DE102016219511A1

DE102016219511A1 - Am Kopf tragbare Einheit mit einem Verbinder zu einer neuralen Schnittstelle

Info

Publication number: DE102016219511A1
Application number: DE102016219511.5A
Authority: DE
Inventors: Tamas HARCZOS
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-10-07
Filing date: 2016-10-07
Publication date: 2018-04-12
Also published as: JP2019537464A; US20190231203A1; WO2018065609A1; JP7050056B2; EP3522978A1

Abstract

Eine am Kopf tragbare Einheit weist eine Form eines Kopfhörers oder Kopfbandes auf. Die am Kopf tragbare Einheit weist einen Verbinder zu einer neuralen Schnittstelle, einen Prozessor zum Verarbeiten von Signalen, die von der neuralen Schnittstelle empfangen werden/über die neurale Schnittstelle übertragen werden, sowie eine Leistungsversorgung auf.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine am Kopf tragbare Einheit, die die Form eines Kopfhörers oder eines Kopfbandes aufweist und die einen Verbinder zum Verbinden einer neuralen Schnittstelle aufweist.
Eine neurale Schnittstelle ist typischerweise eine implantierte Einheit, die sich in engem Kontakt zu einem spezifischen Nerv oder zu Nervenfasern oder zu Neuronen eines Implantatträgers befindet. Die neurale Schnittstelle kann als ein Stimulator (z. B. ein prothetisches sensorisches Gerät) oder als ein neurales Aufzeichnungsgerät wirken oder kann eine Kombination der beiden sein.
Beispiele für neurale Stimulatoren sind ein Cochlea-Implantat, ein Netzhautimplantat, ein Hirnstammimplantat, eine kortikales Implantat, eine Schnittstelle zur Tiefenhirnstimulation und/oder eine Schnittstelle für eine Nervus-vagus-Stimulation. Ein neurales Aufzeichnungsgerät kann Signale von dem Kortex oder dem peripheren Nervensystem aufzeichnen. Darüber hinaus gibt es nicht-implantierte neurale Schnittstellen, z. B. eine Kopfhauteinheit, die auch als Einheit für Elektroenzephalographie (EEG) bezeichnet wird, die dazu ausgebildet sind, die neurale Aktivität von außen aufzuzeichnen.
Aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung der Rechentechnologie und der guten bestehenden Biokompatibilität florieren neurale Prothesen und insbesondere sensorische Prothesen wie Cochlea- und Netzhautimplantate. Obwohl diese Implantate prinzipiell funktionieren, könnten sie erheblich besser arbeiten, wenn sie Rechenmodelle verwenden würden, die für die neurale Verarbeitung unterschiedlicher Modalitäten bereits verfügbar sind [1] [2] [3]. Allerdings würde die Echtzeitsimulation fortschrittlicher Modelle einer neuralen Verarbeitung viel mehr Energie verbrauchen [4]. Leider gibt es kein Mooresches Gesetz für Batterien [5], was bedeutet, dass Energiequellen nicht in dem Umfang kleiner werden können, der benötigt wird, um – die aktuell typischen – Hinter-dem-Ohr-Implantatprozessoren, die fortschrittliche Modelle nutzen würden, in ihrer üblichen Größe zu bauen. Daher besteht ein Bedarf für einen verbesserten Ansatz.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Konzept zu schaffen, das es ermöglicht, den Engpass der beschränkten Batteriekapazität und der beschränkten Prozessorleistung zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sehen die am Kopf tragbare Einheit vor, die die Form eines Kopfhörers oder eines Kopfbandes aufweist. Die am Kopf tragbare Einheit weist zumindest einen Verbinder auf, wie etwa einen Elektromagnetische-Strahlung-Verbinder oder allgemein einen drahtlosen oder verdrahteten Verbinder zum Verbinden einer neuralen Schnittstelle, z. B. ein Cochlea-Implantat. Die Einheit weist ferner einen Prozessor (Einzelkern- oder Multikernprozessor) zum Verarbeiten der Signale auf, die von der neuralen Schnittstelle zu empfangen sind oder über die neurale Schnittstelle zu übertragen sind. Zusätzlich dazu weist die Einheit eine Leistungsversorgung wie etwa eine Batterie, z. B. eine wiederaufladbare Batterie, oder eine Art von Energie-Harvester (bzw. Energiegewinnungseinrichtung) auf, z. B. ein Solarpanel. Hier kann die Verbindung den Zweck aufweisen, mit der neuralen Schnittstelle zu kommunizieren und/oder derselben elektrische Energie bereitzustellen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung basieren auf dem Prinzip, dass der „Kopfhörerprozessor” dabei hilft, die Rechenleistung zu steigern, die von der ohne Weiteres in den Formfaktor eines Kopfhörers oder eines Kopfbandes eingebetteten höherkapazitiven Batterie unterstützt wird. Für Cochlea-Implantate (CI) wurden mehrere fortschrittliche Signalverarbeitungsschemata entwickelt, wobei die Hindernisse für eine praktische am Körper getragene Implantation immer die Verarbeitungsleistung und die Batterielebensdauer gewesen sind. Diese Hindernisse können überwunden werden, wenn die Leistungsversorgung und der Prozessor in einen Kopfhörer oder in ein Kopfband integriert werden. Von der Gestaltungsperspektive ergibt diese Form auch Sinn, da Kopfhörer zu Lifestyle-Produkten geworden sind, so dass es trendig ist, Kopfhörer zu tragen und damit in der Öffentlichkeit gesehen zu werden. Dieser Kopfhörer/dieses Kopfband weist zusätzliche Vorteile auf, die in Bezug auf die weiteren Ausführungsbeispiele beschrieben werden.
