CN100488473C - 全植入式人工耳蜗及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属生物医学工程仿生学领域，涉及一种新型的全植入式人工耳蜗及其制备方法。本发明主要由可植入式压电式或光纤式传声器、信号放大器、语音处理器和解码刺激器组成，用传声器取代原麦克风的功能，通过信号放大器、语音处理器和解码刺激器采用优化MSPR混合编码策略分配方式和多种刺激模式进行信号处理。本发明经实验证实，可取代麦克风进行声信号的传递和转换，可植入式传声器在动物体内具有较高的灵敏度和较好的频响特性，可应用于全植入式助听装置，有利于患者尤其是儿童患者的身心健康，可提高人们对装置的接受及信赖程度，造福更多的耳聋患者。

Description

全植入式人工耳蜗及其制备方法

技术领域

本发明属生物医学工程仿生学领域，涉及一种新型的全植入式人工耳蜗(totally implantable cochlear)及其制备方法。

背景技术

耳聋是耳部疾病的常见症状，各种耳聋约占耳鼻咽喉科门诊的30％～40％。随着听力学的不断充实以及耳显微外科手术的迅速发展，相当一部分耳聋患者得到了有效的治疗。多数传导性聋的患者可以通过手术提高听力；大部分感音神经性聋目前仍缺乏具有针对性的有效的治疗，但其中轻至中度聋的患者仍可使用助听器来改善听力，提高交往能力；而对于双耳极重度和全聋耳聋患者来说使用植入式助听装置(人工耳蜗植入)是其改善听力的唯一选择。

人工耳蜗植入技术在过去的30年中取得了突飞猛进的进展，经过术后的康复训练，患者中的大部分成人甚至可以通过电话与人交流，大部分儿童可以与正常儿童一同接受正规教育。但是，目前在世界各地可用于临床的助听装置均为半植入式装置，即将麦克风、信号放大器、语音处理器、外线圈等部分仍置于体外，致使外观上、心理上、使用上都有一定的不便之处。而相当一部分患者拒绝使用助听装置的原因在于：佩带助听器或部分植入式助听装置时，外装置仍可被人发现有耳聋的残疾，这给患者造成心理上的障碍；此外一些日常活动如沐浴、游泳等也受到限制；且装置外置易受损坏。

众多学者的理想和目标是研制出可靠的全植入式助听装置，这种装置的研制成功有赖于两大技术上的突破：可植入式传声器和可植入式充电电池。关于后者，目前已有研究可利用无线近红外能量传输对锂电池进行透皮充电，美国的WilsonGreatbatch及德国的Simplex等公司已研制出应用于植入式助听装置的微型锂离子充电电池。而可植入式传声器的研究则更依赖于耳科学家和技术部门的共同努力。目前，国外有学者已经对这种类型的可植入式传声器进行了相关研究，但尚无压电及光纤传声器应用的报道；国内亦无可植入式传声器的相关研究报道。虽然这种装置显著增加了技术上的问题和手术时的困难，但是它完全无碍于接受植入者的外观，对患者尤其是儿童患者的身心健康有利，从而必将提高人们对装置的接受及信赖程度，使之造福更多的耳聋患者。

发明内容

本发明的目的是为临床应用提供一种全植入式人工耳蜗，涉及带有各种类型用途传感器，尤其是压电式或光纤式的可植入传声器的全植入式人工耳蜗。

本发明全植入式人工耳蜗的工作原理是：通过中耳听骨振动提取信号，由振动信号转变为电信号输入耳蜗，通过植入电极刺激激活听神经，然后产生听觉。

本发明全植入式人工耳蜗主要由传声器、信号放大器、语音处理器和解码刺激器组成，所述的传声器可以是压电式或光纤式，其特征是用传声器取代原麦克风，声音通过外耳道、鼓膜引起的听骨振动被传声器转换为电信号，完成声—电转换的过程，取代原麦克风的功能，言语处理器将信号进行处理后，提供和分配到电极极阵，电极刺激耳蜗的听觉神经元，形成全植入人工耳蜗信号。

本发明的技术方案通过下述步骤实现：

1.制备传感系统

采用各种类型用途传感器，尤其是压电式或光纤式作为传感源，外覆生物相容性良好的材料，制成可植入式传声器，植入于中耳后可将听骨振动信号转换为电信号。

体外实验中以扬声器作为声波振动源，与可植入式传声器连接，传声器输出端连接示波器。输入100Hz—8000Hz倍频，97db SPL的纯音信号，记录各频率的纯音经过可植入式传声器处理后产生电脉冲的电极位置和输出图像，计算输出信号电压幅值(峰峰值)，得出灵敏度和频率响应；

