CN1732871A - 带有片上信号处理器的双向多通道人工耳蜗系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带有片上信号处理器的双向多通道人工耳蜗系统，属于电子信息技术和医疗器械领域。该系统由体外和体内两部分电路以及电极组构成。体外电路用于采集声音信号并将其放大调制后以无线方式发送给体内电路，同时提供用于对体内电路进行编程和测量的计算机接口。体内电路从接收到的调制信号中解调出基带信号并将其数字化后，通过内置的数字信号处理器进行处理，以此来控制电极组的输出、进行在线编程或提供反向测量结果。该系统将低功耗的数字信号处理器集成到体内电路上，使体外电路只需向体内电路传输未经处理的窄带模拟语音信号，取消了无线传输带宽的限制，提高了体内数据处理精度。此外，该系统还具有远程更新升级能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种带有片上信号处理器的双向多通道人工耳蜗系统，属于电子信息技术和医疗器械领域。
背景技术
医学上把听阈在90分贝以上的患者统称为全聋。大部分患者全聋的原因是毛细胞的损伤而不是听神经的功能衰退。人工耳蜗是用于治疗传感性耳聋的一种医疗电子仪器，其功能是代替病变的毛细胞完成声—电转换，用带有声音信息的电信号刺激残存的听神经，使患者产生真实的听觉感受，从而达到恢复患者听力的目的。当前人工耳蜗系统的语音处理器普遍采用频率分解算法，依靠体外电路完成声音电信号的数字化、分解滤波并编码后再以无线方式传给体内电路。由于电极数目大，刺激频率高，所传输的数据量往往很大，需要占用大量带宽(通常在百KHz甚至MHz量级)，在载频受限的情况下必然导致数据精度不足以及能量传输效率低下，进而影响系统的性能。
发明内容
本发明针对上述背景技术中所存在的不足，提出一种在体内电路集成数字信号处理器的双向多通道人工耳蜗系统，以达到提高系统精度和降低功耗的目的。在当前的技术条件下，在体内电路中集成小体积、极低功耗的数字信号处理器已经成为可能。在体内电路中集成数字信号处理器可将语音信号的分解滤波及其他相关处理任务移至体内完成，使得体外电路仅需要向体内电路传输带宽很窄(几KHz，对比前述系统的几百KHz甚至几MHz)的完整的模拟语音信号，首先消除了传输带宽受限的问题，提高了体内数据处理精度；其次提高了能量传输效率，降低了系统功耗。
本发明提出的带有片上信号处理器的双向多通道人工耳蜗系统包括相互无线耦合的体外电路、体内电路以及与体内电路相连的电极组：
(1)所述体外电路包括声音采集单元、自动增益控制单元、计算机接口单元、调制器、比较器和体外天线，其中，
声音采集单元，由两个麦克风组成，该声音采集单元用于采集两路语音或一路语音和一路噪声信号；
自动增益控制单元，由两个自动增益控制电路组成，其输入端分别与上述的两个麦克风的输出端相连，该自动增益控制单元用于调整上述声音采集单元输出信号的动态范围；
计算机接口单元，用于所述系统与计算机的连接；
调制器，由晶体管和阻容元件构成，该调制器的两个输入端分别与上述自动增益控制单元的两个输出端相连，另一个输入端与上述计算机接口单元的输出端相连，所述调制器用于将上述自动增益控制单元输出的模拟声音信号或计算机指令调制到设定的载频信号上，并进行功率放大；
比较器，其输入端与上述调制器的电压信号输出端相连，其输出端与计算机接口单元的输入端相连，该比较器用于在反向测量时将上述调制器输出的电压信号与预置的电压值进行比较并将比较结果反馈给计算机；
体外天线，其输入端与上述调制器的调制信号输出端相连，该体外天线用于向体内电路发送已调制的信号；
(2)所述体内电路包括体内天线、整流滤波单元、时钟产生单元、解调器、模数转换器、数字信号处理器、反向数据输出单元、数模转换器、压控电流源组以及开关矩阵，该体内电路是把上述各电路单元集成在特征尺寸为0.18um的工艺下定制的面积为4mm×4mm的专用芯片上，其中，
体内天线，与上述体外天线相耦合，用于接收体外电路发送过来的调制信号；
整流滤波单元，其输入端与上述体内天线的输出端相连，该整流滤波单元用于对接收到的调制信号进行整流滤波后提取峰值电压作为体内其他电路单元的电源电压；
