CN110772713B - 具有改进的用于确定时间精细结构参数的方法的耳蜗刺激系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了具有改进的用于确定时间精细结构参数的方法的耳蜗刺激系统，该系统包括：变换器；电极阵列；窗口分析器，用于提供多个频谱样本；及用于估计采样的音频信号的全频率范围的时间精细结构参数的信号处理器，其中时间精细结构参数通过下述处理进行估计：定位多个频谱样本中具有最大能级的主要频谱样本；针对一组频谱样本估计该组频谱样本中的一个或多个频谱样本的能级差，其中所述一组频谱样本中的每一频谱样本具有围绕主要频谱样本的多个频率的范围内的频率；及基于所述一组频谱样本的每一频谱样本的能级差及窗口函数确定时间精细结构参数，及其中多个电极中的每一电极配置成基于时间精细结构参数提供电刺激。

Description

具有改进的用于确定时间精细结构参数的方法的耳蜗刺激 系统
技术领域
本发明涉及用于确定采样的音频信号的全频率范围的频谱分量的时间精细结构参数的耳蜗刺激系统。
背景技术
耳蜗植入件(CI)为目标在于恢复遭受重度到深度感觉神经听力损失的人的听觉感觉的神经假体。CI绕过第一听觉链单元以直接刺激听觉神经纤维(ANF)，因而代替健康耳朵中进行的自然信号处理。
传统耳蜗植入件(CI)系统的用户在安静条件下通常能实现良好的语音理解，但在有噪声情形下通常疲于应付并例行公事地报告差的音乐欣赏。这些问题通过临床CI编码策略仅编码慢速变化的声学时间包络(ENV)同时舍弃声学时间精细结构(TFS)参数的趋势(至少部分地)解释，其对于(安静情形的)语音理解很重要。
时间精细结构(TFS)为人感知的声音的振幅和频率随时间的变化。这些时间变化负责听觉感知的几个方面，包括响度、音高和音色感知及空间听觉。
听力受损人员已降低对时间精细结构的敏感性，及在复杂听音情形下，听力受损人员不仅遭受不能听见语音信号的弱部分，而且他们不能受益于TFS。例如，语音信号中的时间精细结构可被表征为正弦波，其可通过频率F或周期性T等同地表征，TFS假说中的关键假设是，例如耳蜗刺激系统中正弦波的准确解码基于正弦波的周期性的感测。
声学TFS尤其在低频率下传达对音乐感知很重要的强音高线索及帮助我们在空间中定位声音的耳间时间差(ITD)线索。从TFS得到的音高及ITD线索已知还有助于未受损听者在有噪声条件下理解语音。由于这些原因，在CI研究群体中对开发除ENV信息之外还编码TFS参数的新声音编码策略有强烈的兴趣。
在开发TFS声音编码策略时，一个难题是怎样可靠地从声学信号提取恢复感兴趣的听力学结果(如音高感知)所需要的有关TFS参数。一些技术进行关于信号本身的潜在性质的假设，这优化那些技术从一些类型的信号提取TFS信息，但对其它信号类型可能导致不合需要的性态。例如，假设声学信号将具有谐波结构(如语音中的元音)的技术在输入信号为(例如)噪声类(如语音中的辅音)时展现不合需要的性态。其它技术可能对不合需要的成分(噪声)的存在敏感，这可能损害所述策略提供内在特征提取的能力。一些技术可能具有有限的频率分辨率，这可能限制可跨频率检测的TFS参数的数量并限制系统检测和分辨声学信号中彼此频谱太接近的特征的能力。
提取用于CI编码策略的TFS参数一般采用的技术(在此称为“滤波器-频带方法”)首先使用带通滤波器组将信号分为不同的频带，然后在每一频带内提取TFS参数。该提取可包括使用振幅/电平阈值交叉检测器，其确定频带内的声学信号与预定阈值交叉的时刻：常用的阈值检测器为零交叉检测器，其检测声学信号在正向或负向与零交叉时的所有时刻。这些阈值交叉被假定锁定到频带内的主要频谱分量在给点时间的阈值交叉上，及阈值交叉之间的计时假定反映该主要频率分量的频率。作为代替，TFS信息提取可包括锁相环(PLL)，其也被设计成跟踪频带内的主频谱分量。使用任一方法，在给定时间提取的特征的数量受频带的数量限制，及这些特征的分辨率将受那些频带跨频率的间隔及它们的带宽限制。因此，如果声学信号包括M个关键频谱分量及系统作用于N个频带，其中M>N，系统将仅能够从N个频谱分量提取信息并将舍弃其余的M-N个频谱分量。对于该情形，将有多个声学信号分量落在其内的一个以上频带。因此，该系统将不能分辨和提取这些频带内的各个频谱分量，及针对这些频带中的每一个单一提取的特征将包括来自该频带内所有分量的信息的混合。这样的系统的频率分辨率可通过增加滤波器组内的滤波器数量而增加，但代价是增加计算复杂性和系统潜伏时间。滤波器组方法的另一缺陷在于，各个滤波器自身将具有有限的频谱选择性，这导致不想要的频谱分量从邻近频带泄漏到每一频带内，且再次可导致来自多个音频信号分量的信息的不合需要的混合。这些滤波器的频谱选择性可通过增加滤波器系数的数量进行改善，但同样将增加计算复杂性和系统潜伏时间。
发明内容
本发明的一方面是提供耳蜗刺激系统，其目标在于克服所提及的、上面描述的已知解决方案如滤波器-频带方法具有的缺点。
本发明的一方面是提供耳蜗刺激系统，其避免使用滤波器组将传入的声学信号分为频带及在这些频带内提取TFS参数，即TFS参数的提取是从传入的声学信号的全频带宽度提取。
