FR2581822A1

FR2581822A1 - Signal processing system for multielectrode sensorial prosthesis.

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Publication number: FR2581822A1
Application number: FR8507035A
Authority: FR
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-05-09
Filing date: 1985-05-09
Publication date: 1986-11-14
Also published as: FR2581822B1

Abstract

Signal processing system for multielectrode sensorial prosthesis. The system comprises a plurality of processing chains CH1,..., CHn each comprising a selective filter FSn, a rectifying circuit Rn, a low-pass filtering stage FPBn and a logarithmic amplifier ALn. This system is characterised in that it furthermore comprises a noise-subtracter circuit arranged between the low-pass filtering stage FPBn and the logarithmic amplifier ALn, a first resistor network ...Rn - 1,n/Rn,n + 1... interconnecting the various chains in the region of the low-pass filtering stages, and a second resistor network ...rn - 1,n/rn,n + 1,... interconnecting the various chains in the region of the logarithmic amplifiers. Application to auditory or tactile prostheses.

Description

Système de traitement de signal pour prothèse
sensorielle multiélectrode
La présente invention a pour objet un système de traitement de signal pour prothèse sensorielle multiélectrode. De telles prothèses mettent en oeuvre un jeu d'électrodes mis en place de façon chirurgicale, par exemple auprès des terminaisons nerveuses d'un patient et elles sont capables d'évoquer chez ce dernier des perceptions de type sonore correspondant à des hauteurs ou à des timbres différents. Mais le domaine d'application de l'invention est plus large et s'étend aussi aux prothèses mettant en jeu des phénomènes de perception tactile.Signal processing system for prosthesis
multi-electrode sensory
The present invention relates to a signal processing system for multi-electrode sensory prosthesis. Such prostheses use a set of electrodes placed in a surgical manner, for example near the nerve endings of a patient and they are capable of evoking in the latter perceptions of sound type corresponding to heights or to different stamps. However, the field of application of the invention is broader and also extends to prostheses involving phenomena of tactile perception.

L'invention a pour objet un système de traitement du signal délivré par un transducteur tel qu'un microphone, ce traitement ayant pour but l'obtention de signaux d'excitation électriques destinés à être présentés aux fibres nerveuses ou aux cellules tactiles du patient. Les moyens techniques à mettre en oeuvre sur le patient pour produire l'excitation des fibres nerveuses ou des cellules tactiles ne font pas partie de l'invention. The subject of the invention is a system for processing the signal delivered by a transducer such as a microphone, the purpose of this processing being to obtain electrical excitation signals intended to be presented to the nerve fibers or the tactile cells of the patient. The technical means to be used on the patient to produce the excitation of nerve fibers or tactile cells are not part of the invention.

Le rôle de telles prothèses est de fournir au patient une représentation de la structure spectrale du signal capté par le transducteur. Le système de traitement du signal est donc constitué d'un ensemble de chaînes de traitement toutes analogues, affectées chacune à une bande spectrale particulière. Le nombre de ces chaînes peut atteindre 10 ou 20. The role of such prostheses is to provide the patient with a representation of the spectral structure of the signal picked up by the transducer. The signal processing system therefore consists of a set of all analog processing chains, each assigned to a particular spectral band. The number of these chains can reach 10 or 20.

Ces chaînes reçoivent toutes le même signal qui provient du transducteur et elles délivrent sur leurs sorties des signaux en général différents. These chains all receive the same signal which comes from the transducer and they deliver on their outputs signals in general different.

Classiquement, une telle chaîne est composée d'un filtre sélectif, apte à isoler, dans le signal provenant du transducteur, les composantes spec traIes qu'et Le est chargée de traiter, d'un étage de redressement, d'un étage de filtrage passe-bas et enfin d'un amplificateur logarithmique dont le rôle est de délivrer aux électrodes des signaux qui sont des fonctions Logarithmiques de la grandeur d'entrée. Conventionally, such a chain is composed of a selective filter, capable of isolating, in the signal coming from the transducer, the specific components which are responsible for processing, a rectifying stage, a filtering stage low pass and finally a logarithmic amplifier whose role is to deliver signals to the electrodes which are Logarithmic functions of the input quantity.

