CN101491471A - 人工耳蜗装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人工耳蜗装置，包括相互电磁无线耦合的体外电路、体内电路，体外电路的声音采集单元采集语音信号，模数转换器将采集的模拟语音信号转化为数字语音信号，编码器对该数字语音信号编码、功率放大器发射大功率载波，调制器将经编码的数字语音信号加载于功率载波上经体外天线发射；体内电路的体内天线接收功率载波和经过调制的语音信号，整流电路将接收的功率载波的交流能量转化为直流能量供体内电路使用，电刺激产生装置对接收到的语音信号进行解调、声音信号映射、产生刺激脉冲，通道选择开关分时导通选择电极阵列不同的电极。电极直接刺激听神经，从而达到修复听觉的目的，其使用方便且成本低。

Description

人工耳蜗装置

技术领域

本发明涉及医疗器械，特别涉及一种人工耳蜗装置。

背景技术

从20世纪60年代以来，人们就已经开始了人工耳蜗的研究。在80年代，多通道人工耳蜗逐渐成为人工耳蜗技术的主流，进入90年代后，人工耳蜗已经广泛采用多通道系统。目前，澳大利亚Cochlear公司、美国Advanced Bionics公司和奥地利MED-EL公司是人工耳蜗产品的三个主要供应商，但是这三家公司的人工耳蜗产品价格在$25,000-$30,000之间，这大大超出发展中国家能够承受的价格上限。

人工耳蜗的工作原理是利用声电换能装置代替聋人耳蜗内丧失功能的感觉细胞，通过电极直接刺激听觉神经使聋人产生听觉。人工耳蜗通常由体外语音处理器、电磁感应耦合连接系统、体内电刺激产生装置和植入电极组成。

中国专利CN200510012002.3公开了一种带有片上处理器的双向多通道人工耳蜗系统，包括相互无线耦合的体外电路、体内电路以及与体内电路相连的电极组，所述体外电路包括声音采集单元、自动增益控制单元、计算机接口单元、调制器、比较器和体外天线，体内电路包括体内天线、整流滤波单元、时钟产生单元、解调器、模数转换器、数字信号处理器、反向数据输出单元、数模转换器、压控电流源组以及开关矩阵，体内电阻是把上述各电路单元集成在特征尺寸为0.18um的工艺下定制的面积为4mm×4mm的专用芯片上，所述电极组与体内开关矩阵相连，将开关矩阵相应通道上的输出电流导接到听神经上刺激听神经。该专利采用了0.18um集成电路技术，集成电路技术虽然能够减小人工耳蜗的体积，同时也能够保证人工耳蜗产品的质量可信度，但是该植入耳蜗产品的成本较高。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种人工耳蜗装置，其使用方便成本低。

为解决上述技术问题，本发明的人工耳蜗装置采用的技术方案，包括相互电磁无线耦合的体外电路、体内电路，所述体外电路包括声音采集单元、模数转换器、编码器、调制器、功率放大器、体外天线、直流电源，声音采集单元采集语音信号，模数转换器将采集的模拟语音信号转化为数字语音信号，编码器对该数字语音信号编码，功率放大器发射大功率载波，调制器将经编码的数字语音信号加载于功率载波上经体外天线发射；所述体内电路包括体内天线、整流电路、电刺激产生装置、通道选择开关、电极阵列，体内天线接收功率载波和经过调制的语音信号，整流电路将接收的功率载波的交流能量转化为直流能量供体内电路使用，电刺激产生装置对接收到的语音信号进行解调、声音信号映射、产生刺激脉冲，通道选择开关分时导通选择电极阵列不同的电极。

可以是体外电路还包括永磁铁和与之配套的衔铁，体内电路包括无源磁衔铁，体内无源磁衔铁与体外的永磁铁和衔铁组成闭环磁场。

体内电路还可以包括使用者声音强度调节装置，用于调整刺激脉冲的时间和强度。

本发明的人工耳蜗装置，体外电路的声音采集单元-麦克风首先将声音转化为模拟电信号，模拟电信号经模数转换器转化为数字信号，随后将信号经过编码和调制，然后通过功率放大器将调制后的信号加载到射频载波后由体外天线线圈发射。体内天线线圈接收到的信号首先送到全波整流电路后得到体内电路正常工作所需的能量，同时能量载波可以作为体内电路所需的时钟基准，与此同时，体内的电刺激产生装置将接收到的经过编码的语音信号转化为对称双相脉冲刺激，该刺激通过多路选择开关分时刺激植入电极与耳蜗神经的不同接触点。体内外装置通过衔铁和磁铁固定，确保了体内外装置的精确的相对位置，从而保证了语音信号传输的质量。本发明的人工耳蜗装置使用方便且成本低。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的人工耳蜗装置一实施方式方框图。

