CN101874913A - 一种均衡单极构式带反馈检测的多导人工耳蜗系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种均衡单极构式带反馈检测的多导人工耳蜗系统，包含依无线耦合感应(RF)方式连接的体外装置和体内装置，该无线耦合感应方式以无线近耦合和反馈负载调制电路实现。所述体内装置包含由用于刺激耳蜗神经的主动电极束阵列和用于自体内装置向体外装置反馈测量电流信号的多个共用电极阵列组成的均衡单极构式电极阵列，以及与该均衡单极构式电极阵列连接并采用BCD工艺集成在一个集成电路芯片上的刺激控制单元、核心控制单元、体内RF耦合感应接收和反馈输出单元，以及测量控制单元。本发明所提供的技术方案，能达到一次慎重安装、自适应调节、长期高质量使用的目的。

Description

一种均衡单极构式带反馈检测的多导人工耳蜗系统

技术领域

本发明涉及电子信息技术和医疗器械领域，特别是涉及一种人工耳蜗系统。

背景技术

人工耳蜗是一种为重度、极重度或全聋的成人或小儿恢复或获得听力的一种电子装置，此装置能把声音信号转变为电信号直接刺激听神经纤维，从而达到恢复患者听力的目的。目前，人工耳蜗系统的工作原理一般是，依靠体外言语处理器完成声音电信号的数字化，对其分解滤波并编码后再以无线方式传给体内电路，以电流强度和交叉相位脉冲形式，来刺激耳蜗神经。人工耳蜗系统的体外与体内装置是通过无线感应方式来进行通信和提供能量。

但目前国内正在应用的人工耳蜗产品技术保密，没有公开的标准和规范，更没有系统化、规范化开发生产方法和流程。并且，国内使用的产品都是由国外进口的，其装置和部件均在国外生产，而且这些产品和技术都是早期和近期开发生产的。

从耳蜗生理实验得到，一个具有工作电流2mA、电压10V以上的工作能力的电流发生器的人工耳蜗才能适应多种病人使用，达不到这个范围，只能在听神经反映比较灵敏的病人群使用。当前人工耳蜗无线传输方式及集成电路功能特性没有见到统一的规范标准。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种均衡单极构式带反馈检测的多导人工耳蜗系统，采用BCD工艺来设计、生产耳蜗集成电路，依无线耦合感应(RF)方式完成体外和体内装置之间通讯，根据企业产品标准规范控制设计和生产，以达到具有更广的适用人群和国产实用化的目的。

在当前条件下，语音信号数学处理和编码技术、RFID近耦合能量传送和通讯技术、集成电路设计和工艺(BCD)、电极极阵设计和加工，对上述要求的制作是完全可能实现的。

本发明采用如下技术方案：

一种均衡单极构式带反馈检测的多导人工耳蜗系统，包含用于语音处理的体外装置和与该体外装置连接的用于解码刺激的体内装置，所述体内装置包含体内RF天线线圈、用于刺激耳蜗神经并自体内装置向体外装置反馈测量电流信号的均衡单极构式电极阵列，以及耦接于体内RF天线线圈和该均衡单极构式电极阵列之间、并且相互连接的测量控制单元与体内RF耦合感应接收和反馈输出单元。

所述均衡单极构式电极阵列包含主动电极束阵列和多个共用电极阵列，该多个共用电极阵列与所述测量控制单元连接，该主动电极束阵列与所述体内RF耦合感应接收和反馈输出单元之间具有相互连接的刺激控制单元和核心控制单元，该刺激控制单元与所述主动电极束阵列连接，该核心控制单元与所述体内RF耦合感应接收和反馈输出单元连接。

所述测量控制单元包含依次连接的刺激共用通道选择矩阵、体内电抗测量电路、自动增益放大模块、AD变换器，以及体内反馈信号发送输出格式化模块，所述刺激共用通道选择矩阵与多个共用电极阵列连接，所述体内反馈信号发送单元输出格式化模块与体内RF耦合感应接收和反馈输出单元连接。

所述测量控制单元与所述体内RF耦合感应接收和反馈输出单元通过BCD工艺集成在一个集成电路芯片上。

所述体外装置和所述体内装置无线连接，所述体外装置包含依次连接的体外语音信号接收单元、体外语音信号处理单元、体外RF发送接收单元，以及体外RF天线线圈，所述体外RF发送接收单元包含用于将语音信号从体外RF语音信号处理单元发送至体外RF天线线圈的体外RF发送电路，以及用于将来自体内的反馈信号从体外RF天线线圈反馈至所述体外语音信号处理单元的体外RF接收电路。