De tels systèmes, s'ils conviennent bien à certains égards, présentent néanmoins l'inconvénient de simuler imparfaitement les mécanismes physiologiques qu'ils sont censés reproduire. L'inventeur a découvert que cette simulation était de bien meilleure qualité si t'on disposait des moyens d'interconnexion entre les diverses chaînes, à des endroits appropriés. Such systems, if they are well suited in certain respects, nevertheless have the drawback of imperfectly simulating the physiological mechanisms that they are supposed to reproduce. The inventor discovered that this simulation was of much better quality if one had means of interconnection between the various chains, in suitable places.

Par ailleurs, chaque chaîne est perfectionnée par t'ajout d'un circuit suppresseur de bruit.In addition, each chain is improved by the addition of a noise suppressor circuit.

On comprendra mieux les caractéristiques de
L'invention après la description qui suit. Cette description se réfère à des dessins annexés sur les- quels :
- la figure 1 représente Le schéma synoptique du système,
- la figure 2 montre le circuit électronique constituant une chaine.We will better understand the characteristics of
The invention after the following description. This description refers to the attached drawings in which:
FIG. 1 represents the block diagram of the system,
- Figure 2 shows the electronic circuit constituting a chain.

La figure 1 montre un système comprenant une pluralité de chaînes de traitement de signal CH1,...CHn-1, CHn, CHn+1, etc.. ayant des entrées
E1,... En-1, En, En+1,... toutes reliées à un transducteur Tr et des sorties S1,... Sn-1, Sn, Sn+1, etc... destinées à être reliées à une pluralité d'électrodes e1,..., en-1, en,en+1, etc... appliquées à un patient.FIG. 1 shows a system comprising a plurality of signal processing chains CH1, ... CHn-1, CHn, CHn + 1, etc. having inputs
E1, ... En-1, En, En + 1, ... all connected to a transducer Tr and outputs S1, ... Sn-1, Sn, Sn + 1, etc ... intended to be connected to a plurality of electrodes e1, ..., in-1, in, in + 1, etc ... applied to a patient.

Cette structure est connue. La caractéristique essentielle de L'invention consiste dans la présence de moyens d'interconnexion entre Les chaises, comme on Le comprendra mieux en liaison avec La figure 2. This structure is known. The essential characteristic of the invention consists in the presence of interconnection means between the chairs, as will be better understood in connection with FIG. 2.

Cette figure montre la structure détaillée de chaque chaîne. Comme toutes les chaînes sont analogues, on ne décrira que la chaîne CHn, de rang n, (en évoquant seulement quelques composants des chaînes adjacentes de rangs n-l et n+1). This figure shows the detailed structure of each chain. As all the chains are analogous, we will only describe the chain CHn, of rank n, (by evoking only a few components of the adjacent chains of ranks n-1 and n + 1).

La chaîne de rang n comprend, de manière générale - un filtre d'entrée sélectif en fréquence FSn, desti
né à être relié au transducteur Tr ; les filtres des
diverses voies ont chacun une bande particulière
centrée sur une composante spectrale, - un circuit de redressement Rn, relié au filtre d'en
trée FS, - un étage de filtrage passe-bas, relié au circuit de
redressement Rn, - un circuit soustracteur SSn, relié au filtre passe
bas FPBn et apte à éliminer le bruit, - un amplificateur logarithmique ALn relié au sous
tracteur SSn, la sortie Sn de l'amplificateur loga
rithmique étant destinée à être reliée à l'une des
électrodes.The chain of rank n generally comprises a frequency selective input filter FSn, intended
born to be connected to the transducer Tr; filters
various tracks each have their own band
centered on a spectral component, - a rectification circuit Rn, connected to the filter of
trée FS, - a low-pass filtering stage, connected to the
rectification Rn, - a subtractor circuit SSn, connected to the pass filter
low FPBn and capable of eliminating noise, - a logarithmic amplifier ALn connected to the sub
tractor SSn, the output Sn of the amplifier loga
rithmic being intended to be connected to one of the
electrodes.