本发明的该方面由用于确定传入声学信号的频谱分量的时间精细结构(TFS)参数的耳蜗刺激系统实现。该系统包括：配置成接收传入声学信号的变换器，其中长度N个样本的采样的音频信号基于传入声学信号提供；存储单元包括从长度N的窗口函数的窗谱产生的多个窗频(窗口频谱)差和/或多个窗能级差；窗口分析器，用于通过进行时域到频域变换及使采样的音频信号乘以时域窗口函数或者使频域的窗谱和频域的采样的音频信号卷积而提供多个频谱样本。该系统还包括用于估计采样的音频信号的全频率范围的时间精细结构参数的信号处理器，其中时间精细结构参数通过下述处理进行估计：定位多个频谱样本中具有最大能级的主要频谱样本；针对多个频谱样本中的一组频谱样本估计该组频谱样本中的一个或多个频谱样本在围绕主要频谱样本的多个频率的范围内的能级差；及基于该组频谱样本的一个或多个频谱样本的能级差及窗口函数确定时间精细结构参数。
本发明的该方面由用于确定传入声学信号的频谱分量的时间精细结构(TFS)参数的耳蜗刺激系统实现。该系统包括：配置成接收传入声学信号的变换器，其中长度N个样本的采样的音频信号基于传入声学信号提供；存储单元包括从长度N的窗口函数的窗谱产生的多个窗频(窗口频谱)差和/或多个窗能级差；窗口分析器，用于通过进行时域到频域变换及使采样的音频信号乘以时域窗口函数或者使频域的窗谱和频域的采样的音频信号卷积而提供多个频谱样本。该系统还包括用于估计采样的音频信号的全频率范围的时间精细结构参数的信号处理器，其中时间精细结构参数通过下述处理进行估计：定位多个频谱样本中具有最大能级的主要频谱样本；针对多个频谱样本中的一组频谱样本估计该组频谱样本中的一个或多个频谱样本在围绕主要频谱样本的多个频率的范围内的能级差；基于多个窗频差和多个窗能级差估计该组频谱样本的一个或多个能级差的频率差；及基于该组频谱样本的一个或多个能级差的频率差和窗口函数或者基于该组频谱样本的一个或多个频谱样本的能级差及窗口函数确定时间精细结构参数。
向患者提供TFS参数可能有助于在复杂环境中提高听音结果。全频带宽度解决方案提供更准确的、从传入声学信号提取重要的TFS参数(例如基频和谐波)的方式。提取TFS参数的更准确的方式，即TFS参数的更好的空间和时间分辨率，通过具有全频带宽度解决方案提供。
此外，本发明具有另一优点，即其在准确度与计算复杂性和系统潜伏时间之间具有更好的平衡。例如，可使用256的FFT大小，其基于使用的窗口函数实质上提供具有频率选择性的128个频带。作为代替，使用具有128个滤波器的滤波器组可产生类似的甚至比本发明更好的准确度，但其将使用巨大的计算能力。
采样的音频信号的全频率范围可在20Hz到20000Hz之间。
窗能级差可预先存储在存储单元中，及该窗能级差可以是拟合窗口函数的理论值。对于每一窗能级差，从与窗口函数的拟合取得窗频差。
基于一组频谱样本的能级差的输入，存储单元可配置成通过使能级差与窗频差相关而取回窗能级差和/或对应的窗频差，最佳相关的那些窗能级差被取回并传给信号处理器。对应的窗频差也可被传给信号处理器。在另一例子中，窗频差可被取回并传给信号处理器，而没有窗能级差。
TFS参数进行编码很重要。对于音乐，基频和谐波对于音高感知很关键，这是本发明能够比其它方法(如滤波器组)更准确地估计并在准确度与计算能力之间具有更好平衡的原因。TFS参数可通过后面的处理模块无限制地分配给电极。因此，如果本发明例如检测到一组基频和谐波，信号处理器中后面的模块可决定怎样将这些谐波分布到不同电极以优化音高感知。分布由信号处理器完成，但这在信号处理器内怎样完成未在本发明中描述，因为这对于本发明并非必不可少及被认为是本领域技术人员的常识。
由于避免了滤波器组的使用，本发明提供更简单且较低计算要求的、用于TFS参数的提取的信号处理。此外，如果包括滤波器组的解决方案需要提供与本发明类似的分辨率，滤波器组需要多得多的滤波器系数，这导致计算要求更高的解决方案。
基于时间精细结构参数，事件可被产生，其最终变成发送给不同电极的脉冲。
事件发生器可配置成提供用于将时间精细结构参数提供给多个电极中的一电极的事件，其中该事件可基于时间精细结构参数如相位参数产生。
作为备选，该事件可在0和2*pi之间的恒定相位因数与相位参数之间的相位差等于零或预定常数时产生。相位差可除以用于确定时间精细结构参数的帧时钟事件的样本频率。
该事件可在时间延迟(Δt)之后产生，其中时间延迟可通过下面的等式确定：
其中为用于确定时间精细结构参数(TFS)的帧时钟事件与频率参数之间的比，及/>为相位参数。
帧时钟为用于确定长度N的每一采样的音频信号的时间精细结构的速率。
耳蜗植入件可包括上面描述的耳蜗刺激系统，其中耳蜗植入件可包括配置成基于时间精细结构参数刺激用户的听觉神经的电极阵列。
耳蜗刺激系统可包括耳后(BTE)单元、感应器单元和植入件。BTE单元可无线或有线连接到感应器单元，及感应器单元可通过用户的皮肤感应连接到植入件。变换器如传声器或mems(微型机电系统)传声器可以是BTE单元或感应器单元的一部分。耳蜗刺激系统可包括一个或多个变换器，如1、2、3或4个变换器。变换器可包括模数转换器或者变换器可连接到配置成提供采样的音频信号的模数转换器。
传入声学信号可被分为多个长度N个样本的样本帧，即长度N个样本的采样的音频信号，及其中耳蜗刺激系统可配置成针对每一样本帧即长度N个样本的采样的音频信号确定时间精细结构参数。
耳蜗刺激系统可配置成针对长度N个样本的每一采样的音频信号依次或并行确定多个时间精细结构参数。
此外，耳蜗刺激系统可配置成针对多个长度N个样本的采样的音频信号确定时间精细结构参数。
