CN101055717B - 采用atf编码技术的人工耳蜗实现方法及atf人工耳蜗 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用ATF编码技术的人工耳蜗实现方法及ATF人工耳蜗，该方法包括：获取声音信号并进行预处理后，再将声音信号分频转换成至少两个单导窄带声音信号；对经过处理的单导窄带声音信号进行采样以提取若干瞬时幅度；对每个瞬时幅度进行ATF编码技术处理而将瞬时声音强度转换为一段时间内一组幅度由小到大、起始时间不同、频率不同的多脉冲，而后将若干多脉冲整合成刺激脉冲用于刺激耳蜗。本发明的ATF编码技术源于生物体听觉中枢神经元反应的时间生理特性，使得声音编码更加适合于人体听觉生理特征，能够充分改善人工耳蜗性能。

Description

采用ATF编码技术的人工耳蜗实现方法及ATF人工耳蜗

技术领域

本发明涉及一种人工耳蜗，特别是关于一种利用脉冲幅度-时间-频率(简称ATF)编码技术改善人工耳蜗的方法及其对应产品。

背景技术

医学上把听阈在90分贝以上的患者统称为全聋。大部分患者全聋的原因是毛细胞的损伤而不是听神经的功能衰退，因此尚存在电刺激兴奋听觉中枢的可能性，即通过电刺激的方法可以恢复听觉。人工耳蜗就是基于这样前提下的一种用于治疗传感性耳聋的医疗电子产物。人工耳蜗是对耳蜗特性的一种模仿，依据耳蜗对语音的部位编码原理，将若干个电极植入耳蜗鼓阶内不同位置，体外的语音信号经处理器处理后产生相应电极的电刺激脉冲，直接兴奋耳蜗内不同部位电极附近的听神经，使患者产生真实的听觉感受，从而达到恢复患者听力的目的。

人工耳蜗将语音信号转化成刺激耳蜗神经元的电刺激信号从而模拟人耳的功能，通常包括包两部分：体外部分和体内部分。体外部分包括：1、语音信号输入单元：麦克风和自动增益放大器(进行声电转化并放大)；2、语音信号处理模块(器)：带通滤波器、整流器、低通滤波器、压缩模块和语音编码模块(将检测到的声音信号进行滤波或特征提取等处理，并以特定的语音处理方案将其特征信号转换成电刺激信号)；3、发射模块：载波调制电路、功放和发射线圈(将编码信号调制为高频信号，再通过发射线圈将信号以无线方式发送到植入体内的接收装置)。体内部分包括：1、接收单元：接收线圈、功放和检波解调电路(接收信号并进行解调解码后还原出刺激信号)；2、刺激器：解码模块、刺激脉冲生成模块(产生相应电极的刺激电流；3、刺激电极(通过植入耳蜗鼓阶的阵列电极兴奋听神经)。

其中，语音信号处理方案是人工耳蜗技术的关键。当前，人工耳蜗所使用的语音处理方案大致分为两类：第一类为特征提取方案，如F0/F2、F0/F1/F2和MPEAK方案，其策略是首先提取语音信号中的重要特征(主要是频率和幅度)，然后再将这些特征传送到不同电极(共振频率F1、F2决定刺激电极，基频F0决定刺激频率，幅度决定刺激的强度)以电刺激听神经；第二类为波形(Waveform)方案，其策略是将言语信号的波形以不同的方式传送到电极，这类方案又可分为模拟刺激(Analog stimulation)方案(如SAS、CA方案)和脉冲刺激(Pulsatile stimulation)方案(如ACE、CIS、SPEAK方案等)。前者直接将模拟信号输入四道电极(CA方案)或八道偶合电极(SAS方案)进行电刺激；后者主要是用一组带通滤波器将声音信号过滤后，对各通道采用整流加低通滤波或Hilbert转换提取包络，并直接连续间隔采样(CIS方案)，以高频(最高2400Hz或14400/电极数)电脉冲刺激，或间接经Fourier转换后取5-10个振幅最大的包络以基频(180Hz-300Hz，平均250Hz，SPEAK方案)或高频(相当于CIS的刺激频率，ACE方案)脉冲刺激。特征提取方案和模拟刺激方案由于多通道电极同时刺激容易产生频道之间的相互作用和干扰。脉冲刺激方案均利用相间刺激方法减少了频道间同时刺激的干扰，ACE、CIS、SPEAK方案是目前广为应用的三种人工耳蜗语音处理方案。

