JP2008109660A - ヒトの外耳の構造を考慮したデジタル補聴器 - Google Patents

ヒトの外耳の構造を考慮したデジタル補聴器 Download PDF

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Abstract

【課題】ヒトの外耳の構造を考慮したデジタル補聴器を提供する。
【解決手段】個人によって互いに異なる大きさ、形態的特徴を有する外耳の構造を模型化して、構造上の特徴によって発生する共鳴利得を取得した後、それをデジタル補聴器の利得係数に使用できるようにデジタル化し、信号処理してデジタル信号処理部に適用する。利得獲得ユニット200は、このような構造的特徴によって発生した共鳴利得と聴力検査を通じて獲得した利得とを同時に考慮することで、利得補正時間と生じ得る誤差とを減少させつつ、個人別性能を最適化する。
【選択図】図1

Description

本発明は、デジタル補聴器に関するもので、より詳細には、個人によって互いに異なる大きさ、形態的特徴を有する外耳の構造を模型化し、構造上の特徴によって発生する共鳴利得を捕捉して、それを利得係数に使用できるようにデジタル化して信号処理して、個人の特徴を考慮して性能を最適化したデジタル補聴器に関するものである。
音を聞くということは、単純な感覚作用以上の意味を有する。聞く能力を喪失した場合、正常な社会的活動ができなくなり、その結果、精神的な衰えまで起こし得る。聞く能力の損失によって生じる難聴を補うために使用する道具である補聴器は、難聴の人の聴力器官に入力される音響信号を変形して、結果的に脳によって認識される程度を正常な人と同じになるようにすることにその目的を置いている。
現在、常用化されている補聴器は、大きく分けてアナログ、デジタル、そしてアナログ/デジタル混合型の三種類に分類することができる。
現在、補聴器市場の大部分を占めているアナログ補聴器は、この数十年間、機能面で多くの発展を遂げてきたが、可能な信号処理方法が、可聴領域を制限した帯域数(主に2〜3帯域)に圧縮したり増幅させるなどの基本的なものに制限されるものしかなかった。これは、アナログ回路は柔軟性や信頼性が低く機能調整が容易ではないため、複雑な信号処理方法を具現しにくいなどの様々な問題点によるものである。
したがって、デジタル回路を内蔵したデジタル補聴器に対する必要性は長い間継続しており、そのために必要なデジタル信号処理アルゴリズムの開発も続けられてきた。
デジタル補聴器の場合、回路の柔軟性と信頼性の面での長所だけではなく、複雑な高性能信号処理アルゴリズムを実現することが易しく、特に感音神経性難聴患者に対する非線形矯正方法のような高性能難聴補償アルゴリズムを効率的に具現することができる。
ところが、一般的なデジタル補聴器は、利得合わせ及び補正の過程で個人の外耳が有する固有の共鳴利得を考慮しないで、聴力検査のみを通じて利得を抽出して補正するため、最初の補正による個人の満足度が極めて低い。
したがって、持続的な二次補正が必要であり、それによって発生する利得補正時間及び利得誤差は、年令別、個人別にその差が大きくて利得補正を難しくする最大の理由になっている。
二次補正をするための一般的な方法としては、プローブチューブマイクロホン補正方法と挿入利得補正方法とがある。
しかし、プローブチューブマイクロホン補正方法の場合、プローブチューブの位置によって測定利得に相当な誤差が発生して、測定時に個人の動きを制限するため、児童に使用しにくいという問題点があり、挿入利得補正方法の場合、再検査時の信頼度低下、そして周波数領域の解像度低下等の問題点がある。
"Is functional gain really functional?" The Hearing Journal, November 2002, Vol. 55, No. 11 "A computer simulation of hearing aid response and the effects of ear canal size, J. Acoust. Soc. Am., 83(5), May 1988 "Measurement of acoustic impedance and reflectance in the human ear canal, J. Acoust. Soc. Am., 95(1), January 1994
