測器和至少一個電極陣列的尺寸可以被定制成穿過耳膜中的切口。在許多實施例中，多路復用光學信號包括波長多路復用光學信號，該波長多路復用光學信號包括多個波長，從而使得每個波長對應于陣列的電極。多個波長的每一個波長可以對應于陣列的電極。在許多實施例中，至少一個光電探測器包括多個光電探測器，并且多個光電探測器的每一個光電探測器耦合至陣列的對應電極和多個波長的對應波長，從而組織刺激電流響應于組織刺激波長而流過電極。在許多實施例中，光學結構位于使用者的中耳中以分離對應于每個探測器的波長，并且從而對應于每個探測器的每個經分離的波長基于波長而傳輸至所述每個探測器。在許多實施例中，多個光濾波器位于使用者的中耳中，并且波長利用光學濾波器來分離，其中每個光學濾波器位于一個探測器上方并且被配置成使對應于耦合至所述一個探測器的電極波長通過。在許多實施例中，光柵被配置成選擇每個探測器的波長以對應于每個電極。在許多實施例中，多路復用光學信號包括時分多路復用信號。時分多路復用信號可以包括多個時隙，其中多個時隙的每一個時隙對應于陣列的電極。時分多路復用信號可以包括多個時隙和時鐘信號，并且電路可以耦合至至少一個光電探測器和電極陣列以便接收時鐘信號并且在陣列的電極之中劃分時分多路復用信號，從而使得每個時隙對應于陣列的至少一個電極。在許多實施例中，每個時隙對應于聲音的至少一個頻率，從而電流響應于多路復用信號的對應于時隙的部分而流過每個電極。時分多路復用信號可以是脈沖寬度調制的，從而使得多個時隙的每一個時隙包括光脈沖，該光脈沖具有對應于流經對應于所述時隙的電極的電流的持續時間。在許多實施例中，多路復用光學信號傳輸至延伸進耳蝸的至少一個光纖。至少一個光纖的尺寸可以被定制成穿過中耳中的切口。該至少一個光纖可以包括延伸進耳蝸的多個光纖，每個光纖對應于聲音的至少一個頻率。每個光纖可以被配置成響應于聲音的至少一個頻率，在對應于對應頻率范圍的、耳蝸預定位置處刺激耳蝸。在許多實施例中，多路復用光學信號通過耳膜中的開口或窗口中的至少一個來傳 輸。在許多實施例中，電極陣列、至少一個光電探測器以及多路分用器包括被配置成當植入使用者中時用于MRI成像的實質上非磁性材料。
在許多實施例中，聲音包括相位，并且光學信號包括以至少約IOkHz頻率傳輸的寬度調制光脈沖。每個光脈沖在耳蝸內產生電流，從而耳蝸對光脈沖進行解調并且聲音的相位得以維持。
在許多實施例中，寬度調制光脈沖包括針對每個信道的一系列寬度調制脈沖，并且其中所述每個信道的一系列寬度調制脈沖包括至少約IOkHz的頻率以便當使用者聽到聲音時維持聲音的相位。所述每個一系列寬度調制脈沖的頻率可以包括至少約20kHz以便當使用者聽到聲音時維持聲音的相位。多個信道可以包括至少約八個信道并且寬度調制光脈沖的頻率包括至少約160kHz。在許多實施例中，每個信道的一系列寬度調制脈沖的脈沖被組合以形成脈沖分組的序列，每個脈沖分組包括來自每個一系列寬度調制脈沖的一個脈沖。在許多實施例中，至少一個光電探測器位于中耳腔中，以便通過耳膜的后端部分接收多路復用光學信號。在另一方面，本發明的實施例提供了一種刺激組織的系統。多個電極被配置成至少部分地布置在組織內。電路被配置成從源接收信號。至少一個光源耦合至電路并且被配置成發射包括多個光脈沖的多路復用光學信號。至少一個光電探測器被配置成接收多路復用光學信號并且響應于光脈沖使電流傳遞通過電極以刺激組織。在另一方面，本發明的實施例提供了一種將音頻信號傳輸至使用者的系統。電極陣列包括被配置成至少部分地布置在使用者耳蝸內的多個電極。電路被配置成從聲音源接收音頻信號。至少一個光源耦合至電路并且被配置成發射包括多個光脈沖的多路復用光學信號。至少一個探測器被配置成接收多路復用光學信號并且響應于光脈沖使使電流傳遞通過電極。在許多實施例中，電路被配置成確定多個光脈沖的寬度，并且其中每個光脈沖對應于陣列的電極并且所述每個光脈沖的寬度對應于流經陣列的對應電極的電流量。在許多實施例中，電路被配置成確定音頻信號的頻率，并且其中，頻率對應于陣列的電極并且其中電路被配置成響應于頻率的一個或多個確定每個脈沖的寬度。在許多實施例中，至少一個光源包括多個光源，并且其中每個光源對應于陣列的一個電極。多個光源的每一個光源可以被配置成發射包括基本上與多個光源的其他光源的波長分離的波長的光。在許多實施例中，多個光源包括至少三個光源并且電極陣列包括至少三個電極，并且至少三個光源的每一個光源對應于陣列的至少三個電極的一個電極。至少三個光源的每一個光源可以被配置成發射包括基本上與至少三個光源的其他光源分離的波長的光，并且每個光源的波長對應于至少三個電極的一個電極。在許多實施例中，至少一個探測器包括多個探測器，并且多個探測器的每一個探測器對應于陣列的一個電極。在許多實施例中，多個光探測器包括至少三個光探測器，并且電極陣列包括至少三個電極，并且至少三個光探測器的每一個光探測器對應于陣列的至少三個電極的一個電極。在許多實施例中，光學結構被配置成接收多路復用光學信號，該光學結構被配置成布置在中耳中，該光學結構被配置成選擇多路復用信號的波長。所述光學結構的尺寸可以被定制成穿過耳膜中的切口以便布置在中耳中，并且電極陣列的尺寸被定制成穿過耳蝸的圓窗至少部分地布置在耳蝸內。在許多實施例中，光學結構包括以下各項中的至少一個光纖、光柵、標準具、多個光纖或棱鏡。
在許多實施例中，多路復用光學信號包括多個光學信道，多個光學信道的每一個光學信道對應于聲音的至少一個頻率。多個光學信道可以對應于至少約十六個信道并且所述至少一個頻率對應于至少約十六個頻率。伸長的光學傳輸結構被配置成至少部分地布置在使用者的耳道內，并且該伸長的光學傳輸結構被配置成通過耳膜傳輸多路復用光學信號。在許多實施例中，多路復用光學信號通過使用者的耳膜傳輸至至少一個光電探測器，其中至少一個光電探測器固定至中耳并且耦合至至少部分地位于耳蝸內的電極陣列。在許多實施例中，至少一個光電探測器和電極陣列的尺寸被定制成穿過耳膜中的切口。在許多實施例中，多路復用光學信號包括波長多路復用光學信號，該波長多路復用光學信號包括多個波長，從而每個波長對應于陣列的電極。多個波長的每一個波長可以對應于陣列的電極。多個波長可以包括至少三個波長，并且其中多個電極包括至少三個電極，并且其中多個波長的每一個波長對應于至少三個電極的一個電極。在許多實施例中，電路被配置成傳輸一系列光脈沖以與陣列的電極相對應。在許多實施例中，一系列光脈沖包括多個脈沖，并且其中多個脈沖的每一個脈沖對應于多個電極的一個電極。在許多實施例中，多個電極包括至少三個電極，并且其中一系列光脈沖包括至少三個脈沖，并且其中至少三個脈沖的每一個脈沖對應于至少三個電極的一個電極。在許多實施例中，一系列光脈沖包括定時脈沖。定時脈沖可以包括基本固定的寬度，并且其中定時脈沖包括向耦合至多個電極的電路供電的能量。開關電路可以耦合至至少一個探測器以響應于定時脈沖將多個電極的每一個電極順序地耦合至至少一個探測器，從而一系列脈沖的每一個脈沖對應于多個電極的一個電極。一系列脈沖可以包括脈沖的預定順序和定時，并且開關電路可以包括耦合至開關的定時器以與一系列脈沖一致地使開關斷開和閉合。在許多實施例中，一系列脈沖包括至少三個脈沖，并且其中開關電路被配置成將至少一個探測器順序地耦合至至少三個電極的每一個電極，從而一系列脈沖的每一個脈沖對應于多個電極的一個電極。在許多實施例中，電極陣列、至少一個光電探測器以及多路分用器包括當植入使用者中時配置用于MRI成像的實質上非磁性材料。在許多實施例中，多個信道的每一個信道對應于電極配對，并且其中第一電流響應于第一寬度調制光脈沖而在所述電極配對之間傳播，以及第二電流響應于第二寬度調制光脈沖而在所述電極配對之間傳播，第一電流與第二電流相反，第一電流具有對應于第一脈沖的第一寬度的第一量并且第二電流具有對應于第二脈沖的第二寬度的第二量，并且第一脈沖的寬度對應于第二脈沖的寬度以便抑制整流并且平衡在第一電極和第二電極之間的電荷轉移。
