CN104107505B - 具有宽带低频滤波器的电神经刺激 - Google Patents
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Abstract
一种用于为耳蜗植入物的植入的多信道电极阵列生成电极刺激信号的系统和方法，包括利用一组滤波器处理声音频信号。滤波器组中的每个滤波器与至少一个具有电极的信道关联。该滤波器组包括第一带通滤波器，该第一带通滤波器产生宽带信号b(t)，该宽带信号具有基本覆盖100Hz到400Hz的基音频率范围和400Hz-1000Hz的第一共振峰范围中的至少一个的频率。至少部分地基于宽带信号b(t)，利用电极刺激信号来激励与第一带通滤波器关联的至少一个电极。该滤波器组可包括至少一个电极，该至少一个电极与除了该第一带通滤波器外的一个或多个滤波器关联，所述一个或多个滤波器产生具有仅比宽带信道b(t)更高的频率的信号。
Description
本申请是申请日为2008年7月11日的专利申请200880024584.9的分案申请。
相关申请的交叉参引
本申请要求2007年7月13日提交的US临时专利申请60/949,649的优先权，该申请通过参引合并与此。
技术领域
本发明涉及电神经刺激，更具体地，涉及一种包括与刺激电极关联的宽带低频滤波器的耳蜗植入系统。
背景技术
耳蜗植入物和其它内耳假体是一种用以帮助深度耳聋或严重听力受损人员的选择。与传统的仅应用放大和修正了的声音信号的助听器不同，耳蜗植入物基于听神经的直接电刺激。典型地，耳蜗植入物以能够获得与正常听力最相似的听力印象的方式，对内耳中的神经结构进行电刺激。
图1显示了具有典型的耳蜗植入系统的耳朵的剖视图。正常的耳朵通过外耳101将声音传递到鼓膜102，所述鼓膜102则移动中耳103的骨，中耳103的骨又激励耳蜗104。耳蜗104包括已知为前庭阶105的上通道和已知为鼓阶106的下通道，所述上通道和所述下通道通过蜗管107相连。响应于接收由中耳103传递的声音，填充有流体的前庭阶105和鼓阶106用作换能器，用于传递波以产生电脉冲，所述电脉冲传递到耳蜗神经113，并最终传递到脑。从耳蜗的基底区域到耳蜗的顶区域，频率处理看起来在性质上发生改变，在耳蜗的基底区域中，对声音的最高频率成分进行处理，而在耳蜗的顶区域中，对最低频率进行分析。
一些人部分或完全地损失了正常的感觉神经听力。已经开发出耳蜗植入系统，用于通过直接刺激使用者的耳蜗104来克服此缺陷。典型的耳蜗假体主要包括两个部分：语音处理器和植入的刺激器108。语音处理器(图1中未示出)典型地包括麦克风、用于整个系统的电源(电池)和处理器，该处理器用于执行声信号的信号处理以提取刺激参数。在现有技术的假体中，语音处理器是耳后(BTE-)装置。所植入的刺激器产生刺激模式并通过电极阵列110将它们传导到神经组织，该电极阵列110通常布置在内耳中的鼓阶中。语音处理器与刺激器之间的连接通常通过射频(RF-)链路建立。注意的是，经由该RF链路传送刺激能量和刺激信息。典型地，使用采用几百kBit/s的比特率的数字数据传输协议。
用于耳蜗植入物的标准刺激策略的一个示例称为“连续交错取样策略”(CIS)，该策略由B.Wilson开发(例如，见1991年7月的Naturevol.352,236-238,WilsonBS,FinleyCC,LawsonDT,WolfordRD,EddingtonDK,RabinowitzWM的"Betterspeechrecognitionwithcochlearimplants,"其通过参引完全合并与此)。在语音处理器中，CIS的信号处理典型地包括如下步骤：
1.通过滤波器组将音频频率范围分成频谱带，
2.每个滤波器输出信号的包络检测，
3.包络信号的瞬时非线性压缩(映射法则(maplaw))，以及，
4.针对阈值(THR)和最舒适的响度(MCL)等级的适应性调节。