本発明は、前記のような問題点を解決するために創作されたもので、本発明の目的は、個人によって互いに異なる大きさ、形態的特徴を有する外耳の構造を模型化して、構造上の特徴によって発生する共鳴利得を捕捉し、それを利得係数に使用できるようにデジタル化して信号処理して、個人の特徴を考慮して性能を最適化したデジタル補聴器を提供することにある。
また、本発明の目的は、外耳の構造的特徴によって発生した利得と個人の聴力検査を通じて獲得された利得とを同時に考慮した利得係数を通じて、利得補正時間と生じ得る誤差とを減少させて個人別の性能を最適化し、1次利得設定及び補正を行った後、補聴器を着用して再び聴力検査を行って獲得された利得で2次利得設定及び補正を行うことで、補聴器利得の設定及び補正に必要となる時間をさらに減少させて、個人によって互いに異なる耳の特徴に適合した利得を有するデジタル補聴器を提供することにある。
前記のような目的を実現するために、本発明は、マイクロホンを通じて入力された外部音声信号を増幅するための増幅器と、増幅器で増幅されたアナログ信号をデジタルに変換するためのAD変換器と、AD変換器によって変換されたデジタル信号に対して利得補正及びデジタル信号処理を遂行する信号処理部と、信号処理部で処理されたデジタル信号をアナログ信号に変換するDA変換器と、DA変換器によって変換されたアナログ信号をレシーバーを通じて出力するためのレシーバードライバとを備えたデジタル補聴器において、形態的特徴を有する外耳の構造を模型化した外耳模型化回路で獲得した共鳴利得と聴力検査によって獲得された利得とに基づいて、信号処理部の利得係数を設定及び補正する利得獲得ユニットをさらに備えることを特徴とする。
本発明の利得獲得ユニットは、外耳の構造をLCフィルターで模型化して周波数特性を抽出するための外耳模型化回路と、外耳模型化回路から出力された周波数特性に対応する直流電圧を出力する包絡線検波器と、包絡線検波器から出力された直流電圧をデジタル信号に変調するための逐次比較型アナログデジタル変調器と、逐次比較型アナログデジタル変調器の出力と聴力検査の出力とから、最大利得を有する周波数帯域の最大利得係数及び特定周波数帯域での利得係数をそれぞれ抽出するための比較器と、比較器の出力に基づいて、逐次比較型アナログデジタル変調器から出力された最大利得係数と、聴力検査によって獲得された最大利得係数とを加算して、その加算結果を信号処理部に出力するための足し算器とを含むことを特徴とする。
本発明の外耳模型化回路は、インダクターとキャパシターとを含む固定タップと、固定タップに直列連結され、可変インダクターと可変キャパシターとを含む可変タップとを含み、外耳の特徴に応じて外部の制御信号によって可変タップのインダクタンスとキャパシタンスを調節することを特徴とする。
ここで可変タップは、直列連結された4個のインダクターと並列連結された4個のキャパシターとを含み、外部の制御信号によって4個のインダクターと4個のキャパシターとを選択的に連結することにより、前記可変タップのインダクターとキャパシターとの個数が調節されることを特徴とする。
本発明の外耳模型化回路で獲得される共鳴利得は、1KHzから8kHzまで1KHzの間隔で増加する周波数を有する純音(pure tone)に対する応答による共鳴利得であることを特徴とする。
本発明の逐次比較型アナログデジタル変調器は、出力ビットが出ないタイミングでマルチプレクサとフリップフロップの電源を遮断することを特徴とする。
本発明の利得獲得ユニットは、逐次比較型アナログデジタル変調器で出力される利得係数を保存するための第1レジスター部を含むことを特徴とする。
本発明の利得獲得ユニットは、聴力検査によって得られた必要利得を具現する利得係数を保存するための第2レジスター部を含むことを特徴とする。
ここで、第1ないし第2レジスター部は、複数個の5ビットレジスターからなり、クロック周波数にしたがって複数個の5ビットレジスターに所定の順番で前記利得係数を保存されることを特徴とする。
本発明では、聴力検査によって得られる利得係数は、1KHz〜8KHzの周波数帯域での利得であることを特徴とする。