Die Verbindung zwischen dem Verbinder (ein Teil des Kopfhörers) und dem Implantat (typischerweise einige Millimeter unter dem Kranium oder der Kopfhaut angeordnet) kann gemäß Ausführungsbeispielen unter Verwendung von elektromagnetischer Strahlung (z. B. Induktion oder Funkfrequenzverbindung), d. h., drahtlos, oder unter Verwendung von Elektrizität, d. h., verdrahtet, oder unter Verwendung von Licht, entweder über eine lichtdurchlässige oder eine auf optischen Fasern basierende Übertragung, (oder jegliche Kombination derselben) realisiert werden. Eine perkutane Verbindung ermöglicht solch eine verdrahtete oder auf Fasern basierende Übertragung, wohingegen eine transkutane Verbindung eine verdrahtete Übertragung ermöglicht.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht eine am Kopf tragbare Einheit vor, die einen oder mehrere Umfeldsensoren aufweist. Gemäß den Ausführungsbeispielen können die Umfeldsensoren ein Mikrofon, eine Mehrzahl von Mikrofonen, zumindest zwei Mikrofone, die in unterschiedliche Richtungen zeigen, und/oder zumindest drei Mikrofone, die dazu ausgebildet sind, Strahlenbildung durchzuführen, aufweisen. Hier liegt der Vorteil der Kopfhörerform darin, dass Mikrofone weiter voneinander beabstandet sein können und außerdem in unterschiedliche Richtungen gerichtet sein können, so dass das räumliche Schallfeld besser reproduziert werden kann. Hier weist die Form einen zweiten Vorteil auf, nämlich, dass die eine Einheit dem Benutzer Signale für beide Ohren bereitstellen kann. Jedoch ist zu beachten, dass es nicht notwendig ist, die Cochlea-Nerven beider Seiten (links und rechts) über neurale Schnittstellen zu verbinden. Beispielsweise kann ein Ohr unter Verwendung des oben beschriebenen Verbinders und eines CI als neurale Schnittstelle gekoppelt sein, wohingegen das andere Ohr mit einer gemeinsamen akustischen Schnittstelle des Kopfhörers gekoppelt sein kann. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann hier der Prozessor des Kopfhörers dazu ausgebildet sein, eine binaurale Verarbeitung von Audiosignalen, die über ein oder mehrere Mikrofone empfangen werden, durchzuführen, um die binaurale Synthese über die Verbinder und neuralen Schnittstellen auszugeben. Vorteilhafterweise ermöglicht dies die Bereitstellung von Rauminformationen des akustischen Signals an den Nutzer.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Umfeldsensor einen oder mehrere visuelle Sensoren wie etwa Kameras aufweisen. In diesem Fall ist die neurale Schnittstelle üblicherweise kein CI, sondern ein Netzhautimplantat. Somit verarbeitet der Prozessor die Signale von den Kameras und gibt dieselben über den Verbinder an die neurale Schnittstelle/das Netzhautimplantat aus. Hier ergibt der Kopfhöreraufbau auch Sinn, da dies eine gute Positionierung für den visuellen Sensor ermöglicht.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Leistungsversorgung eine Batterie oder eine wiederaufladbare Batterie aufweisen, wobei die Wiederaufladung gemäß zusätzlichen Ausführungsbeispielen unter Verwendung eines internen Geräts durchgeführt werden kann, nämlich einem Energie-Harvester wie etwa einem Solarpanel. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die perkutane oder transkutane Verbindung nur zum Versorgen des Implantats oder der Implantate mit Energie verwendet, z. B. zum Laden ihrer internen Batterien, sollten dieselben vollständig implantiert sein. In diesem Fall übernimmt der Prozessor die Aufgabe der Ladeelektronik, wobei das an die neurale Schnittstelle zu übertragende Signal ein Energiesignal ist.
Ein anderes Ausführungsbeispiel sieht eine am Kopf tragbare Einheit vor, die eine Kommunikationsschnittstelle, z. B. eine drahtlose Schnittstelle, aufweist, welche eine Übertragung von Signalen von außerhalb über den Verbinder und die neurale Schnittstelle an den Nutzer ermöglicht. Umgekehrt kann die neurale Schnittstelle wie oben besprochen ein neurales Aufzeichnungsgerät sein. In letzterer Umgebung ermöglicht die Kommunikationsschnittstelle eine Übertragung von Signalen, die von der neuralen Schnittstelle empfangen werden, an ein externes Gerät, z. B. ein medizinisches Gerät. Diese Umgebung ermöglicht einen Austausch des üblicherweise verwendeten Kopfsensors, der neurale Schnittstellen aufweist, mit einem bequemeren Element. Es ist zu beachten, dass die neurale Schnittstelle in diesem Fall als eine Kopfhauteinheit realisiert sein kann, d. h., nicht als ein implantiertes Teil.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ermöglicht es die Kopfhauteinheit oder das neurale Aufzeichnungsgerät in Kombination mit einem Stimulator wie etwa einem CI, eine Rückkopplungsschleife zu implementieren. Dies hat den Vorteil, dass die physiologische Reaktion des Nutzers auf die Stimulation direkt gemessen werden kann, z. B., um den Stimulationsprozess anzupassen.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sieht die am Kopf tragbare Einheit vor, die die Form eines Kopfhörers oder eines Kopfbandes aufweist. Die am Kopf tragbare Einheit weist eine Kopfhauteinheit als neurale Schnittstelle, die dazu ausgebildet ist, die neurale Aktivität zu empfangen, einen Prozessor zum Verarbeiten der Signale, die von der neuralen Schnittstelle zu empfangen sind, und eine Leistungsversorgung auf.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, bei denen:
1a eine schematische Darstellung einer am Kopf tragbaren Einheit, die die Form eines Kopfhörers aufweist, zum Verbinden eines neuralen Stimulators als neurale Schnittstelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt;
1b eine schematische Darstellung einer am Kopf tragbaren Einheit, die die Form eines Kopfbandes aufweist, zum Verbinden eines neuralen Stimulators als neurale Schnittstelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt;
1c eine schematische Darstellung einer am Kopf tragbaren Einheit, die die Form eines Kopfhörers aufweist, zum Verbinden eines neuralen Aufzeichnungsgerätes als neurale Schnittstelle gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt;
2 eine am Kopf tragbare Einheit, die die Form eines Kopfhörers aufweist, gemäß einem erweiterten Ausführungsbeispiel zeigt; und
3 einen Teil einer am Kopf tragbaren Einheit, die die Form eines Kopfhörers aufweist, gemäß einem anderen erweiterten Ausführungsbeispiel zeigt.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Figuren ausführlich beschrieben. Hier sind die gleichen oder ähnliche Objekte mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass die Beschreibung derselben aufeinander anwendbar und austauschbar ist.
