基于空间轮廓的优化通道配置

摘要

一种耳蜗植入物布置，包括植入电极，具有多个电极触点，用于向相邻的神经组织递送用于反映耳蜗的音质分布组织的定义的频带的电极刺激信号。可植入的刺激处理器耦合到所述植入电极，用于产生所述电极刺激信号。基于电流扩散重叠和长期平均谱数据的电极掩蔽函数，将所述电极触点中的至少一个电极触点去激活，以避免递送电极刺激信号到被相邻的电极触点掩蔽的电极触点。

说明书

本申请要求2013年7月22日提交的美国临时专利申请61/856,783 的优先权，在此将其整体援引加入进来。

技术领域

本发明涉及用于耳蜗植入系统的编码刺激脉冲。

背景技术

如图1中所示，正常耳朵发射声音通过外耳101到鼓膜(耳鼓) 102，其移动中耳103的骨头(锤骨、砧骨和镫骨)，这些骨头振动卵 圆窗以及耳蜗104的圆窗开口。耳蜗104是长窄管道，围绕其轴螺旋 缠绕大约两匝半。其包括被称为前庭阶的上通道和被称为鼓阶的下通 道，它们通过耳蜗管道连接。耳蜗104形成右上螺旋锥，其中心被称 为蜗轴，声学神经113的螺旋神经节细胞驻留在此。响应于接收到从 中耳103发射的声音，填充着流体的耳蜗104充当换能器以生成发射 到耳蜗神经113以及最终到大脑的电脉冲。

当将外部声音沿着耳蜗104的神经基质转换为有意义的动作电位 的能力中出现问题时，听力受损。为了改善受损的听力，已经开发了 听觉假体。例如，当损伤涉及中耳103的操作时，可以使用常规助听 器来提供声学-机械刺激给听觉系统，形式为放大的声音。或者，当损 伤与耳蜗104相关联时，具有植入的电极触点的耳蜗植入物可以通过 由沿着电极分布的多个电极触点递送的小电流，来电刺激听觉神经组 织。

图1还示出了典型耳蜗植入系统的一些部件，其包括提供音频信 号输入给外部信号处理器111的外部麦克风，在外部信号处理器111 中可以实现各种信号处理方案。处理后的信号随后被转换为数字数据 格式，诸如数据帧的序列、用于传输到植入物108中。除了接收处理 后的音频信息，植入物108还执行额外的信号处理，诸如纠错、脉冲 形成等等，并且产生通过电极引线109发送到植入电极阵列110的刺 激模式(基于提取的音频信息)。典型地，这个电极阵列110包括在 其表面上的多个刺激触点112，用于提供耳蜗104的选择性刺激。

多数现有耳蜗植入刺激编码策略通过将声音信号划分成不同频带 并且提取这些频带中每个频带的包络(即能量)来表示声音信号。声 学信号的这些包络表示被用来定义到每个电极的刺激脉冲的脉冲幅 度。带通信号的数量通常等于刺激电极的数量，且需要相对宽的频带 来覆盖声学频率范围。每个电极触点递送电刺激信号到其相邻神经组 织，用于反映耳蜗的音质分布组织(tonotopicorganization)的定义的 频带。

电极触点之间的通道交互是由耳蜗内的高导电性液体引起的，且 这引起了空间掩蔽。图2示出了基于相邻电极触点上的不同强度的指 数扩散衰减的各种空间电流扩散。假设在两个方向上(顶部和底部) 每电极触点0.75的指数电流衰减，并且为了方便，在图2中只描绘了 由阳极刺激相引起的扩散。给定电流扩散以下的区域近似地指示神经 元招募的量。电极触点掩蔽发生在不同电极触点的电流扩散重叠的区 域中。这些区域中的神经元并非唯一地与具体电极触点相关并因此不 是独立的。