本発明の特定周波数帯域は、4KHz帯域であることを特徴とする。
本発明は、個人によって互いに異なる大きさ、形態的特徴を有する外耳の構造を模型化し、周波数による共鳴利得をとらえて、それを利得係数に使用できるようにデジタル化して信号処理することで、利得補正時間と発生し得る誤差とを減少させて、個人によって互いに異なる耳の特徴に適合する利得を得ることができる。これによって、個人別の性能を最適化できるようにする。
以下、本発明の好ましい実施例を添付の図面を参照して説明する。また、本実施例は、本発明の権利範囲を限定するものではなく、単に例示として提示したものであって、当業者であれば本発明の技術的思想の範囲内で多くの変形を行うことが可能である。
図1は、本発明によるデジタル補聴器の構造を示したブロック構成図であり、図2は、本発明によるデジタル補聴器の利得獲得ユニットを示した回路構成図である。
図1に示したように、デジタル補聴器は、マイクロホン10を通じて入力した外部音声信号を増幅するための増幅器20と、増幅器20で増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換するためのAD変換器30と、AD変換器30によって変換されたデジタル信号に対して利得補正及びデジタル信号処理を遂行する信号処理部108、109、110と、信号処理部108、109、110で処理されたデジタル信号をアナログ信号に変換するDA変換器40と、DA変換器40によって変換されたアナログ信号をレシーバー60を通じて出力するためのレシーバードライバ50とを含むだけではなく、形態的特徴を有する外耳の構造を模型化した外耳模型化回路100により獲得された共鳴利得と聴力検査107によって獲得した利得とに基づいて、信号処理部108、109、110の利得係数を設定及び補正する利得獲得ユニット200を含む。
ここで、利得獲得ユニット200は、図2に示したように外耳の構造をLCフィルターで模型化して周波数特性を抽出するための外耳模型化回路100と、外耳模型化回路100から出力された周波数特性に対応する直流電圧を出力する包絡線検波器101と、包絡線検波器101から出力された直流電圧をデジタル信号に変調するための逐次比較型アナログデジタル変調器102と、逐次比較型アナログデジタル変調器102の出力と聴力検査107の出力とから、最大利得を有する周波数帯域の最大利得係数及び特定周波数帯域での利得係数をそれぞれ抽出するための制御信号117を制御信号生成器106によって生成するための比較動作を行う比較器103、104と、比較器103、104の出力に基づいて生成された制御信号117によって、逐次比較型アナログデジタル変調器102から出力された最大利得係数と、聴力検査107によって獲得した最大利得係数とを加算して、その加算結果を信号処理部108、109、110に出力するための足し算器105とを含み、具体的に、足し算器105は、聴力検査107によって獲得された利得係数G1EX0−6112と、外耳模型化回路100を通じて逐次比較型アナログデジタル変調器102によって獲得された利得係数G1EM0−6111とをそれぞれ加算し、その加算値を信号処理部108、109、110に出力する。
図1の各レジスター部は、複数個の5ビットレジスターからなっている。一個の5ビットレジスターは、信号伝達のために5個のトグル・フリップフロップ(T−flip flop)を使用し、制御信号に従って信号伝達を制御する。
図2の内部クロック生成器は、偶数個の差動増幅器を基本とした電圧調整オシレータである。
これを具体的に説明すると、外耳模型化回路100は、2次元X線写真を使用して個人別に互いに異なる特徴を有する外耳の構造をLCフィルターで模型化することにより、周波数による共鳴利得を抽出する。
ここで、外耳の個人差を考慮するために、LとCの値を調節しなければならない。そのために11ビットのデジタル制御信号SEMC118を使用する。
本発明の実施例では、外耳模型化回路100は、総30個のタップで構成されていて、14個の固定タップと16個の可変タップに分けられる。これは、後で30個の可変タップに確張することができ、タップ数も30個からN個に拡張可能である。