Les filtres d'entrée ESn sont en général des filtres passe-bande, mais on peut tout aussi bien chercher une solution plus proche de la réalité physiologique en utilisant des filtres passe-bas, ou regrouper les filtres les plus hauts en fréquence en un seul filtre passe-haut. ESn input filters are generally bandpass filters, but we can just as easily seek a solution closer to physiological reality by using lowpass filters, or group together the highest frequency filters into one high pass filter.

Les fréquences de coupure de ces filtres sont réparties sur une échelle physiologique, c'est-àdire qu'ils seront au mieux à largeur absolue constante jusqu'à 1000 Hz et à largeur relative constante audelà. Pour tenir compte des propriétés statistiques du signal de parole, il est bon que leur gain s'accroisse de 6 dB par octave jusque vers 1000 Hz ou 15000 Hz pour rester plus stable au-delà-. The cutoff frequencies of these filters are distributed on a physiological scale, that is to say that they will at best be at constant absolute width up to 1000 Hz and at constant relative width beyond. To take into account the statistical properties of the speech signal, it is good that their gain increases by 6 dB per octave up to around 1000 Hz or 15000 Hz to remain more stable beyond that.

Dans Le cas illustre, Les filtres sélectifs
FSn sont obtenus par L'association d'une cellule pas
se-bas 10 et d'une cellule passe-haut 20 de type
SALLEN et KEY. Cette solution n'est pas optimale du
point de vue des valeurs à donner aux composants, mais
elLe se satisfait de l'utilisation d'ampLificateurs
opérationnels de performances modestes et elle conduit
à une relation entre gain et Largeur de bande satis
faisant facilement Les contraintes citées plus haut.In the illustrated case, the selective filters
FSn are obtained by the association of a cell not
low 10 and a high pass cell 20 of the type
SALLEN and KEY. This solution is not optimal from
point of view of the values to give to the components, but
she is satisfied with the use of ampLifiers
modest performance operational and it drives
to a relationship between gain and Satisfied bandwidth
easily doing The constraints mentioned above.

L'étage de redressement Rn est de structure
classique : son affaibLissement est compensé par le
gain du filtre passe-bas qui suit, FPBn.The rectification stage Rn has a structure
classic: its weakening is compensated by the
gain of the following low-pass filter, FPBn.

La caractéristique essentielle du système
de L'invention est que Les diverses chaînes sont re
Liées entre elles par un premier réseau de résistances
Rn-1,n, Rn,n+1, etc... reliant entre eux Les diffé
rents étages de filtrage passe-bas FPBn et un second
réseau de résistances rn#1,n, rn,n+î, etc... reLiant
entre eux Les différents ampLificateurs Logarithmi-
ques ALn.The essential feature of the system
The invention is that the various chains are re
Linked together by a first network of resistors
Rn-1, n, Rn, n + 1, etc ... connecting the diffe
rents FPBn low-pass filtering stages and a second
resistance network rn # 1, n, rn, n + î, etc ... reLiant
between them The different Logarithmi amplifiers
ques ALn.

Ces odes de liaison entre Les divers étages
seront mieux compris Si L'on entre un peu dans Le dé
tail des circuits utilises. IL faut comprendre que La description qui suit n'est qu'un exempLe de réalisa
tion donne à titre explicatif et qu'il existe bien
d'autres modes de réalisation des divers sous-ensen
bleus. These connection odes between the various stages
will be better understood if we enter a little in the die
tail of the circuits used. It should be understood that the following description is only an example of realization
tion gives by way of explanation and that it does exist
other embodiments of the various subsets
blue.

