CN103462731A - 一种用于引起耳蜗机械振动的光脉冲刺激装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于引起耳蜗机械振动的光脉冲刺激装置，属于医疗器械技术领域。该装置包括语音信号采集装置、语音信号处理与编码装置、光脉冲输出控制装置、光脉冲输出装置。语音信号采集装置对声音信号进行采集并将其转换为电信号传送至语音信号处理与编码装置，语音信号处理与编码装置对信号进行特征提取和编码，并将编码后的信号输出至光脉冲输出控制装置，光脉冲输出控制装置根据接收到的信号输出用于驱动光脉冲输出装置输出光信号的驱动信号，光脉冲输出装置接收到驱动信号后输出光脉冲信号。本装置实现了对圆窗膜的非接触刺激，避免了现有技术中机电装置长期往复运动可能引起的机械力学稳定性下降以及由此引起的系统可靠性降低等潜在风险。

Description

一种用于引起耳蜗机械振动的光脉冲刺激装置

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，涉及一种用于引起耳蜗机械振动的光脉冲刺激装置。

背景技术

目前，耳聋患者成为仅次于肢体残疾的第二大残疾群体，听力障碍不仅影响患者的生活质量，也带来了严重的家庭经济负担和社会负担，研究开发用于恢复和重建听觉功能的技术及装置是生物医学工程的重要课题。

耳聋最常见的是感音神经性耳聋和传导性耳聋，其中感音神经性耳聋是由于耳蜗听毛细胞损伤或坏死使得耳蜗无法将声音机械振动转换为听觉神经电活动，主要采用手术植入人工耳蜗，通过电刺激耳蜗内的神经纤维使患者感受到声音；而传导性耳聋患者的内耳感应听毛细胞功能仍然残存，主要是由于外耳或中耳无法有效将声音振动传导到内耳，这就需要通过工程技术将声音信号变换为机械振动信号刺激内耳，中耳植入技术是目前临床广泛接受的治疗方法。澳大利亚科利耳公司推出的BAHA骨锚助听器是目前应用最广的中耳植入装置，它是一种可植入的骨传导听力系统，将一个微小的钛植入体被固定在耳后的骨中，通过直接骨传导旁路了中耳传导通路，声音引起的振动通过颅骨和颌骨传送到内耳，它适用于传导性或混合型听力障碍以及单侧耳聋；奥地利人工耳蜗公司Med-El开发的震动声桥植入系统是另一种中耳植入技术，直接在中耳听骨链植入一震动接受器，将中耳传入的声波转化成机械震动，在以和正常人聆听的方式一样刺激耳蜗，由听神经传入大脑形成听觉。

Med-El公司的振动声桥是一种振动听骨链假体，其核心技术是一个植入鼓式的漂浮质量传感器，它是一种电磁感应装置，它能将与声音相关的电信号转换为机械振动信号，这种机械振动被直接作用于圆窗膜引起内耳机械振动。美国专利数据库公开了一种中耳植入新技术，它将声音产生的振动信号通过一种管状振动转换器刺激驱动耳蜗圆窗，引起圆窗膜振动进而将声音振动传入内耳引起听觉神经兴奋，其主要特点是对声音振动衰减小响应频带宽；美国专利数据库公开了一种经鼓膜的振动传导新技术，它分别在鼓膜内外放置磁性装置，声音信号振动引起鼓膜外侧磁性装置位置往复运动，从而引起鼓膜内侧磁性装置运动以带动内耳振动，其主要特征是利用磁场经皮传导机械振动。中国专利数据库公开了一种压电式中耳植入装置，它利用电信号激励压电元件使其产生机械振动，再由机械振动驱动内耳。

可以看到，目前的中耳植入技术都是将声音信号转换为机械振动信号传到耳蜗，其中振动声桥是通过电磁感应传感器或压电器件直接“敲击”内耳圆窗膜，将机械振动传导到内耳。由于中耳植入体的植入位置在鼓室这一狭小的解剖空间，手术难度大；特别地，由于中耳植入体是由电磁感应传感器或压电器件通过机械运动将振动传导到内耳，这不仅存在微小机电器件固有的加工难度，而且还存在机电器件机械运动的稳定可靠性技术风险；另外，用于驱动圆窗膜机械振动的机电器件还需要有良好的机械阻抗匹配以获得最优的频率响应，这也对机电器件设计提出了更苛刻的技术约束。因此，设计开发用于“驱动”内耳圆窗膜机械振动的新技术对中耳植入临床应用有重要意义。光声效应是近年来广泛研究的一种新技术，研究表明光脉冲刺激生物组织时可以形成与声音振动相似的机械振动，这为建立新的中耳植入技术提供了新的技术思路。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于引起耳蜗机械振动的光脉冲刺激装置，该装置将声音信号的幅度、频率等特征编码为电信号，由电信号控制和驱动光脉冲信号输出，由植入中耳腔室的光脉冲输出装置非接触刺激耳蜗圆窗膜，从而在内耳形成机械振动，进而引起听觉神经兴奋。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于引起耳蜗机械振动的光脉冲刺激装置，包括语音信号采集装置、语音信号处理与编码装置、光脉冲输出控制装置、光脉冲输出装置。语音信号采集装置对声音信号进行采集并将其转换为电信号，在对电信号进行处理后传送至语音信号处理与编码装置，语音信号处理与编码装置对信号进行特征提取和编码，并将编码后的信号输出至光脉冲输出控制装置，光脉冲输出控制装置根据接收到的信号输出用于驱动光脉冲输出装置输出光信号的驱动信号，光脉冲输出装置接收到驱动信号以后根据驱动信号的特征输出光脉冲信号。