ここで一つのタップは、4個の直列連結インダクター119と4個の並列連結キャパシター120とからなっている。したがって、デジタル制御信号118を利用して、可変タップのインダクターとキャパシターの個数(インダクター119とキャパシター120の連結)を調節することで個人の外耳の特徴を模型化できるようにした。
また、包絡線検波器101は、1KHzから8KHzまでの外耳模型化回路100の周波数応答を1KHzの段階毎に捕捉して周波数別に最大利得値を検出する。
そして、検出された最大利得値を補聴器の信号処理部108、109、110で利得係数に使用するためには、デジタル化して信号処理する必要がある。したがって、5ビットを有する低電力逐次比較型アナログデジタル変調器102を使用して、検出された利得をデジタル化する。ここで、獲得された利得係数G1EM111は、1KHzから8KHzまでの最大利得値を含んでいる。
しかし、1KHzから8KHzまでのすべての帯域に対する利得を全て考慮する信号処理部108、109、110を具現する場合、性能対電力消耗比が大きくなるので、電力消耗を減らしながらも個人別に要求される利得を充分に得るためのアルゴリズムが求められる。
したがって、一般的な聴覚障害患者等に普遍的に現れる4KHz帯域の損失を補償するための4KHz帯域の利得係数G1EMF113と全体周波数帯域での最大利得係数G1EMA114のみを扱うアルゴリズムを比較器103を通じて具現する。
聴力検査107を通じて獲得した利得も、1KHzから8KHzまでのすべての帯域での利得を含んでいるので、前記のような理由で4KHz帯域の利得係数G1EXF115と全体周波数帯域での最大利得係数G1EXA116のみを選択して、最大利得を有する周波数帯域を選定するために比較器104を導入する。
比較器103、104を通じて、逐次比較型アナログデジタル変調器102の出力と聴力検査107の出力からそれぞれ最大利得を有する周波数を1個ずつ選定するアルゴリズムを具現して、その情報に基づいて制御信号生成器106では、最大利得周波数選択のための制御信号W117を生成する。
G1EM111信号とG1EX112信号は、足し算器105で加算され、ここで利得は1KHzから8KHzまでの利得を全て含んでいる。制御信号W117を使用して、足し算器105の出力の中から、最大利得係数G1121、G1122、及びG1123を獲得することができる。
この3個の利得係数は、3個の周波数帯域に対する利得にそれぞれ対応しており、信号処理部107、108、109の利得係数として入力される。
また、外耳の構造と関連がない利得係数PS0〜6124は、聴力検査107の結果から獲得され、同様に1KHzから8KHzまでのすべての帯域での利得係数を含んでいる。したがって、制御信号W117を利用して、特定周波数帯域で使用される利得係数PS125、PS126、PS127のみを信号処理部108、109、110に適用する。
このような過程を経て、1次利得設定及び補正を行った後、再び聴力検査を行って補正された利得と所望する利得との間の差異を把握して、それを新しい利得係数G1EXF115、G1EXA116として適用して利得補正を行う。
このように構成されたデジタル補聴器によって、個人別に互いに異なる外耳の特徴によって自然発生する共鳴利得を補聴器の利得設定及び補正に考慮して個人別に最適化できる。
また、利得設定及び補正に必要となる時間を減らして発生し得る誤差を減少させることができ、個人に最適な利得を求めるために、構造的特徴によって発生した利得と個人の聴力検査を通じて獲得した利得とを同時に考慮することができる外耳模型化回路によって、デジタル補聴器の信号処理部に利得係数を導入することにより、1次利得設定及び補正を行った後、補聴器を着用して再び聴力検査を行って、以後獲得された利得で2次利得設定及び補正を行うことで、補聴器利得設定及び補正に必要となる時間を大幅に減少させて、個人によって互いに異なる耳の特徴に適合する利得を有するデジタル補聴器を具現することができる。
図3は、本発明によるデジタル補聴器の逐次比較型アナログデジタル変調器を示した回路構成図である。