具体实施方式

本发明的人工耳蜗装置一实施方式如图1所示，包括体外电路、体内电路，体外和体内电路能量传输和信号传输均采用电磁耦合方式：

所述体外电路包括声音采集单元、模数转换器、编码器、调制器、功率放大器、手动调节声音装置、体外天线、直流电源、永磁铁和与之配套的衔铁，

声音采集单元：用于采集语音信号，将采集到的语音信号送至模数转换器进行转换，如麦克风，麦克风接收到语音信号的带宽范围是300-6000Hz。

模数转换器：用于将采集的模拟语音信号转化为数字语音信号。然后，该信号经过编码和调制后加载于功率载波上发射。

编码器：用于对该数字语音信号编码。

功率放大器：用来发射大功率载波，为植入体内电路提供正常工作所需要的能量。射频能量发射和语音数据传输是通过电磁耦合方式进行的。能量载波的频率范围是1-10MHz，更高的载波频率虽然可以增加体内天线线圈的接收效率，但是会产生更明显的趋肤效应(skin effect)，造成体外天线线圈等效串联阻抗(Equivalent Serial Resistor，ESR)增加，进而导致功放电路自身能量损耗的增加，从而降低体外天线线圈的输出功率的效率。能量信号可以作为体内电路的时钟信号。

调制器：将经编码的数字语音信号加载于功率载波上经体外天线线圈发射。

直流电源：可以采用锌空气电池为直流电源，为体外电路提供能量，成本低廉更换方便。

手动调节声音装置：虽然AGC电路能够调整功放的输出功率，但是AGC电路设计必然增加电路设计的整体复杂度，因此在体外电路部分设计了手动调整装置，该装置可以用于调节使用者感受到声音的强度，该装置和体内电路的使用者声音强度调节装置配合使用，可以使使用者获得最舒适的声音感受范围。

永磁铁和与之配套的衔铁：体外电路设置两个永磁铁和与之配套的衔铁，可以和植入体内的体内电路的无源磁衔铁形成闭环的磁场，从而保证了人工耳蜗装置体外部分和体内部分的空间位置匹配，防止了由于运动等因素造成体外天线线圈和体内天线线圈位置失配引起的语音数据传输的不正确。从而使用更小更轻的磁铁就提供了更大的吸合力，并且吸合力分布均匀。体外和体内天线线圈相对位置的固定保证了音量调节的精确性。

体外天线：体外天线线圈的作用是发射能量和调制后的语音信号。体外天线线圈材料为铂-10铱。如果使用单股线，将会减小趋肤效应，但是同时增加了成本，而且，单股线的机械强度较低，因此使用多股线制作体外线圈。

体内电路包括体内天线、整流电路、电刺激产生装置、通道选择开关、使用者声音强度调节装置、无源磁衔铁和八通道电极阵列，其中，

体内天线：体内天线线圈的制作材料为金或者铂-10铱，用来接收电磁波和经过调制的语音信号。

整流电路：采用全波整流电路，将体外天线发射的交流能量转化为直流能量供人工耳蜗体内电路使用。

电刺激产生装置：电刺激产生装置对接收到的语音信号进行解调、声音信号映射，产生刺激脉冲，可以实现自动增益控制、DSP通道滤波、声音信号映射和恒压刺激产生功能。本实施方式体内电路使用了DSP芯片，在体内电路使用DSP芯片能够降低人工耳蜗的成本，经皮数据传输极易淹没复杂刺激模式的细节，而将DSP置于体内电路可以避免在经皮传输的过程信号细节的丢失，从而可以尽可能的保持原始语音信号的细节信息，另外还简化了体外电路的设计，当然这得益于现代DSP芯片的小型化和低功耗。电刺激产生装置通过自动增益控制电路调节刺激强度，将接收的经过解调的语音信号映射为对称双向脉冲刺激，该刺激采用了恒压刺激的方式；连续的恒压刺激信号分时通过多路选择，从而产生不重叠的交织刺激，通过电极导线进一步将该刺激传送至电极。

