CN101854978B - 脉冲式耳蜗植入物刺激策略 - Google Patents

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Abstract

一种可植入装置，包括多信道电极阵列，其中每个信道与所述阵列中的一个电极相关联。音频处理级处理输入音频信号以产生输出信道信号，所述输出信道信号表示相关联的音频频带。定时和包络检测器以采样间隔的序列处理所述输出信道信号，包括对每个采样间隔为每个输出信道信号确定：i.包含多个脉冲定时请求的一组被请求的脉冲定时；，以及ii.一组对应的包络信号，用于表示脉冲定时请求的脉冲幅值。脉冲选择幅值限定级为每组被请求的脉冲定时确定：i.根据脉冲选择禁止函数从所述一组被请求的脉冲定时中选择的在指定时间的一组输出脉冲；以及ii.与每个输出脉冲相关联的刺激幅值。所述多信道电极阵列向周围组织以输出脉冲的相关联的刺激幅值施加输出脉冲。

Description

脉冲式耳蜗植入物刺激策略
交叉引用
本申请要求在2007年11月9日提交的美国临时专利申请60/986,690的优先权，该美国临时专利申请60/986,690通过引用被包含在此。
技术领域
本发明涉及可植入医疗装置，更具体地涉及一种在这样的装置中对刺激脉冲进行编程的技术。
背景技术
耳蜗植入物是可植入的系统，所述系统能够向全聋或者严重听力受损的人提供听力。不像传统的助听器那样机械地向中耳施加放大的声音信号，耳蜗植入物向多个植入电极提供了直接的电刺激，而多个植入电极则激励在内耳中的听神经。大多数当前的耳蜗植入物电刺激编码策略通过下述方式来表示声音信号：将声音信号划分为不同频带，并且提取这些频带的每个的包络(即能量)。声信号的这些包络表示用于限定每个电极的刺激幅值。
一种当前的方法，精细结构处理(FSP)编码策略(商品化的Med-E1OPUS 1和OPUS 2型语音处理器)分析带通信号的相位，并且使刺激脉冲与对应电极的相位上的特定事件同步。在FSP编码中，使用带通信号的零交越(zero crossing)来定义时间事件，其中，按预定次序来顺序刺激所有的系统信道(“刺激帧”)。一般，通过把脉冲持续时间和相继刺激脉冲之间的间歇相加，来限定每个信道各自的刺激频率或者栅格(grid)。一个刺激帧的帧频(即重复频率)等于每个信道的刺激频率或者栅格，通常是1000-2000Hz。
FSP编码使用在例如美国专利6,594,525(通过引用被包含在此)中所述的信道特定采样序列(Channel-Specific Sampling Sequences，CSSS)来表示在带通信号中的时域信息。在带通信号中的一个零交越后，在分配的电极上启动特定的CSSS。通过与FSP编码中的帧频相等的栅格来确定时域精度。这个精度允许高达几百赫兹的编码时域精细结构信息。在FSP中的CSSS的时域精度主要由脉冲持续时间来限定，即在高脉冲持续时间，CSSS的精度低，并且在时域上编码的最大频率也低。
可以使用CSSS连同使用如在例如美国专利7,283,876(通过引用被包含在此)中所述的选择信道刺激组，在时域精细结构编码策略中实现刺激脉冲的更高时域精度。定义了不同类型的信道(例如CSSS信道和包络信道)，并且需要对某些信道进行分组。例如，所有的CSSS信道被置于一个或多个组中，其中，一些组在给定的刺激帧期间更经常地被重复。并且在给定的组中，能够同时地刺激所述信道的一个或多个。这导致CSSS刺激的时域栅格，其是帧频的倍数。CSSS的改善的时域精度允许使用短脉冲持续时间根据高时域栅格来编码相位信息(高达大约1000Hz)。使用高脉冲持续时间，再一次降低时域精度和帧频(即高频率包络信道的速率)。CSSS、所选择的组和同时刺激的多数可行组合，将在最高CSSS信道和相邻的包络信道的平均CSSS速率之间具有一些不匹配。在这样的时域精细结构编码策略中，取消选择一定数量的所请求的刺激脉冲。脉冲持续时间越大，则所取消选择的刺激脉冲的数量(主要在CSSS信道中)较大，这可能导致时域信息的丢失。