采样的音频信号包括N个样本，其中N指音频信号的样本大小。N数量将影响频谱分辨率，即N越大，分辨率变得越好。然而，高样本数量N需要更多的信号处理器计算能力。合理的样本数量N可在计算能力与TFS参数的时间分辨率之间权衡/平衡。
存储单元可以是BTE单元或外部单元如服务器、移动设备、云服务器或配置成无线连接到耳蜗刺激系统的任何设备例如BTE部分、配置成设置在用户颅骨上的感应器单元的一部分。
存储单元可包括从长度N的窗口函数的窗谱产生的多个窗频差及多个窗能级差。一般地，窗口函数(也称为切趾函数或渐变函数)为在长度N的所选区间外面为零值的数学函数。例如，在长度N的区间内为常数否则为零的函数称为矩形窗口。当另一函数或波形/数据序列如时域到频域变换的采样的音频信号与频域的窗口函数卷积或者采样的音频信号乘以时域的窗口函数然后变换到频域时，积在所述区间外也为零值。其它窗口函数的例子可以是汉宁(Hann)窗、海明(Hamming)窗、塔基(Tukey)窗、布莱克曼(Blackmann)窗、平顶窗等。
窗谱包括正弦信号，其表示采样的音频信号的理想形状的正弦信号。窗谱可基于理论的正弦模型和采样的音频信号或者仅基于理论的正弦模型确定。
多个频谱样本确定时域到频域变换的长度，及时域到频域变换可基于快速傅里叶变换。
多个窗能级差中的每一窗能级差可在所述窗谱的第一频率下第一样本的第一能级到第二样本的第二频率下的第二能级之间，其中第一频率和第二频率在围绕主要频谱样本的多个频率的范围内，或者多个窗能级差中的窗能级差可在第一样本的第一能级到频率参数时的能级之间，其中第一频率在围绕主要频谱样本的多个频率的范围内。
存储装置可包括多个窗频差及在所述窗谱的第一频率下第一样本的第一能级到第二样本的第二频率下的第二能级之间的多个窗能级差，其中第一频率和第二频率在围绕主要频谱样本的多个频率的范围内，及在第一样本的第一能级到频率参数时的能级之间的另一多个窗能级差，其中第一频率在围绕主要频谱样本的多个频率的范围内。
存储单元可包括一个或多个窗口函数，例如包括作为频率的函数的能量、作为频率的函数的峰值能量差、及作为第一样本和第二样本的能量差的函数的峰值能量差的窗口函数。例如，在长度N的区间内，窗口函数包括在作为频率的函数的每样本能量或作为频率的函数的样本间峰值能量差、和/或作为第一频谱样本和第二频谱样本的能量差的函数的峰值能量差之间的函数。
样本或频谱样本的峰值能量差可通过计算样本或频谱样本的第一能量与另一样本或频谱样本的第二能量之间的差进行确定，其中两个样本或频谱样本均具有在多个频率的范围内的频率。
窗口分析器提供多个频谱样本，其中每一频谱样本为限于一频率的频带。窗口分析器通过进行采样的音频信号和窗口函数的时域到频域变换如快速傅里叶变换及使采样的音频信号乘以窗口函数或者使采样的音频信号与窗谱/窗口函数卷积而提供多个频谱样本。在一例子中，采样的音频信号可乘以窗口函数，及相乘后的采样的音频信号然后可从时域变换到频域，或者采样的音频信号和窗口函数均可在进行彼此相乘或彼此卷积之后或之前从时域变换到频域。
对于窗口函数和采样的音频信号，样本的数量即N个样本均一样。
窗口函数的时域到频域变换在提供多个频谱样本时可仅执行一次。
窗口分析器可配置成执行频域的窗谱与频域的采样的音频信号的卷积。
窗口分析器可以是BTE单元或感应器单元的一部分。窗口分析器可连接到存储单元和变换器。
信号处理器配置成跨采样的音频信号的全频率范围估计TFS参数。信号处理器可定位多个频谱样本中在多个频谱样本的所有频谱样本中具有最高能量的主要频谱样本。从主要频谱样本，音频信号中产生主要频谱样本的实际频谱分量的实际中心频率将被确定并分配为时间精细结构参数例如频率参数。
主要频谱样本用于选择一个或多个频谱样本从而形成一组频谱样本，其中该组频谱样本中的每一频谱样本的频率在主要频谱样本的频率附近的多个频率的范围内。对于该组频谱样本的每一频谱样本，估计能级差。所述范围可用在+/-50Hz到+/-100Hz、+/-50Hz到+/-200Hz、+/-50Hz到+/-300Hz、+/-50Hz到+/-400Hz、+/-100Hz到+/-400Hz或+/-200Hz到+/-600Hz之间。例如，如果主要频谱样本的频率为4100Hz，所述范围可在3900Hz到4400Hz之间。
该组频谱样本的一个或多个频谱样本的能级差即样本能级差可在该组频谱样本中的第一频谱样本的第一能级到该组频谱样本的第二频谱样本的第二能级之间。例如，第一频谱样本和第二频谱样本可以是两个频率相邻的样本或者位于主要频谱样本的频率附近的多个频率的范围内的任何地方。另一例子，第一频谱样本可以是位于主要频谱样本的频率附近的多个频率的范围内的该组频谱样本中的任何频谱样本，及第二频谱样本可以是主要频谱样本。
针对该组频谱样本的一个或多个能级差，频率差可基于多个窗频差和多个窗能级差进行估计。每一频率差的估计例如可通过多个窗频差和多个窗能级差在每一能级差的插值提供。每一窗能级差是独一无二的，即窗能级差不一样。从而，针对估计的能级差估计的频率差是独一无二的，即对于估计的能级差，仅一个频率差有效。
频率差可通过基于该组频谱样本中的频谱样本之间的能级差插值来自多个窗频差和多个窗能级差的频率差进行确定，即窗口函数可包括多个窗频差和多个窗能级差之间的关系，及窗口函数的输入为能级差，及窗口函数的输出为频率差。频率差可通过不同于插值的其它方法确定。
时间精细结构参数可基于一组频谱样本中的一个或多个频谱样本的能级差确定。信号处理器可配置成基于窗口函数和该组频谱样本中的一个或多个频谱样本的能量差确定信号分量的真实能量与该组频谱样本的一个或多个频谱样本之间的能量差，在此称为峰值能量差。