1a zeigt einen Kopfhörer 10 mit zwei Ohrhörern 14a und 14b. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Kopfhörer weist der Kopfhörer 10 einen oder mehrere Verbinder 12a und 12b für neurale Schnittstellen 5a und 5b wie etwa CI auf. Zusätzlich dazu weist der Kopfhörer 10 einen Prozessor 16 und eine Leistungsversorgung 18 auf.
Die Verbinder 12a und 12b, hier transkutane Kommunikationsverbinder, sind dazu ausgebildet, mit Cochlea-Implantaten 5a und 5b zu kommunizieren. Die zwei Cochlea-Implantate 5a und 5b, eines für das rechte Ohr und eines für das linke Ohr, sind in den Kopf des Nutzers 1 implantiert und stehen in enger Verbindung zu den Cochlea-Nerven, die auch als Hör- oder Akustiknerven bezeichnet werden, um als neurale Stimulatoren zu wirken. Aufgrund der üblichen Positionierung von Cochlea-Implantaten sind die Verbinder 12a und 12b in der Nähe der Ohren des Nutzers 1 angeordnet.
Die Verbinder 12a und 12b sind dazu ausgebildet, mit Cochlea-Implantaten 5a und 5b zu kommunizieren. Somit können die Verbinder 12a und 12b eine Spule, eine Antenne oder eine induktive Schnittstelle (allgemeinen: eine Nahfeldkommunikationsschnittstelle) aufweisen, die dazu ausgebildet ist, von außerhalb des Kopfes des Nutzers 1 mit den Cochlea-Implantaten 5a und 5b, die innerhalb des Kopfes angeordnet sind, zu kommunizieren. Hier kann jedes Implantat 5a und 5b optional ein Gegenstück (nicht gezeigt) für die Verbinder 12a und 12b aufweisen. Das Gegenstück kann in dem Implantat 5a und 5b oder als eine separate Entität, die unter der Haut angeordnet ist und mit dem Implantat 5a und 5b, z. B. unter Verwendung von dünnen Drähten, verbunden ist, angeordnet sein. Es ist zu beachten, dass die Verbinder 12a und 12b – alternativ oder zusätzlich dazu – ausgebildet sein können, die Implantate 5a und 5b mit Energie zu versorgen. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel kann eine optische Verbindung hergestellt werden.
Der Prozessor 16, der die Signale für die Verbinder 12a und 12b (siehe Verdrahtung 15) verarbeitet, z. B. eine A31S ARM Cortex-A7 CPU (CPU = Central Processing Unit, Zentralverarbeitungseinheit), ist innerhalb des Kopfbügels 13 des Kopfhörers 10 angeordnet. Hier ist auch die Leistungsversorgung 18 angeordnet, z. B. ein wiederaufladbares Batteriepack. Der Kopfbügel 13 oder im Allgemeinen der Kopfhörer 10 bietet genug Platz für einen Prozessor mit hoher Rechenleistung zusammen mit Batterien mit hoher Kapazität. Im Folgenden werden die Vorteile der neuralen Prothesen, die einen neuen Formfaktor aufweisen, beschrieben:
In [2] wurde eine auf Hörmodellen basierende CI-Signalverarbeitungsstrategie vorgestellt, die bedeutsame Vorteile für CI-Nutzer bietet [4], einschließlich besserer Tonhöheunterscheidung und erhöhter Sprach- und Musikqualität (wie durch die CI-Nutzer wahrgenommen).
Simulationen wiesen auch darauf hin, dass es die binaurale Nutzung der neuartigen Strategie den CI-Nutzern 1 ermöglichen würde, viel bessere Klangquellen-Lokalisierungsaufgaben durchzuführen. Es wurde gezeigt, dass das Hörmodell der rechnerische Engpass des Algorithmus ist. Obwohl ein durchschnittlicher PC in der Lage wäre, das Modell in Echtzeit zu simulieren, könnte ein gegenwärtiger CI-Prozessor 16 dies nicht. In letzter Zeit wurden die Auswirkungen des Austausches des derzeit verwendeten Basilar-Membran-Submodells mit einem einfacheren untersucht (siehe [4], S. 123–124). Es wurde herausgefunden, dass sich die resultierenden Stimulationsmuster qualitativ nicht merklich von den ursprünglichen unterscheiden (allerdings ist noch eine Quantifizierung durchzuführen). Darüber hinaus konnte das resultierende zusammengefügte Modell ungefähr 80% schneller als zuvor simuliert werden (siehe [4], Seiten 80–81). Diese Erhöhung würde die direkte Verwendung in den aktuellen CI-Prozessoren 16 weiterhin nicht ermöglichen, jedoch zeigten Tests (Berechnen von Stimulationsmustern für 20 (CI-Elektroden), dass der resultierende Algorithmus reibungslos auf einer A31S ARM Cortex-A7 CPU läuft, einem Prozessor der Mittelklasse mit einer Größe von 18 × 18 × 0,65 mm und niedrigem Energieverbrauch, der hauptsächlich in Tablets und Smartphones verwendet wird. Wenn es um wesentlich mehr Stimulationskanäle als in aktuellen CI-Systemen geht, beispielsweise in zukünftigen optischen Cochlea-Implantaten [6], werden aktuelle Prozessoren unweigerlich den Engpass beim Berechnen von bio-inspirierten Stimulationsmustern darstellen. Es scheint, dass eine kostengünstige CPU 16 wie etwa die oben genannte eine ganz neue Welt der Signalverarbeitungsmöglichkeiten für neurale Prothesen öffnet.
