CN107073277B - 脉冲间间隔短的神经编码 - Google Patents

Abstract

描述了用于为具有多个刺激触体的植入电极阵列生成电极刺激信号的装置。音频输入预处理器接收输入音频信号并产生表示音频频率的相关频带的带通信号。带通信号分析器分析每个带通信号以检测何时带通信号分量中的一个达到限定的过渡事件状态。刺激信号发生器从带通信号产生用于刺激触体的一组电极刺激信号，使得到给定的刺激触体的电极刺激信号：i.每当在与所述给定刺激触体相关联的带通信号中检测到过渡事件时，使用过渡事件刺激模式，以及ii.在所述过渡事件刺激模式之后使用不同的非过渡刺激模式，直到检测到下一个后续过渡事件。

Description

脉冲间间隔短的神经编码

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年10月8日提交的美国临时专利申请62/061,191的优先权，该美国临时专利申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及听觉植入系统，并且更具体地涉及耳蜗植入系统和其他可植入听觉假体中的电刺激装置。

背景技术

如图1所示，正常的人耳通过外耳101将声音传送到鼓膜102，鼓膜移动中耳103的骨头，使卵圆窗和耳蜗104的圆形窗口振动。耳蜗104是绕耳蜗轴螺旋地卷曲约两周半的狭长管。耳蜗包括通过耳蜗管连接的称为前庭阶的上通道和称为鼓阶的下通道。耳蜗104形成具有称为耳蜗轴的中枢的直立螺旋锥体，听神经113的螺旋神经节细胞位于其中。响应于由中耳103传送的接收的声音，充满液体的耳蜗104充当换能器以生成传送到蜗神经113并最终传到大脑的电脉冲。

当沿耳蜗104的神经基质将外部声音转换成有意义的动作电位的能力存在问题时，听力受损。为了改善受损的听力，已经开发出听觉假体。例如，当损伤涉及中耳103的操作时，常规助听器可用来以放大声音的形式向听觉系统提供声机械刺激。或当损伤与耳蜗104相关联时，具有植入式电极的耳蜗植入物可通过沿电极分布的多个电极触体递送的小电流来电刺激听觉神经组织。尽管以下讨论针对耳蜗植入物，但当刺激电极植入其他解剖结构时可以更好地服务于某些听力受损的人。因此，听觉植入系统包括分别刺激听力系统中的特定听觉目标的脑干植入物、中脑植入物等。

图1还示出了典型耳蜗植入系统的一些构件，其中外部麦克风将音频信号输入提供到可实现各种信号处理方案的外部植入物处理器111。例如，在耳蜗植入领域中公知的信号处理方法包括连续交织采样(CIS)数字信号处理、信道特定采样序列(CSSS)数字信号处理(如美国专利No.6,348,070中所述，该专利通过引用并入本文)、谱峰(SPEAK)数字信号处理、精细结构处理(FSP)和压缩模拟(CA)信号处理。

然后，处理后的信号转换成数字数据格式来通过外部发射器线圈107传送到植入刺激器108中。除了接收处理后的音频信息，植入刺激器108还执行诸如纠错、脉冲形成等附加信号处理，并且(基于提取的音频信息)产生通过电极引线109发送到植入电极阵列110的刺激模式。通常，电极阵列110在其表面上包括提供耳蜗104的选择性刺激的多个电极触体112。

图2示出了典型的使用CIS刺激策略的CI信号处理系统中的各功能块。音频输入预处理器201包括从麦克风接收输入音频信号并且衰减音频信号中低于约1.2kHz的强频率分量的预加重滤波器203。图3示出了典型的来自麦克风的短时段输入音频信号的示例。声音预处理器201还包括将来自预加重滤波器203的音频信号分解成例如图4中示出的多个频谱带通信号的多个带通滤波器(BPF)204。如图5所示，认为每个带通信号501具有精细结构分量502和包络分量503(通常由希尔伯特变换导出)。经滤波的包络信号504以与带通滤波器的基频F0相关的频率在零参考轴线附近振荡。