根据耳蜗的音质分布组织，鼓阶中的每个刺激电极与外部滤波器组的带通滤波器关联。将对称双相电流脉冲用于刺激。刺激脉冲的振幅直接从(上文的步骤(3))压缩后的包络信号获得。这些信号是顺序取样的，并且刺激脉冲以严格的非重叠序列应用。因而，作为典型的CIS特征，同时仅一个刺激信道激活。总的刺激速率比较高。例如，假定18kpps的总刺激速率，并且使用12信道的滤波器组，每个信道的刺激速率是1.5kpps。这样的每个信道的刺激速率通常对于包络信号的适合的时域表示是足够了。
最大总刺激速率由每个脉冲的最小相位持续时间来限制。相位持续时间不能选择得任意短，因为脉冲越短，要在神经元中引发动作电位所需的电流幅值就越高，并且出于各种实际原因，电流幅值是有限的。对于具有18kpps的总刺激速率的12信道系统，相位持续时间是处于下限的27μs。
CIS本质上表示各个信道中的包络信息。在某种程度上呈现时域信息，例如包络信号随基音频率的变化。利用信道特定取样序列(CSSS)的概念(例如，见名称为"Electricalnervestimulationbasedonchannelspecificsamplingsequences"的US专利No.6,594,525，该专利通过参引完全合并与此)，时域信息的量明显增加。带通输出信号的时域变化(有时称为“时域精细结构信息”)以典型地达到大约1kHz的低频率范围来表示。因此典型的刺激设置可包括低频CSSS信道和高频CIS信道的混合体。对于每个CSSS信道，定义超高速率刺激脉冲的特定标准化序列。为了刺激，检测相关的带通滤波器输出的过零，并且每个过零触发这样的预定序列，由此利用从带通输出的瞬时包络获得的因子对该序列进行加权。因而，在CSSS刺激序列中表示包络和时域精细时间信息两者。
为了实现CSSS的足够高的时间分辨率，可使用诸如用于同时刺激的“信道交互(interaction)补偿(CIC)”(例如，见发明名称为“ElectricalNerveStimulationBasedonChannelSpecificSamplingSequences”的US专利No.6594525，该专利通过参引完全合并与此)或“选择群(SG)”算法(例如，见发明名称为"ElectricalStimulationoftheAcousticNerveBasedonSelectedGroups"的US专利申请公布No.20050203589，该专利申请公布通过参引完全合并与此)的支持原理。
然而，空间信道交互(interaction)可导致电位的分布，这会导致无意的听力印象。例如，让两个相邻的刺激电极1和2分别生成具有100Hz和200Hz的CSSS重复速率的序列。由于空间信道交互，200Hz的序列在靠近电极1的位置处将使100Hz的序列失真，并例如会导致200Hz的听力印象(倍频程失效)。反之，100Hz的序列将在电极2附近使200Hz的序列失真并会导致能够听见的额外的100Hz的音调。相互失真的量可取决于两个序列之间的确切相位关系以及信道交互。
发明内容
根据本发明的一个实施例，提供一种用于为耳蜗植入物所植入的多信道电极阵列生成电极刺激信号的方法。该方法包括利用一滤波器组处理声音频信号。滤波器组中的每个滤波器都与至少一个具有电极的信道关联。该滤波器组包括第一带通滤波器，该第一带通滤波器产生宽带信号b(t)，该宽带信号具有这样的频率：该频率基本覆盖100Hz到400Hz的基音频率范围和400Hz-1000Hz的第一共振峰(format)范围中的至少一个。至少部分地基于该宽带信号b(t)利用电极刺激信号来激励与该第一带通滤波器关联的至少一个电极。
根据本发明的相关实施例，该至少一个电极可布置在耳蜗的顶区域中。仅一个电极可与第一带通滤波器关联。可替代地，至少两个电极可与第一带通滤波器关联。可例如使用符号相关的脉冲同时激励所述至少两个电极。可使用同一电极刺激信号来同时激励所述至少两个电极。激励所述至少两个电极可包括刺激耳蜗内的整个顶区域。