所述的体外RF发送电路与所述体内RF耦合感应电路进行通讯时采用的RF通讯规范中的代码包含命令码和数据码两类，该命令码和数据码以同步脉冲和主脉冲标识；所述同步脉冲采用幅频键控方式调制，调制度为100％或30％。

采用本发明的技术方案，具有如下技术优点：

(1)本发明的多个共用电极阵列有多个极点，使用时可选择其中的一个或多个利用，实现对区域的均衡刺激，并能适应不同病灶病人使用；

(2)本发明基于BCD工艺来设计、生产耳蜗集成电路，保证电路能在电源为8到12V、最大2mA电流时可靠工作；

(3)本发明既能实现经体外RF发送电路和体内RF耦合感应电路正向传输到主动电极束阵列的“刺激流”，又能实现自体内电路反馈回体外电路的“反馈流”，因此本发明能检测病人的个性化电生理特性，按耳蜗生物组织安全阀值来限制调节刺激信号，能对植入手术质量、电极接触性能、电极(线)、耳蜗组织电特性有量化的评定参考值。

附图说明

图1是本发明的一种均衡单极构式带反馈检测的多导人工耳蜗系统的结构示意图；

图2是本发明人工耳蜗系统的体外部分的结构示意图；

图3是本发明人工耳蜗系统的体内部分的结构示意图；

图4a至图4c是人工耳蜗系统RF通讯中的码元结构的示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，配合所附图式，作详细说明如下：

参考图1，本发明所提供的均衡单极构式带反馈检测的多导人工耳蜗系统包括用于语音处理的体外装置1’和用于解码刺激的体内装置2’。其中，所述体外装置1’由体外语音信号接收单元1、体外语音信号处理单元2、体外RF发送接收单元3，以及体外RF天线线圈4组成；所述体内装置2’由体内RF天线线圈5、体内RF耦合感应接收和反馈输出单元6、核心控制单元7、刺激控制单元8、均衡单极构式电极阵列9，以及测量控制单元10组成。该人工耳蜗系统对语音信号的处理构成一反馈回路，即将接收到的语音信号输入到体内的前向通路和将体内检测到的信号反馈回体外的反馈通路：如图中箭头指向所示意，所述前向通路为，体外语音信号接收单元1接收到的信号被依次通过体外语音信号处理单元2、体外RF发送接收单元3、体外RF天线线圈4、体内RF天线线圈5、体内RF耦合感应接收和反馈输出单元6、核心控制单元7，和刺激控制单元8，输送至均衡单极构式电极阵列9；所述反馈通路为，经由均衡单极构式电极阵列9获得的体内信号依次通过测量控制单元10、体内RF耦合感应接收和反馈输出单元6、体内RF天线线圈5、体外RF天线线圈4，以及体外RF发送接收单元3被送至体外语音信号处理单元2。

参考图2，其显示本发明体外装置1’的具体构成。该体外装置1’用作编解码/检验平台，可适用多种处理、编码方案，可适用升级兼容的耳蜗软件。体外装置1’中的体外语音信号接收单元1用于控制语音声音的采集并对采集到的语音声音进行信号预处理，其由麦克风11、麦克风13，以及分别与该麦克风11和该麦克风13连接的自动增益放大器12和自动增益放大器14构成。麦克风11和麦克风13用于采集语音信号或一路语音信号与一路噪声信号，自动增益放大器12和自动增益放大器14，主要由晶体管和阻容元件构成，用于动态调整麦克风11和麦克风13输出的信号，以使采样信号与A/D模数变换模块21和A/D模数变换模块22相匹配。实际使用中，麦克风的数量并不仅限于两个，可为1～3个或更多个。

所述A/D模数变换模块21和A/D模数变换模块22与体外言语处理电路23、开关量接口24，以及串行接口25一同构成体外语音信号处理单元2，仍如图2所示。该A/D模数变换模块21和A/D模数变换模块22作为体外言语处理电路23的通用A/D变换接口，用于接收并放大来自自动增益放大器12和自动增益放大器13的信号，以使信号数字化。体外言语处理电路23，主要由单片微处理机和软件构成，如32位CPU电路片、储存器电路片和振荡晶体，以及根据需要编写的软件，用于对语音信号分解滤波，产生离散的多道频率幅值信号，该多道频率幅值信号为数字量，通过开关量接口24输出至体外RF发送电路31中，并经体外RF天线线圈4将该调制信号和功率无线传送至本发明的体内装置2’中。该体外RF天线线圈4同时亦通过体外RF接收电路32向体内发送已调制的信号和功率并接收来自体内电路4的负载反馈信号。