窗口函数可包括峰值能量差作为样本之间的能量差的函数。一组频谱样本的每一峰值能量差可通过窗口函数在每一能量差的插值确定。音频信号分量的真实能量即能量参数则可通过适当地组合一个或多个峰值能量差和一个或多个频谱样本的能量进行估计。
峰值能量差的组合可包括将峰值能量差平均为能量参数。
能量参数指音频信号中感兴趣的实际频谱分量的能量。
时间精细结构参数可包括音频样本的该分量的能量参数，及其中能量参数可通过下述处理确定：
-基于窗口函数及一组频谱样本的一个或多个频谱样本的能量差，或者基于窗口函数(不同于先前的窗口函数)及一组频谱样本的一个或多个频谱样本的频率差，提取该组频谱样本的一个或多个频谱样本的窗能级差；
-基于该组频谱样本的一个或多个频谱样本的窗能级差及该组频谱样本的一个或多个频谱样本的能级确定能量参数。
针对该组频谱样本中的每一频谱样本，可通过对该组频谱样本中的一频谱样本的能级与该频谱样本的窗能级差求和而确定峰值能量，及能量参数可通过适当地组合(即计算平均值、加权平均、中值等)一个或多个峰值能量进行确定。
相较于已知的包括滤波器组的解决方案，使用窗口函数和插值和/或求平均的优点在于，如果考虑针对两方法即滤波器组方法和本发明方法的计算能力相等，长度N的采样的音频信号的能量被更精确地确定。此外，确定能量参数的方式对例如音高在频带之间的演变不太敏感。
为确定更精确的能量参数，信号处理器可配置成确定能量补偿因子，其包括矩形窗谱的主瓣的最大能级的能级与窗口函数的最大能级的能级之间的能量差，及其中能量参数通过使能量补偿因子与来自一组频谱样本的一个或多个频谱样本的峰值能量组合进行确定。
确定能量补偿因子Ec的例子可表达为：
EC＝Erec+Ewin
其中，Erec为矩形窗谱的最大能级，及EWIN为窗口函数的最大能级。
使用能量补偿因子的另一优点在于，能量参数对哪一窗口函数被信号处理器选择或存储在存储单元中不敏感。从而，本发明变得更鲁棒。
通过窗口分析器确定的多个频谱样本包括每一频谱样本的相位和能量。
时间精细结构参数可包括通过一组频谱样本的多个频谱样本的相位的插值在频谱分量的频率参数下确定的相位参数。
质量标记可通过从一组频谱样本的一个或多个频谱样本得到的估计的频谱分量中心频率或估计的频谱分量能级中的每一个分别与频率参数或能量参数的方差/差/误差/参差进行确定。
质量标记可以是时间精细结构参数的估计量怎样可靠的描述符。其还将表明频谱分量是怎样的正弦曲线。最大值的质量标记意味着正弦频谱分量(即带宽接近零)，及最小值的质量标记意味着频谱分量为宽带。
质量标记可用于确定是否接受时间精细结构参数。例如，如果质量标记低，时间精细结构参数可被舍弃及可代之以使用先前确定的具有可接受的质量标记的时间精细结构参数或者可代之以使用具有可接受的质量标记的多个先前确定的时间精细结构的平均时间精细结构参数。
一组频谱样本可包括两个以上频谱样本或者多个频谱样本使得可确定精确的时间精细结构参数。
窗口分析器可配置成通过将频移施加到采样的音频信号并进行时域到频域变换及使经频移的采样的音频信号乘以时域窗口函数或者使窗谱与频域的经频移的采样的音频信号卷积确定另一多个频谱样本、及将另一多个频谱样本应用到所述多个频谱样本。
将另一多个频谱样本应用到所述多个频谱样本可通过组合、求和、交叉或合并提供。
窗口分析器可配置成顺序或并行确定另一多个频谱样本和没有频移的多个频谱样本。并行地，如果具有多个处理器核，提供包括被频移的另一多个频谱样本的所述多个频谱样本的处理时间最小程度地增加。
时间精细结构参数可基于针对一组频谱样本的一个或多个能级差的频率差确定。频率差可基于多个窗频差和多个窗能级差针对一组频谱样本的每一能级差进行估计。时间精细结构参数可包括频谱分量的频率参数，即频谱分量的实际中心频率，其中频率参数通过下述处理确定：
-基于一组频谱样本中的一个或多个频谱样本的频率及该组频谱样本中的一个或多个频谱样本的频率差针对该组频谱样本的一个或多个频率差估计中心频率；及
-基于从该组频谱样本的一个或多个频谱样本得到的中心频率计算频率参数。
相较于包括滤波器组的已知解决方案，信号处理器确定频率参数的方式的优点在于，频谱分量的中心频率以更大的精确度、来自其它频带的含量的干扰更小、更低的计算成本进行确定。
通过将另一多个频谱样本应用到所述多个频谱样本内，导致在频谱采样点之间产生更窄间隔的插值，即更多频谱样本可被包括在在围绕主要频谱样本的频率的多个频率的范围内的所述一组频谱样本中。这可提高时间精细结构参数的精度。
时间精细结构参数可包括传入声学信号的频率参数、能量参数和相位参数。如前面提及的，传入声学信号可通过正弦波表示，其通过频率参数、能量参数(如正弦波的高度)和相位参数表征。
在本发明中，样本的能量、能量差或窗口能量差也可被记为功率、功率差或窗口功率差或者振幅、振幅差或窗口振幅差。是使用功率、能量还是振幅确定时间精细结构参数并不重要。
耳蜗植入件可包括耳蜗刺激系统。
助听器可包括耳蜗刺激系统和/或耳蜗植入件。
定义
在本说明书中，耳蜗刺激系统或者包括耳蜗刺激系统的助听器指适于改善和/或增强用户的听觉能力的装置，其通过从用户环境接收声信号、产生对应的电音频信号、可能修改该电音频信号、及将可能已修改的电音频信号经由电极阵列提供的刺激作为可听见的信号提供给用户的至少一只耳朵而实现。