以上人工耳蜗语音处理方案均以幅度较大的一个或数个特征频率为电极刺激通道，对声音信号幅度变化进行提取和编码，而后以基频或某种转换的固定频率进行刺激。然而，声音的基本参数为频率和幅度，虽说频率决定了电刺激部位(即选择电极)，但由于基底膜任一点均可随不同频率振动，只是频率不同振动的幅度有所不同，因而局部质点在毛细胞的电转换过程中应受频率影响，而不是简单将包络波的幅度进行转换。因此，一些研究试图通过提取频率变化以进行频率-幅度调制编码。如，公开号为CN1561578的中国发明专利申请公开了一种“使用频率-幅度-调制-编码策略(FAME)改善音频信号的人工耳蜗与装置/方法”，其首先从音频信号的一个或者多个窄带中提取出声音的幅度和频率调制，然后对这些调制进行滤波和压缩，以产生经数字化处理的幅度和频率调制的音频信号，从而提供类似与原始信号的声音信号。该专利申请的方法是将提取窄带的信号先进行频率调制(可能携带或不携带基频信息)，再进行幅度调制，最后产生频率-幅度调制脉送至电极，以期有效地改善人工耳蜗的声音质量。事实上CIS方案中以高频度的连续采样方法就已经包含了频率的变化，只是其通道从高频道(蜗底)到低频道(蜗尖)以固定逐一出现的相间刺激方式，而CN1561578是以一携带频率加上提取的频率变化进行调制，可能更有效地减少电极间相互干扰。

此外，耳蜗进行声音信号向生物电信号转换包括两部分：1、机械波向感受器电位的转换，即转换成耳蜗微音器电位，主要是毛细胞的功能，其特点是几乎完全线性转换；2、内毛细胞的电变化向神经纤维的动作电位转换，主要是内毛细胞与听神经纤维形成的突触功能。基底膜上的内毛细胞均与多个螺旋神经节的节细胞相联(人类平均为20左右)，这些与同一内毛细胞相联神经元的突触大小不同，大的阈值低、纤维粗、自发放电率高，其产生动作电位的时间早；不同毛细胞在响应同一频率声音刺激时表现为与共振性程度高的毛细胞相联的神经元产生动作电位早；同一神经元响应同一频率不同强度时，对强度高的产生动作电位的时间早。其特点是在非线性转换过程中具有时间特性。

但是，目前所知的所有语音编码方法只是考虑了语音信号到电信号的转换过程，即相当于机械波向感受器电位的线性转换，并没有从内毛细胞与听神经纤维形成的突触特性及其时间转换功能等生理因素出发。因此，现有人工耳蜗不能表现多神经元响应同一声强时的不同时序性，也不能够体现同一神经元对不同声强响应的时间不同(声强响应早)，也就没法表现听觉中枢的时间编码、传递和处理特性，以及前后掩蔽(时程上出现较晚的强声音掩盖了较早的弱声音现象)的生理特性。故而现有人工耳蜗不可能达到十分理想的效果。

因此，提供一种基于生物体听觉中枢神经元反应的时间生理特性的、能够使声音编码更加适合于人体听觉生理特征的、能够充分改善人工耳蜗修复听觉功能的ATF人工耳蜗及其实现方法成为了业界需要解决的问题。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是提供一种基于生物体听觉中枢神经元反应的时间生理特性的ATF人工耳蜗实现方法。