Die erforderliche elektrische Leistung könnte ohne Weiteres durch Lithium-Ionen-Batterien als Leistungsversorgung 18 bereitgestellt werden, die in dem Kopfbügel 13 oder das Lautsprechergehäuse 14a/14b eingebaut sind.
Ein weiterer Motivationsfaktor für die Verwendung eines Kopfhörers als Träger für Verbinder 12a und 12b, um die CI-/neuralen Schnittstellen 5a und 5b zu verbinden, besteht darin, dass die Kopfhörer das Potenzial aufweisen, ein Lifestyle-Produkt zu werden. Während verschiedene Kopfhörer bereits diesen Status aufweisen, befinden sich sichtbare Teile (wie der Hinter-dem-Ohr-Prozessor bzw. BTE-Prozessor, BTE = Behind-the-Ear) von Cochlea-Implantatsystemen im Prozess des Übergangs von unsichtbar zu ins Auge fallend. Hersteller von CI bieten nun ihre Prozessoren in verschiedene Farben an und bieten gleichzeitig bunte Abdeckungen [7] und (über Drittanbieter) stark anpassbare Hüllen [8] an. Diese Tatsachen deuten darauf hin, dass eine Kombination der beiden, ein CI-Prozessor 16 in einer Kopfhörerumhüllung 10, von CI-Benutzern gut angenommen werden könnte.
Zusätzlich Motivationsfaktoren sind die anatomischen Aspekte. Obwohl aktuelle CI-Prozessoren in ihrem äußeren Erscheinungsbild anpassbar sind, sind sie es nicht hinsichtlich Größe und Form. Leider hat eine nicht zu vernachlässigende Anzahl von CI-Benutzern 1 Schwierigkeiten dabei, ihre(n) BTE-Prozessor(en) zu tragen, da Inkompatibilitäten zwischen der Prozessorform und anatomischen Eigenschaften ihrer Ohrmuschel(n) bestehen. Derzeit ist die einzig verfügbare Zwischenlösung, auf einen am Körper getragenen Prozessor zurückzufallen, was mehr Kabel und üblicherweise eine verschlechterte Qualität des Audioeingangs zur Folge hat, da das/die Mikrofon(e) der am Körper getragenen Einheit nicht notwendigerweise zu der anvisierten Schallquelle zeigen. Eine Kopfhörerumhüllung 10 mit anpassbaren Ohrkissen 14ac und 14bc könnte zu einer echten Alternative werden.
Es ist zu beachten, dass die in den Kopfhörer 10 integrierten Entitäten wie etwa der eine oder die mehreren neuralen Verbinder 12a und 12b, der Prozessor 16 und die Leistungsversorgung 18 miteinander durch Drähte 15 verbunden sind, wie in 1 veranschaulicht ist.
In Bezug auf 1b wird eine weitere am Kopf tragbare Einheit beschrieben, nämlich ein Kopfband 10'. 1b zeigt ein Kopfband 10', das mit dem Kopfhörer 10 aus 1a vergleichbar ist, jedoch eine andere Form aufweist.
Das Kopfband 10' weist perkutane Verbinder 12a' und 12b' anstelle der transkutanen Verbinder 12a und 12b auf. Die perkutanen Verbinder 12a' und 12b' weisen Gegenstücke 7a und 7b auf, die unter der Kopfhaut des Nutzers 1 angeordnet sind, wobei die Gegenstücke 7a und 7b mit den CI 5a und 5b durch Drähte verbunden sind. Die anderen Entitäten 15, 16 und 18 des Kopfbandes 10' sind dieselben wie die in Bezug auf das Ausführungsbeispiel von 1a beschriebenen.
Natürlich können die transkutanen Verbinder 12a und 12b auch in Kombination mit einem Kopfband 10' verwendet werden, oder umgekehrt können die perkutanen Verbinder 12a' und 12b' gemeinsam mit dem Kopfhörer 10 verwendet werden. Selbst eine Kombination eines transkutanen und eines perkutanen Verbinders in einem Gerät wäre möglich.
1c zeigt eine am Kopf tragbare Einheit 10', die mit der am Kopftragbaren Einheit 10' vergleichbar ist; jedoch ist dieselbe unter Verwendung des Verbinders 12'' mit einer unterschiedlichen neuralen Schnittstelle 5'' verbunden. Hier wird eine neurale Schnittstelle 5'' anstelle der neuralen Schnittstellen 5a und 5b verwendet, wobei 5''' ein neurales Aufzeichnungsgerät ist, das eine neurale Aktivität aufzeichnet, z. B. von der Kortex. Das Aufzeichnungsgerät (z. B., ein Array von Elektroden) steht in Kontakt mit dem Kortex oder ist mit derselben gekoppelt und dazu ausgebildet, eine neurale Aktivität zu empfangen und zu überwachen, insbesondere in Bezug auf den Kortex. Somit ist die neurale Schnittstelle 5'' hier nicht notwendigerweise neben den Ohren vorgesehen, sondern kann an einer anderen Stelle auf dem Kopf des Nutzers 1 vorgesehen sein.
