CN109963528A - 机械域中骨传导噪声的自适应噪声消除 - Google Patents

Abstract

描述了一种在患者可植入听力植入系统中的噪声消除系统。可植入麦克风感测出现在麦克风处的声音信号，该声音信号包括来自患者外部声源的声源分量和来自内部骨传导的噪声分量。至少一个可植入噪声传感元件位于麦克风附近以感测噪声分量。滤波器由响应于变换噪声分量的自适应算法控制并输出换能器控制信号。骨传导换能器接收换能器控制信号并产生相应的机械振动信号到颅骨。自适应算法控制滤波器，使得骨传导换能器的机械振动信号抵消由至少一个噪声传感元件感测的噪声分量，以便最小化由可植入麦克风感测的噪声分量。

Description

机械域中骨传导噪声的自适应噪声消除

本申请要求2016年11月1日提交的美国临时专利申请62/415,560的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及听力植入，更具体地涉及在听力植入系统中从植入的麦克风信号中去除不需要的噪声。

背景技术

正常的耳朵如图1所示通过外耳101将声音传送到鼓室的膜(鼓膜)102，其移动中耳103的骨(锤骨，砧骨和镫骨)，进而使耳蜗104的卵圆窗和圆窗开口振动。耳蜗104是绕其轴线螺旋缠绕约两圈半的狭长管道。耳蜗104包括称为前庭阶的上部通道和称为鼓阶的下部通道，它们通过耳蜗管连接。鼓阶形成中心被称为蜗轴的直立的螺旋锥体，听神经113的螺旋神经节细胞驻于其中。响应于接收到的由中耳103传送的声音，充满液体的耳蜗104用作换能器以产生电脉冲，该电脉冲被传送到耳蜗神经113，并最终传送到大脑。

当在将外部声音沿着耳蜗的神经基质转换成有意义的动作电势的能力存在问题时，听力受损。在这种情况下，耳蜗植入物是听觉假体，其使用植入的刺激电极绕过耳朵的声换能机构，取而代之直接用沿着电极分布的多个电极触点传递的小电流刺激听觉神经组织。

图1还示出了典型的耳蜗植入系统的一些部件，包括外部麦克风，其向能够实现各种信号处理方案的外部信号处理级111提供音频信号输入。然后将处理后的信号转换成数字数据格式，例如数据帧序列，以便传送到植入刺激器108中。除了提取音频信息之外，植入刺激器108还执行附加信号处理，例如纠错，脉冲形成等等，并且产生通过连接线109发送到植入电极载体110的刺激模式(基于提取的音频信息)。通常，该电极载体110在其表面上包括多个电极，其提供对耳蜗104的选择性刺激。

在传统的听力植入系统中，相对于将麦克风和/或信号处理器与系统的其他部件植入皮肤下，使用外部麦克风和信号处理作为更简单的选择。使用可植入麦克风的挑战之一是除了必须通过皮肤感测的主要声源信号之外，可植入麦克风还感测麦克风附近存在的骨传导噪声。这种不希望的骨传导噪声由各种身体功能产生，例如呼吸，心跳，咀嚼，咳嗽等。

图2描绘了这样的情况，其中皮下麦克风201通过植入患者的皮肤经皮肤感测从患者外部的声源接收的期望声源信号s(n)，以及由于例如咀嚼或说话导致的不期望的骨传导噪声202n(n)。因此，麦克风输出信号表示这两个信号源s(n)+n(n)的组合，然后必须由植入的信号处理器进一步处理。

解决该问题的一种尝试是试图通过在颅骨和麦克风之间放置诸如硅树脂的软材料片来使麦克风与颅骨机械地分离。但是，用于听力植入系统的皮下麦克风实际上必须固定到颅骨上，因此这种分离不是完美的。该方法在一定程度上在Miller美国专利公开2005/0222487描述，其通过引用并入本文。

