-
Gebiet der
Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen in Soundprozessoren
für Cochlearimplantate
und genauer gesagt auf einen Differential-Rate-Soundprozessor (DRSP).
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Das
Mehrkanalcochlearimplantat wurde zuerst im Jahr 1978 eingesetzt.
In frühen
Designs zur Signalverarbeitung wurden dabei der zweite Formant (F2)
und die Tonhöhe
(F0) extrahiert, um die Elektrodenstimulation zu steuern. Die Frequenz
von F2 steuerte dabei den Ort der Elektrodenstimulation und F0 steuerte
die Stimulationsfrequenz bzw. Stimulationsrate. Dies wurde später verbessert,
indem zusätzlich
auch der erste Formant (F1) extrahiert wurde und eine zweite stimulierte
Elektrode für
jede einzelne Tonhöhenperiode
hinzugefügt
wurde. Die MULTI-PEAK (MPEAK)-Stimulationsstrategie fügte die Stimulation
einer Anzahl von festen Elektroden hinzu, um hochfrequente Informationen
besser darzustellen. Die nächsten
Entwicklungsstufen waren die SMSP- und SPEAK-Strategien. Diese stellten
insofern eine Abweichung von den anderen dar, als sie eine feste
Stimulationsfrequenz und stimulierte Elektroden verwendeten, welche
Maxima in den Klangspektren entsprachen. Eine weitere auf festen Frequenzen
basierende Strategie, nämlich
CIS wurde in Übersee
entwickelt. Diese Strategie stimulierte jede einzelne einer kleinen
Anzahl von Elektroden, um die Klangspektren darzustellen. Alle oben
angeführten
Verarbeitungsstrategien basieren auf Klangverarbeitung mit festen
Frequenzen (Fixed-Rate Sound Processing).
-
Die
genannten Erfinder haben festgestellt, dass einige Sprachmerkmale
bei Verwendung von Stimulation geringer Frequenzen bzw. Raten besser wahrgenommen
werden können,
wohingegen andere besser mit hohen Stimulationsfrequenzen wahrgenommen
werden können.
Hohe Stimulationsfrequenzen enthalten mehr Information über die
phonetische Art der Artikulation, allerdings tendiert die spektrale Information
bei solchen höheren
Frequenzen dazu, verschmiert zu werden.
-
Die
Dokumente US-4063048, US-5271397, US-5601617 und US-4284856 offenbaren
Soundprozessoren für
Cochlearimplantate. Insbesondere offenbart die US-5601617 das Anlegen
einer höheren Stimulationsfrequenz
an die Elektroden am basalen Ende der Cochlear, wobei die Stimulationsfrequenz entlang
der Länge
der Elektrodenanordnung zum apikalen Ende hin ansteigt.
-
Zusammenfassung
und Aufgabe der Erfindung
-
Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten
Soundprozessor zur Verwendung mit Cochlearimplantaten bereitzustellen, mit
welchen die Probleme in Zusammenhang mit festen Stimulationsfrequenzen
verbessert werden.
-
Die
Erfindung stellt einen Soundprozessor gemäß dem beigefügten unabhängigen Anspruch bereit.
Genauer gesagt stellt die Erfindung in einer Ausführungsform
bereit einen Soundprozessor für ein
Cochlearimplantat mit Elektroden zur Stimulierung des Gehörnervs,
aufweisend Mittel zum Empfang von Klängen, sowie Mittel zur Verarbeitung
der Klänge
und Konvertierung derselben in elektrische Stimulierungssignale,
die an die Elektroden des Cochlearimplantats zur Stimulierung des
Gehörnervs angelegt
werden, wobei die Klangverarbeitungsmittel Mittel zum Erzeugen von
elektrischen Signalen, welche an die Elektroden mit unterschiedlichen
vorbestimmten Stimulationsfrequenzen angelegt werden, umfassen.
-
In
dieser ersten Ausführungsform
der Erfindung hat das Cochlearimplantat vorzugsweise basale Elektroden
und apikale Elektroden, und die Mittel zur Erzeugung von elektrischen
Signalen, die an die apikalen Elektroden angelegt werden, haben
eine unterschiedliche Stimulationsfrequenz, wobei die an die basalen
Elektroden angelegten elektrischen Signale eine höhere Stimulationsfrequenz
aufweisen als die an die apikalen Elektroden angelegten elektrischen
Signale.