根据本发明的其它相关实施例，该方法可进一步包括激励至少一个电极，该至少一个电极与除了该第一带通滤波器外的一个或多个滤波器关联，所述一个或多个滤波器产生具有比宽带信号b(t)更高频率的信号。所述一个或多个滤波器可产生仅具有比宽带信号b(t)更高频率的信号。激励与除了该第一带通滤波器外的一个或多个滤波器关联的至少一个电极可包括：使用连续交错取样策略(CIS)和/或使用信道交互补偿(CIC)。
根据本发明的另外的相关实施例，该方法可进一步包括使用选择群(SG)算法。与第一带通滤波器关联的至少一个电极可布置在距多信道电极阵列中的其它电极预定空间距离的位置，由此以基本避免信道交互。宽带信号b(t)可基本限于低于400Hz的频率。宽带信号b(t)可基本限于低于1000Hz的频率。
根据本发明的另一实施例，提供一种为植入的电极阵列生成电极刺激信号的方法。该方法包括提供一滤波器组。每个滤波器都与至少一个具有电极的信道关联。此外，每个滤波器都与一个音频频带关联，由此以生成一组带通信号。利用该组滤波器对声音频信号进行处理。对于每个信道的电极，从它们的关联带通信号中提取刺激信息，以生成定义电极刺激信号的一组刺激事件信号。电极刺激信号转变成对于植入电极阵列中的电极的一组输出电极脉冲。提供该组滤波器包括确定滤波器和关联的带通信号由此以避免电极之间的低频信道交互。
根据本发明的相关实施例，100Hz到400Hz的基音频率范围可被该组滤波器中的单个带通滤波器覆盖。400Hz到1000Hz的第一共振峰范围可被该组滤波器中的单个带通滤波器覆盖。该组滤波器中的单个带通滤波器可覆盖100Hz到1000Hz的基音频率范围。
根据本发明的另一实施例，一种耳蜗植入系统包括多信道电极阵列，该多信道电极阵列具有多个刺激电极，用于利用电极刺激信号来刺激音频神经组织。预处理器处理声音频信号，该处理器包括一滤波器组。该组滤波器中的每个滤波器都与至少一个具有电极的信道关联。该滤波器组包括第一带通滤波器，该第一带通滤波器产生宽带信号b(t)，该宽带信号具有这样的频率：该频率基本覆盖100Hz到400Hz的基音频率范围和400Hz-1000Hz的第一共振峰范围中的至少一个。刺激模块至少部分地基于该宽带信号b(t)利用电极刺激信号来激励与该第一带通滤波器关联的至少一个电极。
根据本发明的相关实施例，仅一个电极可与第一带通滤波器关联。可替代地，至少两个电极可与第一带通滤波器关联。该刺激模块可使用同一电极刺激信号来同时激励所述至少两个电极。
根据本发明的另外的相关实施例，该滤波器组可包括至少一个电极，该至少一个电极与除了该第一带通滤波器外的一个或多个滤波器关联，且所述一个或多个滤波器产生具有比宽带信号b(t)更高频率的信号。所述一个或多个滤波器可产生仅具有比宽带信号b(t)更高频率的信号。
根据本发明的其它相关实施例，该刺激模块可使用连续交错取样策略(CIS)或使用信道交互补偿(CIC)来激励与除了该第一带通滤波器外的一个或多个滤波器关联的至少一个电极。
根据本发明的另外的相关实施例，可使用选择组(SG)算法。与第一带通滤波器关联的至少一个电极可布置在距多信道电极阵列中的其它电极一空间距离的位置，由此基本避免信道交互。宽带信号b(t)可基本限于低于400Hz的频率。宽带信号b(t)可基本限于低于1000Hz的频率。
附图说明
通过参照下文结合附图给出的详细描述将更加容易地理解本发明的上述特征，在图中：
图1显示了具有典型的耳蜗植入系统的耳朵的剖视图；
图2显示了根据本发明的一个实施例的耳蜗植入系统201；
图3A显示了根据本发明的一个实施例的在范围[100Hz-400Hz]中滤波的宽带信号；
图3B显示了根据本发明的一个实施例的图3A的宽带信号的半波整流形态(version)；以及
图3C显示了根据本发明的一个实施例的以大约5kHz的速率取样的宽带信号的半波整流形态。
具体实施方式
在示例性实施例中，一种耳蜗植入系统和方法提供单个或最小数量的(宽带)信号，所述信号包括时域精细结构信息，从而避免包含时域精细结构信息的竞争相邻信道之间的失真。下文进行详细描述。
