專利名稱：一種電子耳蝸最優能量調節系統和方法
技術領域：
本發明涉及電子耳蝸領域，特別是指一種電子耳蝸最優能量調節系統和方法。
背景技術：
電子耳蝸是一種能夠為重度和極重度感音神經性耳聾患者提供功能性聽力的植入型電子裝置。它越過已經失去正常功能的人體內耳，用帶有聲音信息的電流脈沖直接刺激聽神經來產生聽覺。圖I顯示的是電子耳蝸的結構示意圖。電子耳蝸由體外機部件和植入體部件兩部分組成，體外機部件主要包括傳聲器(如麥克風等)、言語處理器和發射線圈，植入體部件主要包括接收線圈、刺激器及多通道電極陣列組成。由麥克風拾取聲音信號，言語處理器對聲音信號進行處理和編碼后發射到刺激器，然后將信號解碼轉化為電流脈沖， 電流脈沖通過電極陣列刺激聽神經，從而使大腦感知到聲音。電子耳蝸的體外機向植入體傳送信號和能量的方式一般有三種1)有線能量傳輸方法，也稱穿過皮膚方法(percutaneous) ;2)植入性電池；3)無線能量傳輸方法,也稱越過皮膚方法(transcutaneous)。有線能量傳輸方法有穿過皮膚的傳輸導線,容易造成生物組織感染，而且對植入者的日常活動有較多限制，已經越來越少使用，現在主要用于短期植入的實驗性裝置。植入性電池適用于間歇性高能量密度的場合，如心臟起搏器，除顫器等。受電池技術的限制，電池需要數年更換一次。無線能量傳輸方法避免了上面兩種方法的缺點，被越來越多的植入式醫療器械采用，一般用無線傳輸的方式向植入體傳送信號和能量，體外機使用電池供電。但是由于無線能量傳輸的損耗，體外機的發射能量一般遠大于植入體所能接收到的能量，所以降低體外機功耗，以延長電池使用時間是電子耳蝸系統面臨的一個主要問題。降低功耗的一個原則是在體外機發送給植入體的能量正好達到植入體的能量需求，這就要求體外機能夠根據植入者的不同皮瓣厚度和刺激能量消耗來自適應地調節發射功率。在現有技術中，用閉環監控的方法監控植入體的能量水平，并將植入體的電壓值傳給體外機，但是只根據植入體電壓來改變發射功率，而沒有提出采用何種方法調節體外機的發射功率。目前，還提出了在保證植入體能量夠用條件下盡量降低體外機發射功率的最優發射能量的概念，提出用改變體外機諧振頻率的方法來調節體外機的發射功率。此方法實現復雜，而且改變發射電路的諧振頻率后，發射信號的頻率與諧振頻率產生了偏差，降低發射效率。
發明內容
有鑒于此，本發明的目的在于提出一種電子耳蝸最優能量調節系統和方法，能夠達到滿足能量需求的最小發射功率，傳輸效率提高，實現簡單和方便。基于上述目的本發明提供的一種電子耳蝸最優能量調節系統，包括信號傳輸單元、植入體單元和體外單元，所述的信號傳輸單元用于植入體單元和體外單元之間的信號傳輸；
所述的植入體單元接收信號傳輸單元傳輸的射頻信號，將射頻信號處理產生直流電壓，對直流電壓進行采樣，然后將采樣后的直流電壓轉換成數字信號，并且將數字信號進行調制傳送給所述的信號傳輸單元；所述的體外單元接收信號傳輸單元傳輸的射頻信號，將射頻信號解碼成數字信號，并且對所述數字信號進行處理得到所述的植入體單元采樣的直流電壓，然后根據所述采樣的直流電壓來調節發射功率，并傳送給所述的信號傳輸單元。可選的，所述體外單元根據采樣的直流電壓，采用改變發射信號占空比來調節發射功率。可選的，所述體外單元根據采樣的直流電壓調節發射功率，當采樣的直流電壓低于4. 5V時，增大發射功率；當采樣的直流電壓高于5. 5V時，減小發射功率；當采樣的直流電壓處于4. 5V-5. 5V時，則保持當前發射功率。可選的，所述植入體單元將傳送的射頻信號經過檢波和濾波穩壓產生直流電壓。 可選的，所述的植入體單元將采樣后的直流電壓轉換成數字信號之前，先利用可編程放大器將采樣的直流電壓處于模數轉換所需的輸入信號范圍內。