-
Dadurch,
dass die Stimulation der basalen Elektroden mit einer höheren Stimulationsfrequenz erfolgt
als die der apikalen Elektroden, wird die Art und Weise der Artikulationsmerkmale
von Sprache dem Benutzer des Cochlearimplantats in verbesserter
Weise dargeboten, so dass das Sprachverständnis verbessert wird. Höhere Stimulationsfrequenz
an den basalen Elektroden bieten gute Informationen über temporale
Ereignisse sowie Frikkation. Die geringen Stimulationsfrequenzen
an den apikalen Elektroden bieten diesbezüglich gute spektrale Informationen,
da dort die meisten Artikulationsort-Merkmale liegen.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
werden die apikaleren Elektroden als diejenigen ausgewählt, welche
den Stimmbalken (Voice Bar) und die tieferen Formanten der Sprache
enthalten. In dieser Frequenzregion sind spektrale Details wichtig
und die apikalen Elektroden führen
die Stimulierung durch mit einer Stimulationsfrequenz zwischen ungefähr 250 Schwingungen
pro Sekunde und ungefähr 800
Schwingungen pro Sekunde, je nach Benutzer. Dadurch, dass Stimulationsfrequenzen
in diesem Bereich verwendet werden, werden vom Benutzer bessere
Informationen über
den Artikulationsort von Sprache, welcher im Wesentlichen durch
die Formantenstruktur gegeben ist, erhalten.
-
Die
basaleren Elektroden repräsentieren
die höheren
Frequenzkomponenten des eingehenden Schalls, und höhere Stimulationsfrequenzen
dieser Elektroden werden verwendet, um Rauschen besser darzustellen
und um Informationen über
temporale Ereignisse, wie zum Beispiel plötzliche Änderungen in der Amplitude,
genauer darzubieten. Letzteres ist wichtig für die Wahrnehmung von Artikulationsart
und stimmhaften Klängen.
Diese Elektroden werden mit einer höheren Frequenz als die apikalen
Elektroden stimuliert, wobei die Stimulationsfrequenzen bei oder über ungefähr 800 Schwingungen
pro Sekunde und vorzugsweise bis zu ungefähr 1600 Schwingungen pro Sekunde
liegen, was abhängig
vom Benutzer ausgewählt
wird.
-
Im
Falle eines Implantats, in welchem 20 Elektroden zur Stimulierung
zur Verfügung
stehen, sind die apikalen Elektroden die Elektroden 0–12 und die
basalen Elektroden sind die Elektroden 13–19. Die apikalen Elektroden
repräsentieren
Klangfrequenzen von 0 bis ungefähr
2700Hz, wohingegen die basalen Elektroden Frequenzen von ungefähr 2700Hz
bis ungefähr
7900Hz repräsentieren.
Die genannten apikalen Elektrodenfrequenzen sind ausreichend, um
die ersten drei Formanten der meisten sprachlichen Äußerungen
zu enthalten.
-
In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung werden die apikalen Elektroden mit ungefähr 250 Schwingungen
pro Sekunde stimuliert, wohingegen die basalen Elektroden mit ungefähr 1500
Schwingungen pro Sekunde stimuliert werden. Um sicherzustellen,
dass die Stimulationspegel für
diese verschiedenen Frequenzen geeignet sind, werden die Schwellpegel
(T) und die Komfortpegel (C) des Patienten behutsam eingestellt.
-
Die
zu stimulierenden Elektroden werden ausgewählt, indem die acht größten spektralen
Energien in Filterbänken
ausgewählt
werden, die von der durch den Prozessor ausgeführten schnellen Fourier-Transformation
(FFT) oder diskreten Wavelet-Transformation (DWT) abgeleitet sind.
-
In
einer anderen Ausführungsform,
welche keinen Teil der beanspruchten Erfindung darstellt, wird ein
verbesserter Soundprozessor für
ein Cochlearimplantat bereitgestellt mit Elektroden zur Stimulierung
des Gehörnervs,
aufweisend Mittel zum Empfang von Klängen, sowie Mittel zur Verarbeitung
der Klänge
und Konvertierung derselben in elektrische Stimulierungssignale,
die an die Elektroden des Cochlearimplantates angelegt werden, wodurch
der Gehörnerv
elektrisch stimuliert wird, wobei die Klangverarbeitungsmittel Mittel
zur Variation der Stimulationsfrequenz der elektrischen Stimulationssignale aufweisen,
und zwar in Abhängigkeit
von den Parametern des Klangs, welcher von den Klangempfangsmitteln
empfangen wird.