当给定电极触点上的相等神经元存活，平均来说，能够预期相等 的刺激以在耳蜗植入物中产生相等的响度。图2的上部图示说明了相 邻电极触点上的两个顺序刺激具有相同脉冲幅度的情况。在此情况下， 这些电极触点之间的掩蔽以相同程度发生且平衡，使得重叠的量—— 掩蔽区域——在两个电流扩散中相等。另一方面，当顺序刺激的脉冲 幅度不同(对于相等的响度感知)，如图2的下部图示所示，则电极 触点掩蔽不再平衡。下部图示的下两个曲线示出了电极触点7的电流 扩散完全被电极触点6的电流扩散所覆盖的情况。下部图示的上两个 曲线示出了电极触点6的电流扩散完全被电极触点7的电流扩散所覆 盖的情况。

通常，在电极触点之间的掩蔽的量是它们的空间距离和电流幅度 的函数。具有更高电流幅度的通道将在某些具体程度上掩蔽相邻电极 触点。相邻电极触点之间的幅度差越大，产生的掩蔽就越大。如果给 定电极触点完全被其他电极触点所掩蔽，则该电极触点的相关频带不 能被植入听者所感知并因此而被遗漏。

在常规耳蜗植入适配过程中，每个电极触点的有效性必须由有经 验的听觉病矫治专家来判断。每个电极触点得根据最小阈值水平 (THR)和最大舒适水平(MCL)值来评估，然后进一步根据听觉病 矫治专家与植入用户(如果可行)相配合的有用性来判断。该过程的 结果大大取决于听觉病矫治专家和植入用户的技能。具有极低或极高 MCL特性的电极触点通常被禁用以确保声音处理器的所有频带的合理 表示。

发明内容

本发明的实施例旨在提供一种耳蜗植入布置，该耳蜗植入布置包 括植入电极，所述植入电极具有电极触点，用于向相邻的神经组织递 送反映耳蜗的音质分布组织的定义的频带的电极刺激信号。可植入的 刺激处理器耦合到所述植入电极，用于产生所述电极刺激信号。所述 电极触点中的至少一个电极触点基于电流扩散重叠和长期平均谱数据 的电极掩蔽函数被去激活(deactivate)，以避免递送电极刺激信号到 被相邻电极触点掩蔽的电极触点。

所述电极掩蔽函数可以使用用于每个电极触点的平均电流幅度 值。用于每个电极触点的平均电流幅度可以代表频带和用于每个电极 触点的阈值刺激值的非线性映射。所述电极掩蔽函数可以反映用于每 个电极触点的不同的电流衰减或相等的电流衰减。或者，电极掩蔽函 数可以使用用于每个电极触点的平均电荷值。

当前听力情形可以包括当前声音响度水平。当前听力情形可以由 所植入的患者手动选择，或者其可以由与刺激处理器通信的外部设备 自动选择。外部设备或刺激处理器可以使用电极掩蔽函数来将所述电 极触点中的所述至少一个电极触点动态地去激活。

本发明的实施例还包括一种耳蜗植入物适配布置，所述耳蜗植入 物适配布置包括电极测量模块，用于测量由于将定义的频带的电刺激 信号递送到与耳蜗植入物电极的电极触点相邻的耳蜗神经组织所产生 的所述电极触点之间的电流扩散重叠。电极调整模块基于电流扩散重 叠和长期平均谱数据的电极掩蔽函数，将所述电极触点中的至少一个 电极触点去激活，以避免递送电极刺激信号到被相邻电极触点掩蔽的 电极触点。

在这样的布置中，电极调整模块可以基于定义的当前听力情形， 动态确定所述至少一个电极触点供去激活。电极调整模块可以使用基 于用于每个电极触点的平均电流幅度值的电极掩蔽函数。用于每个电 极触点的平均电流幅度可以代表频带和用于每个电极触点的阈值刺激 值的非线性映射。电极调整模块可以使用基于用于每个电极触点的平 均电荷值的电极掩蔽函数和/或反映用于每个电极触点的不同或相同的 电流衰减的电极掩蔽函数。

