CN102743255A - 一种电子耳蜗最优能量调节系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子耳蜗最优能量调节系统和方法，包括信号传输单元、植入体单元和体外单元，所述的信号传输单元用于植入体单元和体外单元之间的信号传输；所述的植入体单元接收信号传输单元传输的射频信号，将射频信号处理产生直流电压，对直流电压采样，转换成数字信号，并且将数字信号进行调制传送给信号传输单元；所述的体外单元接收信号传输单元传输的射频信号，解码成数字信号，并且进行处理得到植入体单元采样的直流电压，根据所述采样的直流电压来调节发射功率，并传送给所述的信号传输单元。以闭环反馈的形式达到满足植入体能量需求的最小体外机发射功率，保证发射功率处于最优发射效率。

Description

一种电子耳蜗最优能量调节系统和方法

技术领域

本发明涉及电子耳蜗领域，特别是指一种电子耳蜗最优能量调节系统和方法。

背景技术

电子耳蜗是一种能够为重度和极重度感音神经性耳聋患者提供功能性听力的植入型电子装置。它越过已经失去正常功能的人体内耳，用带有声音信息的电流脉冲直接刺激听神经来产生听觉。图1显示的是电子耳蜗的结构示意图。电子耳蜗由体外机部件和植入体部件两部分组成，体外机部件主要包括传声器（如麦克风等）、言语处理器和发射线圈，植入体部件主要包括接收线圈、刺激器及多通道电极阵列组成。由麦克风拾取声音信号，言语处理器对声音信号进行处理和编码后发射到刺激器，然后将信号解码转化为电流脉冲，电流脉冲通过电极阵列刺激听神经，从而使大脑感知到声音。

电子耳蜗的体外机向植入体传送信号和能量的方式一般有三种：1）有线能量传输方法，也称穿过皮肤方法（percutaneous）；2）植入性电池；3）无线能量传输方法，也称越过皮肤方法(transcutaneous)。有线能量传输方法有穿过皮肤的传输导线，容易造成生物组织感染，而且对植入者的日常活动有较多限制，已经越来越少使用，现在主要用于短期植入的实验性装置。植入性电池适用于间歇性高能量密度的场合，如心脏起搏器，除颤器等。受电池技术的限制，电池需要数年更换一次。无线能量传输方法避免了上面两种方法的缺点，被越来越多的植入式医疗器械采用，一般用无线传输的方式向植入体传送信号和能量，体外机使用电池供电。但是由于无线能量传输的损耗，体外机的发射能量一般远大于植入体所能接收到的能量，所以降低体外机功耗，以延长电池使用时间是电子耳蜗系统面临的一个主要问题。降低功耗的一个原则是在体外机发送给植入体的能量正好达到植入体的能量需求，这就要求体外机能够根据植入者的不同皮瓣厚度和刺激能量消耗来自适应地调节发射功率。

在现有技术中，用闭环监控的方法监控植入体的能量水平，并将植入体的电压值传给体外机，但是只根据植入体电压来改变发射功率，而没有提出采用何种方法调节体外机的发射功率。目前，还提出了在保证植入体能量够用条件下尽量降低体外机发射功率的最优发射能量的概念，提出用改变体外机谐振频率的方法来调节体外机的发射功率。此方法实现复杂，而且改变发射电路的谐振频率后，发射信号的频率与谐振频率产生了偏差，降低发射效率。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种电子耳蜗最优能量调节系统和方法，能够达到满足能量需求的最小发射功率，传输效率提高，实现简单和方便。

基于上述目的本发明提供的一种电子耳蜗最优能量调节系统，包括信号传输单元、植入体单元和体外单元，

所述的信号传输单元用于植入体单元和体外单元之间的信号传输；

所述的植入体单元接收信号传输单元传输的射频信号，将射频信号处理产生直流电压，对直流电压进行采样，然后将采样后的直流电压转换成数字信号，并且将数字信号进行调制传送给所述的信号传输单元；

所述的体外单元接收信号传输单元传输的射频信号，将射频信号解码成数字信号，并且对所述数字信号进行处理得到所述的植入体单元采样的直流电压，然后根据所述采样的直流电压来调节发射功率，并传送给所述的信号传输单元。

可选的，所述体外单元根据采样的直流电压，采用改变发射信号占空比来调节发射功率。

可选的，所述体外单元根据采样的直流电压调节发射功率，当采样的直流电压低于4.5V时，增大发射功率；当采样的直流电压高于5.5V时，减小发射功率；当采样的直流电压处于4.5V-5.5V时，则保持当前发射功率。