在許多實施例中，第一光脈沖包括耦合至第一探測器的第一光波長，該第一探測器耦合至所述電極配對，并且第二光脈沖包括耦合至第二探測器的第二光波長，該第二探測器耦合至所述電極配對。第一探測器與第二探測器相對地耦合至所述電極配對。每個信道可以對應于電極配對，并且與第二探測器相對地耦合至電極配對的第一探測器，例如至少約8個信道對應于耦合了 16個探測器的8個電極配對。在許多實施例中，聲音包括相位，并且其中光學信號包括以至少約IOkHz頻率傳輸的寬度調制光脈沖，并且其中每個光脈沖在耳蝸內產生電流，從而耳蝸對光脈沖進行解調并且聲音的相位得以維持。寬度調制光脈沖可以包括針對每個信道的一系列寬度調制脈沖，并且所述每個信道的一系列寬度調制脈沖包括至少約IOkHz的頻率以當使用者聽到聲音時維持聲音的相位。在許多實施例中，所述每個一系列寬度調制脈沖的頻率包括至少約20kHz以當使用者聽到聲音時維持聲音的相位。 在許多實施例中，多個信道包括至少約八個信道并且寬度調制光脈沖的頻率包括至少約160kHz。在許多實施例中，每個信道的一系列寬度調制脈沖的脈沖被組合以形成脈沖分組的序列，每個脈沖分組包括來自每個一系列寬度調制脈沖的一個脈沖。在另一方面，本發明的實施例提供了一種為使用者提供聽力彌補的方法。在使用者的耳膜中形成切口，其中耳膜包括環帶。使電極陣列、至少一個光電探測器以及多路分用器穿過該切口。例如，輸出組件可以包括電極陣列、至少一個光電探測器和多路分用器，并且該輸出組件可以穿過切口。在許多實施例中，切口至少部分地延伸穿過環帶。在許多實施例中，耳膜位于耳道一側以使電極陣列、多路分用器和至少一個光電探測器穿過切口。在許多實施例中，至少一個探測器和多路分用器固定至使用者的中耳。在許多實施例中，電極陣列被定位成至少部分地穿過圓窗，并且其中至少一個探測器和多路分用器位于使用者的中耳內。在許多實施例中，至少一個探測器和多路分用器固定至使用者的中耳。在許多實施例中，至少一個光電探測器包括至少三個光電探測器。在許多實施例中，多路分用器包括光學多路分用器。光學多路分用器可以包括至少三個濾波器以分離至少三個光波長。在許多實施例中，多路分用器包括開關電路和定時器。在許多實施例中，穿過切口的電極陣列、至少一個光電探測器以及多路分用器包括被配置用于MRI成像的實質上非磁性材料。在許多實施例中，至少一個光電探測器位于中耳腔中，以接收傳輸通過耳膜的后端部分的光能。在另一方面，本發明的實施例提供了一種刺激組織的裝置。該裝置包括用于產生多路復用光學信號的裝置，以及用于響應于該光學信號刺激組織的裝置。用于產生光學信號的裝置可以包括用于產生如本文所述的多路復用光學信號的輸入組件的一個或多個結構，并且用于刺激組織的裝置可以包括具有如本文所述的相應功能的輸出組件的一個或多個結構。



圖IA顯示了依照本發明實施例的包括耳后單元的光學耦合耳蝸植入系統；圖IAl顯示了依照本發明實施例的包括耳道模塊的光學耦合耳蝸植入系統；圖1A2顯示了依照實施例的光學耦合輸出換能器組件，如利用內側視圖從耳道向中耳腔看去可見的，該光學耦合輸出換能器組件具有位于中耳腔內以通過耳膜的后端部分光學地耦合的光電探測器以及穿過圓窗延伸進耳蝸的電極陣列；圖IB顯示了依照本發明實施例的、被配置成發射多路復用光學信號的輸入換能器組件；圖2A顯示了依照本發明實施例的、被配置成發射波長多路復用光學信號的輸入換能器組件；圖2A1顯示了包括如圖2A中的波長多路復用光學信號的分離光波長的光學脈沖；圖2A2顯示了配置成波長多路復用如圖2A所示的具有分離波長的多個光源的光的光學多路復用器；圖2B顯示了包括配置成與如圖2A中的輸入換能器組件耦合的光學多路分用器的輸出換能器組件；圖2C顯示了依照實施例的、包括光學多路分用器的輸出換能器組件，其中光學多路分用器包括光學濾波器和探測器陣列；圖2C1顯示了依照實施例的、圖2C的輸出換能器組件的信道的電路，以便響應于包括第一波長的第一光脈沖和包括第二波長的第二光脈沖提供至少雙相的脈沖；圖3A顯示了依照本發明實施例的、被配置成發射時間多路復用光學信號的輸入換能器組件；圖3A1顯示了包括如圖3A中的時間多路復用光學信號的一系列脈沖的光學脈沖；圖3A2顯示了如圖3A中的時間多路復用光學信號的一系列光學脈沖的時鐘脈沖；圖3B顯示了被配置成與如圖3A中的輸入換能器組件一起使用的輸出換能器組件；圖4顯示了依照實施例的三相脈沖寬度調制脈沖；圖5A顯示了依照實施例的、具有帶通濾波以及脈沖寬度調制的信號至信道轉換，以便在具有耳蝸的高頻刺激的信道之間基本上維持音頻信號的相位；圖5B顯示了用于高頻刺激耳蝸的信道的脈沖，以便維持如圖5A中音頻信號的相位；以及圖6顯示了依照實施例的、用于確定通過鼓膜的光學傳輸的實驗設置。
具體實施例方式本發明大體上涉及利用電極的組織刺激，并且更具體而言涉及用于聽力的耳蝸刺激。盡管對耳蝸植入進行了具體參考，但是本發明的實施例可以用于其中組織受到刺激的許多應用，例如對肌肉、神經和神經組織的刺激，例如帕金森癥的治療。本文使用的光包括紅外光、可見光和紫外光。圖IA顯示了光學耦合耳蝸植入系統10，其包括輸入換能器組件20和輸出組件30。輸入換能器組件20可以包括耳后單元(以下簡稱“BTE”)。BTE單元可以位于使用者的耳廓P的后方，以便減小BTE單元的可見度。BTE單元可以容納用于處理和輸入信號的電子裝置。輸入換能器，例如話筒22，耦合至BTE單元并且可以將音頻信號傳輸至BTE單元。BTE可以將輸入信號轉換成多路復用光學信號XM。BTE單元可以容納光源，該光源可以耦合至光學傳輸結構12以發射多路復用光學信號X M。光傳輸結構12可以從BTE延伸進入耳道EC。光傳輸結構12可以支撐話筒22。話筒22可以位于許多位置中，例如位于耳道內或者在耳道開口附近以探測聲音定位提示信息。可選地，話筒可以位于耳道上。輸入換能 器可以包括位于BTE單元上的第二話筒以消除噪音。聲音輸入可以包括來自藍牙連接的聲音，并且BTE可以包括與例如手機耦合的電路。輸出組件30被配置成布置在使用者的中耳以及內耳中。輸出組件30包括被配置成接收多路復用光學信號的至少一個探測器34。輸出組件包括耦合至至少一個探測器34的電極陣列32，以便響應于多路復用光學信號Xm刺激耳蝸。電極陣列包括多個電極32E，例如16個電極配對。輸出組件30可以包括耦合至至少一個探測器的多路分用器，以多路分用光學信號。多路復用光學信號可以包括例如時間多路復用光學信號或波長多路復用光學信號。多路分用器包括用來多路分用光學信號并且刺激耳蝸組織的結構。多路分用器可以被配置成將多路復用光學信號的脈沖與陣列的電極耦合，從而多路復用光學信號的脈沖對應于陣列的電極。輸出組件30可以包括許多已知的生物相容的并且實質上非磁性材料，從而輸出組件30被配置成以當植入患者體內時用于與MRI成像一起使用。例如，電極陣列32可以包括實質非磁性導電材料，例如鉬、鈦、Ni或鎳鈦諾(NiTinol)的至少一個。電極陣列可以包括生物相容的實質上非磁性外殼材料,例如硅樹脂高彈體(elastomer)、生物相容的塑料或水凝膠(hydrogel)的至少一個。可以以許多方式配置電極陣列32E和至少一個光電探測器34以刺激耳蝸。例如，電極可以耦合至用于單相脈沖的光電探測器。電極陣列可以包括雙相脈沖，其具有對應于沿第一方向的第一電流的第一脈沖，以及對應于沿第二方向的第二電流的第二脈沖。