参考图3，其显示本发明体内装置2’的具体构成。如图所示，所述体内RF天线线圈5主要由线圈和阻容元件构成，其两端与限幅保护单元61连接，用于以耦合共振形式接受和反射能量与信号。所述体内RF耦合感应接收和反馈输出单元6包含所述限幅保护单元61，另外还包含电源变换单元62、时钟获取单元63、信号解调单元64，以及反馈负载调制单元65。所述限幅保护单元61，用于将来自体内RF天线线圈5的信号的信号幅度进行限定；所述电源变换单元62用于产生芯片工作电源和刺激用电源；所述时钟获取单元63，输入端与所述体内天线31一端相连，输出端与后述时序生成模块72相连，用于产生时钟信号；所述信号解调单元64，由包络检波、识别电路组成，其输入端通过限幅保护单元61与所述体内RF天线线圈5一端相连，输出端与后述核心控制单元7相连，用于接收、调制，并输出来自体内RF天线线圈5的语音信号；所述反馈负载调制单元36，由负载驱动、调制复合电路组成，其输入端与后述核心控制单元7相连，输出端通过所述限幅保护单元61与所述体内RF天线线圈5一端相连，用于体内测量值的输出。继续参考图3，所述信号解调单元64与所述核心控制单元7的信号解码单元71连接，此外，该核心控制单元7还包含时序生成模块72和命令识别执行控制单元73。所述时序生成模块72，由分频、计数、编码电路组成，用于对主时钟产生控制用各种时序；所述命令识别执行控制单元73，由计数、校验、数值表，限值表电路组成，用于接收来自信号解码单元71的语音代码数据，并根据该数据产生控制信号给驱动控制电路85。

继续参考图3，所述刺激控制单元8包含刺激电流源单元81、主动电极驱动控制电路82，以及与该主动电极驱动控制电路82连接的刺激通道组织开关选择矩阵83。所述刺激电流源单元81，为电流型D/A数模变换器，用于以命令的参数赋值来提供刺激电流；所述主动电极驱动控制电路82，由模式状态码译码、状态机、数据运算电路组成，用于完成各模式状态操作控制；所述刺激通道组织开关选择矩阵83，输入端与所述主动电极驱动控制电路82连接，用于在主动电极驱动控制电路82的控制下选通要实施刺激的电极通道并在相应通道上经由后述主动电极束阵列91输出刺激电流。前述主动电极束阵列91和多个共用电极阵列92组成均衡单极构式电极阵列9，所述主动电极束阵列91，由多个敷以特氟隆绝缘涂层(硅橡胶)的白金丝和接触头组成，以多道电极组组成束阵列的形式插入耳蜗蜗管中，其输入端与上述刺激通道组织开关选择矩阵83相连，输出端直接与听神经相连，用于将上述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。所述多个共用电极阵列92，由多个电极构成，每个电极由敷以特氟隆绝缘涂层(绝缘层)的白金丝和接触头组成，该多个共用电极阵列92一端与后述刺激共用通道选择矩阵103相连，另一端直接与耳蜗内的听神经相连，可安装于耳蜗内的不同位置点，用于在使用时选择其中的一个极或多个极并用，与主动电极束阵列形成刺激回路，以适应不同病灶病人使用，实现均衡单极构刺激操作。

再次参考图3，多个共用电极阵列92与测量控制单元10中的刺激共用通道选择矩阵103直接连接，输出的信号依次经体内电抗测量电路104、自动增益放大模块105、AD变换器106，以及体内反馈信号发送单元输出格式化模块107处理后，输出至反馈负载调制单元65，并进而由体内RF天线线圈5输出至体外。所述刺激共用通道选择矩阵103通过共用电极驱动控制电路102驱动，电源为测量电流源单元101。其中，所述测量电流源单元101，为电流型D/A数模变换器，用于以命令的参数赋值来提供测量电流；所述共用电极驱动控制电路102，由模式状态码译码、状态机、数据运算电路组成，用于完成各模式状态操作控制；所述刺激共用通道选择矩阵103，输入端与所述共用电极驱动控制电路102连接，用于在共用电极驱动控制电路102的控制下选通需要的共用电极通道输出测量电流；所述体内电抗测量电路104，由测量模式状态码译码、状态机模块组成，用于完成电抗测量操作；所述自动增益放大模块105，用于测量值自动放大；所述AD变换器106，用于测量值数字化处理；所述体内反馈信号发送单元输出格式化模块107，用于对来自模数变换器的数据进行格式化处理，处理后的信号发送至前述反馈负载调制单元65。