更一般地，助听器包括用于从用户环境接收声信号并提供对应的输入音频信号的输入变换器和/或以电子方式(即有线或无线)接收输入音频信号的接收器、用于处理输入音频信号的(通常可配置的)信号处理电路(如信号处理器，例如包括可配置(可编程)的处理器，例如数字信号处理器)、及用于根据处理后的音频信号将听得见的信号提供给用户的输出单元。信号处理器可适于在时域或者在多个频带处理输入信号。在一些助听器中，放大器和/或压缩器可构成信号处理电路。信号处理电路通常包括一个或多个(集成或单独的)存储元件，用于执行程序和/或用于保存在处理中使用(或可能使用)的参数和/或用于保存适合助听器功能的信息和/或用于保存例如结合到用户的接口和/或到编程装置的接口使用的信息(如处理后的信息，例如由信号处理电路提供)。在一些助听器中，输出单元可包括变换器，例如用于提供结构或液体传播的声信号的振动器。在一些助听器中，输出单元可包括一个或多个用于提供电信号的输出电极(例如用于电刺激耳蜗神经的多电极阵列)。
在一些助听器中，振动器可适于经皮或由皮将结构传播的声信号传给颅骨。在一些助听器中，振动器可植入在中耳和/或内耳中。在一些助听器中，振动器可适于将结构传播的声信号提供给中耳骨和/或耳蜗。在一些助听器中，振动器可适于例如通过卵圆窗将液体传播的声信号提供到耳蜗液体。在一些助听器中，输出电极可植入在耳蜗中或植入在颅骨内侧上，并可适于将电信号提供给耳蜗的毛细胞、一个或多个听觉神经、听觉脑干、听觉中脑、听觉皮层和/或大脑皮层的其它部分。
“助听器系统”指包括一个或两个助听器例如一个BTE单元和一耳蜗植入物的系统。“双耳助听器系统”指包括两个助听器并适于协同地向用户的两只耳朵提供听得见的信号的系统。助听器系统或双耳助听器系统还可包括一个或多个“辅助装置”，其与助听器通信并影响和/或受益于助听器的功能。辅助装置例如可以是遥控器、音频网关设备、移动电话(如智能电话)或音乐播放器。助听器、助听器系统或双耳助听器系统例如可用于补偿听力受损人员的听觉能力损失和/或增强正常听力人员的听觉能力和/或将电子音频信号传给人。助听器或助听器系统例如可形成广播系统、主动耳朵保护系统、免提电话系统、汽车音频系统、娱乐(如卡拉OK)系统、远程会议系统、教室放大系统等的一部分或者与其交互。
附图说明
本发明的各个方面将从下面结合附图进行的详细描述得以最佳地理解。为清晰起见，这些附图均为示意性及简化的图，它们只给出了对于理解本发明所必要的细节，而省略其他细节。在整个说明书中，同样的附图标记用于同样或对应的部分。每一方面的各个特征可与其他方面的任何或所有特征组合。这些及其他方面、特征和/或技术效果将从下面的图示明显看出并结合其阐明，其中：
图1示出了耳蜗刺激系统的例子。
图2示出了耳蜗刺激系统的另一例子。
图3示出了耳蜗刺激系统的另一例子。
图4A、4B和4C示出了信号处理器的例子。
图5A和5B示出了怎样确定时间精细结构参数的例子。
图6A和6B示出了怎样确定多个窗能级差的例子。
图7A、7B和7C示出了窗口函数的例子。
图8A和8B示出了窗口分析器的例子。
图9示出了耳蜗刺激系统的例子。
图10示出了耳蜗植入件的例子。
具体实施方式
下面结合附图给出的具体描述用作多种不同配置的描述。具体描述包括用于提供多个不同概念的彻底理解的具体细节。然而，对本领域技术人员显而易见的是，这些概念可在没有这些具体细节的情形下实施。装置和方法的几个方面通过多个不同的块、功能单元、模块、元件、电路、步骤、处理、算法等(统称为“元素”)进行描述。根据特定应用、设计限制或其他原因，这些元素可使用电子硬件、计算机程序或其任何组合实施。
当由对应的过程适当代替时，上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的和/或权利要求中限定的装置的结构特征可与用于确定时间精细结构参数的方法的步骤结合。
除非明确指出，在此所用的单数形式“一”、“该”的含义均包括复数形式(即具有“至少一”的意思)。应当进一步理解，说明书中使用的术语“具有”、“包括”和/或“包含”表明存在所述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。应当理解，除非明确指出，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，可以是直接连接或耦合到其他元件，也可以存在中间插入元件。如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个列举的相关项目的任何及所有组合。除非明确指出，在此公开的任何方法的步骤不必须精确按所公开的顺序执行。
应意识到，本说明书中提及“一实施例”或“实施例”或“方面”或者“可”包括的特征意为结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一实施方式中。此外，特定特征、结构或特性可在本发明的一个或多个实施方式中适当组合。提供前面的描述是为了使本领域技术人员能够实施在此描述的各个方面。各种修改对本领域技术人员将显而易见，及在此定义的一般原理可应用于其他方面。
权利要求不限于在此所示的各个方面，而是包含与权利要求语言一致的全部范围，其中除非明确指出，以单数形式提及的元件不意指“一个及只有一个”，而是指“一个或多个”。除非明确指出，术语“一些”指一个或多个。
因而，本发明的范围应依据权利要求进行判断。