当前的文献描述了提供某个时域精细结构信息的三种其他的手段。Vandali et al.，Pitch Ranking Ability Of Cochlear Implant Recipients：A Comparison Of Sound-Processing Strategies，J Acoust Soc Am.2005May；117(5)：3126-38(通过引用被包含在此)中描述了峰值导出定时(PDT)。PDT编码在实验上用于耳蜗植入物的用户，并且从在带通信号中的正峰值导出刺激脉冲的定时。通过对同时请求的刺激脉冲进行延迟或提前的仲裁方案，来管理脉冲的定时。在这个算法中未实现任何不应行为。
在Sit et a1.，A Low-Power Asynchronous Interleaved SamplingAlgorithm For Cochlear Implants That Encodes Envelope And PhaseInformation，IEEE Trans Biomed.Eng.2007 Jan；54(1)：138-49(通过引用被包含在此)中描述了异步交错采样(AIS)。AIS策略从带通信号异步提取时间事件，但是没有对交错的刺激脉冲进行任何处理，而这是可用耳蜗植入物声音编码策略的必要部分。
基于尖峰的时域听觉表示(STAR)策略基于例如在Grayden et al.，A Cochlear Implant Speech Processing Strategy Based On An AuditoryModel，Proceedings of the 2004 Intelligent Sensors，Sensor Networks andInformation Processing Conference，14-17 Dec.2004：491-496(通过引用被包含在此)中描述的听觉模型。所述STAR手段——在一定程度上像CSSS——从带通信号的零交越提取脉冲定时。在这个策略中，通过系统地将刺激脉冲向在零交越周围的不同时刻(time instance)偏移来解决‘尖峰定时争用’。未给出关于所述算法的细节。在高频信道上的平均刺激频率被限制，但是在所述公布中未给出关于所述机制的细节。
发明内容
一种可植入的装置包括多信道电极阵列，其中，每个信道与在所述阵列中的一个电极相关联。音频处理级处理输入音频信号以产生输出信道信号，所述输出信道信号表示相关联的音频频带。定时和包络检测器以采样间隔的序列来处理所述输出信道信号，包括对每个采样间隔，为每个输出信道信号确定：i.一组被请求的脉冲定时，其中包括多个脉冲定时请求，以及ii.一组对应的包络信号，用于表示脉冲定时请求的脉冲幅值。脉冲选择幅值限定级为每组被请求的脉冲定时确定：i.根据脉冲选择禁止函数从所述一组被请求的脉冲定时中选择的在指定时间的一组输出脉冲，以及ii.与每个输出脉冲相关联的刺激幅值。所述多信道电极阵列向周围的组织施加输出脉冲，且该输出脉冲具有它们的相关联的刺激幅值。
在更具体的实施例中，所述禁止函数有时可以不变，以便限定绝对禁止状态，并且/或者可以有时改变，以便限定相对禁止状态。所述禁止函数可以例如是，依赖于输出信道的和/或依赖于脉冲幅值的，用于反映禁止状态与脉冲幅值的比率。可以根据由所述禁止函数定义的禁止状态的长度来选择所述输出脉冲；例如，可以根据禁止状态的短小度来优先地选择输出脉冲。