對應于第一方向的第一脈沖的光能可以包括第一光能量，并且對應于第二方向的第二光脈沖可以包括第二光能量，并且例如，第一光能量和第二光能量可以基本相似，以便減少電極的累積放電和/或以便抑制整流和電極間的電荷轉移。電極陣列的相應電路可以被配置成傳輸音頻信號并且以多種類型的脈沖刺激耳蝸，例如三相脈沖。每個信道的光脈沖可以包括脈沖寬度調制的光脈沖的配對，其具有對應于電極配對的第一極性的第一寬度調制光脈沖，以及與第一光脈沖極性相反的、對應于電極配對的第二極性的第二寬度調制光脈沖。例如，第一寬度調制光脈沖可以具有第一波長，并且第二寬度調制光脈沖可以具有第二波長。圖IAl顯示了包括耳道模塊(以下簡稱“ECM”)的光學耦合耳蝸植入系統。ECM可以包括BTE單元的許多部件，并且反之亦然。可以從使用者的耳道EC的模型來成型ECM。電路(CR)可以耦合至話筒22。該電路可以包括聲音處理器。ECM可以包括被配置成存儲電能的能量存儲裝置PS。該存儲裝置可以包括許多已知的存儲裝置，例如電池、可再充電電池、電容器、超級電容器或電化學雙層電容器(EDLC)的至少一個。例如再充電或當使用者睡眠時，ECM可以被移除。ECM可以包括通道29以使空氣通過以便減少閉塞(occlusion)。盡管空氣穿過通道29，但是由于耳蝸的電和非聲音刺激，基本上不存在反饋。能量存儲裝置PS可以包括可以以許多方式再充電的可再充電能量存儲裝置。例如，可以使用耦合至用于快速充電的超級電容器的連接器中的插頭來使能量存儲裝置充電。可選地，可以利用感應線圈或光電探測器PV來使能量存儲裝置充電。光電探測器PV可以位于ECM的近端，從而光電探測器暴露于進入耳道EC的光。光電探測器PV可以耦合至能量存儲裝置PS以便使能量存儲裝置PS充電。光電探測器可以包括許多探測器，例如上面所述的黑色硅樹脂。可以僅僅為了便利提供可再充電的能量存儲裝置，這是因為能量存儲裝置PS可以包括當ECM被從耳道移除時使用者可以替換的電池光電探測器PV可以包括至少一種光伏材料，例如晶體硅、非晶硅、微晶硅、黑硅、締化鎘、銅銦鎵硒(copper indium gallium selenide)等等。在一些實施例中，光電探測器PV可以包括黑硅，例如在美國專利號7，354，792和7，390, 689中描述過并且可以從馬薩諸塞州的貝弗莉(Beverly)的SiOnyx公司獲得。黑硅可以包括采用半導體工藝制造的淺結光電元件，其中該半導體工藝利用了在由高強度激光照射的材料中發生的原子層改變，該高強度激光例如是將目標半導體暴露于短至10_15秒的高強度脈沖的飛秒激光。經受這些劇烈局部能量事件的晶體材料可以發生形變，從而導致原子結構瞬間無序，并且當襯底重結晶時“鎖定”了新的化合物。當施加至硅時，結果可以是高摻雜的、光學不透明的淺結界面，其對于光的靈敏度是傳統半導體材料的數倍。用于聽力裝置的光伏換能器也在名稱為 “Optical Electro-Mechanical Hearing Devices With Combined Power andSignal Architectures”的美國申請 61/073，271 (律師簽號 026166-001800US)以及名稱為“Optical Electro-Mechanical Hearing Devices with Separate Power and Signal，，的美國申請61/073，281(律師簽號026166-001900US)中詳細描述，以上申請的全部內容先前已通過引用并入于此，并且依照本文所述的一些實施例它們可能適用于組合。BTE可以包括ECM的許多部件，例如如上所述的光電探測器PV、能量存儲裝置PS、處理器以及電路。圖1A2顯示了光學耦合的輸出換能器組件30，如當利用內側視圖從耳道穿過耳膜TM向中耳腔看去可見的，其具有位于中耳腔中以通過耳膜TM的后端部分光學耦合的至少一個光電探測器34，以及穿過圓窗RW延伸進入耳蝸的電極陣列32E。輸出組件30例如利用附著結構36位于隆突PR上，從而至少一個光電探測器34被定向成接收傳輸通過耳膜TM的后端部分的光能。當光能傳輸通過耳膜并且利用電極陣列32E刺激耳蝸時，至少一個光電探測器34的位置和定向可以基本保持固定。因此，光學耦合，即入射在至少一個光電探測器34上的光能的傳輸效率基本保持為常數，從而基本上抑制了由于至少一個光電探測器的移動所導致的聲學失真。例如，至少一個光電探測器可以包括至少一個光電探測器PV,如上所述，其穿過耳膜TM是可見的，從而光可以從耳道EC通過耳膜TM傳輸以便利用光通過耳膜TM來傳輸能量和信號。例如，光能可以通過耳膜的后端部分傳輸，例如通過后端/下端部分，以便增大耦合效率，例如下文所述。圖IB顯示了被配置成發射多路復用光學信號的輸入換能器組件20。輸入換能器組件的部件可以容納在BTE單元或ECM中，或者在它們的組合中。話筒22耦合至聲音處理器。聲音處理器可以包括許多商業可得的聲音處理器的一個或多個。聲音處理器包括有形介質，以存儲包含在其中的計算機程序的指令。聲音處理器可以包括或耦合至多頻帶頻率到信道轉換器。頻率到信道轉換器可以將音頻信號的頻率轉換為對應于電刺激的耳蝸位置的經濾波的聲音信道，從而使用者感知到音頻信號的聲音。對于每個信道的濾波器可以包括帶通濾波器，從而每個信道的頻率對應于一個頻率范圍以刺激沿著耳蝸長度方向的區域。輸入組件的電路可以包括脈沖寬度調制(以下簡稱“PWM”)電路。PWM電路可以被配置成確定對應于陣列的電極的每個光學脈沖的寬度。可以響應于耦合至光學脈沖的電極的、聲音的頻率來確定光學脈沖的寬度。例如，可以利用E -A (Sigma-Delta)脈沖寬度調制來確定針對每個信道的光學脈沖的寬度，盡管可以利用許多脈沖寬度調制實施例。多路復用器MUX和發射器可以耦合至PWM電路。發射器包括至少一個光源。至少一個光源發射具有由PWM電路確定的持續時間的光脈沖。脈沖的寬度指脈沖的持續時間。利用串行多路復用技術，至少一個光源可以包括單個光源，并且通過多路復用器來確定脈沖的定時。利用光學多路復用技術，至少一個光源包括多個光源，例如至少三個光源。多個光源可以被配置成基本上同時發射光脈沖。可選地，多個光源可以被配置成順序地發射光脈沖以便減小多個光源的峰值功耗。發射器耦合至光學傳輸結構12。光學傳輸結構可以包括光纖、多個光纖、ECM中的窗口或開口。從光學傳輸結構12朝向組織傳輸多路復用光，組織例如為耳膜TM的組織，盡管可以通過其他組織傳輸光，其他組織例如為形成在骨頭中以傳輸光的骨頭開口。圖2A顯示了被配置成發射波長多路復用光學信號的輸入換能器組件20。聲音處理器可以確定音頻信號的頻率。可以采用頻率到波長(頻率到入)轉換器將多頻帶經濾波的音頻信號轉換為電極陣列的信道和對應的波長。對于多個波長，例如至少三個波長，確定針對每個波長的每個脈沖的寬度。盡管顯示了十六個波長，但是可以刺激更多個信道，例如達到32個。多個光源包括被配置成發射第一波長\ I的第一光源、被配置成發射第二波長
入2的第二光源、被配置成發射第三波長\ 3的第三光源......被配置成發射第十六波長