可選的，所述的植入體單元將采樣后的直流電壓轉換成數字信號，使用12位的模數轉換器將輸入的直流電壓值轉換成數字信號。可選的，所述的植入體單元采用負載調制原理將數字信號傳送給所述的信號傳輸單元。可選的，所述的體外單元將射頻信號解碼成數字信號是通過低通濾波的方法檢測射頻信號幅度的變化，解碼出數字信號。基于上述目的，本發明還提供了一種電子耳蝸最優能量調節方法，包括以下步驟A.接收輸入的射頻信號并進行處理產生直流電壓，然后對直流電壓進行采樣；B.將采樣后的直流電壓轉換成數字信號，并且將數字信號進行調制傳送；C.接收傳送的射頻信號并解碼成數字信號，然后對數字信號進行處理得到所述采樣的直流電壓；D.根據所述采樣的直流電壓來調節發射功率，并將調節后的發射功率輸出。可選的，所述的步驟D根據采樣的直流電壓，采用改變發射信號占空比來調節發射功率。可選的，所述的步驟D根據所述采樣的直流電壓來調節發射功率，當采樣的直流電壓低于4. 5V時，增大發射功率；當采樣的直流電壓高于5. 5V時，減小發射功率；當采樣的直流電壓處于4. 5V-5. 5V時，則保持當前發射功率。可選的，所述的步驟A經過檢波和濾波穩壓產生直流電壓。可選的，所述的步驟B先利用可編程放大器將采樣的直流電壓處于模數轉換所需的輸入信號范圍內，再轉換成數字信號。可選的，所述的步驟B使用12位的模數轉換器將輸入的直流電壓值轉換成數字信號。可選的，所述的步驟B將數字信號進行調制傳送是采用負載調制原理將數字信號傳送。
可選的，所述的步驟C通過低通濾波的方法檢測射頻信號幅度的變化，解碼出數
字信號。從上面所述可以看出，本發明提供的一種電子耳蝸最優能量調節系統和方法，通過改變發射信號占空比來調節發射功率，同時以閉環反饋的形式達到滿足植入體能量需求的最小體外機發射功率，發射信號的頻率與發射電路的諧振頻率保持一致，可以保證發射功率處于最優的發射效率。
圖I為現有技術中的電子耳蝸系統結構示意圖；圖2為本發明電子耳蝸最優能量調節系統實施例的結構示意圖；圖3為本發明電子耳蝸最優能量調節方法實施例的流程示意圖； 圖4為本發明實施例的電子耳蝸最優能量調節低占空比射頻信號示意圖；圖5為本發明實施例的電子耳蝸最優能量調節高占空比射頻信號示意圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。圖2為本發明電子耳蝸最優能量調節系統實施例的結構示意圖，如圖所示該最優能量調節系統實施例包括信號傳輸單元201、植入體單元202和體外單元203，其中信號傳輸單元201，分別與植入體單元202和體外單元203相連，主要功能I)對植入體單元202和體外單元203之間的信號進行傳輸。較佳的，可以包括一個發射線圈和一個接收線圈。本實施例中，發射線圈設置在皮膚外可以發射體外單元203傳輸的射頻信號給接收線圈，并且可以接收線圈的射頻信號傳輸給體外單元203 ;接收線圈設置在皮膚內可以將植入體單元202的射頻信號傳輸給發射線圈，并且可以接收發射線圈的射頻信號傳輸給植入體單元202。植入體單元202，與該信號傳輸單元201相連，主要功能I)接收信號傳輸單元201傳輸的射頻信號。2)將射頻信號處理產生直流電壓，為整個植入體單元202提供能量。較佳的，植入體單元202將傳送的射頻信號經過檢波和濾波穩壓產生直流電壓。3)對直流電壓進行采樣在本實施例中，將所需采樣的電壓點以高輸入阻抗的接入方式接到采樣電路中進行采樣。所得到的直流電壓值能夠反映植入體單元202的能量狀態，當直流電壓值處于預先規定的4. 5V-5. 5V時，表明植入體單元202的能量水平正常。4)將采樣后的直流電壓轉換成數字信號采樣所得的直流電壓值是一個模擬信號，較佳的，為了提高植入體單元202能量狀態傳輸到體外單元203的精度和可靠性，需要先將采樣的直流電壓處于模數轉換所需的輸入信號范圍內，再轉換成數字信號。在本實施例中，將采樣的直流電壓經過一個可編程放大器，使得該直流電壓信號處于模數轉換電路所需的輸入信號范圍內。為了達到一定的轉換精度，使用12位的模數轉換器將輸入的模擬直流電壓值轉換成數字信號，直流電壓數字信號經過并行到串行的轉換，以串行的方式傳送。