声音处理器202包括例如通过全波整流和低通滤波来提取带通信号的缓变带通包络分量的包络检测器205。声音处理器202还包括执行包络的压缩以适合患者的感知特性的非线性(例如，对数的)映射模块206，并且然后由调制器207将压缩的包络信号与载波波形相乘以产生用于植入到耳蜗104中的电极阵列中的每一个刺激触体(EL-1到EL-n)的具有非重叠双相输出脉冲特定形式的反映耳蜗的音神经响应的电极刺激信号。

CIS刺激在形成电极刺激信号的电脉冲上施加固定的刺激速度并且因此不能表示输入音频信号的周期性分量。另一方面，FSP刺激(及其变体)表示了所感测的音频信号的固有周期性。FSP使用响应于诸如过零事件的特定预定义带通分量的检测的刺激脉冲序列模式来产生电极刺激信号。在FSP中，在精细结构分量的过零处应用CSSS序列。CSSS序列可传送直至患者特定局限的瞬时频率上的信息。

Laback的美国专利7,920,923描述了向刺激信号脉冲加入相位抖动以改善对耳间时间差(ITD)信息的感知。生成了分别表示与用户的左耳和右耳相关联的声音的双耳音频信号。基于双耳音频信号，生成相应的双耳刺激信号以用于用户的听觉神经组织的电刺激，其中双耳刺激信号包括具有周期特性和ITD信息的精细结构分量。相位抖动分量被加入到双耳刺激信号以减少精细结构分量的周期特性，同时保持左耳和右耳之间的ITD信息。由于双耳自适应是针对周期性信号发生的现象，因此将人工相位抖动引入刺激信号减少了信号的周期性，使得收听者不太容易进行双耳适应。人工相位抖动基于精细结构分量。

尽管Laback表明了加入相位抖动改善听力方向性，Hancock等人在Neural ITDCoding with Bilateral Cochlear Implants：Effect of Binaurally Coherent Jitter，J europhysiol.，108(3)，2012年8月1日，714-728(通过引用并入本文)发现这种改进主要是由于使用短的脉冲间间隔。当听觉神经元被电刺激时，它们的响应与直至患者特定刺激速度的电刺激同相。Hancock报道了猫下丘中对恒定速率脉冲序列的神经反应是持续的反应，其锁相到高达320pps的刺激。高于320pps刺激速度限制时，听觉神经元仅响应于脉冲突发的启动而激发。Hancock进一步表明，引入具有随机相位抖动的短脉冲间间隔显著改变下丘中对高于320pps的刺激速度的神经反应从而维持大量神经元的激发。但是引入随机相位抖动可能对诸如速度间距感知的其他听觉功能具有不良影响，并且语音理解可能受损。并且当前的听觉植入系统没有办法扩展对刺激脉冲的神经反应的相位锁定的范围。

发明内容

本发明的实施例针对用于为具有多个刺激触体的植入电极阵列产生电极刺激信号的听觉植入系统装置。音频输入预处理器接收输入音频信号并产生体现相关音频频带的带通信号。带通信号分析器分析每个带通信号以检测何时带通信号分量中的一个达到限定的过渡事件状态。刺激信号发生器从带通信号产生用于刺激触体的一组电极刺激信号，使得到给定刺激触体的电极刺激信号：i.每当在与所述特定刺激触体相关联的带通信号中检测到过渡事件时，使用过渡事件刺激模式，以及ii.在所述过渡事件刺激模式之后使用不同的非转换刺激模式，直到检测到下一个后续过渡事件。

过渡事件刺激模式可形成至少一对具有短的脉冲间间隔的顺序双相脉冲，和/或非过渡刺激模式可以形成单个双相脉冲。过渡事件可以是有声基音周期的开始、紧接在经滤波的带通包络的过零之后的带通精细结构的过零、带通精细结构中给定的多个过零的出现、和/或经滤波的带通包络的过零。