本发明要解决的另一个技术问题是提供一种采用本发明方法的ATF人工耳蜗。

本发明的一种技术方案是：提供一种采用ATF编码技术的人工耳蜗实现方法，包括：(一)、将获取的声音信号分频转换成两个或两个以上的单导窄带声音信号；(二)、对经过处理或未经处理的每个单导窄带声音信号分别进行适时采样以提取若干瞬时幅度；(三)、从每个瞬时幅度转换出多脉冲幅度(A)、起始时间(T)、以及相邻子脉冲间隔时间或子脉冲频率(F)，从而获得一个与每个瞬时幅度相对应并包括至少两个子脉冲的多脉冲；(四)、将每个单导窄带声音信号对应的若干多脉冲进行比较以提取同一时间点或时间段上的最大强度脉冲并将获得的若干最大强度脉冲整合成刺激脉冲信号输送到与每个单导窄带声音信号对应的刺激电极。

所谓ATF编码技术是指：基于现有技术和发明人的新近研究结果，充分考虑耳蜗进行声音信号向生物电信号转换的毛细胞功能特点与突触功能，依据基底膜任一质点的滤波器作用特点(与刺激声波共振性强的部位振动幅度大，与之相联的神经元产生动作电位的时间早)和多个螺旋神经节细胞与同一内毛细胞相联形成的突触结构特点(大突触阈值低、纤维粗、自发放电率高，其神经纤维产生动作电位的时间早)以及任一神经元反应声音强度的特性(神经元响应同一频率不同强度时，对强度高的产生动作电位的时间早)，强调耳蜗将模拟机械声波转换成非线性数字化动作电位的时间特性，以及不同的神经纤维直接电兴奋的阈值基本相同，在CIS语音编码方案的基础上，对提取的瞬时刺激强度进行强度(A)、起始时间(T)和刺激间隔时间(或频率F)处理成一段时间内一定时间间隔的多强度脉冲，最后将若干个多强度脉冲整合成刺激脉冲刺激耳蜗。

一般地，在获取声音信号后，采用两个或两个以上的带通滤波器将声音信号滤波分频得到两个通道或两个通道以上的信号(即两个或两个以上的单导窄带声音信号)，然后对各个通道的信号分别进行提取包络波处理，从每个通道信号相应的包络波中提取若干个瞬时幅度，分别针对每个通道信号对应的若干个瞬时幅度进行(三)及(四)处理。所采用的带通滤波通道数，可根据其滤波范围、电极特点及语音编码特点选择，比如，采用四个、八个、十个、十六个甚至二十一个或以上的滤波器将声音信号滤波成相应通道上的电刺激脉冲信号，各个滤波器对应的刺激电极以其中心频率间隔分布在基底膜的对应响应区段。

可选择地，可以对各个通道的信号采用同一个特定的ATF编码技术(比如同一个芯片或电路)进行处理，也可以采用多个具体的ATF编码技术分别进行处理，即，针对各个刺激电极，可以采用同一组ATF编码函数/公式进行处理，也可以采用不同组ATF编码函数/公式进行处理。根据具体的需求，各个函数或公式的参数可以对应改变。