时钟产生单元，用于产生时钟信号作为体内电路的时钟基准；
解调器，其调制信号输入端与上述体内天线的输出端相连，其电压输入端与上述整流滤波单元的输出端相连，该解调器用于对接收到的调制信号进行解调后提取基带信号；
模数转换器，由一个A/D变换器组成，其模拟信号输入端与上述解调器的输出端相连，该A/D变换器用于将上述解调器输出的模拟基带信号转换成数字信号；
数字信号处理器，其时钟和数据信号输入端分别与上述时钟产生单元的输出端以及上述模数变换器的输出端相连，其电压输入端与上述整流滤波单元的输出端相连，该数字信号处理器用于对上述模数变换器输出的声音数据或计算机指令进行处理：对于声音信号，该数字信号处理器对其进行信号滤波、谐振点提取和频率分解后根据处理结果控制电极的输出，对于编程指令，该数字信号处理器则自动进入编程状态并把接收到的程序数据存入内部的指令存储器，对于测量指令，该数字信号处理器则实现反向数据测量操作；
反向数据输出单元，其数据输入端与上述数字信号处理器的输出端相连，其电压输入端与上述整流滤波单元的输出端相连，其输出端与上述天线相连，该反向数据输出单元用于根据上述数字信号处理器给出的反向测量数据的大小来输出相应宽度的脉冲，并以脉冲作为开关来改变天线负载，向体外电路传递反向测量数据；
数模转换器，由一个D/A变换器构成，其输入端与上述数字信号处理器的输出端相连，该D/A变换器用于将数字信号处理器输出的数字信号转换成模拟电压量；
压控电流源组，其输入端与上述数模转换器的输出端相连，该压控电流源组用于将上述数模转换器输出的电压量转化成相应大小的电流值；
开关矩阵，其输入端与上述压控电流源组的输出端相连，其控制端与上述数字信号处理器的输出端相连，所述开关矩阵用于在上述数字信号处理器的控制下选通要实施刺激的电极通道并在相应通道上输出刺激电流；
(3)所述电极组，由一组敷以特氟隆绝缘涂层的硅橡胶电极构成，其输入端与上述体内电路的开关矩阵相连，其输出端直接与听神经相连，该电极组用于将上述开关矩阵相应通道上的输出电流导接到听神经上刺激听神经。
本发明提出的带有片上信号处理器的双向多通道人工耳蜗系统，通过在体内电路上集成小体积低功耗的数字信号处理器，使系统具有强大的体内数据处理能力。由此体外电路只需向体内电路传输未经处理的纯粹的窄带模拟语音信号，既提高了系统的精度，又降低了无线传输过程中的能量损失。该系统语音信号的采样率在8K×12bit/s以上，电极的脉冲总刺激率在1MHz以上，总功耗在20mW以下(体内电路功耗在10mW以下)，体外电路总体积在40mm×25mm×10mm以下，重量不足200g，体内芯片面积在4mm×4mm以下，整个系统具有精度高、功耗低、体积小和重量轻等优点。此外，体内的数字信号处理器还可以装载多种语音处理算法，并能通过远程在线编程随时加入新的语音处理算法。
附图说明
图1是本发明的系统结构框图：a是体外电路结构框图；b是体内电路结构框图。
具体实施方式
本发明提出的带有片上信号处理器的双向多通道人工耳蜗系统，其结构框图如图1所示。其体外电路包括：声音采集单元、自动增益控制单元、计算机接口单元、调制器、比较器和体外天线；体内电路包括：体内天线、整流滤波单元、时钟产生单元、解调器、模数转换器、数字信号处理器、反向数据输出单元、数模转换器、压控电流源组以及开关矩阵；体内电路通过电极组与听神经相连。
系统的工作原理如下所述。正常工作状态下，体外电路的声音采集单元首先将声音转换成模拟电信号，经过自动增益控制单元放大后，调制器直接将其调制到天线输出；编程或测量状态下，调制器输入的则是指令数据，由计算机通过计算机接口给出，同样以模拟的方式调制到天线输出，比较器则检测调制器输出电压以获取反向测量数据。体内天线收到的信号首先送到整流滤波单元提取出体内电路工作所需的电源电压，体内电路所需的时钟基准则由时钟产生单元给出，与此同时解调器从收到的调制信号中恢复出基带信号，再经过模数转换器转换成数字信号后送给数字信号处理器，数字信号处理器对不同类型的数据进行相应的处理：对于声音数据，需要完成信号滤波、谐振点提取和频率分解等运算，处理结果被送到数模转换器上转换成模拟电压，然后通过压控电流源组转换成电流，开关矩阵在数字信号处理器的控制下把电流接到相应的电极上刺激听神经；对于编程指令，数字信号处理器则自动进入编程状态，并将接受到的程序数据存入内部的程序存储器中；对于测量指令，则将测量结果送至反向数据输出单元，通过该单元改变天线负载将测量数据传给体外电路。