使用者声音强度调节装置：使用者声音强度调节装置用于针对使用者的对电刺激时间和强度的个体差异，调节每个电极通道的最大舒适声音强度(Maximal Comfortable Loudness，MCL)，设定刺激脉冲的宽度和帧速率，调整刺激脉冲的时间和强度，根据病人的皮肤的厚度调整体外电路输出功率和磁铁的吸附强度。在经过耳科学专家的对使用者声音强度调节装置进行调整后，可以使每个使用者达到满意的效果。该人工耳蜗装置可以通过体外麦克风输入少量的特殊的语调模式或者次声波和超声波命令，这些命令可以传输到体内电路，使用者声音强度调节装置可以调节刺激波形，计算瞬时刺激幅度，产生刺激脉冲，控制多路通道选择开关的导通时间，使用者声音强度调节装置在接收到外部命令后，会根据解码后的语音信号映射为相应的刺激模式，同时内建的贝克赛(Bekesy)算法可以使八个电极通道高效率的工作。相应的刺激模式的刺激传导到第一个电极通道，语音计数器可以记录刺激波形的最大的幅度，在达到听觉最舒适音量(MCL)后，切换到下一个电极通道，从而依次完成八个通道的刺激；如果不能达到MCL，刺激脉冲宽度自动加倍(该方法针对少量具有较高听力阈值的人工耳蜗使用者)，重复上述过程。在第八通道刺激完成后，体内电路将自动重复语音信号处理，从而产生下一周期的刺激波形。MCL的值将被固定存储在体内电路存储介质中，作为以后声音强度条件的起始点。

无源磁衔铁：无源磁衔铁与体外的永磁铁和衔铁组成闭环磁场，确保了体外天线线圈和体内天线线圈的相对位置的精确。使用无源磁衔铁而不使用天然的永磁材料，能够扩展我们选择磁铁材料的范围，从而避免选择昂贵的永磁材料，能够进一步节省成本。

通道选择开关：通道选择开关分时导通，以选择电极阵列中不同的电极，对耳蜗神经不同位置进行电刺激，一较佳实施例采用8通道。

电极阵列：采用八通道电极，铂-铱合金导线将电刺激装置与八通道电极连接在一起，该电极采用应具有足够大的表面积以确保电极的表面电荷密度不至于过大以至于损伤听神经，同时要有具有较低的阻抗以减少对刺激电压的影响。

体内电路采用生物相容性材料进行密封，密封材料和体内电路之间的空间使用惰性气体填充，保证体内电路和体内环境的完全隔离。经过生物相容性材料密封后，体内电路的整体可以在使用者整个生命期内稳定工作。

本发明的人工耳蜗装置，体外电路的声音采集单元-麦克风首先将声音转化为模拟电信号，模拟电信号经模数转换器转化为数字信号，随后将信号经过编码和调制，然后通过功率放大器将调制后的信号加载到射频载波后由体外天线线圈发射。体内天线线圈接收到的信号首先送到全波整流电路后得到体内电路正常工作所需的能量，同时能量载波可以作为体内电路所需的时钟基准，与此同时，体内的电刺激产生装置将接收到的经过编码的语音信号转化为对称双相脉冲刺激，该刺激通过多路选择开关分时刺激植入电极与耳蜗神经的不同接触点。体内电路除电极外全部被封装在27mm*40mm*6mm的盒中，盒子使用生物相容性材料进行包裹，同时使用惰性气体充满体内电路和密封材料之间的空间，防止水蒸气渗透进入植入电路，导致体内电路的失效。体内外装置通过衔铁和磁铁固定，确保了体内外装置的精确的相对位置，从而保证了语音信号传输的质量。

Claims (5)

1、一种人工耳蜗装置，包括相互电磁无线耦合的体外电路、体内电路，其特征在于，所述体外电路包括声音采集单元、模数转换器、编码器、调制器、功率放大器、体外天线、直流电源，声音采集单元采集语音信号，模数转换器将采集的模拟语音信号转化为数字语音信号，编码器对该数字语音信号编码，功率放大器发射大功率载波，调制器将经编码的数字语音信号加载于功率载波上经体外天线发射；所述体内电路包括体内天线、整流电路、电刺激产生装置、通道选择开关、电极阵列，体内天线接收功率载波和经过调制的语音信号，整流电路将接收的功率载波的交流能量转化为直流能量供体内电路使用，电刺激产生装置对接收到的语音信号进行解调、声音信号映射、产生刺激脉冲，通道选择开关分时导通选择电极阵列不同的电极。

2、根据权利要求1所述的人工耳蜗装置，其特征在于，体外电路还包括永磁铁和与之配套的衔铁，体内电路包括无源磁衔铁，体内无源磁衔铁与体外的永磁铁和衔铁组成闭环磁场。

3、根据权利要求1所述的人工耳蜗装置，其特征在于，体外电路还包括手动调节声音装置，用于调节使用者感受到声音的强度。

4、根据权利要求1所述的人工耳蜗装置，其特征在于，电刺激产生装置将声音信号映射为对称双向刺激脉冲。

5、根据权利要求1～4任一项所述的人工耳蜗装置，其特征在于，体内电路还包括使用者声音强度调节装置，用于调整刺激脉冲的时间和强度。

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