A 16的第十六光源。來自每個光源的光被發射至光學多路復用器。光學多路復用器可以包括許多已知的光學多路復用方法。例如，光學多路復用器可以包括以下各項中的至少一個光柵、標準具、棱鏡、光纖、波導、納米結構或多個光纖。可以以許多方式配置聲音處理器，例如如上所述，并且聲音處理器可以包括多個帶通濾波器BPF以確定每個信道的音頻信號。例如，多頻帶經濾波的音頻信號可以包括多個經帶通濾波的音頻信號，其中每個經帶通濾波的音頻信號具有對應的信道，從而信道傳輸用的信號包括經帶通濾波的信道。針對每個信道的帶通濾波器可以包括一個或多個數字帶通濾波器或模擬帶通濾波器。例如，聲音處理器可以包括具有包含在其上的計算機程序指令的有形介質，以便對聲音信號進行帶通濾波以確定針對每個信道的信號，從而每個信道包括對應于信道的頻率的經數字濾波的頻帶。輸入換能器組件20的多個帶通濾波器BPF 可以包括聲音處理器的部件，例如音處理器的子處理器或聲子例程。可選地或者組合的，多個帶通濾波器BPF可以包括例如專用處理器的獨立電路。圖2A1顯示了包括如圖2A中的波長多路復用光學信號的分離光波長的光學脈沖。第一脈沖P I包括第一光波長和第一寬度Wl。第二脈沖P2包括第二光波長和第二寬度。第三脈沖P3包括第三光波長和第三寬度。第四脈沖P4包括第四光波長和第四寬度。可以傳輸額外的脈沖，例如總數16個或更多。盡管可以同時傳輸光脈沖，但是可以順序地傳輸光脈沖以便減小峰值功耗，例如參照下文的圖3A1所述的。每個脈沖包括基本分離的光脈沖，從而可以利用多路分用器來分離脈沖以便對應于陣列的一個電極、或陣列的電極配對。每個光源的波長可能包括激光的波長，其中激光的波長對應于激光光束的帶寬。 圖2A2顯示了光學多路復用器，其被配置成使如圖2A和圖2A1中的具有分離波長的多個光源的光多路復用。來自光源的光可以朝向例如光柵的光學結構發射，并且采用光學傳輸結構12來組合。多路復用信號可以沿著光學傳輸結構12朝向輸出組件30傳播。多路復用光學信號的針對每個信道的光可以從每個光源順序地發射，以便減小光源的峰值功耗。例如，第一光源可以發射分組的第一光脈沖，隨后通過第二光源發射分組的第二光脈沖，直至對應于一個信道的每個光源已發射了分組的對應的脈沖寬度調制光信號。在許多實施例中，當光學多路復用器的其他光源不發射光時，每個光源發射激光。因此光源的串行使用可以確保能量存儲裝置可以為每個光源提供足夠的電能。圖2B顯示了被配置成與如圖2A中的輸入換能器組件耦合的輸出換能器組件。輸出換能器組件包括被配置成接收多路復用光學信號的至少一個探測器34。至少一個探測器可以包括多個探測器，例如第一光電探測器roi、第二光電探測器TO2、第三光電探測器
PD3......以及第十六光電探測器P16。可以使用額外的或更少的光電探測器，并且可以包
括如上所述的許多已知材料。可以布置光學多路復用器以接收多路復用信號束并且分離多路復用光學信號。光學多路分用器可以包括許多已知的光學元件，例如如上所述的棱鏡、光柵、反射鏡、光纖、波導、納米結構等等。多路復用光學信號可以通過組織傳輸。例如，可以通過使用者的耳膜TM傳輸多路復用光學信號。可選地或者組合的，多路復用光學信號可以通過形成在耳膜中的窗口 Wl或形成在耳膜中的開口來傳輸。窗口可以有助于維持多路復用光學信號的相干性和波陣面(wavefront)特性。但是，許多實施例未包括耳膜中的這些結構。圖2C顯示了包括光學多路分用器的輸出換能器組件30，光學多路分用器包括光纖和探測器陣列。至少一個探測器34可以包括探測器陣列。探測器陣列包括第一探測器
roi、第二探測器TO2、第三探測器TO3......以及第十六探測器roi6。陣列中可以包括額
外的或更少的探測器，例如32個探測器。光學多路復用器可以包括光學濾波器，光學濾波器位于每個探測器前面以過濾傳輸至每個探測器的光。光學多路復用器可以包括第一光學
濾波器F1、第二光學濾波器F2、第三光學濾波器F3......以及第十六光學濾波器F16。這
種配置可以將光分離進傳輸至每個探測器的信道。例如，每個濾波器可以傳輸基本上與由其他濾波器傳輸的光波長分離的光波長。電極陣列包括第一電極E1、第二電極E2、第三電極E3......以及第十六電極E16。每個電極可以包括電極配對，例如16個電極配對。每個探測器耦合至電極陣列的對應的電極。第一探測器PDl耦合至第一電極El以便包括第一信道。第二探測器PD2耦合至第二電極E2以便包括第二信道。第三探測器PD3耦合至第三電極E3以便包括第三信道。輸出組件可以包括額外的信道。例如，第十六探測器HH6耦合至第十六電極E16以便包括第十六信道。可以提供額外的或更少的信道。由于利用電極32E電刺激耳蝸產生的音量的感知可以取決于許多因素，包括耳蝸位置、脈沖寬度(持續時間)以及脈沖高度(強度)。例如對于50us的脈沖而言，對于非常響亮的聲音，電流可以高達200uA。對于輕柔的聲音，僅IOuA的脈沖就可以足夠了。增大脈沖的寬度可以減小所需的電流振幅。
可以采用4_2的探測器來配置光電探測器以產生超過ImA的電流。示例包括Si探測器和InGaAs探測器。對于連接至對應的探測器的多個電極，可以基于探測器面積、脈沖寬度、探測器效率以及探測器上光束強度來產生足夠的電流。基于在此所述的教導，本領域技術人員可以經驗地確定光電探測器的尺寸、光脈沖的強度和持續時間，以提供從輕柔到響亮的聲音的全頻譜。可以對聽覺神經的刺激進行低通濾波，從而每個脈沖的上升時間不太關鍵。每個電極的編碼可以包括一種或多種編碼類型，例如D類放大器編碼。可以以許多方式來配置電極陣列32E和至少一個光電探測器34，以采用單相脈沖或雙相脈沖刺激耳蝸。例如，利用被配置用于雙相脈沖的16個電極配對，探測器可以包括對應于32個探測器的16個電極配對。例如，每個電極配對可以耦合至兩個光電探測器，其中這兩個光電探測器以相反極性耦合至電極，從而至第一探測器的第一光脈沖在電極之間產生沿第一方向的第一電流，并且至第二探測器的第二光脈沖在兩個電極之間產生沿與第一電流相反的方向的第二電流。電極陣列的電路可以被配置成輸送例如三相脈沖。三相脈沖可以包括第一極性的第一電流脈沖、第一極性的第二電流脈沖以及第二負極性的第三電流脈沖，其中利用第一電流脈沖和第二電流脈沖輸送的電荷接近于利用第三電流脈沖輸送的電荷，從而利用三個脈沖輸送的總電荷近似地平衡。至少雙相光脈沖可以平衡傳輸的電荷量，以便減小每個電極配對的電荷積累。圖2C1顯示了圖2C的輸出換能器組件的信道的電路，以便響應于包括第一波長的第一光脈沖和包括第二波長的第二光脈沖提供至少雙相脈沖。第一信道Cl可以包括和/或對應于第一光電探測器配對以及第一電極配對，其中第一光電探測器配對包括第一光電探測器PDl和第二光電探測器^)2,第一電極配對包括第一電極El和第二電極E2。第一光電探測器PDl可以以第一極性耦合至電極El和電極E2，并且第二光電探測器PD2可以以與第一極性相反的第二極性稱合至電極El和電極E2,從而包括第一電極和第二電極的雙極配置。第一波長X I的第一光脈沖Pl可以在電極El和電極E2之間產生沿第一方向的電流，并且第二波長X 2的第二光脈沖P2可以在電極El和電極E2之間產生沿與第一方向相反的第二方向的電流。光脈沖寬度的尺寸可以被定制以便平衡在電極之間的電荷并且抑制電荷轉移(例如整流)。可以利用額外的電極提供額外的信道。例如，可以采用8個電極配對來提供8個信道，該8個電極配對包括雙極配置的16個電極，并且例如可以響應于16個光波長產生電流。例如可以提供額外的或更少的信道以及對應的電極和探測器。光電探測器陣列可以包括具有第一陣列的第一層和具有第二陣列的第二層。第一光波長可以由第一陣列吸收，并且第二光波長傳輸通過第一陣列并且由第二陣列吸收，從而可以減小第一陣列和第二陣列的組合陣列。具有合適特性的探測器材料的示例在2009年 6 月 17 日提交的題為“Optical Electro-Mechanical Hearing Devices With CombinedPower and Signal Architectures”的共同未決美國申請號12/486，100中描述,該申請的全部內容通過引用并入于此。堆疊布置的探測器陣列可以位于輸出換能器組件上，并且可以為探測到的每個光輸出信號提供更大的表面積。例如，探測器的組合表面積可以比耳道的截面面積更大。第一探測器陣列可以對于包括約Ium波長的光敏感，并且第二探測器陣列可以對于包括約