可选择地，在分频得到单导窄带声音信号后，对单导窄带声音信号进行整流及低通滤波处理后得到包络波，若干个瞬时幅度从经过整流及滤波处理后的包络波中提取。

可选择地，在分频得到单导窄带声音信号后，对单导窄带声音信号进行过零检测以提取包络波，若干个瞬时幅度从经过过零检测提取到的包络波中提取。

优选地，在获取单导窄带声音信号后，对单导窄带声音信号采用整流滤波方法提取包络波，若干个瞬时幅度从整流滤波后得到的包络波中提取。

优选地，对各个通道的声音信号得到的包络波进行连续采样以提取若干个瞬时幅度。

可选择地，采用低通滤波器对整流后的信号进行低通滤波处理以提取包络波并压缩。

优选地，在分频转换前将获取的声音信号进行预处理，预处理包括预加重和抗混滤波处理。

优选地，起始时间是由公式T₀＝αe^-βI获得，其中，T₀为起始时间的值；e为自然对数的底；I为瞬时幅度的值；α为转换系数，取值范围为大于0小于等于500；β为转换系数，取值范围为大于0小于等于1000。相邻子脉冲间隔时间是由公式 $\mathrm{\Δ}{T}_i={\mathrm{\α}}_1{e}^{({\mathrm{\β}}_{2}i-{\mathrm{\β}}_{1}I)}$ 获得，其中，ΔT_i为第i个子脉冲与第i-1个脉冲之间的间隔时间；α₁为转换系数，取值范围为大于0小于等于500；β₁为转换系数，取值范围为大于0小于等于1000；β₂为转换系数，取值范围为大于0小于等于1000。多脉冲幅度是通过公式 $A_i={\mathrm{\α}}_3{e}^{{\mathrm{\β}}_3\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{T}_i}-A^{\′}={\mathrm{\α}}_3{e}^{{\mathrm{\β}}_3\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_1{e}^{({\mathrm{\β}}_{2}i-{\mathrm{\β}}_{1}I)}}-A^{\′}$ 获得，其中，A_i为第i个子脉冲幅度的值；α₃为转换系数，取值范围为大于0小于等于500；β₃为转换系数，取值范围为大于0小于等于1000；A′为可调常数。

可选择地，进行各类转换时可以没有先后顺序；各转换的公式可以与本发明中公开的这些不同，只要能够达到本发明的目的都可以被采用；既可以转换为脉冲也可转换为模拟量。

另外，本发明还提供一种采用本发明方法的ATF人工耳蜗，其包括声音信号输入模块、声音信号处理模块、传输模块、刺激器以及若干刺激电极，其中，声音信号处理模块包括用于从每个瞬时幅度转换出多脉冲起始时间、相邻子脉冲间隔时间、以及每个子脉冲幅度从而获得一个与每个瞬时幅度相对应并包括至少两个子脉冲的多脉冲的ATF编码处理芯片和/或电路。

此外，ATF编码处理芯片和/或电路还用于将与若干瞬时幅度分别对应的若干多脉冲进行比较以提取同一时间点或时间段上的最大强度脉冲并将获得的若干最大强度脉冲整合成刺激脉冲信号输送到对应的刺激电极。

具体地，声音信号输入模块包括麦克风和自动增益放大器；传输模块包括相互耦合或者连接的发射线圈以及接收线圈，比如通过电磁耦合的无线发射线圈及无线接收线圈，此外，也可以采用有线连接；声音信号处理模块还包括带通滤波器、整流器、低通滤波器以及压缩模块；刺激器包括解码模块以及刺激脉冲生成模块。

优选地，ATF人工耳蜗包括与不同频率相对应的两个或两个以上的刺激电极，刺激电极沿着基底膜间隔设置在可对应频率引起共振的区段。比如，采用二十一个间隔分布的刺激电极。

本发明的有益效果是：首先，使用ATF编码技术将瞬时声音强度进行强度、起始时间和刺激间隔时间处理成一段时间内一定时间间隔的多强度脉冲刺激，从而最大限度地保证耳蜗神经元兴奋时其动作电位对声音强度和频率的时间编码特性，使得所产生的刺激脉冲刺激听觉神经元的时间、频率和幅度与正常听觉神经元产生兴奋的生理过程基本一致，维持听觉中枢的时间编码、传递和处理特性；其次，通过ATF编码技术可以实现与生命体一致的前后掩蔽等时间处理相关的生理现象；此外，各电极产生脉冲的起始时间、频率(时间间隔)不同，尽可能地减少了刺激时电极间的相互干扰，进而改善了人工耳蜗音质。