附图说明

图1示出了具有耳蜗植入物系统的人耳的解剖结构。

图2图示说明了电极阵列中的电极触点上的电流扩散的效果。

图3示出了根据本发明的一个实施例的电极触点选择算法中的各 种逻辑步骤。

图4提供了根据图3的实施例的各种电极触点特性的图表。

图5示出了根据本发明的另一个实施例的电极触点选择算法中的 各种逻辑步骤。

图6提供了根据图5的实施例的各种电极触点特性的图表。

具体实施方式

本发明的实施例旨在提供用于刺激电极触点的优化选择的客观方 法，其帮助减少电极触点的空间掩蔽并确保声音处理器频率范围的完 全可感知呈现。

如上所述，在典型耳蜗植入物系统中，可植入的刺激处理器产生 电极刺激信号，所述电极刺激信号由植入电极引线中的电极电线传输 到沿着植入电极的顶端部的外表面的长度分布的相应的电极触点。电 极触点递送电刺激信号给植入患者的耳蜗内的相邻神经组织以便感知 为声音。每个电极触点递送电刺激信号给其相邻神经组织，用于反映 耳蜗的音质分布组织的定义的频带。在本发明的实施例中，对于定义 的当前听力情形，基于长期平均谱数据的电极掩蔽函数和电流扩散重 叠，将至少一个电极触点动态地去激活，以便不递送电刺激信号给被 相邻电极触点掩蔽的电极触点。

在植入物系统的适配期间，当在现实听力情形中接收刺激信号的 同时，掩蔽和被掩蔽的电极触点被识别。因为它们的失效以及丢失频 带的相应风险，如上所述，被识别的电极触点被选择性地去激活用于 正常适配后操作。对于在被植入的倾听者中的语音感知的结果，在选 择电极触点时，(例如，语音的)长期谱可以连同每个电极触点的电 动态范围(MCL和THR)一起被考虑。对于听着音乐或其他听力情形， 也可以考虑适当的长期谱。

图3示出了基于用于每个电极触点的相等电流衰减的假设，根据 一个实施例的电极触点选择算法中的各种逻辑步骤。在这个方法中， 对于每个电极触点的幅度导数(amplitudederivation)的绝对值被用作 电极触点具有高空间掩蔽的指标。

最初，步骤301，所有激活的电极触点都被包括：i＝{1,...,N}， 其中N表示激活的电极触点的数目。然后，步骤302，确定阈值刺激 值MCL_i和THR_i。这可以基于直接行为测量或者通过相关神经响应， 诸如eSRT_i(电诱发镫骨肌反射)或eCAP_i(电诱发复合动作电位)阈 值水平，的客观测量。

为了考虑语音的频谱属性，为每个频带计算声音处理器输出的长 期平均电流幅度A_i。在这个计算中，处理器输入声音信号利用长期平 均语音谱来复制(Byrne,Denis,etal."Aninternationalcomparisonof long-termaveragespeechspectra."AcousticalSocietyofAmericaJournal 96(1994):2108-2120；在此援引加入进来)，利用国际电信联盟(ITU) 长期平均频谱来复制，或者利用任何其他适当语音或声音信号长期平 均来复制。临床使用的电极触点到频带分配被用于(例如，Greenwood, 1961)得到使用的长期谱的相应频带分量B_i。

对于频带分量B_i，使用中心频率Fc_i处的值或中值、均值或任何其 他可行统计量度，步骤303。基于频带分量B_i和行为MCL_i和THR_i值， 可以通过例如IBK幅度映射来确定平均电流幅度A_i，步骤304： A_i＝maplaw(B_i)*(MCLi-THRi)+THR_i，其中maplaw是声音处理器中的 非线性映射函数。在一些实施例中，自动增益控制(AGC)和预加重 滤波器可能在该计算中也是有用的。为至少一个典型声学输入响度水 平，例如65dBSPL，来计算这些平均电流幅度A_i，还可以为更响和更 柔和的声音水平确定平均电流幅度A_i，因为在产生的平均电流幅度A_i内的比例根据响度水平而变化。通过利用在不同响度水平的不同类型 的长期平均谱，可以由处理器自动基于音频场景分析来执行准确电极 触点设置的选择以获得听力情形和响度水平检测。