附图说明

图1示出了具有典型的设计成向内耳递送电刺激并在耳道处递送声刺激的听觉假体系统的人耳的剖视图。

图2示出了连续交织采样(CIS)处理系统中的各个功能块。

图3示出了来自麦克风的短时段的音频语音信号的示例。

图4示出了通过一组滤波器进行带通滤波被分解为一组信号的声学麦克风信号。

图5是特定带通信号及其各分量部分。

图6示出了根据本发明的一个特定实施例的信号处理装置的示例。

图7示出了根据本发明的实施例的带通信号分量和不同刺激模式的示例。

图8示出了根据本发明的实施例的启动浊音基音周期过渡事件检测方法的示例。

具体实施方式

本发明的实施例改善了听觉植入患者的ITD感知，同时改善或至少维持语音感知。这提高了在嘈杂条件下的听力方向性、声源定位和语音理解。

图6示出了听觉植入系统中的信号处理装置的一个这样的实施例，其产生用于诸如耳蜗植入电极阵列的植入电极阵列中的刺激触体的电极刺激信号。音频输入预处理器601接收输入音频信号，使其通过预加重滤波器604，然后通过多个并行的带通滤波器(BPF)605，带通滤波器将输入音频信号分解成表示相关音频频带的多个带通信号。处理器602包括带通信号分析器607，其分析每个BPF带通信号以检测何时带通信号分量中的一个达到限定的过渡事件状态。刺激信号发生器606还接收带通信号并且生成用于刺激触体608的一组相应的电极刺激信号。

具体地，带通信号分析器607提供输入以控制每个带通通道刺激信号发生器606，以便每当带通信号分析器607在与给定刺激触体608相关联的带通信号中检测到过渡事件时使用给定的过渡事件刺激模式来产生刺激信号。在过渡事件刺激模式之后，带通通道刺激信号发生器606随后使用不同的非过渡刺激模式产生刺激信号，直到带通信号分析器607检测到下一个后续过渡事件。

图7示出根据本发明的实施例的带通信号分量和不同的刺激模式的示例。在图7所示的例子中，过渡事件刺激模式701是包括一对顺序双相脉冲的CSSS序列，而非过渡刺激模式702是包括单个双相脉冲的不同的CSSS序列(NB：为了清楚起见，图7中仅示出双相脉冲的第一相的幅度)。

在图7所示的具体示例中，触发过渡事件刺激模式701的特定过渡事件是带通精细结构分量502中的第一次负到正的过零，其发生在经滤波的无DC带通包络分量504在浊音基音周期的开始处的负到正过零之后。在紧接每个经滤波的无DC带通包络504(或带通包络的导数)的过零之后的刺激信号脉冲序列中，向前一刺激脉冲添加脉冲间间隔短的额外刺激脉冲的过渡事件刺激模式701可以提供更好的ITD感知，同时改善或者过渡事件刺激模式701语音感知。通常，过渡事件刺激模式701中的脉冲间间隔将短于受刺激的神经元的不应期。例如，已经发现脉冲间间隔≤400μs或≤250μs是合适的。

在图8所示的具体示例中，触发过渡事件刺激模式701的特定过渡事件被确定为优先在浊音基音周期的开始时、即在元音的开始处发生。首先在步骤801中，将计数器R设置为特定的预定义值c，并且将包络幅度E重置为零。可以选择值c以反映输入音频信号的浊音音节时段。在步骤802中，对于每个时刻t，将存储的包络幅度E与当前包络信号env(t)进行比较，并且在步骤803中，当E较小时将其设置为env(t)，否则E保持不变。用数学术语表示，即E＝max(E,env(t))。其次，对于在步骤803中存储的包络幅值E已被更新的情况，在步骤804中检查当前包络的导数，以确定包络信号的局部最大值。这是当包络的导数改变符号或接近或等于零的情况。在这种情况下，在步骤804中检测在浊音基音周期的开始处的过渡事件，并且可以触发过渡事件刺激模式701。此外，在步骤805中，计数器R被设置为新的特定预定义值c'，并且包络幅度E可以与预定义值d相乘。可以选择值d以便仅当包络超过存储的包络幅度E某个给定量时满足触发条件，从而在开始时加重触发事件。值c'可以与c相同。然后，在步骤806中，计数器R递减，并且在步骤807中达到零时，继续步骤801，否则继续步骤802。

带通精细结构分量502的其他过零触发非过渡刺激模式702。在其他不同实施例中，触发过渡事件刺激模式701的特定过渡事件可以是带通精细结构分量502的另一个过零，带通精细结构502中给定多个过零的发生和/或经滤波的无DC带通包络分量504的不同过零。应当理解的是，可以使用过渡事件代替无DC带通包络分量504和过零、如图5所示的非无DC带通包络分量504和阈值504。阈值可以取决于带通包络分量504的DC分量。类似地，这适用于带通包络信号504的导数。

