CN102427848A - 载波和包络引发的耳蜗刺激 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了用于植入的电极阵列的电极刺激信号的产生。处理声学音频信号，以产生包含精细结构载波信号和调制器包络信号的带通信号。对于每个带通信号，从所述载波信号提取精细时间结构信息来确定刺激事件信号的序列。对于一个或多个低频带通信号，与载波信号同步地对调制器包络信号进行采样，以产生包络加权的刺激事件信号。对于一个或多个较高频带通信号，当且仅当调制器包络信号超过采样阈值时，则才与载波信号同步地对所述调制器包络信号进行采样，以产生包络加权的刺激事件信号。然后处理所述包络加权的刺激事件信号，以产生用于植入的电极阵列的电极刺激信号。

Description

载波和包络引发的耳蜗刺激
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年3月24日提交的美国临时专利申请61/162,760的优先权，所述申请在此合并作为参考。
技术领域
本发明涉及医用植入物，更具体涉及在耳蜗植入系统中的电极刺激信号的产生。
背景技术
图1显示了在典型耳蜗植入系统中的功能性信号处理块，其中K-信道滤波器组101预处理最初声学音频信号x[n]，例如，施加自动增益控制、降噪等。K-信道滤波器组101中每个带通滤波器与特定的音频频带相关，使得声学音频信号x[n]被过滤成某些K个带通信号，x1[n]至xK[n]，其中，每个信号对应一个带通滤波器的频带。例如，最初声学音频信号x[n]可以从频谱上被分解成12个时域带通信号。
然后，所述带通信号x1[n]至xK[n]输入到信道处理器102，所述信道处理器102提取反映特定刺激信息的分量信号——例如，含有精细时间结构信息的载波信号和调制器包络信号。例如，在一个具体的系统中，可以使用希尔伯特(Hilbert)变换(不相干分解)来计算调制器包络信号。基于这些带通信号的信号，信道处理器102对每个带通信道产生包络加权的刺激事件信号的序列p1[n]至pK[n]，其代表特定请求的刺激事件。例如，如美国专利6,594,525所述，包络加权的刺激事件信号的序列p1[n]至pK[n]可以基于信道特异性采样序列(CSSS)，所述专利合并在此作为参考。
脉冲加权模块103还根据反映患者特定知觉特征的刺激幅度加权矩阵来加权每个请求的包络加权刺激事件信号p1[n]至pK[n]，以产生提供声信号的最佳音质电表现的一组信道刺激信号q1[n]至qL[n]。方程1显示了大小为M x N的典型加权矩阵：
W = 1 0.923 0.846 · · · · · · 0 0 0 0 0.077 0.154 · · · · · · 0 0 0 0 0 0 · · · · · · 0 0 0 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 0 0 0 · · · · · · 0.154 0.077 0 0 0 0 · · · · · · 0.846 0.923 1 方程1
刺激脉冲的矩阵加权在2008年4月22日提交的美国专利申请61/046,832中进一步描述，所述申请合并在此作为参考。在一些实施例中，滤波器组通道的数量可以大于电极信道的数量(例如128∶12)。按照例如2009年1月20日提交的美国专利申请61/145,805所述，在这样的布置中，刺激事件信号可以汇集成数量较少的重叠的宏频带，对于给定的采样间隔选择每个宏带内具有最高包络的信道，所述申请合并在此作为参考。
最后，刺激信号的患者特异性适配还可以通过在脉冲整形器104中进行独立的幅度映射和脉冲形状限定而进一步优化，所述脉冲整形器104将一组电极刺激信号q1[n]至qL[n]转换为去往植入的电极阵列中的刺激电极的一组输出电极脉冲e1[n]至eL[n]，以刺激邻近的靶神经组织。例如，这可以包括映射规则(maplaw)、缩放、和/或脉冲整形功能。