以下结合附图和实施例，来进一步说明本发明，但本发明不局限于这些实施例，任何在本发明基本精神上的改进或替代，仍属于本发明权利要求书中所要求保护的范围。

附图说明

图1是采用ATF编码技术的人工耳蜗实现方法的流程图。

图2是声音瞬时幅度转换成多脉冲的幅度、产生时间与时间间隔的示意图。

图3是对声音包络波连续间隔采样示意图。

图4是汇总的编码脉冲示意图。

图5是生成的输送到刺激电极的刺激脉冲示意图。

图6是刺激电极的位置与组织神经元的分布关系示意图。

图7是现有技术的编码方法兴奋各层神经元的特点示意图。

图8是本发明方法兴奋各层神经元的特点示意图。

图9是本发明的ATF人工耳蜗模块示意图。

图10是英语单词“flowers”的原始声音信号示意图。

图11是图10中的声音信号经过滤波后的四通道信号示意图。

图12是图11中的四通道信号经过整流后的示意图。

图13是图12中的信号经过低通滤波提取包络波后的示意图。

图14是图13中的包络波被ATF编码技术整合后的脉冲信号示意图。

图15是输送到对应刺激电极的刺激脉冲示意图。

具体实施方式

实施例1

请参照图1，本发明提供了一种使人工耳蜗更趋于人耳功能的采用ATF编码技术的人工耳蜗实现方法，该方法包括下列步骤：

(一)声音幅度信号提取

声音信号首先通过声电转换后滤波(或/和傅利叶转换)、整流和低通滤波提取幅度包络波并压缩，再对幅度包络波进行连续间隔采样并提取瞬时幅度(I)(可选择地，采样速率高时可不进行包络波提取)。该步骤可以采用现有技术中已有的方法进行。

(二)刺激起始时间(T)转换

将步骤(一)中所提取到的瞬时幅度信号按照如下公式(1)进行转换，

T₀＝αe^-βI    (1)

公式(1)中I为步骤(一)中所提取到的瞬时幅度信号大小；T₀为产生刺激的起始时间；α、β是刺激起始时间转换系数。

(三)刺激间隔时间(刺激频率F＝1/ΔT_i)转换

将步骤(一)中所提取到的瞬时幅度信号按照如下公式(2)、(3)、(4)进行刺激间隔时间或刺激频率转换，

${\mathrm{\α}}_2={\mathrm{\α}}_1{e}^{-{\mathrm{\β}}_{1}I}---\left(2\right)$

$\mathrm{\Δ}{T}_i={\mathrm{\α}}_2{e}^{{\mathrm{\β}}_{2}i}={\mathrm{\α}}_1{e}^{-{\mathrm{\β}}_{1}I}{e}^{{\mathrm{\β}}_{2}i}={\mathrm{\α}}_1{e}^{({\mathrm{\β}}_{2}i-{\mathrm{\β}}_{1}I)}---\left(3\right)$

$T_i=T_0+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{T}_i---\left(4\right)$

公式(2)表示起始间隔时间与瞬时幅度信号的转换关系，其中α₁、β₁是起始间隔时间的转换系数；公式(3)计算第i个刺激脉冲与前一脉冲(第i-1个脉冲)间的间隔时间，其中α₁、β₁、β₂是间隔时间的转换系数；公式(4)表示第i个刺激脉冲产生的时间，其中T₀为产生刺激的起始时间，i的个数取决于T₀的最大值和α₁、β₁、β₂系数。

(四)刺激脉冲幅度(A)转换

由步骤(一)提取到的瞬时声音幅度信号经步骤(二)、(三)确定各刺激脉冲的产生时间，再按照如下公式(5)赋予各脉冲刺激幅度(A)。

$A_i={\mathrm{\α}}_3{e}^{{\mathrm{\β}}_3\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{T}_i}-A^{\′}={\mathrm{\α}}_3{e}^{{\mathrm{\β}}_3\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_1{e}^{({\mathrm{\β}}_{2}i-{\mathrm{\β}}_{1}I)}}-A^{\′}---\left(5\right)$

公式(5)表示第i个刺激脉冲强度与声音幅度的转换关系，α₃、β₃是产生脉冲刺激幅度的转换系数；α₃、A′为一可调常数，视个人的敏感性调节。

(五)ATF整合成刺激脉冲

经步骤(二)确定第一个脉冲产生时间，由步骤(三)确定第二、三...第i个刺激脉冲产生相对于前一个脉冲的时间间隔或频度，即各后续刺激脉冲的产生时间，按步骤(四)赋予各脉冲刺激幅度，从而由单一的瞬时声音幅度信号(图2左侧部分)转换成一段时间的脉冲信号(图2右侧部分)，即由刺激脉冲幅度-时间-频率(ATF)-编码瞬时声音的幅度。瞬时声音的幅度越大刺激脉冲持续的时间越长、早期频率越快、最大强度越大。其中，在图2中，横轴为时间，纵轴为幅度。