1.5um波長的光敏感。第一探測器陣列可以包括硅(以下簡稱“Si”)探測器陣列，其被配置成基本上吸收具從約700nm至約IlOOnm波長的光，并且被配置成基本上傳輸具有從約1400nm至約1700nm波長的光,例如從約1500nm至約1600nm。例如，第一探測器陣列可以被配置成基本上吸收在900nm處的光。第二探測器陣列可以包括砷化銦鎵探測器(以下簡稱“InGaAs”)，其被配置成吸收傳輸通過第一探測器的并且具有從約1400nm至1700nm波長的光，例如從約1500nm至1600nm。探測器陣列的截面面積可以約為4mm2,例如對于每個探測器陣列而言為2_乘以2_的正方形，因此Smm2的總探測面積超過了中耳腔中探測器陣列的4_2的截面面積。探測器陣列可以包括圓形探測區域，例如直徑2_的圓形探測區域。因為中耳腔的截面可以是非圓形的，探測器陣列可以是非圓形的且圓潤的，例如沿著次軸和主軸分別具有2_和3_尺寸的橢圓。可以由許多廠家制造上述探測器陣列，例如日本的濱松(在互聯網可上以“Hamamatsu, com”獲得)和NEP公司。
可以以許多方式配置輸入組件的光源和光學多路復用器以提供適用于兩個重疊的探測器陣列的帶寬。依照本文所述實施例，光源和多路復用器可以與已知的波長多路復用系統組合，例如MIT微光子中心的信道EPIC集成的信道器(channelizer)部件以及從Intel可獲得的光子部件。光源可以包括在包括集成光子芯片的硅上集成的光學RF信道器以及激光光源。第一激光光源可以被配置成發射具有適于利用第一陣列吸收的波長的光，并且第一光源可以與第一調制器I禹合以調制第一光束以便對應于第一陣列探測器的信道。第二激光光源可以被配置成發射具有適于傳輸通過第一陣列并且利用第二陣列吸收的波長的光，并且第二光源可以與第二調制器耦合以調制光束以便對應于第一陣列探測器的信道。例如，調制的光信號可以由多模式干涉儀分束器接收以多路分用所傳輸的光信號。通過耳膜的光學窗口或開口的傳輸可以保持所傳輸的光的完整性。圖3A顯示了被配置成發射時間多路復用光學信號的輸入換能器組件。多路復用光學信號Xm可以包括時間多路復用光學信號，例如串行多路復用光學信號。話筒22接收音頻信號50，例如聲音。音頻信號包括至聲音處理器的輸入。例如可以利用如上所述的電路來確定音頻信號的頻率。音頻信號的頻率可以用于確定對于陣列的每個電極的刺激的量，其中每個電極配對應于一個信道。可以利用PWM電路確定每個光學脈沖的寬度。PWM電路耦合至串行多路復用器以為每個電極多路復用脈沖。從包括至少一個光源的發射器發射串行的多路復用脈沖。至少一個光源可以包括單個光源，例如紅外激光二極管。圖3A1顯示了包括如圖3A中的時間多路復用光學信號的一系列脈沖的光學脈沖。
多路復用串行脈沖包括第一脈沖P1、第二脈沖P2、第三脈沖P3......以及第十六脈沖P16。
每個脈沖對應于陣列的一個電極。電流的量由脈沖的寬度確定。第一脈沖Pl包括第一寬度W1。第二脈沖P2包括第二寬度。第三脈沖P3包括第三寬度。第十六脈沖P16包括第十六寬度。多路復用器可以被配置成發射脈沖分組，其中每個脈沖分組包括針對陣列的每個電極的脈沖信息。例如，分組可以包括針對陣列的十六個電極的十六個脈沖。串行多路復用器可以被配置成發射每個分組的脈沖以便與脈沖的預定定時和順序一致。圖3A2顯示了如圖3A中的時間多路復用光學信號的一系列光學脈沖的時鐘脈沖。時鐘脈沖可以將分組與多路分用器同步，從而經多路分用的脈沖對應于合適的電極。例如，脈沖Pl可以對應于電極El。時鐘脈沖向多路分用器電路供電。圖3B顯示了被配置成與圖3A中的輸入換能器組件一起使用的輸出換能器組件。串行的多路復用光學信號通過耳膜TM傳輸。光電探測器PDl接收多路復用光學信號。光電探測器PDl耦合至多路分用器電路D-MUX。電路D-MUX可以包括定時器和開關，從而多路分用器依照預定序列將每個電極順序地耦合至探測器，從而當對應于電極的脈沖入射在探測器PDl上時，探測器耦合至一個電極。例如，脈沖序列可以包括如上所述的脈沖分組。第一脈沖分組可以包括時鐘脈沖以向電路供電并且復位定時器。定時器可以耦合至多路復用器的開關，從而當對應于電極的光學脈沖到達探測器時，使對應于一個電極的開關閉合。定時器和開關可以包括低功耗電路，例如CMOS電路，從而可以利用時鐘脈沖來為定時器和開關供電。當音頻信號弱時這可以是有益的，從而定時器和開關電路具有足夠電能。例如電容器和超級電容器的能量存儲電路可以耦合至探測器PDl以采用電源電路(Power)來存儲來自時鐘脈沖的能量。可以采用開關電路來開關電源電路，從而當針對電極的光脈沖達到 探測器PDl時，能量存儲電容器從探測器PDl去耦合(decoupled)。如上所述，串行光源和探測器元件可以包括MIT微光子中心的硅光子部件以及可商業地從Intel購得的光子部件。在一些實施例中，供電電路可以耦合至分離的探測器PD2。分離的能量和信號可以用于向計時和開關電路供電。圖4顯示了對應于電極陣列的信道的三相脈沖寬度調制電流脈沖400。每個信道可以包括電極配對，并且電流脈沖可以在對應于信道的電極配對之間傳輸。三相電流脈沖400可以包括第一正電流脈沖412、第二正電流脈沖414以及第三負電流脈沖416。第一正電流脈沖412和第二正電流脈沖414包括正振幅以注入可以包括第一振幅和第二振幅的電流。可選地或者組合的，第一正電流脈沖412和第二正電流脈沖414可能包括基本上相同的振幅且基本上不同的寬度。第三負電流脈沖包括負極性以平衡電流并且減小電極和電極附近組織的退化。第一正電流脈沖和第二正電流脈沖可以分別利用電流傳輸第一電荷量和第二電荷量，并且第三負電流脈沖可以傳輸第三電流量以便平衡第一脈沖的電荷并且減小電極上積累的電荷。因為電流脈沖下的面積對應于電流脈沖輸送的電荷，第一正電流脈沖和第二正電流脈沖的累積面積可以基本上對應于第三負脈沖的累積面積。光電探測器和濾波器可以耦合至電極以便在電極之間傳遞至少雙相的電流。例如參照圖2C和圖2C1如上所述的，多個信道的每一個信道可以對應于電極配對，并且第一電流可以響應于對應于正電流脈沖412的第一寬度調制光脈沖在所述電極配對之間傳播，以及對應于負脈沖416的第二電流可以響應于第二寬度調制光脈沖在所述電極配對之間傳播。對應于正脈沖412的第一寬度調制光脈沖可以包括第一光波長，并且對應于負脈沖416的第二寬度調制光脈沖可以包括第二光波長。例如，第二電流脈沖414可以對應于具有第一波長的第二光脈沖。第一電流與第二電流相反。第一電流具有對應于第一光脈沖的第一寬度的第一量，并且第二電流具有對應于第二光脈沖的第二寬度的第二量。第一光脈沖的寬度基本上對應于第二光脈沖的寬度，以便抑制整流并且平衡在第一電極和第二電極之間的電荷轉移。第一光脈沖可以包括耦合至第一探測器的第一光波長，其中第二探測器耦合至所述電極配對。第二光脈沖可以包括耦合至第二探測器的第二光波長，其中所述第二探測器耦合至所述電極配對。第一探測器與第二探測器相反地耦合至所述電極配對。每個信道可以對應于電極配對以及與第二探測器相反地耦合至電極配對的第一探測器，例如至少約8個信道對應于耦合了 16個探測器的8個電極配對。