Tel que représenté sur La figure 2, Le fiL
tre séLectif d'entrée FSn comprend un filtre passe-bas
10 suivi d'un filtre passe-haut 20. Le filtre passe
bas 10 comprend une première résistance 11 reliée à
L'entrée, un condensateur 12, une résistance 13, un
autre condensateur 14 ayant une armature à La masse,
un ampLificateur 15 monté en suiveur et fonctionnant
en adaptateur d'inpedance, avec une entrée positive reliée au condensateur 14 et à la résistance 13 et une entrée négative (ou inverseuse) reliée au condensateur 12.As shown in Figure 2, The wire
be selective input FSn includes a low pass filter
10 followed by a high pass filter 20. The filter passes
bottom 10 includes a first resistor 11 connected to
The input, a capacitor 12, a resistor 13, a
other capacitor 14 having a grounded armature,
an amplifier 15 mounted as a follower and operating
as an interpedance adapter, with a positive input connected to the capacitor 14 and to the resistor 13 and a negative (or inverting) input connected to the capacitor 12.

Le filtre passe-haut 20 comprend un condensateur 21 relié à la sortie de l'amplificateur 15 du filtre passe-bas précédent, un condensateur 22, une résistance 23, une autre résistance 24 reliée à La masse et un amplificateur 25 monté en suiveur et adaptateur d'impédance, l'entrée négative de cet amplificateur étant reliée à la résistance 23 et l'entrée positive au condensateur 22. The high-pass filter 20 comprises a capacitor 21 connected to the output of the amplifier 15 of the previous low-pass filter, a capacitor 22, a resistor 23, another resistor 24 connected to ground and an amplifier 25 mounted as a follower and impedance adapter, the negative input of this amplifier being connected to the resistor 23 and the positive input to the capacitor 22.

Le circuit de redressement Rn comprend un pont de résistances 31, 32, 33, 34, un amplificateur 35 ayant une entrée négative reliée au pont et deux diodes 36, 37 disposées dans la diagonale du pont. The rectifier circuit Rn comprises a resistance bridge 31, 32, 33, 34, an amplifier 35 having a negative input connected to the bridge and two diodes 36, 37 arranged in the diagonal of the bridge.

L'étage de filtrage passe-bas FPDn comprend une première résistance 41 reliée à la sortie du circuit redresseur, une deuxième résistance 42, une troisième résistance 43, un condensateur 44, un amplificateur 45 dont l'entrée négative est reliée à la résistance 43 et l'entrée positive à la résistance 42, la sortie de cet amplificateur étant rebouclée sur le point milieu situé entre les résistances 41 et 42 par l'intermédiaire d'un condensateur 46. The low-pass filtering stage FPDn comprises a first resistor 41 connected to the output of the rectifier circuit, a second resistor 42, a third resistor 43, a capacitor 44, an amplifier 45 whose negative input is connected to the resistor 43 and the positive input to resistor 42, the output of this amplifier being looped back to the midpoint located between resistors 41 and 42 by means of a capacitor 46.

Le circuit soustracteur SSn comprend une résistance 51, un amplificateur 52 dont l'entrée négative est reliée à la résistance 51 et L'entrée positive à la masse, une diode 53, connectée entre la sortie de l'amplificateur 52 et l'entrée négative de cet amplificateur par l'intermédiaire d'une résistance 54 ; le circuit comprend encore un condensateur 55 relié à la masse, une résistance de polarisation 56 reliée à une tension négative -V, un amplificateur 57 monté en suiveur, dont l'entrée positive est reliée à la résistance 56, deux résistances égales 58, 59, la résistance 58 étant reliée à l'amplificateur 57 et la résistance 59 à la sortie du filtre passe-bande FPBn. The subtractor circuit SSn includes a resistor 51, an amplifier 52 whose negative input is connected to the resistor 51 and The positive input to ground, a diode 53, connected between the output of the amplifier 52 and the negative input of this amplifier via a resistor 54; the circuit further comprises a capacitor 55 connected to ground, a bias resistor 56 connected to a negative voltage -V, an amplifier 57 mounted as a follower, the positive input of which is connected to the resistor 56, two equal resistors 58, 59 , the resistor 58 being connected to the amplifier 57 and the resistor 59 at the output of the bandpass filter FPBn.