在比输入音频信号的基频F0宽的BPF滤波器频带中，若干频率谐波可以重合。可以使用不同类型的刺激脉冲序列来加重F0周期，例如，在F0周期应用过渡事件刺激模式序列和在不对应于F0周期的带通信号的那些过零处应用非过渡刺激模式序列。可以通过使用选通技术来执行F0相关带通信号分量过零的检测：以及可以用包括F0调制的频率的截止频率来过滤受影响的带通通道中的带通包络分量信号。包络滤波器的典型截止频率对于人类语音可以是80Hz和300Hz。更高的截止频率可用于覆盖来自诸如乐器的其他非语音源的基音。

使用如上所述的不同刺激模式可有益于扩展由Hancock所研究的持续神经激发的频率范围，他发现当将短脉冲间间隔引入到刺激信号脉冲模式中时，猫下丘神经元响应于与恒速刺激相比增大了速度的脉冲突发以连续方式激发。为了扩展用于耳蜗植入患者的速度基音的范围(称为速度-基音界限)，可以应用具有短的相间间隔的刺激信号脉冲序列模式。

当将m中选n(n-of-m)的信号处理方案与CSSS序列一起应用时，可以使包括在m个带通通道的组中的信号通道上的CSSS序列优先于其他重合的非CSSS脉冲。为了进一步扩展基音速度界限，可以基于对过零计数来触发具有短脉冲间序列的过渡事件刺激模式序列，使得将在带通包络信号分量的每个整数x过零处应用过渡事件刺激模式序列。非过渡事件刺激模式序列还可以包括零幅度脉冲。

所描述的方法也可以应用于其他特定的神经刺激系统，例如前庭假体。并且可以使用两种类型以上的过渡事件刺激模式序列来对输入音频信号中的不同事件进行编码。

可部分地使用任何常规计算机编程语言来实现本发明的实施例。例如，可以用流程编程语言(例如“C”)或面向对象编程语言(例如，“C++”或Python)来实现优选实施例。本发明的替代实施例可以被实现为预编程的硬件元件、其他相关构件或实现为硬件和软件构件的组合。

实施例可部分地实现为用于与计算机系统一起使用的计算机程序产品。这样的实现可以包括固定在诸如计算机可读介质(例如，磁盘、CD-ROM、ROM或固定盘)的有形介质上、或经由调制解调器或诸如通过介质连接到网络的通信适配器的其他接口设备可传送到计算机系统的一系列计算机指令。介质可以是有形介质(例如，光学或模拟通讯线)或通过无线技术(例如，微波、红外或其他传送技术)实现的介质。所述系列的计算机指令包含关于系统的所有或部分的本文前面所述的功能。本领域技术人员应当理解的是，这样的计算机指令可以用多种编程语言编写以用于与很多计算机架构或操作系统一起使用。此外，这样的指令可存储在诸如半导体、磁性、光学或其他存储器设备的任何存储器设备中，并且可使用诸如光学、红外、微波或其他传送技术的任何通信技术来传送。可预期这样的计算机程序产品可发布为具有随附印刷文档或电子文档的可移动介质(例如，现成软件)、用计算机系统预载(例如，在系统ROM或固定盘上)或通过网络从服务器或电子公告板发布(例如，互联网或万维网)。当然，本发明的一些实施例可以被实现为软件(例如，计算机程序产品)和硬件两者的组合。本发明的其他实施例被实现为全部硬件或全部软件(例如，计算机程序产品)。

尽管已经公开本发明的各种示例性实施例，但是对本领域技术人员应当显而易见的是，在不偏离本发明的真实范围的情况下，可以进行将获得本发明的一些优点的各种变型和修改。例如，本文所述的方法可以应用于除了耳蜗植入物之外的听觉假体，例如具有由耳蜗核内或附近的电极呈现的电刺激的听觉脑干植入物，或具有由在下丘上或内的电极呈现的电刺激的听觉中脑植入物。另外，相应的方法和系统也可以用于深部脑刺激。

Claims (21)