5)將數字信號進行調制傳送給所述的信號傳輸單元201 :在本實施例中，利用調制電路，采用負載調制原理，負載調制就是將數字信號“0”和“ I ”用來控制一個負載開關，數字“0”斷開負載開關，數字“I”接通負載開關，分別對應于信號傳輸單元201的接收線圈負載電路的兩種不同負載，從而使信號傳輸單元201的發射線圈上的射頻信號幅度產生相應的變化。體外單元203，與信號傳輸單元201相連，主要功能I)接收信號傳輸單元201傳輸的射頻信號較佳的，接收信號傳輸單元201的發射線圈上的射頻信號。
2 )將射頻信號解碼成數字信號在本實施例中，采用幅度鍵控調制方式，在接收端體外單元203首先以低通濾波的方式去掉高頻的載波信號，然后比較包絡信號的幅度得到發射端的數字“0”和“I”信號，這些數字信號規定了植入體單元202電流刺激波形的幅度、位置、寬度、和頻率等信息。從而解碼出發射端植入體單元202串行的數字信號“0”和“I”。3)對所述數字信號進行處理得到所述的植入體單元202采樣的直流電壓在本實施例中，將解碼出發射端植入體單元202串行的數字信號“0”和“ I ”傳送到數字信號處理器中，由于植入體單元202中使用12位的模數轉換器進行了模數轉換，因此所述數字信號處理器采用與植入體單元202中12位模數轉換器相同的順序讀入所述的數字信號，從而得到植入體單元202采樣的直流電壓。4)根據所述采樣的直流電壓來調節發射功率體外單元203以改變發射信號占空比的方法調節射頻放大器的發射功率，占空比與體外單元203的發射功率成正比的關系，與植入體單元202接收的能量一般是成正比的關系。數字信號處理器改變發射信號持續時間在單位時間內所占的比例，即發射信號的占空比，相應的改變了射頻放大器在單位時間內輸出射頻信號持續時間所占的比例，從而調節了發射功率。根據植入體電路設計要求，植入體的直流電壓應處于4. 5V-5. 5V。當直流電壓低于4. 5V時，需要增大射頻放大器功率；當高于5. 5V時，需要減小射頻放大器功率；當符合規定范圍，則保持當前射頻放大器功率。在本實施例中，占空比一般可以在10%-100%之間變化。當數字信號處理器改變了占空比之后，查詢在的占空比下，即新的發射功率下的植入體單元202能量狀態。如果植入體單元202新的能量狀態處于4. 5V-5. 5V之間，表明植入體單元202處于最優能量狀態，則停止占空比的調整，進入人工耳蝸的正常工作狀態。5)將調節后的射頻信號傳送給所述的信號傳輸單元201 :較佳的，將射頻放大器中調節后的射頻信號傳送給信號傳輸單元201的發射線圈。圖3為本發明電子耳蝸最優能量調節方法實施例的流程示意圖，包括步驟301，接收輸入的射頻信號并進行處理產生直流電壓，然后對直流電壓進行采樣，具體實施過程如下I)接收輸入的射頻信號。2)對射頻信號經過檢波和濾波穩壓產生直流電壓，提供能量。3)對直流電壓進行采樣在本實施例中，將所需采樣的電壓點以高輸入阻抗的接入方式接到采樣電路中進行采樣，所得到的直流電壓值能夠反映出能量狀態，當直流電壓值處于預先規定的4. 5V-5. 5V時，表明能量水平是正常的。步驟302，將采樣后的直流電壓轉換成數字信號，并且將數字信號進行調制傳送，具體實施過程如下I)采樣所得的直流電壓值是一個模擬信號，為了提高能量狀態傳輸的精度和可靠性，將采樣的直流電壓處于模數轉換所需的輸入信號范圍內。較佳的，將采樣的直流電壓經過一個可編程放大器。2)轉換成數字信號優選的，使用12位的模數轉換器將輸入的模擬直流電壓值轉換成數字信號，直流電壓數字信號經過并行到串行的轉換，以串行的方式傳送。3)將數字信號進行調制傳送在本實施例中，利用調制電路，采用負載調制原理，負載調制就是將數字信號“0”和“ I”用來控制一個負載開關，數字“0”斷開負載開關，數字“ I”接通負載開關，分別對應于負載電路的兩種不同負載中進行傳送。