请参照图3至图5，以上述过程通过对各通道滤波后的包络波进行连续间隔采样(图3中星号为采样点)，并编码成脉冲(图4中短横线为脉冲)，再对所形成的脉冲经强度(提取最大刺激强度)和时间比较(提取不重叠间隔5-500μs刺激脉冲)生成输送到刺激电极的刺激脉冲(图5中短横线为脉冲)，从而执行人工耳蜗的功能。其中，在图3至图5中，横轴为时间，纵轴为幅度。

请参照图6、图7及图8，本发明在CIS语音编码方案的基础上，对提取的瞬时刺激强度进行强度(A)、起始时间(T)和刺激间隔时间(或频率F)处理而形成一段时间内一定时间间隔的多强度脉冲。从而使得随声波的脉冲刺激具有如下特点：

1、就一个采样时间点的刺激不是某强度的单脉冲(图7)，而是一段时间内一定间隔的多强度多脉冲刺激，且刺激强度随时间变化而逐步加强，脉冲间的时间间隔也随时间变化而延长(图8，声强与刺激部分)。

2、声强大刺激时间长、脉冲频率快、最大刺激强度大，因而离电极近的神经纤维先兴奋、产生动作电位的频率高，相反则反(图8的上部分与下部分)。

3、声音强度大，刺激起始时间早，受刺激的神经纤维兴奋早，相反则反(图8的上部分与下部分)。

如此，最大限度地保证耳蜗神经元兴奋时其动作电位对声音强度和频率的时间编码特性，即阈值低的(相当于基底膜纵向离刺激电极1近的，图6中的纵向神经元)神经纤维先兴奋，共振性强的(相当于基底膜水平向离刺激电极1近的，图6中的水平向神经元)神经纤维先兴奋；进而改善了以往语音编码方案中离电极远近的神经元同时兴奋(图7的上部分与下部分)且对不同强度没有时序之分(图7的上部分与下部分)的不足。

实施例2

请参照图9，本发明提供了一种ATF人工耳蜗，主要包括：

1、声音信号输入模块：

该部分主要包括麦克风和自动增益放大器，进行声电转化并放大。其工作步骤如下：

(一)声音信号输入

宽带的声音信号首先通过麦克风声电转换后，经自动增益放大器放大(图10)。

2、声音信号处理模块(器)：

该部分主要包括带通滤波器、整流器、低通滤波器、压缩模块和语音编码模块等，将检测到的声音信号进行滤波或特征提取等处理，并以ATF编码技术将其特征信号转换成电刺激信号。其工作步骤如下：

(二)滤波分频

若干个(通常选择1～24个，比如5、10、20等，在本实施例中选择4个)窄带滤波器(总带宽不超过20-20kHz，比如50Hz、100Hz、500Hz、2kHz、5kHz、15kHz等，在本实施例中选择10-300Hz，300-800Hz，800-2000Hz，2000-4000Hz)，对宽带的音频信号进行滤波分频(图11)。

(三)整流、低通滤波并压缩

然后对通过每个窄带的信号进行整流(图12)和低通滤波(比如300Hz)提取幅度包络波(图13)并压缩。

(四)幅度采样

再对幅度包络波进行连续采样(采样时间和间隔时间均为0到10ms，比如0.5ms、2ms、5ms、8ms等，在本实施例中选择1ms)并提取瞬时幅度(I)。(采样速率高时可不进行包络波提取)。

(五)刺激起始时间(T)转换

将步骤A中所提取到的瞬时幅度信号按照如下公式(1)进行转换，

T₀＝αe^-βI    (1)

公式(1)中I为步骤(A)中所提取到的瞬时幅度信号大小；T₀为产生刺激的起始时间，范围为0到10ms；α、β是刺激起始时间转换系数，分别为0-500(比如0.0001、0.01、2、10、50、100、250、300、450等，在本实施例中选择0.0001)和0-1000(比如0.0001、0.01、2、10、50、100、250、300、450、500、600、850、900等，在本实施例中选择0.6)可调。

(六)刺激间隔时间(刺激频率F＝1/ΔT_i)转换

将步骤A中所提取到的瞬时幅度信号按照如下公式(2)、(3)、(4)进行刺激间隔时间或刺激频率转换，范围为30μs到4ms(比如20μs、50μs、100μs、300μs、500μs、800μs、1ms、2ms等，在本实施例中选择30μs)，