In diesem Ausführungsbeispiel weist die Einheit 10'' den Zweck auf, Gehirnaktivitäten zu empfangen und zu überwachen. Die empfangenen Gehirnaktivitäten können unter Verwendung des Prozessors 16 verarbeitet werden oder unter Verwendung eines Speichers, den der Prozessor 16 umfasst, gespeichert werden.
Wie beispielsweise in [12] gezeigt ist, wäre es auch ohne Weiteres denkbar, retro- oder periaurikuläre Aufzeichnungselektroden 22 in die Ohrkissen 14a/14b für Zwecke hinsichtlich Elektroenzephalographie (EEG) einzufügen, wie durch 3 veranschaulicht ist. Diese könnten das objektive und/oder Geschlossener-Regelkreis-Verfahren zum Einpassen der Parameter des Prothesegerätes unterstützen.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen weist die am Kopf tragbare Einheit 10'' eine Schnittstelle 19 auf, z. B. eine Computerschnittstelle, die drahtlos oder verdrahtet realisiert sein kann. Die Schnittstelle 19 ermöglicht die Ausgabe der durch den Prozessor aufgezeichneten Daten unter Verwendung der neuralen Schnittstelle 5'' und des (transkutanen oder perkutanen) Verbinders 12''. Die Schnittstelle 19 kann ferner dazu verwendet werden, die tragbare Einheit 10'' und über dieselbe die CI 5a und 5b mit einer Audioquelle wie etwa Bluetooth-Audio zu verbinden. Ein weiterer Anwendungsfall für die Schnittstelle 19 ist das Aktualisieren oder Editieren der durch den Prozessor verwendeten Software. Hier können im Nachhinein neue Funktionen durch die Softwareaktualisierung implementiert werden. Zusätzlich dazu kann ein Einpassungsprozess durchgeführt werden, bei dem das Einpassen typischerweise das Ändern der für die Verarbeitung verwendeten Parameter aufweist.
Die gesteigerte Größe des Gehäuses 13 (im Vergleich zu einer BTE-Umhüllung) würde außerdem eine bessere Drahtloskonnektivität 19 ermöglichen: es könnte nicht nur eine höhere Anzahl von (ausgereifteren) Antennen in das Gerät passen, es könnten auch Sender und Empfänger, die eine direkte Sichtlinie benötigen (wie Infrarot), ohne Weiteres platziert werden. Ferner könnten Sicherheitsbeschränkungen für eine Funkübertragungsleistung ohne Weiteres eingehalten werden, indem die Antennen weiter entfernt von dem Schädel platziert werden.
Obwohl bei oben beschriebenen Ausführungsbeispielen die neurale Schnittstelle 5a, 5b, 5'' im Kontext eines Cochlea-Implantates und im Kontext eines kortikalen neuralen Aufzeichnungsgerätes beschrieben worden ist, ist es ersichtlich, dass auch andere Schnittstellen wie etwa visuelle Implantate, Hörimplantate, kognitive Implantate oder im Allgemeinen Gehirn-Computer-Schnittstellen verwendet werden können. Hier macht es keinen Unterschied, ob die neurale Schnittstelle die Übertragung von Daten von außen an den Nutzer 1 oder umgekehrt von dem Nutzer 1 nach außen ermöglicht.
In Bezug auf 2 wird ein erweitertes Ausführungsbeispiel des Kopfhörers 10 beschrieben. 2 zeigt den Kopfhörer 10''', der im Wesentlichen dem Kopfhörer 10 entspricht, wobei der Kopfhörer 10''' einen zusätzlichen Umfeldsensor 21 aufweist.
Der Umfeldsensor 21 kann ein Mikrofon oder vorzugsweise eine Mikrofonanordnung sein, die einen Empfang eines Akustiksignals aus der Umgebung ermöglicht, um dasselbe unter Verwendung des Prozessors 16 zu verarbeiten und die verarbeiteten Signale durch das eine oder die mehreren Cochlea-Implantate 5a und 5b über die Verbinder 12a' und 12b an den Nutzer 1 zu übertragen.
Hier ermöglicht die Kopfhörergestaltung mehr Platz für die Integration besserer Mikrofone oder von mehr Mikrofonen in den Kopfbügel 13.
Durch Auflockern der Platzbeschränkung könnten Mikrofone 21 verwendet werden, die ein wenig mehr Platz einnehmen, jedoch bessere Antwortcharakteristika aufweisen. Eine Mikrofonplatzierung während der Entwurfsphase könnte die Oberflächen nutzen, die in unterschiedliche Richtungen gewandt sind, wobei fortschrittlichere Strahlenbildung [12] und Rauschunterdrückungsalgorithmen [13] möglich sind.
Da die am Kopf tragbare Einheit so angeordnet ist, dass akustische Daten an beide Ohren geliefert werden können, z. B. über einen gemeinsamen Wandler oder über die Verbinder 12a/12b und die neuralen Schnittstellen 5a/5b, führt diese Form zu zusätzlichen Vorteilen in Bezug auf die direkte interaurale/interlaterale Verbindung.
Bei dem in dem Ausführungsbeispiel vorgeschlagenen Prozessor 16 kann ohne Weiteres eine direkte (verdrahtete) Verbindung zwischen der linken und der rechten Seite realisiert werden, was bedeutet, dass fortschrittlichere binaurale Verarbeitungsalgorithmen leicht und auf eine energieeffizientere Art implementiert werden können. Eine Emulation des medialen olivocochleären Reflexes könnte ohne Weiteres implementiert werden, was eine bessere Lateralisation unterstützen und ein Signal-Rausch-Verhältnis bei Vorliegen von Rauschen verbessern könnte [10]. Binaural kohärenter Jitter würde eine interaurale Zeitunterschiedssensitivität von Cochlea-Implantatträgern mit hohen Pulsraten verbessern [11] und somit eine Schallquellenlokalisierung unterstützten. Die für die obigen (und andere binaurale) Algorithmen würde kein Wireless Body Area Networking (WBAN, drahtloses Körperbereichsnetzwerk) und andere drahtlose Lösungen benötigen, die den menschlichen Körper stetig bestrahlen und Energie verbrauchen.