接下来，步骤305，基于频带相关平均刺激幅度A_i，例如，相对 于最大出现幅度的对数，来得出电极掩蔽函数，如公式1：

${\mathrm{Anorm}}_i=20{\log }_{10}\left(\frac{A_i}{\max \left(A_i\right)}\right)$(公式1)

基于这些对数表示的Anorm_i幅度，可以由公式2来计算不同矢量 Dabs_e(e＝{1,...,N-1})：

Dabs_e＝abs(Anorm_e+1-Anorm_e)(公式2)

矢量Dabs_e的高值指示相邻的电极触点之间的幅度的高变化。这 可以用作高掩蔽的指示器，假定在双方向(顶部和基部)上的相等的 电流衰减。

为了考虑不同空间距离，当任何电极触点被去激活时，利用分离 矢量S_e，步骤306。这个矢量代表在电极触点单元中相邻激活电极触点 之间的空间距离。因此，如果所有电极触点(N＝12)被激活则 S_e＝[1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1]，以及如果电极触点3和5未被激活则 S_e＝[1,2,2,1,1,1,1,1,1]。

基于分离矢量S_e和差异矢量Dabs_e，可以通过公式3在元素级上 计算归一化绝对幅度差Dnorm_e，步骤307：

${\mathrm{Dnorm}}_e=\frac{{\mathrm{Dabs}}_e}{S_e}.$(公式3)

高Dnorm_e值表示考虑相邻的激活电极的空间距离时所述相邻的 激活电极触点之间的幅度的相对大的变化。

然后确定最高Dnorm_e值Dmax的位置j(j≤e)(具有在相邻的激活 电极触点之间的最高掩蔽的位置)，步骤308。然后，将Dmax与某个 限制Dlimit比较，步骤309。对于这个限制，可以利用经验值，例如 Dlimit＝4dB，来识别过度被掩蔽的或掩蔽电极触点。当包括所有电极 触点时，用于Dlimit的另一变量是基于Dnorm_e值的统计属性(例如， 均值、中值和/或方差)的计算，如该算法的第一迭代中。在公式4中， 给出基于中值计算的两个示例。在第一变量中使用偏移Doffset，在第 二变量中使用比例因子Dprop。对于Doffset或Dprop，可以使用经验 值。两个变量的组合也是可用于确定Dlimit：

(公式4)

如果在步骤309中Dmax超过限制Dlimit，则相应各个电极触点 应该从刺激中排除。为此，Dnorm_j-1和Dnorm_j+1的值在步骤310中进行 比较。如果Dnorm_j-1<Dnorm_j+1，则电极触点j+1被去激活，步骤312， 否则电极触点j被去激活，步骤311。如果位置j在Dnorm_e矢量的开始 或结束，则电极触点1或N被分别去激活。任何一种方式，电极的序 号被调整为N＝N–1，步骤313。

在第一次迭代之后，残留的有效电极触点被重新映射，步骤315， 并且执行进一步的算法迭代，直到Dmax没有超过Dlimit(步骤309) 或者实现一些最小数量的启用电极通道(例如八个通道)，步骤314。

在图4中给出这个算法的得到的幅度的图示。在图4的上部图示 中，假定A_i电流的任意幅度分布，其中，十二个电极触点的系统中的 电极触点号3被禁用(N＝11)。图4中的第二图示示出由公式1计算 的单位为dB的Anorm_i幅度。第三图示示出距离矢量S_e，且因为只有 电极触点3被禁用，只有S₂＝2。在图4的底部图示中，示出从公式2 和3得到的Dnorm_e幅度。当例如使用4dB的Dlimit时，则就是Dnorm₃将超过定义的限制。随后的对相邻的Dnorm₂和Dnorm₄的比较指示 Dnorm₂大于Dnorm₄。因此，具有电极触点索引i＝3的电极触点号4 需要被去激活以便较少的空间掩蔽。在本示例中为了简化，当禁用电 极触点时，不会基于新频率对于电极触点的指派重新计算幅度A。