可选的，所述植入体单元将传送的射频信号经过检波和滤波稳压产生直流电压。

可选的，所述的植入体单元将采样后的直流电压转换成数字信号之前，先利用可编程放大器将采样的直流电压处于模数转换所需的输入信号范围内。

可选的，所述的植入体单元将采样后的直流电压转换成数字信号，使用12位的模数转换器将输入的直流电压值转换成数字信号。

可选的，所述的植入体单元采用负载调制原理将数字信号传送给所述的信号传输单元。

可选的，所述的体外单元将射频信号解码成数字信号是通过低通滤波的方法检测射频信号幅度的变化，解码出数字信号。

基于上述目的，本发明还提供了一种电子耳蜗最优能量调节方法，包括以下步骤：

A.接收输入的射频信号并进行处理产生直流电压，然后对直流电压进行采样；

B.将采样后的直流电压转换成数字信号，并且将数字信号进行调制传送；

C.接收传送的射频信号并解码成数字信号，然后对数字信号进行处理得到所述采样的直流电压；

D.根据所述采样的直流电压来调节发射功率，并将调节后的发射功率输出。

可选的，所述的步骤D根据采样的直流电压，采用改变发射信号占空比来调节发射功率。

可选的，所述的步骤D根据所述采样的直流电压来调节发射功率，当采样的直流电压低于4.5V时，增大发射功率；当采样的直流电压高于5.5V时，减小发射功率；当采样的直流电压处于4.5V-5.5V时，则保持当前发射功率。

可选的，所述的步骤A经过检波和滤波稳压产生直流电压。

可选的，所述的步骤B先利用可编程放大器将采样的直流电压处于模数转换所需的输入信号范围内，再转换成数字信号。

可选的，所述的步骤B使用12位的模数转换器将输入的直流电压值转换成数字信号。

可选的，所述的步骤B将数字信号进行调制传送是采用负载调制原理将数字信号传送。

可选的，所述的步骤C通过低通滤波的方法检测射频信号幅度的变化，解码出数字信号。

从上面所述可以看出，本发明提供的一种电子耳蜗最优能量调节系统和方法，通过改变发射信号占空比来调节发射功率，同时以闭环反馈的形式达到满足植入体能量需求的最小体外机发射功率，发射信号的频率与发射电路的谐振频率保持一致，可以保证发射功率处于最优的发射效率。

附图说明

图1为现有技术中的电子耳蜗系统结构示意图；

图2为本发明电子耳蜗最优能量调节系统实施例的结构示意图；

图3为本发明电子耳蜗最优能量调节方法实施例的流程示意图；

图4为本发明实施例的电子耳蜗最优能量调节低占空比射频信号示意图；

图5为本发明实施例的电子耳蜗最优能量调节高占空比射频信号示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图2为本发明电子耳蜗最优能量调节系统实施例的结构示意图，如图所示该最优能量调节系统实施例包括：信号传输单元201、植入体单元202和体外单元203，其中：

信号传输单元201，分别与植入体单元202和体外单元203相连，主要功能：

1）对植入体单元202和体外单元203之间的信号进行传输。

较佳的，可以包括一个发射线圈和一个接收线圈。本实施例中，发射线圈设置在皮肤外可以发射体外单元203传输的射频信号给接收线圈，并且可以接收线圈的射频信号传输给体外单元203；接收线圈设置在皮肤内可以将植入体单元202的射频信号传输给发射线圈，并且可以接收发射线圈的射频信号传输给植入体单元202。

植入体单元202，与该信号传输单元201相连，主要功能：

1）接收信号传输单元201传输的射频信号。

2）将射频信号处理产生直流电压，为整个植入体单元202提供能量。

较佳的，植入体单元202将传送的射频信号经过检波和滤波稳压产生直流电压。

3）对直流电压进行采样：在本实施例中，将所需采样的电压点以高输入阻抗的接入方式接到采样电路中进行采样。所得到的直流电压值能够反映植入体单元202的能量状态，当直流电压值处于预先规定的4.5V-5.5V时，表明植入体单元202的能量水平正常。

4）将采样后的直流电压转换成数字信号：采样所得的直流电压值是一个模拟信号，较佳的，为了提高植入体单元202能量状态传输到体外单元203的精度和可靠性，需要先将采样的直流电压处于模数转换所需的输入信号范围内，再转换成数字信号。

在本实施例中，将采样的直流电压经过一个可编程放大器，使得该直流电压信号处于模数转换电路所需的输入信号范围内。为了达到一定的转换精度，使用12位的模数转换器将输入的模拟直流电压值转换成数字信号，直流电压数字信号经过并行到串行的转换，以串行的方式传送。