Zusätzlich ist anzumerken, dass viele hörgeschädigte Patienten bimodal eingepasst sind, was bedeutet, dass ihre linken und rechten Ohren mit Geräten ausgestattet sind, die auf einem völlig anderen Stimulationsparadigma basieren (wie etwa Hörgeräte, im Knochen verankerte Hörgeräte, direkte Cochlea-Stimulatoren, Cochlea-Implantate, Hirnstammimplantate). Die Verarbeitungseinheiten der unterschiedlichen Hörgeräte könnten in der dargestellten Umhüllung einfacher untergebracht und verknüpft werden.
Wie oben beschrieben worden ist, kann gemäß weiteren Ausführungsbeispielen die Stromversorgung 18 durch ein Solarpanel erweitert werden, das auf die Oberseite des Kopfbandes 13 passt und den Zweck aufweist, einer Batterieentleerung entgegenzuwirken. Alternativ können auch andere Energie-Harvester verwendet werden, z. B. Energie-Harvester, die Vibrationen in elektrische Energie umwandeln.
Bei den obigen Ausführungsbeispielen ist die am Kopf tragbare Einheit auch im Kontext eines Kopfhörers beschrieben worden. Es ist zu beachten, dass die tragbare Einheit eine unterschiedliche Form aufweisen kann, z. B. die eines Kopfbandes, welches die gleichen Vorteile wie der Kopfhörer ermöglicht.
Im Folgenden wird ein weiteres Ausführungsbeispiel beschrieben, das eine unterschiedliche Konfiguration aufweist. Ein Ausführungsbeispiel sieht eine am Kopf getragene Umhüllung zum Aufnehmen der Verarbeitungseinheit von neuralen Schnittstellen vor, die einem Kopfhörer oder einem Kopfband ähnelt, wodurch ein langfristiges, bequemes Tragen des Gerätes ermöglicht wird, wobei ausreichend Platz für anspruchsvolle elektronische oder andere Komponenten vorgesehen ist.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die neurale Schnittstelle als Stimulator (z. B., prothetisches sensorisches Gerät) oder neurales Aufzeichnungsgerät wirken oder kann eine Kombination der beiden sein. Die stimulierende neurale Schnittstelle kann mit einer neuralen Prothese verbunden sein und kann Cochlea-, Netzhaut-, Hirnstamm- und kortikale Implantate sowie Geräte für eine Tiefenhirn- oder eine Nervus-vagus-Stimulation umfassen (ist jedoch nicht auf dieselben beschränkt).
Alternativ oder zusätzlich dazu kann die neurale Aufzeichnungsschnittstelle von einem beliebigen zugänglichen Teil des Gehirns (z. B. Kortex) oder des peripheren Nervensystems (z. B. Hörnerv in der Cochlea) oder von der Kopfhaut (z. B. Aufzeichnungselektroden, die in das Ohrkissen der am Kopf getragenen Umhüllung, die einem Kopfhörer ähnelt, eingefügt sind), wobei die aufgezeichnete neurale Aktivität für Diagnosen, für Gehirnschnittstellen oder für jegliche andere Zwecke verwendet werden kann. Falls die neurale Schnittstelle eine Hör- oder visuelle Prothese umfasst, dann kann dieselbe aus einer (unilateralen) oder zwei (bilateralen) Einheiten für jegliche sensorische Modalität bestehen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die am Kopf getragene Umhüllung auch sensorische Hilfsmittel mit einem anderen Stimulationsparadigma als der direkten neuralen Stimulation, z. B. traditionelle Hörhilfen, akustooptische Hörhilfen, im Knochen verankerte Hörhilfen, oder Cochlea-Direktstimulatoren (die mechanische Vibrationen an die Cochlea übertragen), in jeglicher Kombination mit den zuvor genannten neuralen Schnittstellen unterbringen.
Falls die neurale Schnittstelle bilaterale sensorische Prothesen derselben Modalität umfasst (z. B. bilaterale Cochlea-Implantate), dann bietet die vorgeschlagene Umhüllung durch eine einfache Verkabelung zwischen dem linken und dem rechten Ende der am Kopf getragenen Umhüllung, die einem Kopfhörer oder einem Kopfband ähnelt, ein effizientes Mittel für eine hochentwickelte synchronisierte bilaterale Verarbeitung (bei Hörprothesen: binaurale Verarbeitung). Dies würde die drahtlose Körperbereichsvernetzung und andere drahtlose Lösungen, die den menschlichen Körper konstant bestrahlen und Energie verbrauchen, unnötig machen.
In dem Fall, dass die neurale Schnittstelle zumindest ein Cochlea-Implantat umfasst, könnten aufgrund des gesteigerten Volumens, das für elektronische Geräte und die Batterie in der vorgeschlagenen Umhüllung verfügbar ist, anspruchsvollere Signalverarbeitungsstrategien angewendet werden, die gezeigt haben, dass sie Vorteile für die Implantatträger bieten [Harczos, 2015].
Im Falle eines bilateralen Cochlea-Implantates, das in der vorgeschlagenen Umhüllung untergebracht ist, könnte eine Emulation des medialen olivocochlearen Reflexes ohne Weiteres implementiert werden, was eine bessere Lateralisation unterstützen und ein Signal-Rausch-Verhältnis bei Vorliegen von Rauschen verbessern könnte [Lopez-Poveda et al., 2016]. Ferner würde ein binaural kohärentes Jitter interaurale Zeitdifferenzsensitivitäten von Cochlea-Implantatträgern bei hohen Pulsraten verbessern [Laback und Majdak, 2008], wodurch eine Schallquellenlokalisierung unterstützt wird.