${\mathrm{\α}}_2={\mathrm{\α}}_1{e}^{-{\mathrm{\β}}_{1}I}---\left(2\right)$

$\mathrm{\Δ}{T}_i={\mathrm{\α}}_2{e}^{{\mathrm{\β}}_{2}i}={\mathrm{\α}}_1{e}^{-{\mathrm{\β}}_{1}I}{e}^{{\mathrm{\β}}_{2}i}={\mathrm{\α}}_1{e}^{({\mathrm{\β}}_{2}i-{\mathrm{\β}}_{1}I)}---\left(3\right)$

$T_i=T_0+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{T}_i---\left(4\right)$

公式(2)表示起始间隔时间与瞬时幅度信号的转换关系，其中α₁、β₁是起始间隔时间的转换系数，分别为0-500(比如0.0001、0.01、0.1、2、10、50、100、250、300、450等，在本实施例中选择0.1)和0-1000(比如0.0001、0.01、0.1、1、2、10、50、100、250、300、450、500、600、850、900等，在本实施例中选择0.6)可调；公式(3)计算第i个刺激脉冲与前一脉冲(第i-1个脉冲)间的时间间隔，其中α₁、β₁、β₂是间隔时间的转换系数，β₂在0-1000(比如0.0001、0.01、0.1、2、10、50、100、250、300、450、500、600、850、900等，在本实施例中选择0.2)可调；公式(4)表示第i个刺激脉冲产生的时间，其中T₀为产生刺激的起始时间，i的个数取决于T₀的最大值和α₁、β₁、β₂系数。

(七)刺激脉冲幅度(A)转换

由步骤(一)提取到的瞬时声音幅度信号经(二)、(三)确定各刺激脉冲的产生时间，再按照如下公式(5)赋予各脉冲刺激强度(A)。

$A_i={\mathrm{\α}}_3{e}^{{\mathrm{\β}}_3\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{T}_i}-A^{\′}={\mathrm{\α}}_3{e}^{{\mathrm{\β}}_3\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_1{e}^{({\mathrm{\β}}_{2}i-{\mathrm{\β}}_{1}I)}}-A^{\′}---\left(5\right)$

其中：公式(5)表示第i个刺激脉冲强度与声音幅度的转换关系，刺激脉冲的强度范围为0到500μA(比如2、15、40、60、100、200、300、450μA等)，α₃、β₃是产生刺激幅度的转换系数，分别为0-500(比如0.0001、0.01、0.1、2、15、60、150、250、350、400等，在本实施例中选择0.01)和0-1000(比如5、15、80、120、240、350、400、550、700、850、900等，在本实施例中选择40)可调；α₃、A′为一可调常数，视个人的敏感性调节。

(八)ATF整合成刺激脉冲

经步骤(二)确定第一个脉冲产生时间，由步骤(三)确定第二、三...i个刺激脉冲产生相对于前一个脉冲的时间间隔或频度，即各后续刺激脉冲的产生时间，按步骤(四)赋予各脉冲刺激强度，选择脉冲时宽(10μs-1000μs，比如5μs、15μs、30μs、80μs、120μs、240μs、350μs、400μs、550μs、700μs、850μs、900μs等，在本实施例中选择30μs)从而由单一的瞬时声音幅度信号转换成一段时间的脉冲信号，即由刺激脉冲幅度-时间-频率(ATF)-编码瞬时声音的幅度。瞬时声音的幅度越大刺激脉冲持续的时间越长、早期频率越快、最大强度越大。

以上述过程通过对各通道滤波后的包络波进行连续间隔采样，并编码成脉冲(图14)，再对所形成的脉冲经强度(提取最大刺激强度)和时间比较(提取不重叠间隔5-100μs刺激脉冲)生成刺激脉冲信号(图15)，并输送到发射模块。