在具体实施例中，所述输入音频信号包括时域结构特性，所述时域结构特性在输出信道信号中利用信道特定采样序列(CSSS)表示，和/或反映在指定时间的输出脉冲。所述电极阵列具体可以是耳蜗植入物电极阵列。
附图说明
图1示出了典型的声信号的示例。
图2示出了由滤波器组通过带通滤波分解为一组信号(输入信道)的声信号。
图3示出了根据本发明的一个实施例的定时和能量检测器的示例。
图4示出了从一组输入信号提取的包络的示例。
图5示出了从一组输入信号提取的所请求刺激脉冲的定时。
图6示出了根据本发明的一个实施例的脉冲选择和幅值限定级(PSADS)的示例。
图7示出了在PSADS中的脉冲选择算法的可能实现方式的示例。
图8示出了根据一个实施例的所选择刺激脉冲的定时的示例。
图9示出了在系统的依序实现方式中的双相刺激脉冲的示例。
图10示出了在系统的依序实现方式中的双相刺激脉冲的进一步细节。
具体实施方式
本发明的实施例涉及一种用于具有多信道电极阵列的可植入装置的信号编码策略。所述信号编码策略按照比以前更高的时域精度和更高的脉冲持续时间来编码声音信号的时域特性。时域精细结构被编码，并且能够通过禁止函数来禁止不应(refractor)神经群的刺激，所述禁止函数确定是否向一个或多个电极提供刺激脉冲。这样的信号编码不再基于固定的刺激频率和信道次序，并且所述时域精细结构的编码更精确，甚至在长脉冲持续时间也更精确。
图1示出了典型的声音信号，其中，总体幅值在短时间改变。这样的声音信号固有地包含用于表征所述信号的特定定时信息。作为音频电信号的这种形式的声音信号通常被预处理为多个输出信道信号。例如，一种常用的手段是使用滤波器组来预处理初始音频信号，其中，通过带通滤波来将所述初始音频信号分解以形成诸如在图2中所示的示例的一组输出信道信号，其中每个表示相关联的音频频带。或者，在另一个实施例中，所述初始音频信号能够利用一个或多个非线性滤波器进行处理，所述一个或多个非线性滤波器提供多个输出信道信号。
不像其中需要限定不同类型的输出信道(例如CSSS精细结构信道和包络信道)的以前的精细结构处理手段那样，本发明的实施例等同地处理所有的输出信道。图3示出了定时和包络检测器(TED)的示例，所述定时和包络检测器(TED)从带通滤波器组接收诸如在图2中所示的声音信号的一组输出信道信号来作为输入。所述TED以采样间隔的连续序列来处理这些输出信道信号，所述采样间隔按给定的频率采样，所述给定的频率例如可以利用用于电刺激的脉冲持续时间来限定(例如最大脉冲持续时间的倒数)。TED从每个采样间隔提取某些时间事件，诸如零交越、信号最大值、自适应阈值水平等，以及包络信息。TED输出用于计算脉冲幅值的一组包络信号(例如在图4中所示)和标记所请求的刺激脉冲的一组时间事件信号(例如在图5中所示)。
如图6中所示，TED输出被提供到脉冲选择/幅值限定级(PSADS)，该脉冲选择/幅值限定级(PSADS)选择减少的一组时间事件(输出刺激脉冲)，并且计算所选择的输出脉冲的刺激幅值。PSADS使用禁止函数来计算和分析每个输出信道的禁止状态。在每个采样间隔中，识别所请求的脉冲，并且根据所识别的信道的禁止状态和包络，选择请求脉冲的至少一个信道。例如，由PSADS选择脉冲的一种方式可以是，在每个采样间隔中选择具有最短的相关联禁止状态的一个或多个脉冲请求。更复杂的选择算法能够考虑所请求的脉冲的包络，使得禁止状态与脉冲幅值的比率作为选择标准。图7图解了使用禁止函数的简单原型的选择处理，其中，星号表示每个信道的所请求的脉冲的定时，实线描述所选择的脉冲，并且虚线描述禁止状态。