工作时，首先通过麦克风11与13接收体外语音信号，经自动增益放大器12和14放大后，由A/D模数变换模块21和22变换后传送入体外言语处理电路23，该体外言语处理电路23将语音信号滤波分解、编码后，经由开关量接口24发送至体外RF发送电路31，并进一步经由体外RF天线线圈4和体内RF天线线圈5发送至体内。接着，体内RF天线线圈5接收到信号后，经由限幅保护单元61将其发送至信号解调单元64，解调单元64将信号解调并将其发送至信号解码单元71，解码后的信号被发送至命令识别执行控制单元73和测量控制单元10。再接着，命令识别执行控制单元73将产生的控制信号分别传送至主动电极驱动控制电路83，进而驱动控制电路83在刺激电流源单元81的控制下驱动主动电极束阵列91，使其发出刺激耳蜗的电流。然后，共用电极驱动控制电路85在测量电流源单元82的控制下，选通需要的共用电极通道，通过刺激共用通道选择矩阵，向测量控制单元10反馈测量电流。在测量控制单元10中，体内电抗测量电路104首先接收来自多个共用电极阵列92的反馈信号，进而经自动增益放大模块105放大和AD变换器106转换后，由体内反馈信号发送单元输出格式化模块107将反馈信号输送至反馈负载调制单元65。之后，经体内RF天线线圈5无线传送至体内RF天线线圈4，并接着依次经体外RF接收电路32和串行接口25传送至体外言语处理电路23。体外言语处理电路23根据接收到的信号对体外言语处理电路23中的相关参数进行调整，并开始再一循环的语音信号处理过程。

本发明中体外RF天线线圈4与体内RF天线线圈5进行通讯时采用的RF通讯规范中，包含：对命令、参数编码进行的规定；对命令串、参数串、操作/应答串的结构进行的规范；对通讯帧组成格式进行的规范；以及对应答调制单元的反馈模式的限定。RF通讯规范中的代码包含命令码和数据码两类，以同步脉冲和主脉冲标识，同步脉冲具有一定的时间宽度，用于同步RF通讯过程，根据需要产生不同的主频。在信号传输过程中，采用ASK(amplitude shift keying，幅频键控)方式对同步脉冲进行调制，调制度可以选择为100％或30％。

图4以100％ASK为例，示意了人工耳蜗RF通讯中的码元结构，图4(a)中，Nt表示要传送的第N个信号的开始位置处的同步信号，Xxxt表示要传送的信号中有效数据信号；图4(b)显示代码在RF调制发送中的波形，与图4(a)对应的，低电平表示同步脉冲信号，而高电平表示有效数据信号。图4(c)表示若接收到的信号的有效脉冲数小于4个，则表示系统默认该信号为噪声。

如上所述，本发明通过将采集到的言语声音经过信号预处理、数学处理、以及刺激编码后，经体外RF发送接收单元3和体内RF耦合感应接收和反馈输出单元5正向传输到主动电极束阵列91，并利用该主动电极束阵列91发出电流形成刺激耳蜗神经的“刺激流”；同时本发明利用多个共用电极阵列92对耳蜗内位置区域进行电特性测量、并通过体内体内RF耦合感应接收和反馈输出单元5和体外RF发送接收单元3反向传输到体外语音信号处理单元2，形成根据测量到的耳蜗内的电特性而形成的“反馈流”；本发明的体外装置1’既能把麦克风采样的语音编码、又可把测量到的生物电子信号进行综合处理；因此，本发明提供了一种具有反馈检测功能的“刺激/反馈”新型人工耳蜗系统。该具有监测反馈功能的新型人工耳蜗系统中，所述多个共用电极阵列92是具有多个极点可选择共极的均衡单极构阵，即使用时可选择该多个共用电极阵列中的多个极点中的一个或多个利用，形成均衡的单极构，实现对区域的均衡刺激。另外，本发明基于BCD工艺来设计、生产耳蜗集成电路，保证电路能在电源为8到12V、最大2mA电流时能可靠工作。