ここでは、逐次比較型アナログデジタル変調器102の電力消耗を減らすために、出力ビットが出ないタイミングでマルチプレクサとフリップフロップの電源を遮断させることができるように、制御信号GCC,GCSを生成して低電力で駆動することができるようにした。
図4ないし図7は、本発明によるデジタル補聴器の利得獲得ユニットの動作例を示したグラフである。
図4は、外耳模型化回路100の出力を周波数領域で測定した結果である。3KHzと4KHzの帯域で利得が発生することを観察することができる。
図5は、包絡線検波器101出力を示す。外耳模型化回路100の出力を1KHzから8KHzまで1KHz単位で示している。
図6は、包絡線検波器101の出力を利得係数で信号処理した後、その結果を逐次比較型アナログデジタル変調器102に適用してその出力を測定したグラフである。
図7は、種々の利得係数の中で、4KHz帯域での利得係数の出力と、4KHz以外での最大利得を有する周波数での利得係数の出力を示したグラフである。
図8ないし図10は、本発明によるデジタル補聴器の利得獲得ユニットを適用した周波数応答を示したグラフである。
図8〜図10は、利得設定及び補正構造を適用したデジタル補聴器の周波数応答を測定した結果である。
図8に示す実線は、検査を通じて獲得した聴力損失患者の周波数応答を示す。1KHzと4KHzの領域で聴力損失が発生していることが分かる。点線は、聴力損失を有しない一般人の聴力の周波数応答を示している。
図9に示す点線は、聴力検査と外耳の特徴とを考慮して得られた必要利得であり、実線は1次利得設定及び補正の結果を通じて獲得された利得を示す。1KHzと4KHzで発生した聴力損失が大きく補償され、外耳の特徴的な形態による共鳴利得が2kHz帯域で補償されたことが分かる。
図10に示す実線は、聴力検査を通じた2次利得設定及び補正の結果を通じて獲得された利得を示している。
上述したように、本発明は個人によって互いに異なる大きさ、形態的特徴を有する外耳の構造を模型化して、構造上の特徴によって発生する共鳴利得を捕捉して、それを利得係数に使用できるようにデジタル化して信号処理して、個人の特徴を考慮して性能を最適化することができる利点がある。
また、本発明は、外耳の構造的特徴によって発生した利得と個人の聴力検査を通じて獲得した利得とを同時に考慮した利得係数を通じて、利得補正時間と発生し得る誤差とを減少させて個人別性能を最適化して、1次利得設定及び補正を行った後、補聴器を着用して再び聴力検査を行って獲得した利得で2次利得設定及び補正を行うことで、補聴器利得設定及び補正に必要となる時間をさらに減少させて、個人によって互いに異なる耳の特徴に適合した利得を得ることができる利点がある。
本発明によるデジタル補聴器の構造を示したブロック構成図である。 本発明によるデジタル補聴器の利得獲得ユニットを示した回路構成図である。 本発明によるデジタル補聴器の逐次比較型アナログデジタル変調器を示した回路構成図である。 本発明によるデジタル補聴器の外耳模型化回路の出力を周波数領域で測定した結果を示すグラフである。 本発明によるデジタル補聴器の包絡線検波器の出力を示すグラフである。 本発明によるデジタル補聴器の逐次比較型アナログデジタル変調器の出力を示すグラフである。 本発明によるデジタル補聴器の逐次比較型アナログデジタル変調器の出力であって、4KHz帯域の利得を示す利得係数と4KHz以外での最大利得を示す利得係数とを表すグラフである。 本発明によるデジタル補聴器の利得獲得ユニットを適用した周波数応答を示したグラフである。 本発明によるデジタル補聴器の利得獲得ユニットを適用した周波数応答を示したグラフである。 本発明によるデジタル補聴器の利得獲得ユニットを適用した周波数応答を示したグラフである。
符号の説明
100:外耳模型化回路
101:包絡線検波器
102:逐次比較型アナログデジタル変調器
103、104:比較器
105:足し算器
106:制御信号生成器
108、109、110:信号処理部
200:利得獲得ユニット

Claims (12)