圖5A顯示了利用帶通濾波和脈沖寬度調制的信號到信道轉換，以便在具有高頻耳蝸刺激的信道之間基本上維持音頻信號的相位。在此描述的關于實施例的工作顯示，耳蝸可以響應于高頻電刺激以便使高頻刺激經歷低通濾波，因此人可以基于電刺激感知到聲音，例如具有在患者聽力范圍之上的頻率的電刺激。例如，利用約IOkHz以上(例如約20kHz以上)的高頻率的刺激，耳蝸可以使聲音經歷低通濾波，從而患者聽到了具有音頻信號相位的聲音。當這些高頻率包括音頻信號的相位編碼信息時，使用者可以聽到具有對應相位的音頻信息。在約IOkHz以上例如20kHz以上，例如40kHz或IOOkHz的高頻信息可以包括具有采用高頻編碼的振幅和相位的脈沖寬度調制信號，并且利用在這些高頻處的寬度調制脈沖的對耳蝸的刺激可以導致高頻脈沖寬度調制信號解調回至對應于帶通濾波的信道的頻率的音頻頻帶信號。高頻振幅和相位編碼信號的這種解調可以維持由使用者感知的音頻信號的振幅和相位這兩者。對應于聲音的音頻信號50可以包括許多頻率并且可以被輸入至帶通濾波器BPF。帶通濾波器BPF可以提供第一信道、第二信道、第N信道作為輸出，該第一信道包括包含了第一頻率范圍的第一帶通音頻信號510A，該第二信道包括包含了第二頻率范圍的第二帶通音頻信號510B，以及第N信道包括包含了第N頻率范圍的第N帶通音頻信號510N。每個信號可以包括基本上類似的相位，從而BPF輸出的相位基本上得以維持。將每個信道的音頻信號轉換為具有調制信號的脈沖，從而在信道之間維持了原始音頻信號50的相位。第一帶通音頻信號510A對應于寬度調制脈沖的第一系列520A。第二帶通音頻信號510B對應于寬度調制脈沖的第二系列520B。第N帶通音頻信號510N對應于寬度調制脈沖的第N系列520N。可以確定每個脈沖以便對應于基本同步的時基(time base),從而原始信息的每個相位和振幅得以維持。例如如上所述，可以將每個脈沖輸出至對應的光源以驅動對應的光電探測器。第N信道例如可以包括八個信道、十六個信道、三十二個信道或六十四個信道。圖5B顯示了用于耳蝸高頻刺激的第一信道的第一帶通音頻信號510A的第一系列寬度調制脈沖520A，以便于維持如圖5A中的音頻信號的相位。脈沖可以對應于在每個脈沖的前沿之間的IOus的同步時基。脈沖的寬度可以基于第一帶通濾波的音頻信號510A的振幅而改變。對應的脈沖頻率約為IOOkHz并且脈沖由耳蝸采用耳蝸低通濾波來解調，從而使用者感知具有維持的聲音相位的聲音并且從而使用者可以感知聲音定位提示信息。其他信道的帶通濾波信號可以與高頻信號的耳蝸低通濾波類似地處理，從而使用者感知針對每個信道具有維持的聲音相位的聲音，并且從而使用者可以從組合的信道感知聲音定位提不信息。盡管可以以許多方式產生脈沖寬度調制光脈沖，例如，語音處理器可以包括數字帶通濾波器以針對每個信道以陣列輸出帶通濾波信號，并且脈沖寬度調制電路可以基于輸出確定每個信道的每個脈沖的寬度。因為脈沖寬度調制電路的輸出可以是數字的并且可以存儲在處理器的隨機訪問存儲器中，至光源的脈沖可以被輸送以便基本上維持輸出脈沖調制信號的振幅和相位。例如，信號脈沖的定時和/或相位對于IOkHz脈沖寬度調制信號而言可以維持在約IOOus內，并且對于IOOkHz而言可以維持在約IOus內。盡管如上所述可以使用信道之間的串行輸出并且信道的每個脈沖的定時和/或相位可能相互輕微偏移，但利用串行輸出可基本上維持信道間對應的脈沖的定時和/或相位。例如，信道間的串行輸出的對應的光脈沖可以維持在約IOOus內，例如約50us內，約20us內，或約IOus內。信道的數目例如可以包括2個信道、4個信道、8個信道、16個信道、32個信道或更多。每個信道的光脈沖的頻率例如可以在至少約IOkHz以上，例如約20kHz、40kHz、80kHz。每個信道的光脈沖的頻率如上所述的信道可以被組合，從而經過耳膜傳輸的多路復用光學信號的寬度調制脈沖的頻率可以包括例如40kHz、160kHz、640kHz、1280kHz或更多。基于在此所述的教導，本領域技術人員可以確定信道的數目以及脈沖的定時和/或相位當耳蝸受到刺激時維持音頻信號的相位，例如以便提供聲音定位提示信息并且以便抑制失真。人類耳膜傳輸實驗執行下述實驗來測量紅外光通過耳膜的傳輸并且確定輸入組件20和輸出組件30 的布置。目的為了確定在后端、下端以及前端部分處通過人類耳膜的光傳輸的損失量以及耳膜的散射的量。過程圖6顯示了依照實施例、確定通過鼓膜的光學傳輸的實驗設置。耦合至激光二極管光源的光纖與光電二極管光學探測器對準。耳膜沿直線布置并且確定來自光電二極管的光學輸出的改變。耳膜安裝在X、y、z移動臺上，移動臺允許光穿過耳膜的不同位置的改變。材料光源——稱合至光纖(直徑250um，芯80um)的1480nm激光二極管；光電二極管-1480nm光電二極管(5.5mm2)負載一RLC電路，等效于耦合至膜片的平衡電樞換能器，其可以適用于確定通過耳膜的傳輸。準直光學元件和中性密度濾光片(NE20B)；直流電壓計(Fluke8060A)；移動臺；以及具有附加錘骨(移除了砧骨以及其他中間部件)的人類尸體耳膜。結果沒有鼓膜時設置電流使得光電二極管處于飽和區。中性密度(ND)濾光片用于使光輸出衰減以便減少ro響應。測量顯示ND濾光片使光源衰減了 20. 5dB。這確保了所有已報告的測量均來自線性區。在測量開始時和實驗結束時測量響應于經準直的光束在沒有耳膜時的光電二極管電壓。差別小于1%。沒有TM和ND濾光片時，以mV計的輸出電壓為349。有ND濾光片而沒有TM時，輸出減小至從約32. 9至33. I的范圍內，這對應于為0. 095和-20. 5dB的線性改變。有鼓膜時在耳膜的前端、下端和后端部分做出測量。耳膜被移動到相對于光電二極管的不同位置處，并且其具有大約為X(以mm計)的距離。表I顯示了對應于不同部分和不同耳膜位置所測得的電壓。表I對應于從耳膜的傳輸損耗的光電二極管電壓
權利要求
1.一種刺激組織的方法，所述方法包括 傳輸多路復用光學信號以刺激所述組織。
2.一種將聲音傳輸至使用者的耳蝸的方法，所述使用者具有組織，所述方法包括 將多路復用光學信號傳輸通過所述使用者的所述組織，從而所述使用者響應于傳輸通過所述組織的所述多路復用光學信號而聽到所述聲音。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，所述組織包括耳膜的組織。
4.根據權利要求2所述的方法，其中，所述多路復用光學信號被傳輸至由中耳支撐的光學結構，所述光學結構被配置成分離所述多路復用信號的波長來刺激所述耳蝸。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，所述光學結構固定至所述中耳。
6.根據權利要求4所述的方法，其中，所述光學結構的尺寸被定制成穿過所述耳膜中的切口以便布置在中耳腔中。
7.根據權利要求4所述的方法，其中，所述光學結構包括以下各項中的至少一個光學濾波器、光纖、光柵、標準具、多個光纖、波導、多個波導、反射鏡或棱鏡。
8.根據權利要求4所述的方法，其中，所述多路復用光學信號包括多個信道，所述多個信道的每一個信道對應于所述聲音的至少一個頻率。
9.根據權利要求8所述的方法，其中，所述多個信道對應于至少約十六個信道并且所述至少一個頻率對應于至少約十六個頻率。
10.根據權利要求8所述的方法，其中，所述多路復用光學信號利用多個光源傳輸通過所述耳膜，每個光源被配置成傳輸對應于所述多個信道的所述信道的光信號，從而所述光源對應于聲音的所述至少一個頻率。
11.根據權利要求10所述的方法，其中，所述多個光源包括至少三個光源，并且其中所述至少三個光源的每一個被配置成發射分離的光波長。
12.根據權利要求8所述的方法，其中，所述多個信道的每一個對應于電極配對，并且其中第一電流響應于第一寬度調制光脈沖在所述電極配對之間傳播，以及第二電流響應于第二寬度調制光脈沖在所述電極配對之間傳播，所述第一電流與所述第二電流相反，所述第一電流具有對應于所述第一脈沖的第一寬度的第一量，以及所述第二電流具有對應于所述第二脈沖的第二寬度的第二量，并且其中所述第一脈沖的所述寬度對應于所述第二脈沖的所述寬度以便抑制整流并且平衡在所述第一電極和所述第二電極之間的電荷轉移。