图2显示了根据本发明的一个实施例的耳蜗植入系统201。如上所述，该耳蜗植入系统201可具有两个部分：外部语音处理器和植入的刺激器105(见图1)。该系统201可至少部分地利用集成到语音处理器和/或刺激器105中的控制器来实现。该控制器可以，而非局限于，包括电路和/或处理器，该处理器可以是预编程的或构造为装载有适当的软件程序。
耳蜗植入系统201包括一组滤波器203，这些滤波器203可以而非局限于在语音处理器中实施。每个滤波器203都与一音频频带关联，由此以生成一组带通信号，且每个带通信号对应于与滤波器中的一个关联的频带。
每个滤波器都与至少一个具有电极207的信道205关联。每个信道205可以，而非局限于，进一步包括半波整流器209、取样模块211、包络检波器和/或压缩器。示例且非限制性的，通过每个信道的声音频信号202因而可被滤波以产生带通信号，被整流和取样以至少部分地产生电极刺激信号，该电极刺激信号然后被提供给信道的关联电极210。典型地而非限制性地，基本刺激波形是对称的、双相脉冲。电极可以单极构造或双极构造布置，在该单极构造中，使用远程接地电极(remotegroundelectrode)，而在该双极构造中，每个有源电极具有对应的参考电极。
在本发明的示例性实施例中，该组滤波器203包括带通滤波器212，该带通滤波器212提供覆盖预定低频范围的宽带信号b(t)。在各种实施例中，该宽带信号b(t)是与时域精细结构信息关联(典型地与≤1000Hz的频率关联)的滤波器阵列中的唯一信号，且具有通常在各种实施例中可接受的来自组中其它滤波器的最小量的滤波器滚降。该宽带频率范围可以，而非局限于，覆盖典型地100Hz到400Hz的基音频率范围。在另一实施例中，该宽带频率范围可覆盖典型地400Hz到1000Hz的第一共振峰(formant)的范围。在又一实施例中，该宽带频率范围覆盖典型地100Hz到1000Hz的基音加第一共振峰的范围。
以典型地在5-10kHz之间的速率对b(t)的半波整流形态进行取样。与CIS相似，至少部分地使用每个取样来定义刺激脉冲的振幅。典型地，可对每个取样值进行压缩(非线性瞬时压缩，映射法则)，然后对其进行调整以适应阈值和患者的最舒适响度需求。通过仅引入(presenting)一个包括时域精细结构信息的宽带信号，避免了在包含时域精细结构信息的竞争相邻信道之间的失真。
宽带信号b(t)可以，而非局限于，与其它CIS信道结合使用。为了实现以足够高的时间分辨率来表示与例如CIS信道结合的宽带信号b(t)，可使用诸如“信道交互补偿(CIC)”或“选择组”算法的支持原理。使用CIC，通过对反应来自每个电极的电场的几何重叠的空间信道交互的参数进行考虑，来计算电极刺激脉冲(其可以是，而非局限于，同时激活的、符号相关的脉冲)的振幅。一般地，使用SG算法，通常选择具有高空间信道交互的电极来建立“选择组”。在“选择组”内，基于简单的“最大振幅”标准来检测被空间信道交互掩蔽的刺激脉冲，并且不应用这些脉冲。因此对于每个刺激周期，在刺激之前检测“选择组”内具有最高振幅的一些数量的电极(该数量是可编程的)。在一个特定的刺激周期期间，仅对这些电极执行刺激，并且此刺激能是顺序的或同时的。选择组的成员应具有充足的空间信道交互，从而耳蜗区域得到充分的刺激。用于提供电极刺激信号的算法可使用电路和/或处理器来实施，该处理器是可预编程的或构造为装载有适当的软件程序。
根据本发明的一个实施例，与该宽带信号关联的处理的示例性示例在图3A-3C中呈现。图3A显示了在[100Hz-400Hz]范围内滤波的宽带信号。图3B显示了该宽带信号的半波整流形态。图3C显示了以大约5kHz的速率取样的宽带信号的半波整流形态，此处每个垂直线表示一个刺激脉冲。注意这里为了示例，省略了瞬时压缩以及调节以适应阈值(THR)和最舒适响度(MCL)等级。
根据本发明的一个实施例，所得到的宽带序列可应用于一个顶部低频信道和关联电极。因此总的刺激构造由此低频宽带信道和处于较高频率范围中的CIS信道组成。CIS信道可基本处理仅比与该宽带序列关联的频率更高的频率。