具体来说，所述光脉冲输出装置是可手术植入并固定于中耳鼓室的光脉冲输出器件，它包括一个或多个光脉冲发生器件，光脉冲发生器件所发出光线所形成的光斑集中在耳蜗圆窗膜上，每个光脉冲发生器件可独立输出光脉冲信号。

所述光脉冲输出控制装置用于产生驱动光源的电信号，电信号的脉冲频率、脉宽及幅度控制上述光脉冲发生器件输出的光脉冲的脉冲频率、脉宽及光强。

所述语音信号处理与编码装置是处理语音信号的模块电路，通过提取语音信号的时频域特征，并将这些特征信息进行编码，由编码后的输出信号驱动控制上述光脉冲输出控制装置电信号输出模式。

所述语音信号采集装置是用于将声音信号进行收集并转换为电信号的传感器，以及将电信号进行放大、滤波处理、模拟/数字转换的电路模块，其输出电信号端与上述语音信号处理与编码装置的输入信号端连接。

进一步，所述光脉冲输出控制装置采用激光二极管驱动与控制电路。

进一步，所述用于驱动光脉冲输出装置输出光信号的驱动信号采用电流信号，电流信号的脉冲频率、脉宽及幅度控制光脉冲输出装置输出的光脉冲频率、脉宽及光强。

上述装置的工作过程如下：首先，光脉冲输出装置经手术植入固定于中耳鼓室，光脉冲输出端对准圆窗膜，光脉冲输出装置发出的光脉冲照射耳蜗圆窗膜，耳蜗圆窗膜在光脉冲的刺激下产生机械振动，该机械振动由内耳淋巴液传导至基底膜，而基底膜上听毛细胞将振动转换为生物电信号使听神经兴奋；其次，光脉冲输出装置发出的光脉冲信号频率、脉宽、强度受语音信号的时频域特征信息控制，将声音信号所包含的机械振动特征信息变换为光脉冲输出，频率较高的语音信号将产生频率较高的光脉冲信号，幅度越大的声音信号将控制输出更强的光脉冲，从而通过光脉冲刺激耳蜗圆窗膜在耳蜗上形成与声音信号机械振动相似的机械振动。

本发明还提供了另一种用于引起耳蜗机械振动的光脉冲刺激装置：

一种用于引起耳蜗机械振动的光脉冲刺激装置，包括语音信号采集装置、语音信号处理与编码装置、光源驱动控制电路及光纤输出接口、光纤、光纤输出端口；语音信号采集装置对声音信号进行采集并将其转换为电信号，在对电信号进行处理后传送至语音信号处理与编码装置，语音信号处理与编码装置对信号进行特征提取和编码，并将编码后的信号输出至光源驱动控制电路及光纤输出接口，光源驱动控制电路及光纤输出接口根据接收到的信号产生光信号，光信号通过光纤经光纤输出端口输出。

本发明的有益效果在于：（1）利用光脉冲刺激耳蜗圆窗膜，利用光脉冲的光声效应实现了对圆窗膜的非接触机械刺激，既减少了与圆窗膜直接接触可能带来的刺激器-圆窗膜机械阻抗特性、频率特性匹配的技术限制，也减小了手术植入固定刺激装置的技术难度。（2）利用光脉冲刺激耳蜗圆窗膜，无需活动的机械运动部件，避免了现有中耳振动声桥装置中机电装置长期往复运动可能引起的机械力学稳定性下降以及由此引起的系统可靠性降低等潜在风险。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为利用激光二极管输出光脉冲刺激耳蜗圆窗引起耳蜗机械振动的装置示意图；