步驟303，接收傳送的射頻信號并解碼成數字信號，然后對數字信號進行處理得到所述采樣的直流電壓，具體實施過程如下I)接收傳送的射頻信號。2)將射頻信號解碼成數字信號可以采用幅度鍵控調制方式，在接受端首先以低通濾波的方式去掉高頻的載波信號，然后比較包絡信號的幅度得到發射端的數字“0”和“I”信號，這些數字信號規定了植入體電流刺激波形的幅度、位置、寬度、和頻率等信息。3)對數字信號進行處理得到所述采樣的直流電壓優選的，利用數字信號處理器采用與步驟302中12位的模數轉換器相同的順序讀入數字信號，從而得到步驟301中采用的直流電壓。步驟304，根據所述采樣的直流電壓來調節發射功率，并將調節后的發射功率輸出。具體實施過程如下I)根據所述采樣的直流電壓來調節發射功率在本實施例中，根據采樣的直流電壓，以改變發射信號占空比的方法調節射頻放大器的發射功率，占空比與發射功率成正比的關系。數字信號處理器改變發射信號持續時間在單位時間內所占的比例，即發射信號的占空比，相應的改變了射頻放大器在單位時間內輸出射頻信號持續時間所占的比例，從而調節了發射功率。根據植入體電路設計要求，植入體的直流電壓應處于4. 5V-5.5V。當直流電壓低于4. 5V時，需要增大射頻放大器功率；當高于5. 5V時，需要減小射頻放大器功率；當符合規定范圍，則保持當前射頻放大器功率。優選的，占空比一般可以在10%-100%之間變化。如圖4所示，是占空比約為40%情況下的射頻信號。 如圖5所示，是占空比約為60%情況下的射頻信號。2)將發射功率輸出將調節后的發射功率發射到電子耳蝸置于體內的部分。本發明實現的電子耳蝸最優能量調節系統和方法，創造性的能夠測量植入體的能量狀態，并且將植入體能量狀態發送給體外，然后體外根據所接收到的植入體的能量信息，采用改變發射信號占空比的方法調節改變體外機的發射功率，并查詢在新的發射功率下的植入體的能量，以這樣的閉環反饋的形式達到滿足植入體能量需求的最小體外機發射功率。尤為重要的是，采用占空比的方法來控制射頻的輸出功率，不會改變發射電路的諧振狀態，從而保持最優的發射效率。同時本發明能夠很方便的實現，信號的改變也很簡便易行。所屬領域的普通技術人員應當理解以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護 范圍之內。
權利要求
1.一種電子耳蝸最優能量調節系統，其特征在于，包括信號傳輸單元、植入體單元和體外單元， 所述的信號傳輸單元用于植入體單元和體外單元之間的信號傳輸； 所述的植入體單元接收信號傳輸單元傳輸的射頻信號，將射頻信號處理產生直流電壓，對直流電壓進行采樣，然后將采樣后的直流電壓轉換成數字信號，并且將數字信號進行調制傳送給所述的信號傳輸單元； 所述的體外單元接收信號傳輸單元傳輸的射頻信號，將射頻信號解碼成數字信號，并且對所述數字信號進行處理得到所述的植入體單元采樣的直流電壓，然后根據所述采樣的直流電壓來調節發射功率，并傳送給所述的信 號傳輸單元。
2.根據權利要求I所述的系統，其特征在于，所述體外單元根據采樣的直流電壓，采用改變發射信號占空比來調節發射功率。