如图3所示的另一种方法使用自适应滤波，其中皮下麦克风201的输出信号经过有限脉冲响应(FIR)滤波器303，有限脉冲响应(FIR)滤波器303由自适应算法303响应于来自在感测骨传导噪声202(但不是外部声源信号)的皮下麦克风201附近的加速度计301或第二麦克风的信号进行控制。例如，在Hersbach的美国专利公开2010/0310084和Miller的美国专利公开2008/0132750中描述了这种思想，这两个专利通过引用结合在此。

在包括运动传感器和骨传导换能器(例如中耳听觉假体)的听力植入物中解决该问题的另一种方法在Miller的EP2624597中有所描述，该专利通过引用结合于此。该方法的缺点在于，传递函数必须通过测量来确定，并且由于滤波器系数估计易于出现不准确、反向耦合和较低效的体噪声消除。此外，可以重新估计传递函数，并且在重新估计期间必须暂停操作以获得噪声消除特性。

本发明的一个目的是克服已知系统的缺点，并提供一种包括麦克风和电磁输出换能器的耳蜗植入系统的听力植入部分和用于听力植入物的噪声消除的方法。本发明的另一个目的是提供相应的可植入麦克风和用于噪声消除的方法。

发明内容

本发明的实施例涉及一种用于患者植入式听力植入系统的噪声消除系统。可植入麦克风被配置为感测麦克风处存在的声音信号并为听力植入系统产生相应的麦克风输出信号。声音信号包括来自患者外部声源的存在于麦克风处的声源分量，以及来自内部骨传导的存在于麦克风处的噪声分量。存在至少一个可植入噪声传感元件，其位于麦克风附近并且被配置为感测噪声分量。滤波器由自适应算法控制，该自适应算法响应于变换从至少一个噪声传感元件提供的噪声输出信号，以作为换能器控制信号输出。骨传导换能器耦合到滤波器输出和颅骨，并且被配置为接收换能器控制信号并对颅骨产生相应的机械振动信号。自适应算法控制滤波器，使得骨传导换能器的机械振动信号抵消由至少一个噪声传感元件感测的噪声分量，以便最小化由可植入麦克风感测的噪声分量。

在一些特定实施例中，在滤波器和骨传导换能器之间可以存在换能器控制放大器，其被配置为放大换能器控制信号以输入到骨传导换能器中。至少一个可植入噪声传感元件可包括两个单独的噪声传感元件，包括：第一噪声传感元件，该第一噪声传感元件被配置为感测噪声分量作为自适应算法的输入；以及第二噪声传感元件，该第二噪声传感元件被配置为感测噪声分量作为滤波器的输入。并且至少一个可植入噪声传感元件具体可以是噪声传感加速度计或噪声传感麦克风。滤波器可以是数字IIR或FIR滤波器。

实施例还包括具有根据上述任意一项的麦克风噪声消除系统的完整听力植入系统；例如耳蜗植入系统。

附图说明

图1示出了具有典型耳蜗植入系统的人耳的元件。

图2示出了皮下麦克风如何感测外部主声源信号和内部骨传导噪声。

图3示出了使用具有皮下麦克风的自适应滤波器来消除骨传导噪声。

图4示出了根据本发明实施例的骨传导换能器的使用，其响应于自适应算法以机械地消除可植入麦克风处存在的不期望的骨传导噪声。

具体实施方式

本发明的各种实施例涉及用于消除由机械域而不是电域中的可植入麦克风感测的骨传导噪声的布置。噪声传感元件靠近或在皮下植入麦克风内放置，并且噪声传感元件信号用作自适应算法的输入，该自适应算法控制滤波器，其中滤波器输入信号来自第一或第二噪声传感元件，(也)感测噪声信号分量。滤波器输出用于驱动骨传导换能器，其产生局部振动“抗噪声”，其消除骨传导噪声，从而在麦克风的位置处产生“振动静音”点。