耳蜗的最顶端区域与低频感知相关联。在这个区域，现有的耳蜗植入系统中的相应电极刺激图案通常利用载波信号的精细时间结构信息和带通信号的调制器包络信号二者来确定电极刺激图案。所述调制器包络信号限定刺激强度(电流，电荷)，所述精细时间结构信息确定刺激发生时的时刻。载波信号中的其他精细时间结构信息可以由内耳中的神经结构用于例如跟踪基频(Fo)的变化。这可能对于更好的语音理解、更好的声调语言和韵律特征的感知、以及更好的音乐感知是有用的。例如，只要检测到带通载波信号的过零，就可以产生信道特异性采样序列(CSSS)，并且所述CSSS由调制器包络信号加权，从而提供调制器信息和精细时间结构信息二者。包络采样不以规律的时间栅格方式进行，而是无规律的，并与载波信号同步。
耳蜗的中部和底部区域与中到高频声音的感知相关联。在这些区域，时域带通信号的调制器包络信号以不依赖载波信号的规律时间栅格采样。与低频区域一样，神经刺激(电流，电荷)的量通过调制器包络信号的幅度来确定。
因此，带通信号调制器包络信号的采样在低频刺激信道中是无规律的和载波同步的，在中至高频刺激信道中是有规律的和载波不同步的。因此，内耳的神经结构接受这两种不同类型的刺激图案。
生成无规律的连续交错刺激图案的算法记载于Sit等人所著的“ALow-Power Asynchronous Interleaved Sampling Algorithm For CochlearImplants That Encodes Envelope And Phase Information (用于对包络和相位信息进行编码的耳蜗植入物的低功率不同步交错采样算法)”，IEEE Trans.Biomed.Eng.，vol.54，no.1，pp.138-149，Jan.2007中；所述文献在此引为参考。所描述的算法包括以下步骤：
1)所述系统从带通分析滤波器组接收半波整流电流作为输入。其可以是真实的电流，例如由模拟处理机产生的电流，或是例如由数字信号处理器产生的数字版本。
2)每个刺激信道与积分发放神经元相关联，所述积分发放神经元从该信道接收电流输入以将其神经元电容从基态(ground state)充电。这开始了所谓的“到尖峰赛跑(race-to-spike)”。
3)达到固定电压阈值的第一个神经元“获胜”并将所有电容器重置回零。这确保了满足交错刺激要求，因为只能有一个胜利者。
4)获胜的神经元然后在其电极上发射电流尖峰(其是不同步的定时事件)，该电流尖峰由信道包络能量进行缩放。
5)一旦神经元获胜，其输入电流通过弛豫时间常数而在一定时间内被抑制(即削弱)，防止它重复获胜。
6)获胜的神经元已经发射其尖峰之后，再次开始神经元的“到尖峰赛跑”(步骤2)。
在美国专利7,310,558中，介绍了另一种电极刺激策略，其在所有信道上产生无规律的刺激。算法描述如下：
1)处理收到的音频信号，以限定一组频率信道中的信号，
2)确定用于每个频率信号中一个或多个峰中的每一个峰的时间和强度，
3)根据预定的指令集来对每个峰进行优先级排序，
4)指定每个频率信号的峰之间的最小时间间隔，
5)丢弃在最小时间间隔内发生的峰，
6)将未丢弃的峰按照优先级的次序布置到对应于信号中发生未丢弃峰的时间的缓冲器的时隙中，和
7)从所述缓冲器输出一组数据，以用于生成刺激指令。
发明内容
本发明描述了用于植入的电极阵列的电极刺激信号的产生。处理声学音频信号，以产生包含精细结构载波信号和调制器包络信号的带通信号。对于每个带通信号，从所述载波信号提取精细时间结构信息来确定刺激事件信号的序列。对于一个或多个低频带通信号，与载波信号同步地对调制器包络信号进行采样，以产生包络加权的刺激事件信号。对于一个或多个较高频带通信号，当且仅当调制器包络信号超过采样阈值时，则才与载波信号同步地对所述调制器包络信号进行采样，以产生包络加权的刺激事件信号。然后处理所述包络加权的刺激事件信号，以产生用于植入的电极阵列的电极刺激信号。