3.根據權利要求I或2所述的系統，其特征在于，所述體外單元根據采樣的直流電壓調節發射功率，當采樣的直流電壓低于4. 5V時，增大發射功率；當采樣的直流電壓高于5. 5V時，減小發射功率；當采樣的直流電壓處于4. 5V-5. 5V時，則保持當前發射功率。
4.根據權利要求3所述的系統，其特征在于，所述植入體單元將傳送的射頻信號經過檢波和濾波穩壓產生直流電壓。
5.根據權利要求4所述的系統，其特征在于，所述的植入體單元將采樣后的直流電壓轉換成數字信號之前，先利用可編程放大器將采樣的直流電壓處于模數轉換所需的輸入信號范圍內。
6.根據權利要求5所述的系統，其特征在于，所述的植入體單元將采樣后的直流電壓轉換成數字信號，使用12位的模數轉換器將輸入的直流電壓值轉換成數字信號。
7.根據權利要求6所述的系統，其特征在于，所述的植入體單元采用負載調制原理將數字信號傳送給所述的信號傳輸單元。
8.根據權利要求3所述的系統，其特征在于，所述的體外單元將射頻信號解碼成數字信號是通過低通濾波的方法檢測射頻信號幅度的變化，解碼出數字信號。
9.一種電子耳蝸最優能量調節方法，其特征在于，包括以下步驟 A.接收輸入的射頻信號并進行處理產生直流電壓，然后對直流電壓進行采樣； B.將采樣后的直流電壓轉換成數字信號，并且將數字信號進行調制傳送； C.接收傳送的射頻信號并解碼成數字信號，然后對數字信號進行處理得到所述采樣的直流電壓； D.根據所述采樣的直流電壓來調節發射功率,并將調節后的發射功率輸出。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述的步驟D根據采樣的直流電壓，采用改變發射信號占空比來調節發射功率。
11.根據權利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述的步驟D根據所述采樣的直流電壓來調節發射功率，當采樣的直流電壓低于4. 5V時，增大發射功率；當采樣的直流電壓高于5. 5V時，減小發射功率；當采樣的直流電壓處于4. 5V-5. 5V時，則保持當前發射功率。
12.根據權利要求11所述的方法，其特征在于，所述的步驟A經過檢波和濾波穩壓產生直流電壓。
13.根據權利要求11所述的方法，其特征在于，所述的步驟B先利用可編程放大器將采樣的直流電壓處于模數轉換所需的輸入信號范圍內，再轉換成數字信號。
14.根據權利要求13所述的方法，其特征在于，所述的步驟B使用12位的模數轉換器將輸入的直流電壓值轉換成數字信號。
15.根據權利要求14所述的方法，其特征在于，所述的步驟B將數字信號進行調制傳送是采用負載調制原理將數字信號傳送。
16.根據權利要求11所述的方法，其特征在于，所述的步驟C通過低通濾波的方法檢測射頻信號幅度的變化，解碼出數字信號。
全文摘要
本發明公開了一種電子耳蝸最優能量調節系統和方法，包括信號傳輸單元、植入體單元和體外單元，所述的信號傳輸單元用于植入體單元和體外單元之間的信號傳輸；所述的植入體單元接收信號傳輸單元傳輸的射頻信號，將射頻信號處理產生直流電壓，對直流電壓采樣，轉換成數字信號，并且將數字信號進行調制傳送給信號傳輸單元；所述的體外單元接收信號傳輸單元傳輸的射頻信號，解碼成數字信號，并且進行處理得到植入體單元采樣的直流電壓，根據所述采樣的直流電壓來調節發射功率，并傳送給所述的信號傳輸單元。以閉環反饋的形式達到滿足植入體能量需求的最小體外機發射功率，保證發射功率處于最優發射效率。
文檔編號H04W52/08GK102743255SQ20121019272
公開日2012年10月24日 申請日期2012年6月8日 優先權日2012年6月8日
發明者夏斌, 姚慧, 孫曉安, 陳洪斌 申請人:杭州諾爾康神經電子科技有限公司