  1. マイクロホンを通じて入力した外部音声信号を増幅するための増幅器と、増幅器で増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換するためのAD変換器と、AD変換器によって変換されたデジタル信号に対して利得補正及びデジタル信号処理を遂行する信号処理部と、信号処理部で処理されたデジタル信号をアナログ信号に変換するDA変換器と、DA変換器によって変換されたアナログ信号をレシーバーを通じて出力するためのレシーバードライバとを備えたデジタル補聴器において、
    形態的特徴を有する外耳の構造を模型化した外耳模型化回路で獲得した共鳴利得と聴力検査によって獲得された利得とに基づいて、前記信号処理部の利得係数を設定及び補正する利得獲得ユニットをさらに備えることを特徴とするデジタル補聴器。
  2. 前記利得獲得ユニットは、
    外耳の構造をLCフィルターで模型化して周波数特性を抽出するための前記外耳模型化回路と、
    前記外耳模型化回路から出力された周波数特性に対応する直流電圧を出力する包絡線検波器と、
    前記包絡線検波器で出力された直流電圧をデジタル信号に変調するための逐次比較型アナログデジタル変調器と、
    前記逐次比較型アナログデジタル変調器の出力と前記聴力検査の出力とから、最大利得を有する周波数帯域の最大利得係数及び特定周波数帯域での利得係数をそれぞれ抽出するための比較器と、
    前記比較器の出力に基づいて、前記逐次比較型アナログデジタル変調器から出力された最大利得係数と、聴力検査によって獲得された最大利得係数とを加算して、その加算結果を前記信号処理部に出力するための足し算器と、
    を含むことを特徴とする請求項1に記載のデジタル補聴器。
  3. 前記外耳模型化回路は、インダクターとキャパシターとを含む固定タップと、前記固定タップに直列連結され、可変インダクターと可変キャパシターとを含む可変タップとを含み、外耳の特徴に応じて外部の制御信号によって前記可変タップのインダクタンスとキャパシタンスとを調節することを特徴とする請求項1又は2に記載のデジタル補聴器。
  4. 前記可変タップが、直列連結された4個のインダクターと、並列連結された4個のキャパシターとを含み、前記外部の制御信号によって4個のインダクターと4個のキャパシターとを選択的に連結することにより、前記可変タップのインダクターとキャパシターとの個数が調節されることを特徴とする請求項3に記載のデジタル補聴器。
  5. 前記外耳模型化回路で獲得される共鳴利得が、1KHzから8kHzまで1KHz毎の間隔で増加する周波数を有する純音に対する応答による共鳴利得であることを特徴とする請求項1又は2に記載のデジタル補聴器。
  6. 前記逐次比較型アナログデジタル変調器が、出力ビットが出ないタイミングでマルチプレクサとフリップフロップの電源を遮断することを特徴とする請求項2に記載のデジタル補聴器。
  7. 前記利得獲得ユニットは、前記逐次比較型アナログデジタル変調器から出力された利得係数を保存するための第1レジスター部を含むことを特徴とする請求項2に記載のデジタル補聴器。
  8. 前記利得獲得ユニットは、前記聴力検査によって得られた必要利得を具現する利得係数を保存するための第2レジスター部を含むことを特徴とする請求項2に記載のデジタル補聴器。
  9. 前記第1レジスター部は、複数の5ビットレジスターを含み、クロック周波数にしたがって前記複数の5ビットレジスターに所定の順番で前記利得係数を保存することを特徴とする請求項7に記載のデジタル補聴器。
  10. 前記第2レジスター部は、複数の5ビットレジスターを含み、クロック周波数にしたがって前記複数の5ビットレジスターに所定の順番で前記利得係数を保存することを特徴とする請求項8に記載のデジタル補聴器。
  11. 前記聴力検査によって得られた利得係数が、1KHzから8KHzまでの周波数帯域での利得であることを特徴とする請求項2に記載のデジタル補聴器。
  12. 前記特定周波数帯域が、4KHz帯域であることを特徴とする請求項2に記載のデジタル補聴器。
JP2007273760A 2006-10-24 2007-10-22 ヒトの外耳の構造を考慮したデジタル補聴器 Expired - Fee Related JP4777325B2 (ja)

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