为了对沿着耳蜗的顶部和基部方向的不同电流衰减进行建模，可 以利用两个不同电流衰减常数α和β，如美国专利6,594,525所述(在 此援引加入进来)。用于这些电流衰减参数的典型值是α＝0.7和 β＝0.6。图5示出了使用这样的衰减常数的根据本发明的实施例的电极 触点选择算法中的各种逻辑步骤。

最初，为每个电极触点确定阈值刺激值轮廓，步骤501，以及确 定滤波器频带中心频率，步骤502，如上所讨论的。只要所选择的电极 触点的数目N>N_min，步骤503(如果否，处理如所示结束)，计算长 期声音处理器幅度A_j，如上所讨论的，步骤504。

可替换地，电极掩蔽函数可以基于使用电流衰减常数α和β来创 建刺激分布矩阵AA(MxM)，步骤505，通过：

(公式5)

其中，M表示电极触点的数目且索引j＝{1,...,M}和k＝{1,...,M} 表示刺激电极触点位置和在该电极触点位置得到的刺激幅度。在此计 算中，禁用的电极触点得到零的值(A(j)＝0)且必须从对电极触点分 配频率的之前步骤中排除。

对角线值如下的行归一化

$MM(k,j)=20{\log }_{10}\left(\frac{AA(k,\{1,...,M\left\}\right)}{AA(j,j)}\right)$(公式6)

导致单位为dB的“掩蔽”矩阵MM(MxM)，步骤506。在这个 掩蔽矩阵中，高值指示电极触点之间的高电掩蔽。

搜索这个矩阵中的最大值MMmax(MMmax＝MM(k₀,j₀))，步骤 507。在这个搜索中，不考虑MM的主对角线(值为0每定义)和禁用 电极触点。最大发现值的索引k₀和j₀表示主要涉及的电极触点号。

如果最大发现水平等于或大于某个限制MMlimit(经验值，例如 -3dB)，步骤508，将禁用电极触点k₀或j₀。对于这个决定，进一步 调查这两个电极触点的掩蔽。计算行k₀和j₀的和，sumA和sumB，步 骤509和510。在这个求和中，当禁用电极k₀或j₀时，电极触点k₀和 j₀的条目被排除以评估掩蔽情形。当sumA小于或等于sumB时，步骤 511，则电极触点j₀(对应于sumB)将被禁用，步骤513，否则电极触 点k₀被禁用，步骤512。流程再次开始，直到最大值MMmax小于 MMlimit，步骤508。

在图6中给出实际示例，其中上部图示假设A_j电流的任意幅度分 布，其中禁用十二个电极触点的系统中的电极触点j＝3(M＝12)。 假设电流衰减α＝0.7和β＝0.6。当例如使用最小Nmin＝8个启用通道 和-3dB的MMlimit，则该流程禁用电极触点4、6和9，额外用于最小 电掩蔽，如图6的下部图示所示。在本示例中，为了简便，当电极触 点被禁用时，不基于新频率对电极触点的指派而重新计算幅度A。

不是行为阈值适配值MCL和THR，可以使用诸如eCAP或eSRT 阈值的客观量度，节省无效通道的不必要的适配。而且，替换这样的 电流水平，可以使用电荷值(脉冲电流和时间脉冲持续时间的乘积)。