5）将数字信号进行调制传送给所述的信号传输单元201：在本实施例中，利用调制电路，采用负载调制原理，负载调制就是将数字信号“0”和“1”用来控制一个负载开关，数字“0”断开负载开关，数字“1”接通负载开关，分别对应于信号传输单元201的接收线圈负载电路的两种不同负载，从而使信号传输单元201的发射线圈上的射频信号幅度产生相应的变化。

体外单元203，与信号传输单元201相连，主要功能：

1）接收信号传输单元201传输的射频信号：较佳的，接收信号传输单元201的发射线圈上的射频信号。

2）将射频信号解码成数字信号：在本实施例中，采用幅度键控调制方式，在接收端体外单元203首先以低通滤波的方式去掉高频的载波信号，然后比较包络信号的幅度得到发射端的数字“0”和“1”信号，这些数字信号规定了植入体单元202电流刺激波形的幅度、位置、宽度、和频率等信息。从而解码出发射端植入体单元202串行的数字信号“0”和“1”。

3）对所述数字信号进行处理得到所述的植入体单元202采样的直流电压：在本实施例中，将解码出发射端植入体单元202串行的数字信号“0”和“1”传送到数字信号处理器中，由于植入体单元202中使用12位的模数转换器进行了模数转换，因此所述数字信号处理器采用与植入体单元202中12位模数转换器相同的顺序读入所述的数字信号，从而得到植入体单元202采样的直流电压。

4）根据所述采样的直流电压来调节发射功率：体外单元203以改变发射信号占空比的方法调节射频放大器的发射功率，占空比与体外单元203的发射功率成正比的关系，与植入体单元202接收的能量一般是成正比的关系。数字信号处理器改变发射信号持续时间在单位时间内所占的比例，即发射信号的占空比，相应的改变了射频放大器在单位时间内输出射频信号持续时间所占的比例，从而调节了发射功率。根据植入体电路设计要求，植入体的直流电压应处于4.5V-5.5V。当直流电压低于4.5V时，需要增大射频放大器功率；当高于5.5V时，需要减小射频放大器功率；当符合规定范围，则保持当前射频放大器功率。在本实施例中，占空比一般可以在10%-100%之间变化。

当数字信号处理器改变了占空比之后，查询在的占空比下，即新的发射功率下的植入体单元202能量状态。如果植入体单元202新的能量状态处于4.5V-5.5V之间，表明植入体单元202处于最优能量状态，则停止占空比的调整，进入人工耳蜗的正常工作状态。

5）将调节后的射频信号传送给所述的信号传输单元201：较佳的，将射频放大器中调节后的射频信号传送给信号传输单元201的发射线圈。

图3为本发明电子耳蜗最优能量调节方法实施例的流程示意图，包括：

步骤301，接收输入的射频信号并进行处理产生直流电压，然后对直流电压进行采样，具体实施过程如下：

1）接收输入的射频信号。

2）对射频信号经过检波和滤波稳压产生直流电压，提供能量。

3）对直流电压进行采样：在本实施例中，将所需采样的电压点以高输入阻抗的接入方式接到采样电路中进行采样，所得到的直流电压值能够反映出能量状态，当直流电压值处于预先规定的4.5V-5.5V时，表明能量水平是正常的。

步骤302，将采样后的直流电压转换成数字信号，并且将数字信号进行调制传送，具体实施过程如下：

1）采样所得的直流电压值是一个模拟信号，为了提高能量状态传输的精度和可靠性，将采样的直流电压处于模数转换所需的输入信号范围内。较佳的，将采样的直流电压经过一个可编程放大器。

2）转换成数字信号：优选的，使用12位的模数转换器将输入的模拟直流电压值转换成数字信号，直流电压数字信号经过并行到串行的转换，以串行的方式传送。

3）将数字信号进行调制传送：在本实施例中，利用调制电路，采用负载调制原理，负载调制就是将数字信号“0”和“1”用来控制一个负载开关，数字“0”断开负载开关，数字“1”接通负载开关，分别对应于负载电路的两种不同负载中进行传送。

步骤303，接收传送的射频信号并解码成数字信号，然后对数字信号进行处理得到所述采样的直流电压，具体实施过程如下：

1）接收传送的射频信号。

2）将射频信号解码成数字信号：可以采用幅度键控调制方式，在接受端首先以低通滤波的方式去掉高频的载波信号，然后比较包络信号的幅度得到发射端的数字“0”和“1”信号，这些数字信号规定了植入体电流刺激波形的幅度、位置、宽度、和频率等信息。