一旦选择一脉冲请求作为输出脉冲，则在所选择的输出信道上触发信道-特定(-specific)和幅值-特定的禁止函数。在图7中所示的特定实施例中，禁止函数在最大或者绝对禁止阶段期间在几百微秒(例如500微秒)内不变，以及然后在定义了相对禁止阶段的另一个几百微秒(例如1500微秒)的时段上朝零降低。在这个实施例中，在绝对禁止阶段中发生的所请求的脉冲不被选择作为用于刺激的输出脉冲。因此，在这个示例中，能够使用禁止时间来限定系统的最大信道-特定刺激频率。图8图解了从该脉冲选择得到的缩减的一组时间事件(所选择的输出脉冲)。当与在图5中所示的初始请求的脉冲定时相比较时，由PSADS——特别是在较高的频率——产生的所选择的输出脉冲定时的数量显著地减少。图9示出了得到的应用到不同的信道电极的双相刺激脉冲和它们的脉冲幅值。图10示出了在图9中图解的时间的一部分的详细扩展。
这样的刺激定时手段能够提供低频时域精细结构的很精确的表示。例如，能够通过电刺激所需要的最大脉冲持续时间，来限定每个输出信道的刺激的时间栅格。对于50微秒的典型的双相脉冲持续时间，可以实现多达20kHz的时间栅格。即使对于较长的电脉冲，也能够实现定时的更高定时精度。例如，对于在每个输出信道上的100微秒的脉冲持续时间，可以实现10kHz的刺激栅格。在一个实施例中，对于每个采样间隔仅仅选择一个输出脉冲，较之在任何时刻也应用一个刺激脉冲的仅仅CSSS与所选择的电极信道组的最快可能组合，时间栅格是两倍快。较之CSSS与所选择的电极信道组的最快可能组合，利用特定实施例能够大大减少被取消选择的脉冲的数量。例如，以20kHz的时间栅格且在500微秒的绝对禁止阶段，需要从承载高达超出1000Hz的时域精细结构的输出信道取消选择可忽略的小数量的请求刺激脉冲。
能够在具有较低的电源电压的系统——诸如完全可植入的耳蜗植入系统——中实现特定实施例。在这样的系统中，低合规电压(compliance voltage)需要较长的刺激脉冲来实现舒适响度。实施例使得能够甚至在低电源电压下提供时域精细结构，因此能够用于具有低合规电压的病人中。能够利用能够同时刺激或者依序刺激的耳蜗植入物来实现特定实施例。
实施例也能用于由于耳蜗植入物刺激而遭受面部刺激的病人。这样的应用需要较长的脉冲持续时间，并且在这样的条件下，本发明的实施例能够精确地发送时域精细结构。
信道-特定/幅值-特定的禁止函数的类型和形式能够用于限定信道特定刺激频率。具有上述的具有500微秒的绝对/最大禁止的原型禁止函数和专门基于禁止函数的信道选择的上述系统，将允许最大每个信道2000Hz的刺激。绝对禁止的更长持续时间能够用于通过电刺激来急剧地减少功耗。
一些实施例也可以更好地模仿人耳的自然神经行为。具体上，将以较低频率来刺激由连接到低频信道的电极刺激的神经群。在这些电极上的刺激对于宽范围的禁止函数和时间将是相对确定的。高频信道能够向刺激脉冲应用伪随机定时。对于给定的TED与禁止时间常数和脉冲宽度(时间栅格)的选择，信道特定刺激频率将几乎等于对应的电极信道的特征频率，而对于较高频率的电极信道，可获得刺激频率的“自然”饱和。所述禁止函数可以允许在电极信道中的被刺激的神经群的不应行为，这也将导致在不变的响度感觉下的刺激功率的减少。
PSADS的特定实施例可以良好地提供用于选择和限定输出脉冲的另外的功能。因此，PSADS通常可以包含用于此目的的硬件和/或软件模块，诸如用于限定病人-特定和电极-特定的刺激幅值的非线性电路。例如，禁止函数算法的特定实现方式可以考虑这样的目标。结果，在特定的实施例中，PSADS会比如上所述更复杂。
可以用任何传统的计算机编程语言来实现本发明的实施例。例如，可以用过程式程序语言(例如“C”)或者面向对象的编程语言(例如“C++”、Python)来实现优选实施例。本发明的替代实施例可以被实现为预编程的硬件元件、其他相关部件或者硬件和软件部件的组合。