根据本发明的另一实施例，所得到的宽带序列可应用于一个顶部低频信道和关联电极，并且保持距第一相邻CIS信道的特定空间距离以基本减小由于在宽带信道与CIS信道之间的信道交互导致的影响。例如，一个或多个电极可被切换为失活。
根据本发明的又一实施例，宽带序列可同时应用于数个顶部低频信道和关联电极，从而利用仅一个序列来刺激耳蜗内的整个顶区域。
根据本发明的另一实施例，宽带序列可同时应用于数个顶部低频信道，并且保持距第一相邻CIS信道的特定空间距离。例如，一个或多个电极可被切换为待用(inactive)。
本发明的实施例可利用任何传统的计算机编程语言来实现。例如，优选实施例可利用过程型编程语言(例如，“C”)或面向对象的编程语言(例如，“C++”，Python)来实现。本发明的可替代实施例可实施为预编程的硬件元件、其它相关部件或实施为硬件和软件成分的组合。
实施例能实施为用于与计算机系统一起使用的计算机程序产品。这样的实施方案可包括一系列计算机指令，所述计算机指令或者安装在诸如计算机可读介质(例如，磁盘、CD-ROM、ROM或硬盘)的有形介质上，或者可经由调制解调器或其它接口装置，诸如通过介质连接到网络的通信适配器，传输到计算机系统。介质可以是有形介质(例如，光学或模拟通信线路)或利用无线技术(例如，微波、红外或其它传输技术)实施的介质。所述一系列的计算机指令实现先前在此处关于系统所述的所有或部分的功能。本领域中的技术人员应认识的是，此计算机指令能利用与很多计算机体系结构或操作系统一起使用的许多编程语言来编写。此外，此指令可存储在任何存储器装置，诸如半导体、磁性、光学或其它存储器装置中，并且可使用任何通信技术，诸如光学、红外、微波或其它传输技术进行传输。预期此计算机程序产品可发布为附有印刷或电子文档的可移动介质(例如，拆封授权软件(shrinkwrappedsoftware))，利用计算机系统预加载(例如，加载在系统ROM或固定磁盘上)，或者经由网络(例如，Internet或环球网)从服务器或电子公告板发布。当然，本发明的一些实施例可实施为软件(例如计算机程序产品)和硬件的组合。本发明的另其它实施例实施为完全的硬件或完全的软件(例如计算机程序产品)。
本发明的上述实施例意欲仅仅是示例性的，并且许多变形和修改对于本领域中的技术人员将是显而易见的。所有这些变形和修改意欲落在如所附权利要求中限定的本发明的保护范围内。
Claims (26)
1.一种用于为多信道电极阵列生成电极刺激信号的方法，所述方法包括：
利用一滤波器组处理声音频信号，所述滤波器组中的每个滤波器与至少一个具有电极的信道关联，所述滤波器组包括第一带通滤波器，所述第一带通滤波器产生宽带信号b(t)；以及
对所述宽带信号b(t)进行采样，而保留与b(t)相关联的时域精细结构信息；
至少部分地基于采样的宽带信号b(t)，利用电极刺激信号来激励与所述第一带通滤波器关联的至少一个电极，以提供所述时域精细结构；以及
激励与除了所述第一带通滤波器外的一个或多个滤波器关联的至少一个电极，其中激励与除了所述第一带通滤波器外的一个或多个滤波器关联的至少一个电极包括：使用连续交错取样策略(CIS)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述宽带信号b(t)限于低于400Hz的频率。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述宽带信号b(t)进一步限于高于100Hz的频率。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述宽带信号b(t)限于低于1000Hz的频率。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述宽带信号b(t)进一步限于高于100Hz的频率。