-
Dadurch,
dass die Stimulationsfrequenz der Elektroden des Cochlearimplantats
in Abhängigkeit vom
eingehenden Sprachsignal variiert wird, werden die essentiellen
Sprachmerkmale dem Benutzer des Cochlearimplantats in optimierter
Weise dargeboten, was zu einem verbesserten Sprachverständnis führt.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Klangverarbeitungsmittel programmiert, die Stimulationsfrequenz
der elektrischen Stimulationssignale in Abhängigkeit von den Parametern
des eingehenden Sprachsignals kontinuierlich anzupassen. Zu diesem
Zweck wird das eingehende Sprachsignal verarbeitet, um Ereignisse
zu detektieren, die besser mit einer höheren Stimulationsfrequenz
dargestellt werden. Solche Ereignisse umfassen plosive Onset-Bursts,
Frikkation sowie andere plötzliche
spektrale Änderungen.
-
Die
Stimulationsfrequenz wird für
alle Elektroden für
die durchschnittliche Dauer dieser Ereignisse erhöht. Die
Standardfrequenz ist dabei zwischen 250 Schwingungen pro Sekunde
und 800 Schwingungen pro Sekunde, je nach Benutzer. Die höhere Frequenz
ist dabei mehr als ungefähr
800 Schwingungen pro Sekunde und vorzugsweise bis zu ungefähr 1600
Schwingungen pro Sekunde, was ebenfalls vom Benutzer abhängt.
-
Zum
besseren Verständnis
der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden eine gegenwärtig bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung beschrieben.
-
ERLÄUTERUNG
EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
-
Die
Erfindung ist vorzugsweise zur Verwendung mit dem CI-24M-Cochleaimplantat
ausgelegt, welches von Cochlear Ltd. hergestellt wird und im US-Patent
Nr. 4532930 sowie späteren
Patenten von Cochlear Ltd. in der Patentliteratur beschrieben ist.
-
Obwohl
das CI-24M-Implantat in den meisten Fällen verwendet werden wird,
kann die Erfindung auf jedwedes Implantat, das pulsierende Stimulation
verwendet, angewendet werden. Die Stimulierungsstrategie basiert
dabei auf dem Spectral Maxima Sound Processor (SMSP), welcher im
US-Patent 5597380 und im Australischen Patent 657959 beschrieben
ist, obwohl auch andere Strategien mit ähnlichen Ergebnissen verwendet
werden können, so
zum Beispiel die SPEAK-Strategie, welche im US-Patent 5,597,380
erläutert
wird.
-
Die
Elektrodenauswahlstrategie des SMSP wird variiert, um sicherzustellen,
dass die Elektroden in jedem Stimulierungszyklus mit den gewünschten vorbestimmten
Frequenzen stimuliert werden. Die bevorzugte Signalverarbeitungsvorrichtung
ist der SPEAR-Prozessor, welcher gegenwärtig von The Bionic Ear Institute
entwickelt wird, und welcher im folgenden Aufsatz beschrieben ist:
Zakis,
J.A. and McDermott, H.J. (1999) „A new digital sound processor
for hearing research," Proceedings of
the Inaugural Conference of the Victorian Chapter of the IEEE Engineering
in Medicine and Biology Society, February 22–23, pp.
-
Der
Prozessor ist ein generischer auf der Motorola DSP56300-Familie
basierender Prozessor, wie zum Beispiel der DSP56302 oder der DSP56309, wobei
jedoch jeder digitale Signalprozessor, so auch solche, die von Cochlear
Ltd. und seinen Wettbewerbern hergestellt werden, verwendet werden
könnte, um
das Differential-Rate-Soundprozessor Programm der vorliegenden Erfindung
laufen zu lassen, vorausgesetzt, dass der Prozessor über eine
adäquate
Verarbeitungsgeschwindigkeit verfügt.
-
In
einer Implementierung der ersten Ausführungsform der Erfindung wird
die Differential-Rate-Stimulationsprozessor-Software
gemäß der Erfindung
auf den SPEAR-Prozessor heruntergeladen und in einem EPROM gespeichert.
Patientenspezifische Details, wie zum Beispiel Frequenzbänder, Schwellpegel
(T) und Komfortpegel (C) werden ebenfalls auf diesem Gerät gespeichert.
Ein monopolarer Stimulationsmodus wird verwendet, um die gegenwärtigen Pegel
zu reduzieren und eine längere Batterielebensdauer
zu erzielen.
-
Falls
20 Elektroden zur Stimulierung zur Verfügung stehen, sind die apikalen
Elektroden die Elektroden 0–12
und die basalen Elektroden sind die Elektroden 13–19. Die
apikalen Elektroden repräsentieren
dann Frequenzen von 0 bis 2700 Hz; die basalen Elektroden repräsentieren
Frequenzen von 2700Hz bis 7900Hz. Die genannten Frequenzen der apikalen
Elektroden sind ausreichend, um die ersten drei Formanten der gesprochenen Äußerungen
der meisten Sprecher zu enthalten.