处理所述包络加权的刺激事件信号可以包括下述步骤中的一种或多种：将所述包络加权的刺激事件信号映射到一组电极刺激信道，以产生电极刺激信号；针对个体患者的感知优化所述包络加权的刺激信号；和/或为所述电极刺激信号生成期望的脉冲形状(例如，双相脉冲)。
可以根据带通信号的过零来提取精细时间结构信息。对于每个带通信号，如果发生一种或多种生理状态考虑因素，例如，靶神经组织的不应状态和/或相邻信道刺激行为，则可以抑制所述包络加权的刺激信号。在一些实施例中，采样阈值可以依赖于信道信号品质、一种或多种生理标准、和/或调制器包络信号的一种或多种时域特征。
本发明的实施例还包括一种计算机程序产品，其在计算机可读存储介质中实现，用于根据上述任何内容来产生用于植入的电极阵列的电极刺激信号。实施例还包括根据以上任何内容操作的耳蜗植入系统。
附图说明
图1显示了在典型耳蜗植入系统中的功能性信号处理块。
图2显示了关于在耳蜗植入系统的典型实施例中的所述信号处理块的进一步细节。
图3显示了第k个带通信道中信号处理的进一步功能性细节。
图4显示了示出载波信号(细曲线)和调制器包络信号(粗曲线)的带通信号的实例。
图5显示了调制器包络信号(细曲线)和采样阈值信号(粗曲线)的实例。
图6显示了带通载波信号(细曲线)和超阈值(门控)调制器包络信号(粗曲线)的实例。
图7显示了门控带通信号(细曲线)和刺激时间点(三角形标志)的实例。
具体实施方式
本发明的实施例将调制器包络信号的无规律载波同步采样的概念扩展到包括中至高频刺激信道。所得到的刺激图案与各个带通信号中的载波信号同步，并且还可以通过将调制器包络信号的时域特征和生理标准例如神经不应状态和/或掩蔽效应考虑在内，从而避免过高刺激率。这种方法保持了用于得出电极刺激信号中的在载波信号和调制器包络信号之间的联系。调制器包络信号的时域特征也明确纳入考虑，其可以导致更准确感知所述调制器包络信号的时间结构信息(例如，耳间时差)，和幅度结构信息(例如，语音特征)。
图2显示了关于根据一个示例性实施例的耳蜗植入系统的信号处理块的进一步细节。输入声学音频信号x[n]由K-信道滤波器组101处理，以产生K个时域带通信号，其每个包括精细结构载波信号ck[n]和调制器包络信号mk[n]。在一些实施例中，带通信道的数量可以与电极刺激信道的数量相等，而在其它实施例中，带通滤波器信道可以比电极刺激信道明显更多。例如，在一个实施例中，可以具有128个带通滤波器信道和12个电极刺激信道。
从每个带通信号中，相关的信道处理器201从载波信号ck[n]提取精细结构时间信息，以确定刺激事件信号的序列，其由调制器包络信号mk[n]加权从而形成包络加权的刺激事件信号pk[n]的序列。更具体地说，对于一种或多种低频带通信号，与载波信号ck[n]同步地对包络信号mk[n]进行采样，以产生包络加权的刺激事件信号pk[n]。此外，对于一种或多种较高频带通信号——当且仅当包络信号mk[n]超过采样阈值sT时——则才与载波信号ck[n]同步地对所述包络信号mk[n]进行采样，以产生包络加权的刺激事件信号pk[n]。然后处理所述包络加权的刺激事件信号pk[n]，以产生用于植入的电极阵列的电极刺激信号eL[n]。
在低频信道(例如，前四个左右的刺激信道)中，包络加权的刺激事件信号pk[n](例如，CSSS信号)可以利用载波信号ck[n]的每个过零来产生。因为低频带通信道的带宽通常相对小，包络信号mk[n]随时间的变化相当缓慢。因此，基于相应载波信号ck[n]的相对低的采样率就足以检测和发送所述包络信号mk[n]的特征。因为中至高频刺激信道的带宽与低频信道相比相对大，所以所述包络信号mk[n]的变化比低频刺激信道快。