3、发射模块：包括载波调制电路、功放和发射线圈，其功能是将编码信号调制为高频信号，再通过发射线圈将信号以无线方式发送到植入体内的接收装置。

4、接收模块：包括接收线圈、功放和检波解调电路，接收信号并进行解调后还原出刺激信号。

5、解码器：包括解码芯片，解码脉冲信号并生成相应电极的刺激电流。

6、刺激电极：植入耳蜗鼓阶的阵列电极，经刺激脉冲兴奋听神经。

Claims (10)

1.一种采用ATF编码技术的人工耳蜗实现方法，其中，ATF是指脉冲幅度-时间-频率；所述的方法包括：

(一)、将获取的声音信号分频转换成两个或两个以上的单导窄带声音信号；

(二)、对经过处理或未经处理的每个所述单导窄带声音信号分别进行采样以提取若干瞬时幅度；

(三)、从每个所述瞬时幅度转换出多脉冲幅度(A)、起始时间(T)、以及相邻子脉冲间隔时间或子脉冲频率(F)，从而获得一个与每个所述瞬时幅度相对应并包括至少两个子脉冲的多脉冲；

(四)、将每个所述单导窄带声音信号对应的若干所述多脉冲进行比较以提取同一时间点或时间段上的最大强度脉冲并将获得的若干所述最大强度脉冲整合成刺激脉冲信号输送到与每个所述单导窄带声音信号对应的刺激电极。

2.如权利要求1所述的人工耳蜗实现方法，其特征在于，进一步包括：在获取所述两个或两个以上的单导窄带声音信号后对每个所述单导窄带声音信号进行整流，所述若干瞬时幅度从经过整流的每个所述单导窄带声音信号波上提取。

3.如权利要求1所述的人工耳蜗实现方法，其特征在于，进一步包括：在获取所述两个或两个以上的单导窄带声音信号后对每个所述单导窄带声音信号进行整流以及低通滤波处理，以提取幅度包络波，所述若干瞬时幅度从所述幅度包络波中提取。

4.如权利要求1所述的人工耳蜗实现方法，其特征在于，所述分频转换是采用两个或两个以上的带通滤波器将所述声音信号滤波分频成所述两个或两个以上的单导窄带声音信号。

5.如权利要求1所述的人工耳蜗实现方法，其特征在于，在所述分频转换前将所述获取的声音信号进行预处理，所述预处理包括预加重和抗混滤波处理。

6.如权利要求1～5之一所述的人工耳蜗实现方法，其特征在于，所述起始时间是由公式T₀＝αe^-βI获得，其中，T₀为所述起始时间的值；e为自然对数的底；I为所述瞬时幅度的值；α为转换系数，取值范围为大于0小于等于500；β为转换系数，取值范围为大于0小于等于1000。

7.如权利要求6所述的人工耳蜗实现方法，其特征在于，所述相邻子脉冲间隔时间是由公式

获得，其中，ΔT_i为第i个子脉冲与第i-1个子脉冲之间的间隔时间；α₁为转换系数，取值范围为大于0小于等于500；β₁为转换系数，取值范围为大于0小于等于1000；β₂为转换系数，取值范围为大于0小于等于1000。

8.如权利要求7所述的人工耳蜗实现方法，其特征在于，所述多脉冲幅度是由公式

获得，其中，A_i为第i个子脉冲幅度的值；α₃为转换系数，取值范围为大于0小于等于500；β₃为转换系数，取值范围为大于0小于等于1000；A′为可调常数。

9.一种采用权利要求1～8之一所述方法的ATF 人工耳蜗，包括声音信号输入模块、声音信号处理模块、传输模块、解码器以及若干刺激电极，其特征在于：所述声音信号处理模块包括用于从所获取信号的每个瞬时幅度转换出多脉冲幅度(A)、起始时间(T)、相邻子脉冲间隔时间或子脉冲频率(F)从而获得一个与每个所述瞬时幅度相对应并包括至少两个子脉冲的多脉冲的ATF编码处理芯片和/或电路。

10.如权利要求9所述的ATF人工耳蜗，其特征在于，所述ATF人工耳蜗包括与不同频率相对应的两个或两个以上的所述刺激电极，所述刺激电极沿着基底膜间隔设置在可与对应频率引起共振的区段。

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