该方案的一个实施例中，声音采集单元中麦克风的型号是EM-100B，自动增益控制单元的型号是MAX4252，比较器的型号为MAX987，运算控制单元由简单的门电路构成，调制器则由晶体管和阻容元件构成，计算机接口采用RS-232接口，天线由一对电感线圈构成，体内电路全部集成在特征尺寸为0.18um工艺下定制的面积为4mm×4mm的专用芯片上，电极组由17根敷以特氟隆绝缘涂层的硅橡胶电极构成。整个系统采用全3.6伏电源设计，用一块3.6伏的锂充电电池或三节镍氢电池供电，使用低压差线性稳压器输出3.3V和1.8V工作电压。体内电路和电极组植入患者耳蜗，体外天线置于患者耳边与体内天线相耦合，体外电路(除天线外)则封装在大小为40mm×25mm×10mm的盒内，并通过导线和体外天线相连。
患者可将盒装的体外电路随身携带，并可置于身体的任何部位。
Claims (1)
1、一种带有片上信号处理器的双向多通道人工耳蜗系统，其特征在于该系统包括相互无线耦合的体外电路、体内电路以及与体内电路相连的电极组：
(1)所述体外电路包括声音采集单元、自动增益控制单元、计算机接口单元、调制器、比较器和体外天线，其中，
声音采集单元，由两个麦克风组成，该声音采集单元用于采集两路语音或一路语音和一路噪声信号；
自动增益控制单元，由两个自动增益控制电路组成，其输入端分别与上述的两个麦克风的输出端相连，该自动增益控制单元用于调整上述声音采集单元输出信号的动态范围；
计算机接口单元，用于所述系统与计算机的连接；
调制器，由晶体管和阻容元件构成，该调制器的两个输入端分别与上述自动增益控制单元的两个输出端相连，另一个输入端与上述计算机接口单元的输出端相连，所述调制器用于将上述自动增益控制单元输出的模拟声音信号或计算机指令调制到设定的载频信号上，并进行功率放大；
比较器，其输入端与上述调制器的电压信号输出端相连，其输出端与计算机接口单元的输入端相连，该比较器用于在反向测量时将上述调制器输出的电压信号与预置的电压值进行比较并将比较结果反馈给计算机；
体外天线，其输入端与上述调制器的调制信号输出端相连，该体外天线用于向体内电路发送已调制的信号；
(2)所述体内电路包括体内天线、整流滤波单元、时钟产生单元、解调器、模数转换器、数字信号处理器、反向数据输出单元、数模转换器、压控电流源组以及开关矩阵，该体内电路是把上述各电路单元集成在特征尺寸为0.18um的工艺下定制的面积为4mm×4mm的专用芯片上，其中，
体内天线，与上述体外天线相耦合，用于接收体外电路发送过来的调制信号；
整流滤波单元，其输入端与上述体内天线的输出端相连，该整流滤波单元用于对接收到的调制信号进行整流滤波后提取峰值电压作为体内其他电路单元的电源电压；
时钟产生单元，用于产生时钟信号作为体内电路的时钟基准；
解调器，其调制信号输入端与上述体内天线的输出端相连，其电压输入端与上述整流滤波单元的输出端相连，该解调器用于对接收到的调制信号进行解调后提取基带信号；
模数转换器，由一个A/D变换器组成，其模拟信号输入端与上述解调器的输出端相连，该A/D变换器用于将上述解调器输出的模拟基带信号转换成数字信号；
数字信号处理器，其时钟和数据信号输入端分别与上述时钟产生单元的输出端以及上述模数变换器的输出端相连，其电压输入端与上述整流滤波单元的输出端相连，该数字信号处理器用于对上述模数变换器输出的声音数据或计算机指令进行处理：对于声音信号，该数字信号处理器对其进行信号滤波、谐振点提取和频率分解后根据处理结果控制电极的输出，对于编程指令，该数字信号处理器则自动进入编程状态并把接收到的程序数据存入内部的指令存储器，对于测量指令，该数字信号处理器则实现反向数据测量操作；
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