1.一种听觉植入系统，包括：

植入电极阵列，其具有配置成用于对相邻的神经组织进行电刺激的多个刺激触体；

音频输入预处理器，其接收输入音频信号并产生多个带通信号，其中，每个带通信号表示输入音频信号中的相关音频频带，并且其特征在于，带通分量包括带通包络和带通精细结构；

带通信号分析器，其分析每个带通信号以检测何时所述带通分量中的一个经历限定的过渡事件；以及

刺激信号发生器，其从带通信号产生用于刺激触体的一组电极刺激信号，使得到给定刺激触体的电极刺激信号：

i.当在与所述给定刺激触体相关联的带通信号中检测到过渡事件时，使用过渡事件刺激模式，并且

ii.在所述过渡事件刺激模式之后使用不同的非过渡刺激模式，直到检测到下一个后续过渡事件。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述过渡事件刺激模式形成脉冲间间隔短的至少一对顺序双相脉冲。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述非过渡刺激模式形成单个双相脉冲。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述过渡事件是浊音基音周期的开始。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述过渡事件是经滤波的带通包络的过零。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述过渡事件是紧接在经滤波的带通包络的过零之后的带通精细结构的过零。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述过渡事件是在经滤波的带通包络中发生的给定的多个过零。

8.一种为具有多个刺激触体的植入电极阵列产生电极刺激信号的方法，所述方法包括：

处理输入音频信号以产生多个带通信号，其中，每个带通信号表示输入音频信号中的相关音频频带，并且其特征在于，带通分量包括带通包络和带通精细结构；

分析每个带通信号以检测何时所述带通分量中的一个经历限定的过渡事件；以及

从带通信号产生用于刺激触体的一组电极刺激信号，其中，到给定刺激触体的电极刺激信号：

i.当在与所述给定刺激触体相关联的带通信号中检测到过渡事件时，使用过渡事件刺激模式，并且

ii.在所述过渡事件刺激模式之后使用不同的非过渡刺激模式，直到检测到下一个后续过渡事件。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述过渡事件刺激模式形成脉冲间间隔短的至少一对顺序双相脉冲。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述非过渡刺激模式形成单个双相脉冲。

11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述过渡事件是浊音基音周期的开始。

12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述过渡事件是经滤波的带通包络的过零。

13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述过渡事件是紧接在经滤波的带通包络的过零之后的带通精细结构的过零。

14.根据权利要求8所述的方法，其中，所述过渡事件是在经滤波的带通包络中发生的给定的多个过零。

15.一种非瞬时有形计算机可读存储介质，用于为具有多个刺激触体的植入电极阵列产生电极刺激信号，包括：

用于处理输入音频信号以产生多个带通信号的程序代码，其中，每个带通信号表示输入音频信号中的相关音频频带，并且其特征在于，带通分量包括带通包络和带通精细结构；

用于分析每个带通信号以检测何时所述带通分量中的一个经历限定的过渡事件的程序代码；以及

用于从带通信号产生用于刺激触体的一组电极刺激信号的程序代码，其中，到给定刺激触体的电极刺激信号：

i.当在与所述给定刺激触体相关联的带通信号中检测到过渡事件时，使用过渡事件刺激模式，并且

ii.在所述过渡事件刺激模式之后使用不同的非过渡刺激模式，直到检测到下一个后续过渡事件。

16.根据权利要求15所述的非瞬时有形计算机可读存储介质，其中，所述过渡事件刺激模式形成脉冲间间隔短的至少一对顺序双相脉冲。

17.根据权利要求16所述的非瞬时有形计算机可读存储介质，其中，所述非过渡刺激模式形成单个双相脉冲。

18.根据权利要求15所述的非瞬时有形计算机可读存储介质，其中，所述过渡事件是浊音基音周期的开始。

19.根据权利要求15所述的非瞬时有形计算机可读存储介质，其中，所述过渡事件是经滤波的带通包络的过零。

20.根据权利要求15所述的非瞬时有形计算机可读存储介质，其中，所述过渡事件是紧接在经滤波的带通包络的过零之后的带通精细结构的过零。

21.根据权利要求15所述的非瞬时有形计算机可读存储介质，其中，所述过渡事件是在经滤波的带通包络中发生的给定的多个过零。

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