图1示出了用于确定传入声学信号3的频谱分量的时间精细结构(TFS)参数的耳蜗刺激系统1的例子。该系统1包括配置成接收传入声学信号3的变换器2，其中长度为N个样本的采样的音频信号4基于传入声学信号3提供。
系统1配置成根据帧时钟事件或顺序或并行地确定多个长度为N个样本的采样的音频信号4的TFS参数。
系统1包括存储单元5，其包括从窗口函数14的长度N的窗谱14A产生的多个窗频差ΔWF和/或多个窗能级差ΔWE。
变换器2通过模数转换器连接到窗口分析器6，模数转换器配置成产生长度N个样本的采样的音频信号并转发给窗口分析器6。
非必须地，变换器2连接到基于传入声学信号3产生包括长度N个样本的采样的音频信号的多个样本的模数转换器。该多个样本被存储在样本缓冲器中，及样本缓冲器之后将采样的音频信号4传给窗口分析器6。样本缓冲器未在图1中示出。
窗口分析器6连接到存储单元5。
窗口分析器6配置成通过进行时域到频域变换(8，未示出)及使采样的音频信号乘以(9，未示出)时域的窗口函数14，或者使频域的窗谱14A与频域的采样的音频信号4卷积(10，未示出)，而提供多个频谱样本7。
多个频谱样本7被转发给信号处理器11，其配置成估计采样的音频信号4的全频率范围的时间精细结构参数(TFS)。
时间精细结构参数(TFS)通过定位多个频谱样本7中具有最大能级的主要频谱样本20进行估计。具有最大能级的主要频谱样本20指示接近频谱样本7的主瓣的实际中心频率定位的样本。实际中心频率为记为频率参数FTFS的TFS参数。
对于多个频谱样本7的一组频谱样本12，在围绕主要频谱样本20的多个频率的范围13内，估计一组频谱样本12的一个或多个频谱样本的能级差ΔE。
在本例子中，一组频谱样本12包括五个频谱样本，其包括主要频谱样本20和四个其它频谱样本。每一样本通过能级和频率定义。对于一组频谱样本12内的每一频谱样本，在两个频率相邻的样本之间确定能级差ΔE。
信号处理器11则配置成提取将针对其确定TFS参数的有关窗口函数。有关窗口函数的提取通过选择与采样的音频信号最佳地对应的窗口函数进行，例如通过确定每一窗口函数与采样的音频信号之间的标准偏差然后选择具有最低标准偏差的窗口函数进行。所选的窗口函数即为有关窗口函数。在该例子中，能级差(ΔE1,ΔE2,ΔE3,ΔE4)用于从存储单元5提取有关窗口函数14。
然后，基于能级差(ΔE1,ΔE2,ΔE3,ΔE4)及基于能级差提取的窗口函数14确定时间精细结构参数(TFS)。该方法也在图4B中描述。
图2示出了耳蜗刺激系统1的另一例子，其中窗口分析器配置成进行采样的音频信号4与窗口函数14的乘积9的时域到频域变换如快速傅里叶变换。窗口分析器6可从存储单元5接收窗口函数14，例如通过传给存储单元的请求信号。
多个频谱样本7之后被传给信号处理器11。
图3示出了耳蜗刺激系统1的又一例子，其中窗口分析器6配置成进行窗口函数14和/或采样的音频信号6的时域到频域变换8然后进行频域中的窗口函数14与频域中的采样的音频信号6的卷积。例如，窗口函数的时域到频域变换仅需要对包括采样的音频信号4的第一样本帧进行，无需对包括另一采样的音频信号4A的随后的样本帧进行。
图4A、4B和4C示出了信号处理器11的例子。在图4A中，信号处理器11将一组频谱样本12中的所述频谱样本的能级差(ΔE1,ΔE2,ΔE3,ΔE4)转发给存储单元，其然后基于窗口函数14针对每一能级差(ΔE1,ΔE2,ΔE3,ΔE4)估计频率差(ΔF1,ΔF2,ΔF3,ΔF4)。存储单元通过使能级差(ΔE1,ΔE2,ΔE3,ΔE4)与存储的作为频率的函数的窗能级差(ΔWE1,ΔWE2,ΔWE3,ΔWE4)相关而取得频率差，与能级差最佳相关的窗能级差的频率差被传给信号处理器15。在另一例子中，信号处理器11可通过基于从信号处理器给存储单元的输入例如能级差(ΔE1,ΔE2,ΔE3,ΔE4)从存储单元接收窗口函数14而估计频率差(ΔF1,ΔF2,ΔF3,ΔF4)。
信号处理器11然后配置成确定(15)时间精细结构参数TFS，包括基于一组频谱样本的每一频谱样本的频率差(ΔF1,ΔF2,ΔF3,ΔF4)和频率(F1,F2,F3,F4)的频率参数FTFS。在图4A所示的例子中，频率参数FTFS为一组频谱样本12的峰值的频率。在其它例子中，频率参数FTFS可不同于一组频谱样本12的峰值。怎样确定频率参数的进一步阐述在图5A中示出。
在图4B中，信号处理器11进一步配置成确定(15)包括能量参数ETFS的时间精细结构参数TFS。信号处理器11将能级差(ΔE1,ΔE2,ΔE3,ΔE4)传给存储单元，其然后基于能级差(ΔE1,ΔE2,ΔE3,ΔE4)将窗口函数14或窗能级差(ΔWE1,ΔWE2,ΔWE3,ΔWE4)传给信号处理器11。将被选择和传送的作为频率的函数的窗口函数14或窗能级差(ΔWE1,ΔWE2,ΔWE3,ΔWE4)或具有最高相关因子或相对于作为频率的函数的能级差具有最低标准偏差。这意味着，与能级差之一最佳相关的窗能级差将被选择和传送。这将对传给存储单元的所有能级差重复。信号处理器然后配置成基于一组频谱样本12的窗能级差(ΔWE1,ΔWE2,ΔWE3,ΔWE4)和能级(E1,E2,E3,E4)确定能量参数ETFS。能量参数基于作为频率的函数的窗能级差(ΔWE1,ΔWE2,ΔWE3,ΔWE4)和作为频率的函数的能级(E1,E2,E3,E4)进行插值。在另一例子中，信号处理器11配置成基于从存储单元5接收的窗口函数14估计窗能级差(ΔWE1,ΔWE2,ΔWE3,ΔWE4)。将从存储单元传送的窗口函数为最适合采样的音频信号的窗口函数，这意味着所选窗口函数的形状为与采样的音频信号的形状最佳相关的形状。之后，对于作为频率的函数的每一能级(E1,E2,E3,E4)，基于窗口函数14确定窗能级差。