6.根据权利要求1所述的方法，其中在5-10KHz的采样率处对所述宽带信号b(t)进行采样。
7.根据权利要求1所述的方法，其中激励与除了所述第一带通滤波器外的一个或多个滤波器关联的至少一个电极包括使用采样的宽带信号b(t)的每个取样来定义刺激脉冲的振幅。
8.根据权利要求1所述的方法，其中除了所述第一带通滤波器外的一个或多个滤波器产生具有仅比宽带信号b(t)更高频率的信号。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括使用信道交互补偿(CIC)。
10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括使用选择组(SG)算法。
11.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将与所述第一带通滤波器关联的所述至少一个电极布置在与多信道电极阵列中的其它电极相距预定空间距离处，由此以避免信道交互。
12.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在采样前执行对b(t)的半波整流。
13.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在激励所述至少一个电极前执行对采样的宽带信号b(t)的压缩。
14.一种耳蜗植入系统，包括：
多信道电极阵列，具有多个刺激电极，用于利用电极刺激信号来刺激音频神经组织，
处理器，用于处理声音频信号，所述处理器包括一滤波器组，所述滤波器组中的每个滤波器都与至少一个具有电极的信道关联，所述滤波器组包括第一带通滤波器，所述第一带通滤波器产生宽带信号b(t)；
采样模块，用于对所述宽带信号b(t)进行采样，而保留与b(t)相关联的时域精细结构信息；以及
刺激模块，用于至少部分地基于采样的宽带信号b(t)，利用电极刺激信号来激励与所述第一带通滤波器关联的至少一个电极，以提供所述时域精细结构，其中所述刺激模块使用连续交错取样策略(CIS)以激励与除了所述第一带通滤波器外的一个或多个滤波器关联的至少一个电极。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述宽带信号b(t)限于低于400Hz的频率。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述宽带信号b(t)进一步限于高于100Hz的频率。
17.根据权利要求14所述的系统，其中所述宽带信号b(t)限于低于1000Hz的频率。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述宽带信号b(t)进一步限于高于100Hz的频率。
19.根据权利要求14所述的系统，其中在5-10KHz的采样率处对所述宽带信号b(t)进行采样。
20.根据权利要求19所述的系统，其中激励与除了所述第一带通滤波器外的一个或多个滤波器关联的至少一个电极包括使用采样的宽带信号b(t)的每个取样来定义刺激脉冲的振幅。
21.根据权利要求14所述的系统，其中除了所述第一带通滤波器外的一个或多个滤波器产生具有仅比宽带信号b(t)更高频率的信号。
22.根据权利要求14所述的系统，进一步包括使用信道交互补偿(CIC)。
23.根据权利要求14所述的系统，进一步包括使用选择组(SG)算法。
24.根据权利要求14所述的系统，进一步包括将与所述第一带通滤波器关联的所述至少一个电极布置在与多信道电极阵列中的其它电极相距预定空间距离处，由此以避免信道交互。
25.根据权利要求14所述的系统，进一步包括在采样前执行对b(t)的半波整流。
26.根据权利要求14所述的系统，进一步包括在激励所述至少一个电极前执行对采样的宽带信号b(t)的压缩。
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