Die gesteigerte Größe der vorgeschlagenen Umhüllung zum Unterbringen der Verarbeitungseinheit der neuralen Schnittstellen (im Vergleich zu, z. B., Hinter-dem-Ohr-Cochlea-Implantat-Prozessorgehäusen) würde es ermöglichen, mehr akustische oder visuelle Sensoren zu platzieren (etwa mehr Mikrofone für eine erweiterte Audiosignalverarbeitung wie Strahlenbildung oder Multimikrofonrauschreduzierungsalgorithmen [Kokkinakis et al., 2012]) oder Solarpaneele auf die Oberseite des Kopfhörers/des Kopfbandes einzupassen, um einer Batterieentleerung entgegenzuwirken.
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[12] A. Buechner, K-H. Dyballa, P. Hehrmann, S. Fredelake, and T. Lenarz, "Advanced Beamforrner.; for Cochlear Implant Users: Acute Measurement of Speech Perception in Challenging Listening Conditions," PLoS ONE, Vol. 9 (4), 9 Seiten, DOI: 10.1371/journal.pone.0095542, 2014.
[13] K. Kokkinakis, B. Azimi, Y. Hu, and D. R Friedland, „Single and Multiple Microphone Noise Reduction Strategies in Cochlear Implants," Trends in Amplification, Vol. 16 (2), 102–116, 2012.
[14] S. Debener, R. Emkes, M. De Vos, M. Bleichner, „Unobtrusive ambulatory EEG using a smartphone and flexible printed.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Harczos, 2015 [0055]
Lopez-Poveda et al., 2016 [0056]
Laback und Majdak, 2008 [0056]
Kokkinakis et al., 2012 [0057]
W. Nogueira, A. Katai, T. Harczos, F. Klefenz, A. Buechner, and B. Edler, ”An Auditory Model Based Strategy for Cochlear Implants,” in Proc. 29. jährliche Konferenz IEEE EMBS, Lyon, Frankreich, 2007, S. 4127–4130 [0057]
T. Harczos, A Chilian, and P. Husar, ”Making use of auditory models for better mimicking of normal hearing processes with cochlear implants: the SAM coding strategy,” IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst, Vol. 7 (4), S. 414–425, 2013 [0057]
B. S. Wilson and M. F. Dorman, ”Cochlear implants: Current designs and future possibilities,” J. Rehahil. Res. Dev, Vol. 45 (5), S. 695–730, 2008 [0057]
T. Harczos. ”Cochlear implant electrode stimulation strategy based on a human auditory model,” PhD dissertation, Department of Electrical Engineering and Information Technology, Ilmenau University of Technology, 2015 [0057]
F. Schlachter, ”No Moore's Law for batteries,” PNAS, Vol. 110 (14), S. 5273, 2013 [0057]
M Jeschke and T. Moser, ”Considering optogenetic stimulation for cochlear implants,” Hear. Res, Vol. 332, S. 224–234, 2015 [0057]
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Online resource: http://www.wpzses.com/images/large/Jv/Monster-Beats-Studio-Ferrari-7 04 LRG.jpg (zuletzt geöffnet am 19.02.2016) [0057]
E. A Lopez-Poveda, A. Eustaquio-Martln, J. S. Stohl, R D. Wolford, R. Schatzer, B. S. Wilson, ”A Binaural Cochlear Implant Sound Coding Strategy Inspired by the Contralateral Medial Olivocochlear Reflex,” Ear Hear, Vol. 37 (3), S. e138–e148, 2016 [0057]
B. Laback and P. Majdak, ”Binaural jitter improves interaural timedifierence sensitivity of cochlear implantees at high pulse rates,” PNAS, Vol. 105 (2), S. 814–817, 2008 [0057]
A. Buechner, K-H. Dyballa, P. Hehrmann, S. Fredelake, and T. Lenarz, ”Advanced Beamforrner.; for Cochlear Implant Users: Acute Measurement of Speech Perception in Challenging Listening Conditions,” PLoS ONE, Vol. 9 (4), 9 Seiten, DOI: 10.1371/journal.pone.0095542, 2014 [0057]
K. Kokkinakis, B. Azimi, Y. Hu, and D. R Friedland, „Single and Multiple Microphone Noise Reduction Strategies in Cochlear Implants,” Trends in Amplification, Vol. 16 (2), 102–116, 2012 [0057]
S. Debener, R. Emkes, M. De Vos, M. Bleichner, „Unobtrusive ambulatory EEG using a smartphone and flexible printed [0057]

Claims

Am Kopf tragbare Einheit (10, 10', 10'', 10'''), die die Form eines Kopfhörers oder eines Kopfbandes aufweist, wobei die Einheit folgende Merkmale aufweist: zumindest einen Verbinder (12a, 12b, 12a', 12b', 12'') zum Verbinden zumindest einer neuralen Schnittstelle (5a, 5b, 5''); eine oder mehrere Verarbeitungseinheiten (16) zum Verarbeiten von Signalen, die zu der zumindest einen neuralen Schnittstelle (5a, 5b, 5'') hin zu übertragen sind, oder zum Verarbeiten von Signalen, die von der zumindest einen neuralen Schnittstelle (5a, 5b, 5'') empfangen werden; und eine Leistungsversorgung (18).
Am Kopf tragbare Einheit (10, 10', 10'', 10''') gemäß Anspruch 1, bei der zumindest ein Verbinder (12a, 12b, 12a', 12b', 12'') als transkutaner Verbinder oder als perkutaner Verbinder realisiert ist.