同时采用压电陶瓷振荡传声器进行动物实验，证明在0.1～8kHz范围对听骨传声振动有较好的频响反应，最大频响反应在1～2kHz。

2.经传声器信号补偿成麦克风信号

传统的人工耳蜗是通过麦克风来拾取语音信号，而本发明通过在听骨上放置传声器来拾取语音振动信号。

利用SystemView软件来仿真经传声器出来的信号，并通过滤波处理补偿成麦克风出来的信号。首先把语音信号(语音信号1)通过一个无规则的滤波器(滤波器1)畸变掉，用以模仿信号通过传声器后声音的畸变，再设计滤波器(滤波器2)让畸变后的语音信号通过后恢复到原始信号(语音信号2)，结果发现语音信号1和语音信号2相似，证明通过传声器的信号通过处理器处理后是可以调节成和麦克风提取的信号一样，并能达到语言的频率响应要求。

所述的SystemView(ELANIX公司)是一种图控式界面的程序语言，具有示波器的面板，可以直接把数据转换成波形显示在电脑荧幕上。

3.全植入式人工耳蜗仿生听觉模型及优化的MSPR混合编码策略

双极刺激模式的弥散电场呈现偶极子的空间分布，半波带通滤波器组能够反映耳蜗地址编码的基本特征。听觉神经的同步响应破坏了语音信号的相位特性，同时将共振峰(含基频)映射为窄带调谐，因而造成听觉生理上的模糊。交替时间编码是必需的，以防止电极电场的相互泄漏。刺激脉冲理解为听觉神经滤波器组的选通信号，对声调的辩识有重要的意义。基于上述研究，本发明提供了下述优化的混合刺激脉冲速率编码策略(Mixed Stimulation Pulsetile Rate，MSPR)，在语音处理时提取基频(F0)作为刺激速率，同时用能量峰来选择刺激的频率通道。

带通滤波器的范围为100Hz~8KHz，划分为22个带通滤波器组。在22通道前置滤波放大FFT处理后根据设置输出3～10个最大的滤波通道，刺激速率大于800pps；为适应汉语的声调识别，同时只针对最低频率的滤波通道采用F0刺激速率。这种策略包含了两个刺激频率，其中最低频率通道具有F0优先权。低频子带宽度大致是150Hz左右，利用听觉脑干的错觉，凭借对F0的“节拍”感知，因此模糊了共振峰的音调信息，能够更精细地反映汉语音调的动态特性。

22个电极的耳蜗装置，双极刺激模式对应有21个滤波通道，单极刺激模式对应有22个滤波通道，其中后者具有高度选择性的弥散电场。如果减小听觉模型的滤波子带宽度，则能够获得更加清晰的言语识别效果。经过模拟仿真对比，发现1/4滤波带宽有较明显的改善，表明高度聚焦的电极能够增加病人的言语识别率；滤波带宽太窄则弥散电场会导致耳蜗装置难以刺激到足够数量的听神经细胞群。

本发明采用美国德州ADI公司DSP TMC系列Blackfin系列中的数字微处理芯片ADSP-BF533作为处理芯片，先对传声器过来的信号进行带通滤波和放大，然后通过调节滤波因子和放大信号进行编码然后升压发送信号进行滤波补偿。

4.新的信号分配方式

根据临床实践表明，适合装人工耳蜗的病人蜗内毛细胞损失大多在1-8kHz，而用能量峰编码方式采集的语音信号能量主要集中在1kHz以下，为更能适合病人的实际需要，本发明所采用的MSPR策略(动态范围输出最大的3～10个滤波通道)频率优化为高低频二个区域，即在1kHz以下选取2～4个能量峰最大值，在1kHz以上再选取1～6个能量最大值，重点在中高频区作能量补偿以提高言语分辨率。

5.多种个性化可选择的刺激模式

(1)传统的异步模式：采用轮流发送的方式输出信号到电极极阵；

(2)部分同步模式：低频区对汉语语音的音调识别相当重要，同时对语音信号强度感受起主导作用，高频区对言语的分辨率起主要作用。本发明的刺激模式是：当信号刺激低频区电极时仍采用异步模式，而当信号刺激高频区电极时则同步刺激相应的低频区电极(根据F0的频率)，可提高汉语音调的识别率和声音的敏感度；