图4示出了根据本发明的一个实施例的骨传导换能器的使用，其响应于自适应算法以机械地消除在植入的麦克风201处存在的不期望的骨传导噪声，植入的麦克风201感测存在于麦克风处的声音信号并且为听力植入系统产生相应的麦克风输出信号。如上所述，由植入的麦克风201感测的声音信号包括来自患者外部的声源的期望的声源分量和来自内部骨传导噪声202的不期望的噪声分量。还存在一个或多个噪声传感器，位于布置成感测噪声分量(但不是声源分量)的植入的麦克风201附近。在图4所示的特定实施例中，存在两个这样的噪声传感元件401和402。这些可以是单独的设备，或者在单个物理封装中组合在一起的两个元件，或者可用来产生所需的噪声传感信号的单个传感器元件。噪声传感元件具体可以是噪声传感加速度计。或者可以使用噪声传感麦克风，其传感膜布置成面向抵靠下方的颅骨，而不是声源信号来自的上覆皮肤。

滤波器404接收由第一噪声传感元件401或第二噪声传感元件403感测的噪声分量，并且由自适应算法402控制，该自适应算法响应于第一噪声传感元件401感测的噪声分量。从第二噪声传感元件403向滤波器404提供噪声分量通过避免正反向耦合和谐振效应来改善稳定性。滤波器404的输出是换能器控制信号，其可以由换能器控制放大器405放大。换能器控制放大器405的输出驱动骨传导换能器406，其与颅骨耦合，并向颅骨产生相应的机械振动信号。骨传导换能器406可位于植入的麦克风201附近。

自适应算法402控制滤波器404，使得骨传导换能器406的机械振动信号(n′)抵消由第一噪声传感元件401感测的噪声分量(n)，以便最小化由植入的麦克风201感测的噪声分量。该方法抵消机械域中的骨传导噪声，这是在骨传导噪声被植入的麦克风201感测之前，而不是之后当噪声分量已经影响了主声源信号时在麦克风输出的电域中消除。自适应算法402可以通过滤波器系数来控制滤波器404。下面说明由麦克风201和声音传感元件401拾取的根据图4的具有E(n)表示的噪声分量的信号模型。噪声传感元件401可以具有传递函数N(n)，骨传导换能器406可以具有传递函数B(n)，滤波器可以具有传递函数F(n)，以及从骨传导换能器406的位置到噪声传感元件401的位置的头部相关传递函数可以是H(n)。然后可以通过以下方式对骨传导换能器406的信号输出Y(n)和给定输入信号N(n)进行建模：

Y(n)＝N(n)+H(n)B(n)FIR(n)E(n)N(n)

滤波器传递函数F(n)必须以噪声信号分量N(n)被消除的方式设置，即F(n)＝-1/H(n)B(n)E(n)。没有传递函数是已知的，并且还可能随时间而改变。利用根据本发明实施例的布置和自适应算法402，不需要估计任何传递函数，并且进一步地，不需要中断用于生成参考信号的正常操作来估计传递函数。

自适应算法402可以例如根据零差检测原理操作。信号e(n)与预定频率f₁的参考信号混合，优选为正弦波信号。混合信号经过低通滤波或随时间积分，定义零差输出信号。参考信号被相移，直到零差输出信号达到最大值。这可以例如通过频率调制参考信号f±Δf₁和基于零差输出信号的一阶导数的相位调整来实现。一阶导数为零，因此相位调整在零差输出信号的最大信号处消失。由此测量的最大零差输出信号和相移分别为给定频率f₁定义幅度和相移。可以对可听声音信号上的一些或所有频率重复该测量，例如但不限于以50Hz的步长从50Hz到20.000Hz。然后基于根据已知技术测量并取负的幅度和反映所需滤波器传递函数的相移来计算滤波器的滤波器系数。或者，对于滤波器系数的计算，替代取负的幅度，相移可以改变180°。取负的幅度或相移被需要以获得抵消噪声分量的滤波器传递函数。自适应算法402独立于任何传递函数建模波传播，并且可以在中断正常操作期间和不中断正常操作期间使用，以动态地调整滤波器系数，从而控制滤波器。滤波器可以是FIR或IIR滤波器或两者的组合。与例如快速傅里叶频率分析相比，自适应算法402在计算复杂性和能量消耗方面非常有效，其可以用于代替之前描述的零差原理。

尽管已经公开了本发明的各种示例性实施例，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的真实范围的情况下，可以进行各种改变和修改。

Claims (16)