Am Kopf tragbare Einheit (10, 10', 10'', 10''') gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der der zumindest eine Verbinder (12a, 12b, 12a', 12b', 12'') ein Elektromagnetische-Strahlung-Verbinder ist, der dazu ausgebildet ist, drahtlos mit der neuralen Schnittstelle zu kommunizieren und/oder der neuralen Schnittstelle drahtlos elektrische Energie bereitzustellen.
Am Kopf tragbare Einheit (10, 10', 10'', 10''') gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der zumindest eine Verbinder (12a, 12b, 12a', 12b', 12'') dazu ausgebildet ist, ein Funksignal, ein elektromagnetisches Signal, ein induktives Signal und/oder ein Lichtsignal dafür zu verwenden, die Verbindung zu der verbindenden neuralen Schnittstelle herzustellen.
Am Kopf tragbare Einheit (10, 10', 10'', 10''') gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die neurale Schnittstelle (5a, 5b, 5'') einen neuralen Stimulator aufweist.
Am Kopf tragbare Einheit (10, 10', 10'', 10''') gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die neurale Schnittstelle (5a, 5b, 5'') ein stimulierendes Gerät oder ein Implantat aufweist, das auf, in oder in der Nähe von einem der folgenden platziert ist: Nerv, Hörnerv, Sehnerv, Hirnstamm, Kortex, Nervus vagus oder Tiefenhirn.
Am Kopf tragbare Einheit (10, 10', 10'', 10''') gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die neurale Schnittstelle (5a, 5b, 5'') ein neurales Aufzeichnungsgerät oder ein Implantat aufweist, das auf, in oder in der Nähe von einem spezifischen Nerv oder Hirnbereich platziert ist, und dazu ausgebildet ist, eine neurale Aktivität aufzunehmen.
Am Kopf tragbare Einheit (10, 10', 10'', 10''') gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die neurale Schnittstelle (5a, 5b, 5'') ein neurales Aufzeichnungsgerät aufweist, das eine neurale Aktivität von dem Kortex und/oder dem peripheren Nervensystem aufzeichnet.
Am Kopf tragbare Einheit (10, 10', 10'', 10''') gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine Kopfhauteinheit aufweist, die dazu ausgebildet ist, die neurale Aktivität zu empfangen.
Am Kopf tragbare Einheit (10, 10', 10'', 10''') gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die am Kopf tragbare Einheit (10, 10', 10'', 10''') einen oder mehrere Umfeldsensoren (21) aufweist.
Am Kopf tragbare Einheit (10, 10', 10'', 10''') gemäß Anspruch 9, bei der der eine oder die mehreren Umfeldsensoren (21) ein Mikrofon, eine Mehrzahl von Mikrofonen, zumindest zwei Mikrofone, die in unterschiedliche Richtungen zeigen, und/oder zumindest drei Mikrofone, die dazu ausgebildet sind, Strahlenbildung durchzuführen, aufweist.
Die am Kopf tragbare Einheit (10, 10', 10'', 10''') gemäß Anspruch 10, bei der der Prozessor (16) dazu ausgebildet ist, eine binaurale Verarbeitung von Audiosignalen, die über das eine oder die mehreren Mikrofone empfangen werden, durchzuführen, um die binaurale Synthese über die neurale Schnittstelle (5a, 5b, 5''), die unter Verwendung der Verbinder (12a, 12b, 12a', 12b', 12'') mit der am Kopf tragbaren Einheit gekoppelt ist, auszugeben.
Die am Kopf tragbare Einheit (10, 10', 10'', 10''') gemäß Anspruch 9 oder gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, bei der der Umfeldsensor (21) zumindest einen visuellen Sensor aufweist, und bei der der Prozessor (16) dazu ausgebildet ist, ein über den visuellen Sensor empfangenes visuelles Signal an die neurale Schnittstelle (5a, 5b, 5''), die unter Verwendung der Verbinder (12a, 12b, 12a', 12b', 12'') mit der am Kopf tragbaren Einheit verbunden ist, weiterzuleiten.
Die am Kopf tragbare Einheit (10, 10', 10'', 10''') gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die am Kopf tragbare Einheit (10, 10', 10'', 10''') eine Kommunikationseinheit aufweist, um mit Peripheriegeräten zu kommunizieren und/oder um über die Kommunikationsschnittstelle (19) ein Signal zu empfangen und das Signal über die neurale Schnittstelle (5a, 5b, 5''), die unter Verwendung der Verbinder (12a, 12b, 12a', 12b', 12'') mit der am Kopftragbaren Einheit gekoppelt ist, weiterzuleiten und/oder ein Signal von der neuralen Schnittstelle (5a, 5b, 5''), die unter Verwendung der Verbinder (12a, 12b, 12a', 12b', 12'') mit der am Kopf tragbaren Einheit gekoppelt ist, über die Kommunikationsschnittstelle (19) weiterzuleiten.
Die am Kopf tragbare Einheit (10, 10', 10'', 10''') gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Leistungsversorgung (18) eine Batterie und/oder eine wiederaufladbare Batterie aufweist.
Die am Kopf tragbare Einheit (10, 10', 10'', 10''') gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Leistungsversorgung (18) einen Energie-Harvester und/oder ein Solarpanel aufweist.
Am Kopf tragbare Einheit (10, 10', 10'', 10'''), die die Form eines Kopfhörers oder eines Kopfbandes aufweist, wobei die Einheit folgende Merkmale aufweist: zumindest eine Kopfhauteinheit als neurale Schnittstelle, die dazu ausgebildet ist, die neurale Aktivität zu empfangen; eine oder mehrere Verarbeitungseinheiten (16) zum Verarbeiten von Signalen, die von der zumindest einen neuralen Schnittstelle empfangen werden; und eine Leistungsversorgung (18).