(3)全同步模式：预留全同步刺激所有电极的刺激模式。

6.制备全植入人工耳蜗专用芯片

本发明可采用集成高精度的模/数(A/D)芯片将前置放大器、滤波器还有后置放大器集成在一个全植入系统芯片内，再配合高速的集成处理器，以实现超高分辨率模式并包含更多的声音细节信息。

全植入式系统选择精度高的A/D采集数据，同时选择处理速度快的数字信号处理器(DSP)，把A/D芯片、DSP和分配电极功能等集成在同一个芯片上。在Demo板上预演系统可实现所有的功能。

信号进入集成A/D芯片采集后，先经过一组带通滤波器划分频带：带通滤波器的范围为100Hz~8KHz，划分为22个带通滤波器组。前7个呈线性分布，后面15个呈对数分布，这样更接近正常的听觉频率分布特点。调节这22个滤波器的滤波因子把具有传声器特性的电信号补偿成有麦克风特性的电信号，可以使用各种信号处理及刺激策略。本发明不需要考虑信号在体内外的传输和传输过程中的信息的丢失，可多种刺激策略。本发明以传声器做动物实验时反复实验调整，得到最佳的滤波因子并调节22个滤波因子；

语音信号补偿成有麦克风特性的电信号后，做基本调整后再经过自动增益控制(AGC)处理，扩展声音输入的动态范围(IDR)。采用的策略直接提取语音信号幅值作为电极刺激强度，不提取语音信号的包络，同时实时一点一点处理；

最后按22个频带划分直接分配电极刺激。

本发明的优势在于：

1、取消了原部分植在中耳结构正常的患者中，将一换能器直接耦合于听骨链上作为传声器，声波通入式装置体内—外的射频信号传输过程，简化了装置。

2、利用了耳廓、外耳道原有的集音，定向、放大等生理功能。

3、直接利用声传导的振动(如鼓膜的振动)作为传声器的振动源。

本发明重点考虑汉语四声的特点。与传统人工耳蜗相比，具有如下特点：表1为全植入人工耳蜗与传统人工耳蜗相比的创新性与特点。

表1

 

	全植入人工耳蜗	传统人工耳蜗
			整体设计	全部植入体内，无体外装置	半植入式，需要体外佩戴装置
信号拾取	拾取听骨振动信号，声源采集源于体内	体外麦克风拾取声信号，声源采集源于体外
			信号处理	体内通过滤波器将听骨振动的信号转换成麦克风样信号	体外装置的言语处理器搜集麦克风信号
信号传输	体内直接编码	需体外先编码后再通过线圈感应到体内装置，再解码
			编码原则	既考虑言语分辨率，又考虑汉语声调	考虑言语分辨率，未考虑汉语声调
编码策略	混合编码策略，同时采用能量峰和共振峰，始终保持F0对低频声调的控制	单一的共振峰或能量峰的提取
			信号输出方式	分高频和低频二个区域，及考虑高频的言语分辨率，又照顾低频的声音敏感度和汉语的四声声调	不分区段，对汉语的四声声调缺乏支持
刺激模式	多种个性化可选择(异步刺激，部分同步刺激，全同步刺激)	异步刺激；根据声音的频率轮流向相应的电极发送刺激，缺点是当高

 

部分同步刺激：当信号刺激低频区电极时仍采用异步模式，而当信号刺激高频区电极时则同步刺激相应的低频区电极(根据F0的频率)，以期达到提高汉语音调的识别率和声音的敏感度。全同步刺激：预留的工作方式

频刺激时，未考虑声调的因素

附图说明

图1为全植入人工耳蜗的工作模式图，

其中，压电传声器从中耳的听骨上采集声信号→言语处理器将信号进行处理→处理后的信号分配到电极极阵→电极刺激耳蜗的听觉神经元。

图2为全植入人工耳蜗总体技术路线。

图3为整个将传声器信号补偿成麦克风信号程序的架构图。

图4为用于传声器信号补偿成麦克风信号SystemView的编程界面。

图5为全植入高精度的A/D人工耳蜗专用芯片的整个系统原理框图。

具体实施方式

实施例1  压电式可植入式传声器的体外测试

1、实验仪器  XD7低频信号发生器，新建SS1-A20MHz示波器，爱捷伦56422A100MHz示波器，WYJ-30V/2A晶体管直流稳压电源，耳显微外科手术器械和显微镜。所有实验均在安静隔音室内进行(环境噪声小于20db SPL)。