实施例能够被实现为用于与计算机系统一起使用的计算机程序产品。这样的实现方式可以包括一系列计算机指令，所述一系列计算机指令或者被固定在诸如计算机可读介质(例如磁盘、CD-ROM、ROM或者硬盘)的有形介质上，或者可经由调制解调器或其他接口装置诸如通过介质连接到网络的通信适配器来发送到计算机系统。所述介质可以是有形介质(例如光学或者模拟通信线路)或者使用无线技术(例如微波、红外线或者其他传输技术)实现的介质。所述系列计算机指令表征在此相对于所述系统前述的功能的全部或者一部分。本领域内的技术人员应当明白，可以以用于与许多计算机架构或者操作系统一起使用的多种编程语言来编写这样的计算机指令。而且，这样的指令可以被存储在诸如半导体、磁的、光的或者其他存储器装置的任何存储器装置中，并且可以使用诸如光学、红外线、微波或者其他传输技术的任何通信技术来发送这样的指令。预期这样的计算机程序产品可以作为具有伴随的印刷或者电子文档(例如套装软件)的可移除介质被分发，利用计算机系统预载(例如在系统ROM或者硬盘上)，或者通过网络(例如因特网或者万维网)从服务器或者电子公告栏被分发。当然，本发明的一些实施例可以被实现为软件(例如计算机程序产品)和硬件的组合。本发明的其他实施例可以被实现为完全硬件或者完全软件(例如计算机程序产品)。
虽然已经公开了本发明的各个示例性实施例，但是对于本领域内的技术人员，显然，在不偏离本发明的真实范围的情况下，可以实现能够获得本发明某些优点的各种改变和改型。

Claims (11)

1.一种可植入装置，具有多信道电极阵列，其中每个信道与所述阵列中的一个电极相关联，所述装置包括：
音频处理级，用于处理输入音频信号以产生多个输出信道信号，每个输出信道信号表示相关联的音频频带；
定时和包络检测器，用于以采样间隔的序列来处理所述输出信道信号，其中，对每个采样间隔，所述处理包括：对每个输出信道信号确定：
i.包含多个脉冲定时请求的一组被请求的脉冲定时，以及
ii.一组对应的包络信号，用于表示脉冲定时请求的脉冲幅值；以及
脉冲选择幅值限定级，用于对每组被请求的脉冲定时确定：
i.根据在较高频率选择数量减少的脉冲定时的脉冲选择禁止函数，从所述一组被请求的脉冲定时中选择的在指定时间的一组输出脉冲，以及
ii.与每个输出脉冲相关联的刺激幅值；以及
所述多信道电极阵列用于向周围组织按输出脉冲的相关联的刺激幅值施加所述输出脉冲。
2.根据权利要求1的可植入装置，其中，所述禁止函数有时不变以限定绝对禁止状态。
3.根据权利要求1的可植入装置，其中，所述禁止函数有时改变以限定相对禁止状态。
4.根据权利要求1的可植入装置，其中，所述禁止函数依赖于脉冲幅值。
5.根据权利要求4的可植入装置，其中，所述禁止函数反映禁止状态与脉冲幅值的比率。
6.根据权利要求1的可植入装置，其中，所述禁止函数依赖于输出信道。
7.根据权利要求1的可植入装置，其中，根据由所述禁止函数定义的禁止状态的长度来选择输出脉冲。
8.根据权利要求7的可植入装置，其中，根据禁止状态的短小度来优先地选择输出脉冲。
9.根据权利要求1的可植入装置，其中，所述输入音频信号包括时域结构特性，所述时域结构特性在输出信道信号中利用信道特定采样序列（CSSS）来表示。
10.根据权利要求1的可植入装置，其中，所述输入音频信号包括在指定时间的输出脉冲反映的时域结构特性。
11.根据权利要求1的可植入装置，其中，所述电极阵列是耳蜗植入物电极阵列。
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