例如，图3显示了根据一个具体的实施例的、用于第k个中至高频信道的信道处理器201的各种功能块。图4显示具有载波信号ck[n](细线)和包络信号mk[n](粗线)的中至高频刺激信道的典型带通信号的实例。阈值计算模块301根据第k个包络信号mk[n]来确定采样阈值sT。阈值计算模块301可以考虑一种或多种生理标准，来应对神经元适应效应、掩蔽效应或其它生理效应。例如，在图3中，阈值计算模块301接受直接相邻信道的包络信号mk-1[n]和mk+1[n]，作为附加输入，从而用来计入来自相邻信道的掩蔽效应。
阈值计算模块301还可以考虑其它因素，例如信号品质。例如，这可以根据刺激信道中真实或估算的“长时间”信噪比(SNR)，致使对于较差的SNR而言，采样阈值sT的值增加，以只容许在包络信号mk[n]大并因此即时SNR相对好的情况下进行刺激。类似地，当包络信号mk[n]具有低水平致使SNR相对差时，避免进行刺激。具有高或合理的SNR的刺激信道可以被刺激，并且不被具有差SNR的信道阻断。
在图3中，阈值测试器模块302确定包络信号mk[n]是超过还是低于所述采样阈值。图5显示了包络信号mk[n](细线)与相应采样阈值信号(粗线)的比较的示例。当被阈值测试器模块302使能时，包络采样器模块303处理载波信号ck[n]，以确定在采样包络信号mk[n]时的时间栅格。例如，包络采样器模块303可以利用载波信号ck[n]过零(例如从正到负)的时刻来确定采样时间栅格。当包络信号mk[n]超过采样阈值并且发生载波信号ck[n]的过零时，则包络采样器模块303对包络信号mk[n]进行采样，以产生包络加权的刺激事件信号pk[n]。由于当包络信号mk[n]低于采样阈值时不发生采样，所以这有效表现出采样率降低。
对于较低频带通信号，采样率相对低(数百赫兹)，并相应地，采样时间栅格覆盖若干个毫秒。对于中至高频带通信号，采样率比较高(直至最大传送的音频频率，例如8.5kHz)，因此更精细的采样时间栅格为十分之几毫秒。因此从低到高频带通信道时间分辨率增加。图6显示的是相应超阈值门控包络信号(粗线)相对于载波信号(细线)的实例。图7显示了所产生的包络加权刺激事件信号pk[n]的一个中至高频刺激信道的实例，其中，刺激时间点由三角形标志显示。因为与在低频刺激信道中一样，包络采样仍然与载波信号同步，所以精细时间结构仍然存在于刺激顺序中，并且刺激幅度由刺激时间点处的调制器包络信号mk[n]的值确定。
包络采样器模块303可以基于作为响应而发生神经事件的高概率，即，靶神经结构准备“发放”的情况，进一步调节包络加权的刺激事件信号pk[n]的生成。换句话说，可以控制或降低刺激率到生理意义的水平。例如，包络采样器模块303可以考虑靶神经结构是否因之前刺激事件而处于不应状态。此外或替代地，还可以考虑相邻信道的效应。在图3中，包络采样器模块303处理相邻刺激信道的包络加权刺激事件信号pk-1[n]和pk+1[n]，以校正在其中电流场扩散从而部分刺激相邻信道的神经群的横向屏蔽。如果相邻信道刚释放刺激脉冲，使得一些神经结构处于不应状态和暂时不能被激励，则包络采样器模块303可以抑制或调节所述包络加权的刺激事件信号pk[n]的幅度，使得电流需求最小化。
纯粹的载波同步采样与刺激(在较低频信道中时)与组合的载波同步和包络引发的(门控)采样与刺激(在较高频信道中时)之间的转换是可调节的；例如，转换可以从第四带移到第六带，或从第四带移到第一带。所产生的包络加权的刺激事件信号pk[n]在跨整个处理频率范围的意义上是均一的，所述刺激是无规律的但与带通信号偶联。这与严格划分成无规律刺激区和有规律刺激区的现有方案(例如FSP编码)相反。