L'ensemble formé par l'amplificateur 52, la diode 53 et les résistances 51, 54, 56 permet de mesurer la valeur la plus faible du signal en provoquant la charge rapide du condensateur 55. L'amplificateur 57 (monté en suiveur) joue le rôle d'adaptateur d'impédance. La soustraction du signal de bruit s'effectue dans les résistances 58 et 59 La tension délivrée par ces résistances est débarrassée du bruît. The assembly formed by the amplifier 52, the diode 53 and the resistors 51, 54, 56 makes it possible to measure the lowest value of the signal by causing the rapid charging of the capacitor 55. The amplifier 57 (mounted as a follower) plays the role of impedance adapter. The noise signal is subtracted from resistors 58 and 59. The voltage delivered by these resistors is rid of noise.

Le circuit amplificateur logarithmique ALn comprend une première résistance 61 reliée à une source de tension positive +V, un amplificateur 62 dont l'entrée positive est reliée à la masse, un premier transistor 63 dont L'émetteur est relié à la sortie de l'amplificateur 62 et le collecteur à l'entrée positive de cet amplificateur, un second transistor 64 dont l'émetteur est relié à l'émetteur du transistor précédent, et dont le collecteur est relié aux résistances 58, 59 du circuit soustracteur qui précède, la base de ce second transistor étant reliée à la masse, un amplificateur 65 dont L'entrée positive est reliée à la masse et l'entrée négative est reliée aux résistances 58, 59 du circuit soustracteur qui précède, une résistance 66 avec, en parallèle, un condensateur 67, une autre résistance 68 avec, en parallèle, un autre condensateur 69, le point intermédiaire entre ces deux ensembles 66, 67 d'une part, 68, 69 d'autre part, étant relié à la base du transistor 63. La sortie de l'amplificateur logarithmique est constituée par la sortie de l'amplificateur 65 et constitue le signal d'excitation à transmettre au patient. Les condensateurs 67 et 69 dans le réseau de sortie, permettent d'augmenter Le gain de L'étage d'amplification logarithmique pour les phénomènes transitoires et de recréer ainsi, si nécessaire, le comportement d'adaptation des cellules sensorielles. The logarithmic amplifier circuit ALn comprises a first resistor 61 connected to a positive voltage source + V, an amplifier 62 whose positive input is connected to ground, a first transistor 63 whose emitter is connected to the output of the amplifier 62 and the collector at the positive input of this amplifier, a second transistor 64 whose emitter is connected to the emitter of the preceding transistor, and whose collector is connected to resistors 58, 59 of the preceding subtractor circuit, the base of this second transistor being connected to ground, an amplifier 65 whose positive input is connected to ground and the negative input is connected to resistors 58, 59 of the preceding subtractor circuit, a resistor 66 with, in parallel, a capacitor 67, another resistor 68 with, in parallel, another capacitor 69, the intermediate point between these two assemblies 66, 67 on the one hand, 68, 69 on the other hand, being connected to the base of the transistor 63. The exit from the am logarithmic plifier is formed by the output of amplifier 65 and constitutes the excitation signal to be transmitted to the patient. The capacitors 67 and 69 in the output network make it possible to increase the gain of the logarithmic amplification stage for transient phenomena and thus to recreate, if necessary, the adaptation behavior of the sensory cells.

Conformément à l'invention, L'étage de filtrage passe-bas FPBn est relié aux étages adjacents par des résistances qui sont connectées, dans l'e-xem- ple illustré, aux entrées négatives des divers amplificateurs 45 de ces étages. Grace à cette liaison, il est possible de diminuer le niveau d'une chaîne dans une proportion fixe qui dépend des niveaux des signaux traités sur les chaines voisines. Dans le mode de réalisation illustré, cette opération est non récursive. According to the invention, the low-pass filtering stage FPBn is connected to the adjacent stages by resistors which are connected, in the illustrated example, to the negative inputs of the various amplifiers 45 of these stages. Thanks to this link, it is possible to decrease the level of a chain in a fixed proportion which depends on the levels of the signals processed on the neighboring chains. In the illustrated embodiment, this operation is non-recursive.