2、采用压电陶瓷为原料，钛合金为载体，外覆绝缘胶制备压电式可植入式传声器。成品长6mm，宽2mm，厚0.2mm，质量20mg，载体一端呈T型金属臂状，起固定作用。输出端连接微型信号放大器。传声器工作电流：0.18mA。

3、体外振动模型实验在体外以扬声器作为声波振动源，可植入式传声器与扬声器输出端相接触，感受由扬声器发出的声波，传声器输出端与示波器连接，分别给予100Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、1500Hz、2000Hz、3000Hz、4000Hz、6000Hz、8000Hz，97dbSPL的纯音信号，从示波器上记录输出信号的电压幅值(峰峰值)。每个频率测试3次，取平均值。麦克风的测试：在相同环境下取一个部分植入式人工耳蜗外装置中的麦克风代替传声器，在其输入端给予相同的纯音信号，进行测试。

4、模拟人工耳蜗工作实验将装置的输出端与人工耳蜗连接，实验以发光二极管代表电极，二极管发光即表示该二极管所代表的电极产生了电脉冲。给与相同不同频率的纯音通过传声器后将刺激不同的电极产生电脉冲，这种电脉冲也就是人工耳蜗植入人体后直接刺激螺旋神经节，使接受植入者获得听觉并且辨别各种声音的电脉冲。在实验中，记录各频率的纯音刺激后产生电脉冲的电极组号，记为传声器组，然后进行以下实验作为对照。对照组1：以麦克风代替传声器进行实验，也就是采用目前的半植入式人工耳蜗进行相同的实验，同样记录各频率纯音刺激后产生电脉冲的电极组号，记为麦克风组。对照2：不通过传声器或麦克风进行声—电转换，将信号发生器发出的电信号直接输入人工耳蜗，记录不同频率信号刺激后产生电脉冲的电极组号，记为直接组。每组测试后重复1次。

5、观察输出波形实验装置与前相同，只是将人工耳蜗的电极受刺激后产生的电脉冲信号输入示波器进行观察，同样分为三组对照，传声器组，麦克风组，直接组。

6、数据处理

1)灵敏度的计算

取输入信号为1000Hz时的输出电压值，根据公式：灵敏度＝输出电压(mV)/入射声压(Pa)，计算出传声器的灵敏度(mV/Pa)，根据参考灵敏度1V/Pa相当于0db，将其转换成分贝值。

2)频率响应。与以上计算灵敏度相同的方法计算出传声器在各个频率的灵敏度，绘出频率响应曲线。

结果显示：体外振动模型实验中传声器灵敏度为-15.1db麦克风灵敏度为-1.5db，频响曲线平坦；模拟人工耳蜗工作实验中三组(传声器组、麦克风组、直接组)的结果一致，证明输入相同信号时，由传声器和麦克风采集和处理后输入人工耳蜗的信号刺激人工耳蜗工作的情况是一致的，它们与信号直接输入人工耳蜗的结果也是一致的，从另一个侧面反映了传声器可能取代麦克风的功能；观察输出波型实验所得的图像均为相似的方波。

实验结果证实，相同频率的声信号通过可植入式传声器或麦克风进入人工耳蜗后，经过言语处理，编码解码过程后，其产生刺激电脉冲的电极位置和输出图像一致，与相同频率的电信号直接输入人工耳蜗的结果也是一致的，表明其在人工耳蜗系统中可能取代麦克风进行声信号的传递和转换。

实施例2  压电式可植入式传声器的体内(动物)实验

1、实验仪器：XD7低频信号发生器，新建SS1-A20MHz示波器，爱捷伦56422A100MHz示波器，WYJ-30V/2A晶体管直流稳压电源，耳显微外科手术器械和显微镜。所有实验均在安静隔音室内进行，环境噪声小于20db SPL。

2、实验动物：成年猫6只(雌雄各3只)，购于奉贤动物饲养场，体重2.5-3kg，饲养于清洁动物房。

3、方法

急性动物实验：(1)通过手术将可植入式传声器固定于猫的锤骨头，于鼓膜前方输入100Hz—8000Hz倍频，97db SPL的纯音信号，记录输出信号电压幅值(峰峰值)，由此得出灵敏度和频率响应。共测试8耳，取平均值。(2)可植入式传声器固定于猫的锤骨头，输入信号仍为纯音，将其输出端记录各频率的纯音经过可植入式传声器处理后产生电脉冲的电极位置和输出图像。以上实验均设：中耳腔对照组——将传声器空置于中耳听泡内，不与任何结构接触，直接感受空气中声波的振动；鼓膜穿孔对照组——传声器仍固定于锤骨头，人为造成动物鼓膜大穿孔后进行测试。