其中：1-耳蜗、2-耳蜗圆窗、3-中耳鼓室、4-激光二极管及光脉冲输出装置、5-刺激耳蜗圆窗的光脉冲、6-鼓膜、7-外耳道、8-听小骨；9-听神经、10-面神经、11-颞骨、12-柔性电缆、13-激光二极管驱动与控制电路、14-语音信号处理及编码电路、15-语音信号采集装置、16-麦克风；

图2为基于光纤输出光脉冲刺激耳蜗圆窗引起耳蜗机械振动的装置示意图；

其中：1-耳蜗、2-耳蜗圆窗、3-中耳鼓室、5-刺激耳蜗圆窗的光脉冲、6-鼓膜、7-外耳道、8-听小骨；9-听神经、10-面神经、11-颞骨、14-语音信号处理及编码电路、15-语音信号采集装置、16-麦克风、17-光源驱动控制电路及光纤输出接口、18-光纤、19-光纤输出端口。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为利用激光二极管输出光脉冲刺激耳蜗圆窗引起耳蜗机械振动的装置示意图，如图所示，该装置将激光二极管及光脉冲输出装置4通过手术固定在中耳鼓室3，其具体解剖位置应确保激光二极管及光脉冲输出装置4输出的光脉冲5有效到达耳蜗圆窗2。

外界声音信号经语音信号由麦克风16收集后通过语音信号采集装置15转换为能反映声音频率和强度的电信号，通过语音信号处理及编码装置14提取声音信号的特征信息，这些特征信息将用于调节激光二极管驱动与控制电路13输出的电流脉冲频率、脉宽及强度等参数，激光二极管驱动与控制电路13输出的电流信号经柔性电缆12传送到激光二极管及光脉冲输出装置4使激光二极管发出刺激耳蜗圆窗的光脉冲5，该光脉冲经过中耳鼓室3照射到耳蜗圆窗2，从而引起耳蜗圆窗2的圆窗膜、耳蜗基底膜等组织产生机械振动，该机械振动可驱动耳蜗1内听毛细胞进而引起耳蜗听神经兴奋。

图2为基于光纤输出光脉冲刺激耳蜗圆窗引起耳蜗机械振动的装置示意图，如图所示，在本实施例中，用于刺激耳蜗圆窗2的光脉冲信号5直接由光纤18的输出端口19输出，由光源驱动控制电路及光纤输出接口17产生的光信号耦合到光纤18，外界语音信号由麦克风16收集后通过语音信号采集装置15转换为能反映声音频率和强度的电信号，通过语音信号处理及编码装置14提取声音信号的特征信息，这些特征信息将用于调节光源驱动控制电路及光纤输出接口17输出的光脉冲频率、脉宽及强度等参数，光脉冲信号通过光纤18传输至光纤输出端口19，并进行输出；输出的光脉冲经过中耳鼓室3照射到耳蜗圆窗2，从而引起耳蜗圆窗2的圆窗膜、耳蜗基底膜等组织产生机械振动，该机械振动可驱动耳蜗1内听毛细胞进而引起耳蜗听神经兴奋。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种用于引起耳蜗机械振动的光脉冲刺激装置，其特征在于：包括语音信号采集装置、语音信号处理与编码装置、光脉冲输出控制装置、光脉冲输出装置；

语音信号采集装置对声音信号进行采集并将其转换为电信号，在对电信号进行处理后传送至语音信号处理与编码装置，语音信号处理与编码装置对信号进行特征提取和编码，并将编码后的信号输出至光脉冲输出控制装置，光脉冲输出控制装置根据接收到的信号输出用于驱动光脉冲输出装置输出光信号的驱动信号，光脉冲输出装置接收到驱动信号以后根据驱动信号的特征输出光脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的一种用于引起耳蜗机械振动的光脉冲刺激装置，其特征在于：所述光脉冲输出控制装置采用激光二极管驱动与控制电路。

3.根据权利要求1所述的一种用于引起耳蜗机械振动的光脉冲刺激装置，其特征在于：所述用于驱动光脉冲输出装置输出光信号的驱动信号采用电流信号，电流信号的脉冲频率、脉宽及幅度控制光脉冲输出装置输出的光脉冲频率、脉宽及光强。

4.一种用于引起耳蜗机械振动的光脉冲刺激装置，其特征在于：包括语音信号采集装置、语音信号处理与编码装置、光源驱动控制电路及光纤输出接口、光纤、光纤输出端口；语音信号采集装置对声音信号进行采集并将其转换为电信号，在对电信号进行处理后传送至语音信号处理与编码装置，语音信号处理与编码装置对信号进行特征提取和编码，并将编码后的信号输出至光源驱动控制电路及光纤输出接口，光源驱动控制电路及光纤输出接口根据接收到的信号产生光信号，光信号通过光纤经光纤输出端口输出。

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