Mais il est possible d'obtenir un traitement récursif en ramenant la sortie d'un amplificateur d'une chaîne sur l'entrée négative des amplificateurs des chaînes voisines.However, it is possible to obtain recursive processing by reducing the output of an amplifier of a chain to the negative input of the amplifiers of neighboring chains.

Si la correction non récursive reste de portée locale entre deux chaînes voisines, la correction récursive a une influence à plus longue distance. If the non-recursive correction remains of local scope between two neighboring chains, the recursive correction has an influence at longer distance.

La seconde liaison inter-chaines s'effectue au niveau des amplificateurs logarithmiques. De façon plus précise, les résistances rnnon et r n,n+1 sont connectées entre les résistances 66 et 68 disposées à la sortie de l'amplificateur 65. The second inter-chain link takes place at the logarithmic amplifiers. More precisely, the resistors rnnon and r n, n + 1 are connected between the resistors 66 and 68 arranged at the output of the amplifier 65.

On notera que le circuit soustracteur SSn, est disposé après l'étage de filtrage passe-bas FPBn ou s'effectue la première connexion entre les diffé- rentes chaines, ce qui permet de supprimer le bruit sur un signal qui est déjà un signal global faisant intervenir les chaînes parallèles. Par ailleurs, le circuit de suppression de bruit se situe avant l'amplificateur logarithmique, -de- sorte que seul le signal utile se trouve amplifié. It will be noted that the subtractor circuit SSn, is arranged after the low-pass filtering stage FPBn where the first connection is made between the different chains, which makes it possible to suppress noise on a signal which is already a global signal involving parallel chains. Furthermore, the noise suppression circuit is located before the logarithmic amplifier, so that only the useful signal is amplified.

Dans les cas (fréquents) où les méthodes d'application des signaux vers Les terminaisons nerveuses interdisent la prise en compte d'excitations inhibitrices, une diode de bouclage de l'amplificateur logarithmique permet de les interdire au niveau du réseau de simulation de l'interaction. In the (frequent) cases where the methods of application of the signals to the nerve endings prohibit the taking into account of inhibitory excitations, a looping diode of the logarithmic amplifier makes it possible to prohibit them at the level of the simulation network of the interaction.

Claims

1. Signal processing system for nultielectrode sensory prosthesis, comprising more than one processing chain (CH1, ... CHn,) each having an input (E1, .., capable of being connected to a transducer (Tr) and an output (S1, ... Sn) each connected to a particular electrode (e1, ... en), each processing chain comprising: - a selective filter (FSn) having an input connected to the

transducer (Tr), - a rectification circuit (Rn) connected to the dry filter

Staff (FSn), - a low-pass filtering stage (FPBn) connected to the cir

cooked for re-dressing, - a Logarithmic amplifier (ALn) having a sor

tie (Sn) able to be connected to an electrode (En), this system being characterized by the fact that it further comprises: - a noise subtractor circuit disposed between

The low pass filtering stage (FPBn) and the ampLifica-

Logarithmic tor (ALn), - a first network of resistors (... Rn-1, n /

Rn, n + 1 ...) interconnecting the different chains

at the low-pass filtering stages, - a second network of resistors (... rn-1, n /

rn, n + 1 ...) interconnecting the different chains

at the level of Logarithmic amplifiers.

2. System according to claim 1, characterized in that the low-pass filtering stage (FPBn) comprises a differential amplifier (45) with a negative input connected to a resistor and a positive input connected to a resistor and to a capacitor, and an output rewired to the input by a capacitor, the first network of interconnection resistors connecting between them the negative inputs of the differential amplifiers of the different chains.

3. System according to claim 1, characterized in that the low-pass filtering stage (FPBn) comprises a differential amplifier (45) with a negative input connected to a resistor and a positive input connected to a resistor and to a capacitor, and an output looped back to The input by a capacitor, the first network of interconnection resistors connecting together the output of an amplifier of a channel with the input of the amplifiers of neighboring chains.

4. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the logarithmic amplifier comprises, at its output, a differential amplifier (65) whose output is looped back to the input through a resistance bridge (66 , 68), the second set of interconnection resistors <rn # î, n / rn, n + î) connecting to each other The different resistance bridges of the various chains.