在图4C中，信号处理器11配置成估计包括相位参数的时间精细结构参数TFS。当信号处理器11已按图4A中所述估计频率参数FTFS时，相位参数/>可通过一组频谱样本12的多个频谱样本的相位/>的插值在频率参数FTFS下进行估计。
每一频谱样本7通过频率F、能级E和相位定义。
在另一例子中，信号处理器11可通过确定一组频谱样本12的多个频谱样本的相位的中值而确定相位参数/>
图5A和5B示出了怎样确定(15)时间精细结构参数TFS。在图5A中，通过针对一组频谱样本12中的多个频谱样本的每一个对频率差(ΔF1,ΔF2,ΔF3,ΔF4)和相应频率(F1,F2,F3,F4)求和(17)而针对一组频谱样本12中的多个频谱样本的每一个确定频谱样本7的主瓣的中心频率。之后，通过对计算的中心频率(Fc1,Fc2,Fc3,Fc4)求平均或者求得计算的中心频率的中值18而确定频率参数FTFS。例如，如果考虑图4A-4C，则下面的中心频率(Fc1,Fc2,Fc3,Fc4)可被确定：
Fc1＝F1+ΔF1+ΔF2
Fc2＝F2+ΔF2
Fc3＝F3+ΔF3
Fc4＝F4+ΔF3+ΔF4
及频率参数可通过对确定的中心频率求平均进行确定：
该方法并不限于求平均或中值法，该方法可使用插值18或任何其它适当的方法代替求平均或中值法。
在图5A中，通过针对一组频谱样本12中的多个频谱样本的每一个对窗能级差(ΔWE1,ΔWE2,ΔWE3,ΔWE4)与相应能级(E1,E2,E3,E4)求和(17)而针对一组频谱样本12的多个频谱样本的每一个确定频谱样本7的主瓣的峰值能级。之后，通过对峰值能级求平均(18)或者求得峰值能级的中值(18)而确定能量参数ETFS。再次强调，该方法并不限于求平均或中值法，该方法可使用插值18或任何其它适当的方法代替求平均或中值法。之后，通过对计算的峰值能级(Ep1,Ep2,Ep3,Ep4)求平均或者求得计算的峰值能级的中值18而确定能量参数ETFS。例如，如果考虑图4A-4C，则下面的峰值能级(Ep1,Ep2,Ep3,Ep4)可被确定：
Ep1＝E1+ΔWE1+ΔWE2
Ep2＝E2+ΔWE2
Ep 3＝E3+ΔWE3
Ep 4＝E4+ΔWE3+ΔWE4
及能量参数ETFS可通过对确定的峰值能级求平均进行确定：
在图5B中，信号处理器11还配置成在确定(15)频率参数FTFS之后估计(15)相位参数之后，通过一组频谱样本12的多个频谱样本的相位/>的插值而在频率参数FTFS下估计(19)相位参数/>相位参数/>的估计不限于插值，而是可使用任何其它适当的方法。
图6A和6B示出了怎样基于窗口函数14确定窗能级差ΔWE。在图6A中，多个窗能级差中的窗能级差ΔWE在窗谱14A的第一频率F1下第一样本n1的第一能级E1到第二样本n2的第二频率F2下的第二能级E2之间，其中第一频率F1和第二频率F2在围绕主要频谱样本的多个频率的范围13内。
在图6B中，多个窗能级差中的窗能级差ΔWE在第一样本n1的第一能级E1到在频率参数FTFS下的能级ET之间，其中第一频率F1在围绕主要频谱样本20的多个频率的范围13内。
图7A、7B和7C示出了窗口函数14的三个不同例子。在图7A中，输入为通过信号处理器11基于一组频谱样本12确定的能级差ΔE，及输出为窗能级差ΔWE。在图7B中，输入为估计的频率差ΔF，及输出为窗能级差ΔWE。在图7C中，输入为通过信号处理器11基于一组频谱样本12确定的能级差ΔE，及输出为频率差ΔF。
可以看出，图7A中所示的窗口函数14为图7B和7C的窗口函数14的组合。
图7A中的窗口函数(14,W,wf)可记为：
ΔWE＝wf(ΔE)
图7B中的窗口函数(14,W,wg)可记为：
ΔWE＝wg(ΔF)
图7C中的窗口函数(14,W,wh)可记为：
ΔF＝wh(ΔE)
图7A中所示的窗口函数可推导如下：
ΔWE＝wg(wh(ΔE))，其中wg(wh)为wf，导致ΔWE＝wf(ΔE)。
因此，存储单元5可包括多个窗口函数14，及存储单元5或信号处理器11可配置成组合两个以上窗口函数14以产生新的窗口函数14。
图8A和8B示出了窗口分析器6的两个例子。在图8A中，通过使采样的音频信号4乘以频移系数CFS将频移施加到采样的音频信号而确定另一多个频谱样本7B，其中经频移的采样的音频信号4B与窗口函数14相乘(9)然后从时域变换到频域(8)。在图8B中，通过使频域中的窗谱14A与频域中的经频移的采样的音频信号4B卷积而确定另一多个频谱样本7B。在图8A和8B中，另一多个频谱样本7B被应用或与多个频谱样本(7,7A)组合。
频移系数CFS可定义如下：
其中，fshift为想要的频移，及fsample为采样的音频信号4的目前样本频率。
图0示出了耳蜗刺激系统1的另一例子，包括配置成提供用于将时间精细结构参数TFS提供给多个电极24中的一电极的事件的事件发生器23，其中所述事件基于相位参数产生。当在0和2*pi之间的恒定相位因数/>与相位参数/>之间的相位差等于零或预定常数时，提供事件。