13.根據權利要求12所述的方法，其中，所述第一光脈沖包括耦合至第一探測器的第一光波長，并且其中所述第二光脈沖包括耦合至第二探測器的第二光波長。
14.根據權利要求2所述的方法，其中，所述多路復用光學信號通過所述使用者的耳膜傳輸至至少一個光電探測器，所述至少一個光電探測器固定至所述中耳，并且耦合至至少部分地位于所述耳蝸內的電極陣列。
15.根據權利要求14所述的方法，其中，所述至少一個光電探測器和所述至少一個電極陣列的尺寸被定制成穿過所述耳膜中的切口。
16.根據權利要求14所述的方法，其中，所述多路復用光學信號包括波長多路復用光學信號，所述波長多路復用光學信號包括多個波長，從而每個所述波長對應于所述陣列的電極。
17.根據權利要求16所述的方法，其中，所述多個波長的每一個對應于所述陣列的電極。
18.根據權利要求16所述的方法，其中，所述至少一個光電探測器包括多個光電探測器，所述多個光電探測器的每一個光電探測器耦合至所述陣列的對應電極以及所述多個波長對應波長，從而組織刺激電流響應于組織刺激波長而流經所述電極。
19.根據權利要求18所述的方法，其中進一步包括光學結構，所述光學結構位于所述使用者的中耳中，以分離波長以對應于每個探測器，并且從而對應于每個探測器的每個經分離的波長基于所述波長傳輸至所述每個探測器。
20.根據權利要求18所述的方法，進一步包括多個光學濾波器，所述多個光學濾波器位于所述使用者的中耳中，并且其中利用所述光學濾波器分離所述波長，每個光學濾波器位于一個探測器上方并且被配置成使對應于與所述一個探測器耦合的電極的波長通過。
21.根據權利要求18所述的方法，進一步包括光柵，所述光柵被配置成選擇對應于每個電極的每個探測器的波長。
22.根據權利要求14所述的方法，其中，所述多路復用光學信號包括時分多路復用信號。
23.根據權利要求22所述的方法，其中，所述時分多路復用信號包括多個時隙，所述多個時隙的每一個對應于所述陣列的電極。
24.根據權利要求23所述的方法，其中，所述時分多路復用信號包括多個時隙和時鐘信號，并且其中電路耦合至所述至少一個光電探測器和所述電極陣列以接收所述時鐘信號并且在所述陣列的電極之間劃分所述時分多路復用信號，從而每個所述時隙對應于所述陣列的電極。
25.根據權利要求24所述的方法，其中，每個時隙對應于所述聲音的至少一個頻率，從而電流響應于對應于所述多路復用信號的、對應于所述時隙的一部分而流經每個電極。
26.根據權利要求25所述的方法，其中，所述時分多路復用信號是脈沖寬度調制的，從而所述多個時隙的每一個包括光脈沖，所述光脈沖具有對應于流經對應于所述時隙的電極的電流的持續時間。
27.根據權利要求2所述的方法，其中，所述的多路復用光學信號傳輸至延伸進入所述耳蝸的至少一個光纖。
28.根據權利要求27所述的方法，其中，所述至少一個光纖的尺寸被定制成穿過所述中耳中的切口。
29.根據權利要求27所述的方法，其中，所述至少一個光纖包括延伸進入所述耳蝸的多個光纖，每個光纖對應于所述聲音的至少一個頻率。
30.根據權利要求27所述的方法，其中，每個光纖被配置成響應于所述聲音的至少一個頻率而在所述耳蝸的、對應于頻率的對應范圍的預定位置處刺激所述耳蝸。
31.根據權利要求2所述的方法，其中，所述多路復用光學信號通過所述耳膜中的開口或窗口的至少一個傳輸。
32.根據權利要求2所述的方法，其中，所述電極陣列、所述至少一個光電探測器以及所述多路分用器包括被配置成當植入所述使用者內時用于MRI成像的實質上非磁性材料。
33.根據權利要求2所述的方法，其中，所述聲音包括相位，并且其中所述光學信號包括以至少約IOkHz頻率傳輸的寬度調制光脈沖，并且其中每個光脈沖在所述耳蝸內產生電流，從而所述耳蝸對所述光脈沖進行解調并且所述聲音的相位得以維持。
34.根據權利要求33所述的方法，其中，所述寬度調制光脈沖包括針對每個信道的一系列寬度調制脈沖，并且其中所述每個信道的所述一系列寬度調制脈沖包括至少約IOkHz的頻率以當所述使用者聽到所述聲音時維持所述聲音的相位。
35.根據權利要求34所述的方法，其中，所述每個一系列的所述頻率包括至少約20kHz以當所述使用者聽到所述聲音時維持所述聲音的相位。
36.根據權利要求35所述的方法，其中，所述多個信道包括至少約八個信道，并且所述寬度調制光脈沖的所述頻率包括至少約160kHz。
37.根據權利要求34所述的方法，其中，每個信道的一系列寬度調制脈沖的脈沖被組合以形成脈沖分組的序列，每個脈沖分組包括來自每個一系列脈沖的一個脈沖。
38.根據權利要求2所述的方法，其中，所述至少一個光電二極管位于所述中耳腔中，以便通過所述耳膜的后端部分接收所述多路復用光學信號。
39.一種用于刺激組織的系統，所述系統包括 多個電極，被配置成至少部分地布置在所述組織內； 電路，被配置成從源接收信號； 至少一個光源，耦合至所述電路并且被配置成發射包括多個光脈沖的多路復用光學信號; 至少一個光電探測器，被配置成接收所述多路復用光學信號并且響應于所述光脈沖通過電極傳遞電流以刺激所述組織。
40.一種用于將音頻信號傳輸至使用者的系統，所述系統包括 電極陣列，包括多個電極，所述多個電極被配置成至少部分地布置在所述使用者的耳蝸內； 電路，被配置成從聲源接收所述音頻信號； 至少一個光源，耦合至所述電路并且被配置成發射包括多個光脈沖的多路復用光學信號; 至少一個光電探測器，被配置成接收所述多路復用光學信號并且響應于所述光脈沖通過電極傳遞電流。
41.根據權利要求40所述的系統，其中，所述電路被配置成確定多個光脈沖的寬度，并且其中每個光脈沖對應于所述陣列的電極，并且所述每個光脈沖的寬度對應于流經陣列的對應電極的電流量。
42.根據權利要求40所述的系統，其中，所述電路被配置成確定音頻信號的頻率，并且其中所述頻率對應于所述陣列的電極，并且其中所述電路被配置成響應于所述頻率的一個或多個確定每個脈沖的寬度。
43.根據權利要求40所述的系統，其中，所述至少一個光源包括多個光源，并且其中每個光源對應于所述陣列的一個電極。
44.根據權利要求43所述的系統，其中，所述多個光源的每一個被配置成發射包括與所述多個光源的其他光源的波長基本上分離的波長的光。
45.根據權利要求43所述的系統，其中，所述多個光源包括至少三個光源，并且所述電極陣列包括至少三個電極，并且其中所述至少三個光源的每一個光源對應于所述陣列的至少三個電極的一個電極。
46.根據權利要求45所述的系統，其中，所述至少三個光源的每一個被配置成發射包括與所述至少三個光源的其他光源的波長基本上分離的波長的光，并且其中所述每個光源的波長對應于所述至少三個電極的一個電極。
47.根據權利要求40所述的系統，其中，所述至少一個探測器包括多個探測器，并且其中所述多個探測器的每一個探測器對應于所述陣列的一個電極。
48.根據權利要求47所述的系統，其中，所述多個光探測器包括至少三個光探測器，并且電極陣列包括至少三個電極，并且其中所述至少三個光探測器的每一個光探測器對應于所述陣列的至少三個電極的一個電極。
49.根據權利要求40所述的系統，進一步包括光學結構，所述光學結構被配置成接收所述多路復用光學信號，所述光學結構被配置成布置在所述中耳中，所述光學結構被配置成選擇所述多路復用信號的波長。
50.根據權利要求49所述的系統，其中，所述光學結構的尺寸被定制成穿過所述耳膜中的切口以布置在所述中耳中，并且其中所述電極陣列的尺寸的被定制成通過所述耳蝸的圓窗至少部分地布置在所述耳蝸內部。