3）对数字信号进行处理得到所述采样的直流电压：优选的，利用数字信号处理器采用与步骤302中12位的模数转换器相同的顺序读入数字信号，从而得到步骤301中采用的直流电压。

步骤304，根据所述采样的直流电压来调节发射功率，并将调节后的发射功率输出。具体实施过程如下：

1）根据所述采样的直流电压来调节发射功率：在本实施例中，根据采样的直流电压，以改变发射信号占空比的方法调节射频放大器的发射功率，占空比与发射功率成正比的关系。数字信号处理器改变发射信号持续时间在单位时间内所占的比例，即发射信号的占空比，相应的改变了射频放大器在单位时间内输出射频信号持续时间所占的比例，从而调节了发射功率。根据植入体电路设计要求，植入体的直流电压应处于4.5V-5.5V。当直流电压低于4.5V时，需要增大射频放大器功率；当高于5.5V时，需要减小射频放大器功率；当符合规定范围，则保持当前射频放大器功率。优选的，占空比一般可以在10%-100%之间变化。

如图4所示，是占空比约为40%情况下的射频信号。

如图5所示，是占空比约为60%情况下的射频信号。

2）将发射功率输出：将调节后的发射功率发射到电子耳蜗置于体内的部分。

本发明实现的电子耳蜗最优能量调节系统和方法，创造性的能够测量植入体的能量状态，并且将植入体能量状态发送给体外，然后体外根据所接收到的植入体的能量信息，采用改变发射信号占空比的方法调节改变体外机的发射功率，并查询在新的发射功率下的植入体的能量，以这样的闭环反馈的形式达到满足植入体能量需求的最小体外机发射功率。尤为重要的是，采用占空比的方法来控制射频的输出功率，不会改变发射电路的谐振状态，从而保持最优的发射效率。同时本发明能够很方便的实现，信号的改变也很简便易行。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种电子耳蜗最优能量调节系统，其特征在于，包括信号传输单元、植入体单元和体外单元，

所述的信号传输单元用于植入体单元和体外单元之间的信号传输；

所述的植入体单元接收信号传输单元传输的射频信号，将射频信号处理产生直流电压，对直流电压进行采样，然后将采样后的直流电压转换成数字信号，并且将数字信号进行调制传送给所述的信号传输单元；

所述的体外单元接收信号传输单元传输的射频信号，将射频信号解码成数字信号，并且对所述数字信号进行处理得到所述的植入体单元采样的直流电压，然后根据所述采样的直流电压来调节发射功率，并传送给所述的信号传输单元。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述体外单元根据采样的直流电压，采用改变发射信号占空比来调节发射功率。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述体外单元根据采样的直流电压调节发射功率，当采样的直流电压低于4.5V时，增大发射功率；当采样的直流电压高于5.5V时，减小发射功率；当采样的直流电压处于4.5V-5.5V时，则保持当前发射功率。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述植入体单元将传送的射频信号经过检波和滤波稳压产生直流电压。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述的植入体单元将采样后的直流电压转换成数字信号之前，先利用可编程放大器将采样的直流电压处于模数转换所需的输入信号范围内。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述的植入体单元将采样后的直流电压转换成数字信号，使用12位的模数转换器将输入的直流电压值转换成数字信号。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述的植入体单元采用负载调制原理将数字信号传送给所述的信号传输单元。

8.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述的体外单元将射频信号解码成数字信号是通过低通滤波的方法检测射频信号幅度的变化，解码出数字信号。

9.一种电子耳蜗最优能量调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.接收输入的射频信号并进行处理产生直流电压，然后对直流电压进行采样；

B.将采样后的直流电压转换成数字信号，并且将数字信号进行调制传送；

C.接收传送的射频信号并解码成数字信号，然后对数字信号进行处理得到所述采样的直流电压；

D.根据所述采样的直流电压来调节发射功率，并将调节后的发射功率输出。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的步骤D根据采样的直流电压，采用改变发射信号占空比来调节发射功率。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述的步骤D根据所述采样的直流电压来调节发射功率，当采样的直流电压低于4.5V时，增大发射功率；当采样的直流电压高于5.5V时，减小发射功率；当采样的直流电压处于4.5V-5.5V时，则保持当前发射功率。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述的步骤A经过检波和滤波稳压产生直流电压。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述的步骤B先利用可编程放大器将采样的直流电压处于模数转换所需的输入信号范围内，再转换成数字信号。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述的步骤B使用12位的模数转换器将输入的直流电压值转换成数字信号。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述的步骤B将数字信号进行调制传送是采用负载调制原理将数字信号传送。

16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述的步骤C通过低通滤波的方法检测射频信号幅度的变化，解码出数字信号。

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