1.一种患者植入式听力植入系统，该系统包括：

可植入麦克风，所述可植入麦克风被配置为感测存在于所述麦克风处的声音信号，并为所述听力植入系统产生相应的麦克风输出信号，其中所述声音信号包括：

i.来自所述患者外部声源的存在于所述麦克风处的声源分量，以及

ii.来自内部骨传导的存在于所述麦克风处的噪声分量；

至少一个可植入噪声传感元件，所述至少一个可植入噪声传感元件位于所述麦克风处，并且被配置为感测所述噪声分量并产生相应的噪声输出信号；

滤波器，所述滤波器由自适应算法控制，所述自适应算法响应于变换从所述至少一个噪声传感元件提供的所述噪声输出信号，以作为换能器控制信号输出；以及

骨传导换能器，所述骨传导换能器耦合到所述滤波器输出和颅骨，并且被配置为接收所述换能器控制信号并且向所述颅骨产生相应的机械振动信号；

其中，所述自适应算法控制滤波器，使得所述骨传导换能器的所述机械振动信号抵消由所述至少一个噪声传感元件感测的所述噪声分量，以便最小化由所述可植入麦克风感测的所述噪声分量。

2.根据权利要求1所述的布置，还包括：

换能器控制放大器，所述换能器控制放大器位于所述滤波器和所述骨传导换能器之间，被配置成放大所述换能器控制信号以输入到所述骨传导换能器中。

3.根据权利要求1所述的布置，其中，所述至少一个可植入噪声传感元件包括两个独立的噪声传感器，包括：

第一噪声传感器，所述第一噪声传感器被配置为感测所述噪声分量作为所述自适应算法的输入；

第二噪声传感器，所述第二噪声传感器被配置为感测所述噪声分量作为所述滤波器的输入。

4.根据权利要求1所述的布置，其中，所述至少一个可植入噪声传感器是噪声传感加速度计。

5.根据权利要求1所述的布置，其中，所述至少一个可植入噪声传感器是噪声传感麦克风，所述噪声传感麦克风具有面向所述颅骨的声音传感膜。

6.根据权利要求1所述的布置，其中，所述听力植入系统是耳蜗植入系统。

7.根据权利要求1所述的布置，其中，所述滤波器是数字FIR滤波器。

8.根据权利要求1所述的布置，其中，所述滤波器是数字IIR滤波器。

9.一种用于植入患者体内的听力植入系统的噪声消除方法，所述方法包括：

感测存在于可植入麦克风处的声音信号，以产生用于所述听力植入系统的相应的麦克风输出信号，

其中，所述声音信号包括：

i.来自所述患者外部声源的存在于所述麦克风处的声源分量，以及

ii.来自内部骨传导的存在于所述麦克风处的噪声分量；

利用位于所述麦克风处的至少一个可植入噪声传感器感测所述噪声分量；

利用自适应算法控制滤波器，所述自适应算法响应于变换从所述至少一个噪声传感元件提供的噪声输出信号，以作为换能器控制信号输出；和

在耦合到颅骨的骨传导换能器处接收所述换能器控制信号，并向所述颅骨产生相应的机械振动信号；

其中，所述自适应算法控制所述滤波器，使得所述骨传导换能器的机械振动信号抵消由所述至少一个噪声传感元件感测的所述噪声分量，以便最小化由所述可植入麦克风感测的所述噪声分量。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括：

放大所述换能器控制信号以输入到所述骨传导换能器。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述至少一个可植入噪声传感器包括两个独立的噪声传感元件，包括

第一噪声传感元件，所述第一噪声传感元件被配置为感测所述噪声分量作为所述自适应算法的输入；

第二噪声传感元件，所述第二噪声传感元件被配置为感测所述噪声分量作为所述滤波器的输入。

12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述至少一个可植入噪声传感元件是噪声传感加速度计。

13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述至少一个可植入噪声传感元件是噪声传感麦克风。

14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述听力植入系统是耳蜗植入系统。

15.根据权利要求9所述的方法，其中，所述滤波器是数字IIR或FIR滤波器。

16.一种听力植入系统，所述听力植入系统使用根据权利要求9-15中任一项所述的噪声消除方法。