诸如上面描述的那些实施例提供了与现有技术方法相比更大的调制深度。因为刺激的调制深度增加，这样的无规律采样在较高频信道中，提供了比传统上具有固定采样栅格的规律采样更好的包络图案(“信号-事件”)的表现。刺激在带通信号中发生某些事情时发生。
时域准确性也有增加。因为由较高频信道中载波信号的过零得出快速(但无规律的)采样频率(高达7-8kHz)，其明显大于例如1.5kHz的固定采样频率，因此以高度时域准确度测量包络图案。这样的高准确度在双侧植入的使用者中可能是有利的，因为两耳之间包络图案的耳间时差(ITD)在时间上被更准确地表现出来。包络信号的采样在一定意义上与调制包络本身有关或由调制包络本身引发。
另一项优点可以反映在降低刺激率，从而导致减少消耗的电池能量。这应归于只有当在包络信号中检测到信号事件(即，包络信号超过采样阈值)、神经准备好被刺激(即，不在不应状态)、和信号品质合格时才产生刺激脉冲的事实。
在Sit等人描述的现有技术方法中，没有明确考虑载波信息，尽管其中声明所述刺激脉冲直至某个量(没有定量)仍然与带通信号的相位有关联(Sec.III，p.140)。此外，在Sit等人的技术中，所有刺激信道，不管频率区如何，都以同样的方式处理，没有特别考虑如上所述的调制器包络信号。
记载于美国专利7,310,558中的算法没有分别考虑调制器包络信号和载波信号。选择信号峰值，然而在上面描述的实施例中，刺激图案反映了具有高度时间准确度并同时与载波信号高度相关的调制器包络信号。
本发明的实施例可以用任何传统的计算机程序语言执行。例如，优选的实施例可以用过程编程语言(例如“C”)或面向对象编程语言(例如“C++”，Python)执行。本发明的其它实施例可以作为预编程的硬件元件、其他相关信号、或作为硬件和软件信号的组合来实现。
实施例可以作为用于与计算机系统一起使用的计算机程序产品来实施。这样的实施可以包括一系列计算机指令，所述指令固定在有形介质，例如计算机可读介质(例如软盘，CD-ROM，ROM，或固定盘)上，或可通过调制解调器或其他接口装置例如经过介质与网络连接的通信适配器传送给计算机系统。所述介质可以是有形介质(例如，光学或模拟通信线路)，或用无线技术实行的介质(例如微波、红外线或其他传输技术)。计算机指令系列包含本文前面对所述系统描述的所有或部分功能。本领域技术人员应当领会，这样的计算机指令可以用许多编程语言写成，供许多计算机体系结构或操作系统使用。此外，这样的指令可以储存在任何存储器件，例如半导体、磁性、光学或其他存储器件中，和可以利用任何通讯技术，例如光学、红外线、微波、或其他的传送技术来传送。预计这样的计算机程序产品可以作为带有伴随的、用计算机系统预装载(例如，在系统ROM或固定盘上)的印刷的或电子文件的移动介质(例如，压缩包装软件)进行分送，或经过网络(例如，因特网或万维网)从服务器或电子公告板分送。当然，本发明的有些实施例可以作为软件(例如，计算机程序产品)和硬件的组合来实施。本发明的其他实施例完全作为硬件、或完全作为软件(例如，计算机程序产品)来实施。
虽然已经公开了本发明的各种示例性实施例，但对于本领域技术人员应该显而易见的是，不背离所述发明的真正范围的情况下，可以对本发明作出能够实现本发明的某些优点的各种各样的改变和更改。

Claims (25)

1.一种产生用于植入的电极阵列的电极刺激信号的方法，所述方法包括：
处理声学音频信号以产生多个带通信号，
其中，每个带通信号包括精细结构载波信号和调制器包络信号；
对于每个带通信号：
i.从载波信号提取精细时间结构信息，以确定刺激事件信号的序列，
ii.对于一个或多个低频带通信号，与载波信号同步地对调制器包络信号进行采样，以产生包络加权的刺激事件信号，
iii.对于一个或多个较高频带通信号，
(1)当且仅当所述调制器包络信号超过采样阈值时，则