图10示出了包括耳蜗刺激系统1的耳蜗植入件30，其包括耳后单元31，该单元可包括耳蜗刺激系统1的至少一部分，例如变换器2、窗口分析器6和信号处理器11，及非必须地，存储单元5。作为备选，存储单元5可以是移动电话32或任何移动设备32的一部分。感应器单元34经连接单元如包括一根或多根导线的管连接到耳后单元31。感应器单元34还感应连接到植入单元35。植入单元35则连接到多个电极24。

Claims (15)

1.用于确定采样的音频信号的全频率范围的频谱分量的时间精细结构参数的耳蜗刺激系统，所述系统包括：
-配置成接收传入声学信号的变换器，及其中长度为N个样本的采样的音频信号基于传入声学信号提供；
-包括多个电极的电极阵列；
-窗口分析器，用于通过在时域使采样的音频信号乘以窗口函数并进行相乘的采样的音频信号和窗口函数的时域到频域变换或者通过使频域的窗谱和频域的采样的音频信号卷积而提供多个频谱样本，其中，窗口函数包括在作为频率的函数的每样本能量或作为频率的函数的样本间峰值能量差、和/或作为每样本能量差的函数的峰值能量差之间的函数；及
-用于估计采样的音频信号的全频率范围的时间精细结构参数的信号处理器，其中时间精细结构参数为传入声学信号的频率参数、能量参数或相位参数，其中时间精细结构参数通过下述处理进行估计：
--定位多个频谱样本中具有最大能级的主要频谱样本；
--针对多个频谱样本中的一组频谱样本估计该组频谱样本中的一个或多个频谱样本的能级差，其中所述能级差在所述一组频谱样本中的一个或多个频谱样本之间确定，及其中所述一组频谱样本中的每一频谱样本具有围绕主要频谱样本的多个频率的范围内的频率；及
--基于所述一组频谱样本的每一频谱样本的能级差及窗口函数确定时间精细结构参数，及
其中多个电极中的每一电极配置成基于时间精细结构参数提供电刺激。
2.根据权利要求1所述的耳蜗刺激系统，包括存储单元，其包括基于长度N的窗口函数的窗谱产生的多个窗频差和/或多个窗能级差，及其中所述窗谱包括表示采样的音频信号的理想形状的正弦信号的正弦信号；及
其中时间精细结构参数通过针对所述一组频谱样本的一个或多个能级差基于多个窗频差和多个窗能级差估计频率差及基于针对所述一组频谱样本的一个或多个能级差的频率差确定时间精细结构参数而进行估计。
3.根据权利要求2所述的耳蜗刺激系统，其中时间精细结构参数包括频谱分量的频率参数，其中频率参数通过下述处理确定：
-基于所述一组频谱样本中的一个或多个频谱样本的频率及所述一组频谱样本中的一个或多个频谱样本的频率差针对所述一组频谱样本的一个或多个频率差估计中心频率；及
-基于所述一组频谱样本的的中心频率计算频率参数。
4.根据权利要求1-3任一所述的耳蜗刺激系统，其中多个窗能级差中的一窗能级差在所述窗谱的第一频率下第一样本的第一能级到第二样本的第二频率下的第二能级之间，其中第一频率和第二频率在围绕主要频谱样本的多个频率的范围内；或者
其中多个窗能级差中的一窗能级差在第一样本的第一能级到频率参数下的能级之间，其中第一频率在围绕主要频谱样本的多个频率的范围内。
5.根据权利要求1-3任一所述的耳蜗刺激系统，其中所述一组频谱样本的一个或多个频谱样本的能级差在所述一组频谱样本的第一频谱样本的第一能级到所述一组频谱样本的第二频谱样本的第二能级之间。
6.根据权利要求2或3所述的耳蜗刺激系统，其中时间精细结构参数包括频谱分量的能量参数，及其中能量参数通过下述处理确定：
-基于窗口函数及所述一组频谱样本的一个或多个频谱样本的能量差，或者基于窗口函数及所述一组频谱样本的一个或多个频谱样本的频率差，提取所述一组频谱样本的一个或多个频谱样本的窗能级差；
-基于所述一组频谱样本的一个或多个频谱样本的窗能级差及所述一组频谱样本的一个或多个频谱样本的能级确定能量参数。
7.根据权利要求6所述的耳蜗刺激系统，其中频谱分量的能量参数还提供下述处理确定：
-确定能量补偿因子，其包括矩形窗谱在主瓣的最大能级时的能级与窗口函数的最大能级的能级之间的能量差，及
其中能量参数与能量补偿因子组合。
8.根据权利要求1所述的耳蜗刺激系统，其中时间精细结构参数包括通过所述一组频谱样本中的频谱样本的相位的插值在频率参数下确定的相位参数。
9.根据权利要求1-3任一所述的耳蜗刺激系统，其中所述一组频谱样本包括两个以上频谱样本。
10.根据权利要求1-3任一所述的耳蜗刺激系统，其中窗口分析器配置成：
-通过将频移施加到采样的音频信号并进行时域到频域变换及使经频移的采样的音频信号乘以时域窗口函数或者通过使频域中的窗谱与频域的经频移的采样的音频信号卷积确定另一多个频谱样本；及
-将另一多个频谱样本应用到所述多个频谱样本。
11.根据权利要求8所述的耳蜗刺激系统，包括事件发生器，其配置成提供用于将时间精细结构参数提供给多个电极中的一电极的事件，其中所述事件基于相位参数产生。
12.根据权利要求11所述的耳蜗刺激系统，其中在0和2*pi之间的恒定相位因数与相位参数之间的相位差等于零或预定常数时提供所述事件。
13.根据权利要求11所述的耳蜗刺激系统，其中相位差除以用于确定时间精细结构参数的帧时钟事件的样本频率。
14.根据权利要求11-13任一所述的耳蜗刺激系统，其中所述事件在一时间延迟之后产生，其中所述时间延迟通过下面的等式确定：
其中为用于确定时间精细结构参数的帧时钟事件与频率参数之间的比，及/>为相位参数。
15.一种耳蜗植入件，包括根据权利要求1-14任一所述的耳蜗刺激系统。
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