本发明借助反馈功能对病人检测个性化电生理特性(内含电极与细胞接触特性)，按耳蜗生物组织安全阀值来限制调节刺激信号，弥补了在安装前、安装时，或安装后发送各种基本信号，由病人定性的感觉反应和医生直觉来评定的不足。对电极阻抗和电压相容性及诱发电位电荷平衡遥测，能对植入手术质量、电极接触性能、电极(线)、耳蜗组织电特性有量化的评定参考值，真正达到一次慎重安装、自适应调节、长期高质量使用的目的。本发明的均衡单极构由多个共用极构成，而且各自具有独立的通道，可安装于不同位置点。主动电极也可以选择一个极或多个极并用来形成刺激回路，实现均衡单极构刺激操作，适应不同病灶病人使用。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，但该较佳实施例并非用以限制本发明，该领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种均衡单极构式带反馈检测的多导人工耳蜗系统，包含用于语音处理的体外装置和与该体外装置连接的用于解码刺激的体内装置，其特征在于，所述体内装置包含体内RF天线线圈、用于刺激耳蜗神经并自体内装置向体外装置反馈测量电流信号的均衡单极构式电极阵列，以及耦接于体内RF天线线圈和该均衡单极构式电极阵列之间、并且相互连接的测量控制单元与体内RF耦合感应接收和反馈输出单元。

2.根据权利要求1所述的均衡单极构式带反馈检测的多导人工耳蜗系统，其特征在于，所述均衡单极构式电极阵列包含主动电极束阵列和多个共用电极阵列，该多个共用电极阵列与所述测量控制单元连接。

3.根据权利要求1所述的均衡单极构式带反馈检测的多导人工耳蜗系统，其特征在于，所述均衡单极构式电极阵列包含主动电极束阵列和多个共用电极阵列，所述主动电极束阵列与所述体内RF耦合感应接收和反馈输出单元之间具有相互连接的刺激控制单元和核心控制单元，该刺激控制单元与所述主动电极束阵列连接，该核心控制单元与所述体内RF耦合感应接收和反馈输出单元连接。

4.根据权利要求1所述的均衡单极构式带反馈检测的多导人工耳蜗系统，其特征在于，所述体外装置和所述体内装置无线连接。

5.根据权利要求1所述的均衡单极构式带反馈检测的多导人工耳蜗系统，其特征在于，所述体外装置包含依次连接的体外语音信号接收单元、体外语音信号处理单元、体外RF发送接收单元，以及体外RF天线线圈。

6.根据权利要求5所述的均衡单极构式带反馈检测的多导人工耳蜗系统，其特征在于，所述体外RF发送接收单元包含用于将语音信号从体外RF语音信号处理单元发送至体外RF天线线圈的体外RF发送电路，以及用于将来自体内的反馈信号从体外RF天线线圈反馈至所述体外语音信号处理单元的体外RF接收电路。

7.根据权利要求1所述的均衡单极构式带反馈检测的多导人工耳蜗系统，其特征在于，所述测量控制单元包含依次连接的刺激共用通道选择矩阵、体内电抗测量电路、自动增益放大模块、AD变换器，以及体内反馈信号发送输出格式化模块，所述刺激共用通道选择矩阵与多个共用电极阵列连接，所述体内反馈信号发送单元输出格式化模块与体内RF耦合感应接收和反馈输出单元连接。

8.根据权利要求3所述的均衡单极构式带反馈检测的多导人工耳蜗系统，其特征在于，所述核心控制单元、所述刺激控制单元、所述测量控制单元以及所述体内RF耦合感应接收和反馈输出单元通过BCD工艺集成在一个集成电路芯片上。

9.根据权利要求1所述的均衡单极构式带反馈检测的多导人工耳蜗系统，其特征在于，所述体外RF发送电路与所述体内RF耦合感应电路进行通讯时采用的RF通讯规范中的代码包含命令码和数据码两类，该命令码和数据码以同步脉冲和主脉冲标识。

10.根据权利要求9所述的均衡单极构式带反馈检测的多导人工耳蜗系统，其特征在于，所述同步脉冲采用幅频键控方式调制，调制度为100％或30％。

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