51.根據權利要求49所述的系統，其中，所述光學結構包括以下各項中的至少一個光學濾波器、光柵、標準具、多個光纖或棱鏡。
52.根據權利要求49所述的系統，其中，所述多路復用光學信號包括多個光學信道，所述多個光學信道的每一個光學信道對應于所述聲音的至少一個頻率。
53.根據權利要求52所述的系統，其中，所述多個光學信道對應于至少約十六個信道并且所述至少一個頻率對應于至少約十六個頻率。
54.根據權利要求52所述的系統，進一步包括伸長的光學傳輸結構，所述伸長的光學傳輸結構被配置成至少部分地布置在所述使用者的耳道內，并且其中所述伸長的光學傳輸結構被配置成通過所述耳膜傳輸所述多路復用光學信號。
55.根據權利要求40所述的系統，其中，所述多路復用光學信號通過所述使用者的耳膜傳輸至至少一個光電探測器，所述至少一個光電探測器固定至中耳并且耦合至至少部分地位于所述耳蝸內的所述電極陣列。
56.根據權利要求55所述的系統，其中，所述至少一個光電探測器和所述電極陣列的尺寸被定制成穿過所述耳膜中的切口。
57.根據權利要求55所述的系統，其中，所述多路復用光學信號包括波長多路復用光學信號，所述波長多路復用光學信號包括多個波長，從而每個波長對應于所述陣列的電極。
58.根據權利要求57所述的系統，其中所述多個波長的每一個對應于所述陣列的電極。
59.根據權利要求57所述的系統，其中，所述多個波長包括至少三個波長，并且其中所述多個電極包括至少三個電極，并且其中所述多個波長的每一個對應于所述至少三個電極的一個電極。
60.根據權利要求40所述的系統,其中,所述電路被配置成傳輸一系列光脈沖以對應于所述陣列的電極。
61.根據權利要求60所述的系統，其中，所述一系列光脈沖包括多個脈沖，并且其中所述多個脈沖的每一個對應于所述多個電極的一個電極。
62.根據權利要求61所述的系統，其中，所述多個電極包括至少三個電極，并且其中所述一系列光脈沖包括至少三個脈沖，并且其中所述至少三個脈沖的每一個脈沖對應于所述至少三個電極的一個電極。
63.根據權利要求60所述的系統,其中,所述一系列光脈沖包括定時脈沖。
64.根據權利要求63所述的系統，其中，所述定時脈沖包括基本固定的寬度,并且其中所述定時脈沖包括能量以向耦合至所述多個電極的電路供電。
65.根據權利要求63所述的系統，進一步包括開關電路，所述開關電路耦合至所述至少一個探測器以響應于所述定時脈沖將所述多個電極順序地耦合至所述至少一個探測器，從而所述一系列脈沖的每一個脈沖對應于所述多個電極的一個電極。
66.根據權利要求65所述的系統，其中，所述一系列脈沖包括所述脈沖的預定順序和定時，并且其中所述開關電路包括耦合至開關的定時器以與所述一系列脈沖的脈沖一致地使開關斷開和閉合。
67.根據權利要求65所述的系統，其中，所述一系列脈沖包括至少三個脈沖，并且所述開關電路被配置成將至少一個探測器順序地耦合至所述至少三個電極的每一個電極，從而所述一系列脈沖的每個脈沖對應于所述多個電極的一個電極。
68.根據權利要求40所述的系統，其中，所述電極陣列、所述至少一個光電探測器以及所述多路分用器包括被配置成當植入所述使用者內時用于MRI成像的實質上非磁性材料。
69.根據權利要求40所述的系統,其中,所述聲音包括相位，并且其中所述光學信號包括以至少約IOkHz頻率傳輸的寬度調制光脈沖，并且其中所述每個光脈沖在所述耳蝸內產生電流，從而所述耳蝸對所述光脈沖進行解調并且所述聲音的相位得以維持。
70.根據權利要求69所述的系統，其中，所述寬度調制光脈沖包括針對每個信道的一系列寬度調制脈沖，并且其中所述每個信道的一系列寬度調制脈沖包括至少約IOkHz的頻率以當所述使用者聽到所述聲音時維持所述聲音的相位。
71.根據權利要求70所述的系統，其中，所述每個一系列脈沖的頻率包括至少約20kHz以當所述使用者聽到所述聲音時維持所述聲音的相位。
72.根據權利要求71所述的系統，其中，所述多個信道包括至少約八個信道并且所述寬度調制光脈沖的頻率包括至少約160kHz。
73.根據權利要求70所述的系統，其中，所述每個信道的一系列寬度調制脈沖的脈沖被組合以形成脈沖分組的序列，每個所述脈沖分組包括來自每個一系列脈沖的一個脈沖。
74.根據權利要求73所述的系統，其中，所述多個信道的每一個對應于電極配對，并且其中第一電流響應于第一寬度調制光脈沖而在所述電極配對之間傳播，并且第二電流響應于第二寬度調制光脈沖而在所述電極配對之間傳播，所述第一電流與所述第二電流相反，所述第一電流具有對應于所述第一脈沖的第一寬度的第一量，并且所述第二電流具有對應于所述第二脈沖的第二寬度的第二量，并且其中所述第一脈沖的所述寬度對應于所述第二脈沖的所述寬度，以便抑制整流并且平衡在所述第一電極和所述第二電極之間的電荷轉移。
75.根據權利要求74所述的系統，其中，所述第一光脈沖包括耦合至第一探測器的第一光波長，所述第一探測器耦合至所述電極配對，并且其中所述第二光脈沖包括耦合至第二探測器的第二 光波長，所述第二探測器耦合至所述電極配對，并且其中所述第一探測器與所述第二探測器相反地耦合至所述電極配對。
76.一種為使用者提供聽力彌補的方法，所述方法包括 在所述使用者的耳膜中形成切口，所述耳膜包括環帶；以及 使電極陣列、至少一個光電二極管以及多路分用器穿過所述切口。
77.根據權利要求76所述的方法，其中，所述切口至少部分地延伸穿過所述環帶。
78.根據權利要求76所述的方法，其中，所述耳膜位于耳道的一側以使所述電極陣列、所述多路分用器以及所述至少一個光電探測器穿過所述切口。
79.根據權利要求76所述的方法，其中，所述至少一個探測器和所述多路分用器固定至所述使用者的中耳。
80.根據權利要求76的方法，其中，所述電極陣列被定位成至少部分地穿過圓窗，并且其中所述至少一個探測器和所述多路分用器位于所述使用者的中耳中。
81.根據權利要求80所述的方法，其中，所述至少一個探測器和所述多路分用器固定至所述使用者的所述中耳。
82.根據權利要求76所述的方法，其中，所述至少一個光電探測器包括至少三個光電探測器。
83.根據權利要求82所述的方法，其中，所述多路分用器包括光學多路分用器。
84.根據權利要求83所述的方法，其中，所述光學多路分用器包括至少三個濾波器以分離至少三個光波長。
85.根據權利要求76所述的方法，其中，所述多路分用器包括開關電路和定時器。
86.根據權利要求76所述的方法，其中，穿過所述切口的所述電極陣列、所述至少一個光電探測器以及所述多路分用器包括配置用于MRI成像的實質上非磁性材料。
87.根據權利要求76所述的方法，其中，所述至少一個光電探測器位于中耳腔內以接收傳輸通過所述耳膜的后端部分的光能。
88.一種刺激組織的裝置，所述裝置包括 用于產生多路復用光學信號的裝置；以及 用于響應于所述光學信號刺激組織的裝置。
全文摘要
一種輸出組件的尺寸被定制成布置在中耳和內耳中，從而可以減少骨頭的移除。該輸出組件可以包括尺寸被定制成穿過耳膜中切口的至少一個光電探測器、多路分用器和電極陣列。輸入換能器組件被配置成將多路復用光學信號傳輸至輸出組件。輸入組件可以被配置成通過耳膜傳輸多路復用光學信號，從而例如可以減少組織移除并且可以在不移除骨頭的情況下布置該裝置。多路復用光學信號可以包括脈沖寬度調制信號以便減小光源和光探測器的非線性效應并且向使用者提供優質聲音。
文檔編號H04B10/2581GK102640435SQ201080036737
公開日2012年8月15日 申請日期2010年6月18日 優先權日2009年6月18日
發明者P·C·拉克爾, R·C·珀金斯, S·普里亞 申請人:音束有限責任公司