-
Die
apikalen Elektroden werden mit ungefähr 250 Schwingungen pro Sekunde
und die basalen Elektroden mit ungefähr 1500 Schwingungen pro Sekunde
stimuliert. Die T- und C-Pegel des Patienten werden behutsam eingestellt,
um sicher zu sein, dass die Stimulationspegel für die zwei verschiedenen Frequenzen
geeignet sind, wobei Anpassungen nötigenfalls gemacht werden.
Die zu stimulierenden Elektroden werden ausgewählt, in dem die acht größten spektralen
Energien innerhalb von Filterbänken ausgewählt werden,
die von der schnellen Fourier-Transformation
(FFT) oder der diskreten Wavelet-Transformation (DWT) abgeleitet
werden.
-
Die
obengenannten Werte sind lediglich Beispiele. Es bestehen große Unterschiede
zwischen einzelnen Patienten und manche Patienten benötigen höhere Stimulationsfrequenzen
an den apikalen Elektroden und/oder niedrigere Stimulationsfrequenzen
an den basalen Elektroden. Diese werden für jedes Individuum einzeln
bestimmt, indem eine Anzahl von Kombinationen von Frequenzen im
täglichen
Gebrauch ausgewertet wird. Weiterhin stehen einigen Patienten nicht
so viele Elektroden zur Verfügung, sodass
die Auswahl der Elektroden verändert
und auf ihre Situation angepasst wird. Dabei bleiben jedoch die
spektralen Bereiche der apikalen und der basalen Elektroden im Wesentlichen
gleich.
-
Durch
die Verwendung des Differential-Rate-Soundprozessor (DRSP)-Programms
der vorliegenden Erfindung werden dem Benutzer des Cochlearimplantats
Sprachmerkmale in verbesserter Weise dargeboten, was zu einem verbesserten
Sprachverständnis
führt.
-
Zur
Implementierung des zweiten Aspektes, welcher keinen Teil der beanspruchten
Erfindung darstellt, wird die Software, die notwendig ist, um abhängig vom
eingehenden Sprachsignal eine variable Stimulationsfrequenz zur
Verfügung
zu stellen, auf den SPEAR-Prozessor heruntergeladen und in einem
EPROM gespeichert. Patientenspezifische Details, wie zum Beispiel
Frequenzbänder,
Schwellpegel (T) und Komfortpegel (C) werden ebenfalls in dem Gerät gespeichert.
Ein monopolarer Stimulationsmodus wird verwendet, um die gegenwärtigen Pegel
zu reduzieren und eine längere
Batterielebensdauer zu gewährleisten.
-
Die
Standardstimulationsfrequenz beträgt etwa 250 Schwingungen pro
Sekunde und die höhere
Frequenz beträgt
etwa 1500 Schwingungen pro Sekunde. Die T- und C-Pegel des Patienten
werden behutsam eingestellt, um zu gewährleisten, dass die Stimulationspegel
für die
zwei verschiedenen Frequenzen geeignet sind. Die zu stimulierenden
Elektroden werden ausgewählt,
indem die acht größten spektralen
Energien innerhalb der Filterbänke
ausgewählt
werden, die von der schnellen Fourier-Transformation (FFT) oder
der diskreten Wavelet-Transformation (DWT) abgeleitet werden.
-
Die
Veränderungen
in der spektralen Energie und der Menge der Frequenzenergie werden über die
Zeit betrachtet. Wenn ein signifikante Veränderung zwischen Frames bzw.
Rahmen vorliegt, welche durch die Periode der niedrigeren Stimulationsfrequenz
voneinander getrennt sind, dann wird die höhere Stimulationsfrequenz für 50 ms
verwendet. Dieses Verfahren lokalisiert plosive Bursts und andere plötzliche
spektrale Veränderungen.
Die höhere
Stimulationsfrequenz wird ebenfalls verwendet, wenn das Verhältnis der
Energie unterhalb von etwa 300 Hz zu dem oberhalb von etwa 2000
Hz weniger als 0,5 beträgt.
Somit werden Phoneme mit signifikanter Frikkation lokalisiert.
-
Die
obengenannten Werte sind lediglich Beispiele. Es bestehen große Unterschiede
zwischen Patienten und einige Patienten benötigen eine höhere Stimulationsfrequenz
für die
Standardfrequenz und/oder eine niedrigere Stimulationsfrequenz für die höhere Frequenz.
Diese werden für
jedes Individuum einzeln bestimmt, indem eine Anzahl von Kombinationen
von Frequenzen im täglichen
Gebrauch ausgewertet wird. Die Schwellen für die Veränderungen in Energie sowie
Energieverhältnissen
können
auch für jedes
Individuum einzeln angepasst werden.