压电式可植入式传声器的植入实验：将传声器植入动物中耳，饲养2月后取出，观察动物中耳和传声器的状态。共植入2只动物的2耳。

4、结果

急性动物实验：(1)植入组平均灵敏度：-38.7db(1000Hz，参考灵敏度：1V/Pa相当于0db)，频率范围包含从100Hz至8000Hz的主要言语频率，频响曲线平坦。中耳组1000Hz无输出信号，鼓膜穿孔组平均灵敏度：-52.6db。(2)输入相同频率的信号，通过可植入式传声器处理后，其产生刺激电脉冲的电极位置和输出图像三组的结果基本一致。

压电式可植入式传声器的植入实验：一传声器仍固定于原位置，另一传声器滑落。动物中耳腔内无明显炎症等迹象。传声器外观和性能完好。

结果证实：压电式可植入式传声器在体内(动物)具有较高的灵敏度，较好的频响特性，在0.1～8kHz范围对听骨传声振动有较好的频响反应，最大频响反应在1～2kHz；在人工耳蜗系统中可取代麦克风进行声信号的传递和转换；在体内具备一定的稳定性；将其应用于全植入式助听装置是可行的。

实施例3 将传声器信号补偿成麦克风信号实验

1、利用SystemView软件仿真并证明通过传声器的信号是可以调节成和麦克风出来的信号一样。

2、把语音信号通过一个无规则的滤波器给畸变掉，用以模仿信号通过传声器后畸变后的语音信号。

3、设计滤波器让畸变后的语音信号通过后恢复到原始信号。

结果显示：通过传声器后改变的信号经滤波器恢复后与原始语音信号相似。

Claims (5)

1、一种全植入式人工耳蜗，主要由传声器、信号放大器、语音处理器、解码刺激器和刺激耳蜗听觉神经元的电极极阵组成，其特征是所述的的传声器选自压电式或光纤式传感器，提取听骨振动信号；所述的信号放大器、语音处理器和解码刺激器采用混合刺激脉冲速率编码策略分配方式和多种刺激模式刺激所述的电极极阵进行信号处理。

2、按权利要求1所述的全植入式人工耳蜗的制备方法，其特征是包括下述步骤：

(1).制备传感系统

采用压电式或光纤式传感器作为传感源，外覆生物相容性良好的材料，制备可植入式传声器，植入于中耳后将听骨振动信号转换为电信号；

(2).经传声器信号补偿成麦克风信号

通过在听骨上放置传声器拾取语音振动信号，通过滤波处理补偿成麦克风出来的信号；

(3).全植入式人工耳蜗仿生听觉模型及优化混合刺激脉冲速率编码策略

选择信号范围为100Hz~8KHz，划分为22个频率组，在语音处理时提取基频F0作为刺激速率，同时用能量峰选择刺激的频率通道；

(4).新的信号分配方式

将所采用的混合刺激脉冲速率编码策略频率优化为高低频二个区域，在1kHz以下选取2～4个能量峰最大值，在1kHz以上选取1～6个能量最大值，在中高频区作能量补偿提高言语分辨率；

(5).多种个性化可选择的刺激模式

信号刺激低频区电极时采用异步模式，信号刺激高频区电极时根据F0的频率同步刺激相应的低频区电极，预留全同步刺激所有电极的刺激模式；

(6).制备全植入人工耳蜗专用芯片

采用集成高精度的模/数(A/D)芯片将前置放大器、滤波器和后置放大器集成在一个全植入系统芯片内，再配合高速的集成处理器，实现超高分辨率模式并包含更多的声音细节信息。

3、按权利要求1所述的全植入式人工耳蜗，其特征是所述的传声器采用微型压电陶瓷或光纤作为传感源，外覆生物相容性材料，制成压电陶瓷或光纤可植入式传声器。

4.、根据权利要求1所述的全植入式人工耳蜗，其特征是所述的优化混合刺激脉冲速率编码策略分配方式，其中选择信号范围为100Hz~8KHz，划分为22个频率组，在语音处理时提取基频F0作为刺激速率，同时用能量峰选择刺激的频率通道；其中分配方式用混合刺激脉冲速率编码策略将频率优化为高低频二个区域，在1kHz以下选取2～4个能量峰最大值，在1kHz以上选取1～6个能量最大值。

5.、按权利要求1所述的全植入式人工耳蜗，其特征是所述的多种刺激模式是异步刺激，部分同步刺激和全同步刺激。

Images