(2)与所述载波信号同步地对所述调制器包络信号进行采样，以产生包络加权的刺激事件信号，
处理所述包络加权的刺激事件信号，以产生用于植入的电极阵列的电极刺激信号。
2.根据权利要求1的方法，其中，处理所述包络加权的刺激事件信号包括将所述包络加权的刺激事件信号映射到一组电极刺激信道，以产生电极刺激信号。
3.根据权利要求1的方法，其中，处理所述包络加权的刺激信号包括针对个体患者的感知来优化所述包络加权的刺激信号。
4.根据权利要求1的方法，其中，处理所述包络加权的刺激事件信号包括为所述电极刺激信号生成期望的脉冲形状。
5.根据权利要求4的方法，其中，所述期望的脉冲形状是双相脉冲。
6.根据权利要求1的方法，其中，根据带通信号的过零来提取精细时间结构信息。
7.根据权利要求1的方法，还包括：
对于每个带通信号，如果发生一种或多种生理状态考虑因素，则抑制所述包络加权的刺激信号。
8.根据权利要求7的方法，其中所述一种或多种生理状态考虑因素包括靶神经组织的不应状态。
9.根据权利要求7的方法，其中，所述一种或多种生理状态考虑因素包括相邻信道刺激行为。
10.根据权利要求1的方法，其中，所述采样阈值依赖于信道信号品质。
11.根据权利要求1的方法，其中，所述采样阈值依赖于一种或多种生理标准。
12.根据权利要求1的方法，其中，所述采样阈值依赖于所述调制器包络信号的一种或多种时域特征。
13.一种适合于使用权利要求1-12任一项的方法的耳蜗植入系统。
14.一种计算机程序产品，其在计算机可读存储介质中实现，以产生用于植入的电极阵列的电极刺激信号，所述产品包括：
用于处理声学音频信号以产生多个带通信号的程序代码，其中，每个带通信号包含精细结构载波信号和调制器包络信号；
用于每个带通信号的程序代码，用于：
i.从载波信号提取精细时间结构信息，以确定刺激事件信号的序列，
ii.对于一个或多个低频带通信号，与载波信号同步地对调制器包络信号进行采样，以产生包络加权的刺激事件信号，
iii.对于一个或多个较高频带通信号，
(1)当且仅当所述调制器包络信号超过采样阈值时，则
(2)与载波信号同步地对所述调制器包络信号进行采样，以产生包络加权的刺激事件信号，
用于处理所述包络加权的刺激事件信号，以产生用于植入的电极阵列的电极刺激信号的程序代码。
15.根据权利要求14的产品，其中，用于处理所述包络加权的刺激事件信号的程序代码包括用于将所述包络加权的刺激事件信号映射到一组电极刺激信道以产生电极刺激信号的程序代码。
16.根据权利要求14的产品，其中，用于处理所述包络加权的刺激信号的程序代码包括用于针对个体患者的感知来优化所述包络加权的刺激信号的程序代码。
17.根据权利要求14的产品，其中，用于处理所述包络加权的刺激事件信号的程序代码包括用于为电极刺激信号生成期望的脉冲形状的程序代码。
18.根据权利要求17的产品，其中，所述期望的脉冲形状是双相脉冲。
19.根据权利要求14的产品，其中，根据所述带通信号的过零来提取精细时间结构信息。
20.根据权利要求14的产品，还包括：
对于每个带通信号如果发生一种或多种生理状态考虑因素则抑制所述包络加权的刺激信号的程序代码。
21.根据权利要求20的产品，其中，所述一种或多种生理状态考虑因素包括靶神经组织的不应状态。
22.根据权利要求20的产品，其中，所述一种或多种生理状态考虑因素包括相邻信道刺激行为。
23.根据权利要求14的产品，其中，所述采样阈值依赖于信道信号品质。
24.根据权利要求14的产品，其中，所述采样阈值依赖于一种或多种生理标准。
25.根据权利要求14的产品，其中，所述采样阈值依赖于所述调制器包络信号的一种或多种时域特征。
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