在一些实施例中，若干不同成形的谱可以用于不同具体听力情形。 对于一些听力模式和情形，诸如不同类型的音乐等等，其中没有有用 的一般长期平均频谱，可以使用没有成形的频谱的布置。在商用实施 例中，系统声音处理器可以由CI倾听者(例如遥控器)手动切换，或 者处理器软件可以基于分析的音频信号频谱而被自动切换。一般地， 这个算法可以用于自动适配流程，而没有任何用户交互，或者作为适 配流程时用于听觉病矫治专家的支持工具，以确保最佳电极触点配置。

在患者适配过程期间，可用电极触点内的目标(objective)选择可 以基于刺激幅度A、用户可调整参数Nmin(启用的电极触点的最小数 目——例如，在十二个电极触点系统中缺省是十个电极触点)和Dlimit 或MMlimit(例如，缺省4dB)来执行。这确保在最终电极触点配置 中至少存在具有最小掩蔽的定义的最少的启用电极触点。在刺激电荷 水平、参数Nmin、Dlimit或MMlimit的修改之后，残留启用电极触点 立即在用户GUI中图形表示。除了在适配过程期间确定最佳通道配置 之外，一些实施例还可以动态选择每个刺激帧内的N个最有效的电极 触点。为此，选择标准被反转，因为具有特别高幅度的电极触点能够 递送CI倾听者中的最重要信息。

类似地，可以将一些具体实施例用于自由运行处理器中，用于在 根据当前声学信号的刺激期间在运行中(onthefly)动态确定最佳电极 触点配置。处理器的计算的刺激幅度可以在刺激之前被分析。在顺序 刺激布置中(例如，连续交织采样(CIS))，在最佳电极触点配置的 动态计算中，可以考虑某个时间段(例如，一个刺激帧)或电极触点 的子组(例如，顶端和/或中段和/或基座区域的电极触点)。对于同时 刺激(例如，具有通道交互补偿(CIC)的智能并行(IP)刺激)，一 组同时电极触点内的激活电极触点可以基于相同原理被动态确定，如 上所述。可调整的参数Nmin在这样的实施例中也是可行的。此外，可 调整的参数N(启用的电极触点的数目)可用于确保在刺激期间的启 用的电极触点的常数数目。

发明的实施例可以部分以任何常规计算机编程语言来实现。例如， 优选实施例可以以流程性编程语言(例如“C”)或面向对象的编程语 言(例如，“C++”、Python)来实现。本发明的替换实施例可以被实 现为预先编程的硬件元件、其他相关部件、或者作为硬件和软件部件 的组合。

实施例被部分实现为计算机程序产品，用于与计算机系统一同使 用。这样的实现可以包括一系列计算机指令，其固定在有形媒介上， 诸如计算机可读媒介(例如，磁盘、CD-ROM、ROM或固定盘)，或 者经由调制解调器或其他接口设备，诸如通过媒介连接到网络的通信 适配器，可传送到计算机系统。媒介可以是有形媒介(例如，光学或 模拟通信线)或者通过无线技术(例如，微波、红外或其他传输技术) 实现的媒介。一系列计算机指令体现所有或部分之前这里关于系统所 述的功能。本领域技术人员应该认识到，这样的计算机指令可以以多 种编程语言书写，以便与许多计算机架构或操作系统一起使用。而且， 这样的指令可以存储在任何存储设备中，诸如半导体、磁性、光学或 其他存储设备，并且可以使用任何通信技术来传送，诸如光学、红外、 微波或其他传输技术。期望这样的计算机程序产品可以被分发作为可 移动媒介，伴随印刷的或电子文档(例如，软包装软件)，通过计算 机系统预先加载在(例如系统ROM或固定磁盘上)，或者从服务器或 电子公告板通过网络(例如，互联网或万维网)分发。当然，发明的 一些实施例可以被实现为软件(例如，计算机程序产品)和硬件的组 合。发明的其他实施例被完全实现为硬件，或者完全实现为软件(例 如，计算机程序产品)。

尽管已经公开了发明的各种示例实施例，本领域技术人员应该显 然明白，可以进行各种变化和修改，其将获取本发明的一些优点而不 偏离本发明的真实范围。