使用作为感测声音的周期性的倍数的刺激速度的听觉假体

摘要

描述了一种用于听觉假体系统对在植入的电极阵列的外表面上的刺激触点生成电刺激信号的方法。预处理具有突出的感测频率的输入音频信号，以产生多个代表性的频带信号。然后处理频带信号中的每一个，以生成用于刺激触点的相应的电刺激信号。电刺激信号中的每一个具有相关联的刺激频率，并且对于电刺激信号中的至少一个，改变刺激频率以维持刺激频率和输入音频信号的突出的感测频率之间的整数比。

说明书

本申请要求2013年8月19日提交的美国临时专利申请61/867,200 以及2014年6月3日提交的美国临时专利申请62/006,946的优先权， 其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及医学植入体，并且更具体地涉及在耳蜗植入体系统和 其它可植入听觉假体中的电刺激技术。

背景技术

正常的人耳如图1所示的那样通过外耳101将声音传输到移动中 耳103的骨骼的鼓膜102，中耳103振动卵圆窗和耳蜗104的圆窗开口。 耳蜗104是一个狭长的、其轴被螺旋缠绕大约两匝半的管。它包括通 过耳蜗管相连的被称为前庭阶的上通道和被称为鼓阶的下通道。耳蜗 104与被称为耳蜗轴的中心一起形成直立的螺旋圆锥，声学神经113的 螺旋神经节细胞位于耳蜗轴上。响应于接收的由中耳103传输的声音， 流体填充的耳蜗104用作换能器，以生成传输到耳蜗神经113并最终 到大脑的电脉冲。

当沿着耳蜗104的神经基质将外部声音转换为有意义的动作电位 的能力出现问题时，听力被损伤。为了改善损伤的听力，已经发展出 听觉假体。例如，当损伤是涉及中耳103的操作时，可以使用传统的 助听器以放大声音的形式向听觉系统提供声学一机械刺激。或者当损 伤是与耳蜗104相关时，具有植入电极的耳蜗植入体能够以沿电极分 布的多个电极触点递送的小电流来电刺激听觉神经组织。尽管下面的 讨论针对耳蜗植入体，但是当刺激电极被植入到其他解剖结构中时更 好地服务于一些听力损伤的个人。因此，听觉假体系统包括脑干植入 体、中脑植入体等，每种都在听力系统中刺激特定的听觉目标。

图1还显示了典型耳蜗植入体系统的一些组件，其中外部麦克风 提供了输入到在其中能够执行各种信号处理方案的外部信号处理器 111的音频信号。例如，在耳蜗植入体领域众所周知的信号处理方法包 括连续交错采样(CIS)数字信号处理、信道特定采样序列(CSSS)数 字信号处理(如在美国专利号6,348,070中所描述，通过引用并入本文)、 频谱峰值(SPEAK)数字信号处理、精细结构处理(FSP)以及压缩模 拟(CA)信号处理。

然后所处理的信号被转换为用于通过外部传输线圈107传送到植 入体108的数字数据格式。除了接收处理后的音频信息，植入体108 还执行附加的信号处理，例如纠错、脉冲形成等，并产生一个通过电 极引线109发送到植入的电极阵列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包括在其表面上的提供了耳蜗104 的选择性刺激的多个电极触点112。

图2示出了典型的使用CIS刺激策略的CI信号处理系统中的各种 功能块。声音预处理器201包括从麦克风接收音频信号并且衰减音频 信号中低于大约1.2kHz的强频率分量的预加重滤波器203。图3示出 了来自麦克风的音频信号的短时间段的典型示例。声音预处理器201 还包括将来自预加重滤波器203的音频信号分解为例如图4所示出的 多个谱带的多个带通滤波器(BPF)204。声音处理器202包括例如通 过全波整流和低通滤波提取频带信号的缓变包络的包络检测器205。声 音处理器202还包括执行包络的压缩以适应病人的感知特性的非线性 (例如，对数的)映射模块206，并且然后由调制器207将压缩的包络 信号与载波波形相乘以产生以非重叠双相输出脉冲的特定形式的用于 植入到耳蜗中的刺激电极中的每一个的电刺激信号(EL-1到EL-n)。

CIS刺激在递送的电脉冲上施加固定的刺激速度并且因此不能体 现感测的音频信号的周期性分量。另一方面，FSP刺激(及其变体)不 体现所感测的音频信号的固有周期性。FSP生成响应于检测诸如过零事 件的特定预定义信号特性的刺激脉冲序列。但是过零事件之后的FSP 脉冲序列只能以预定义模式来表示。这意味着，在实际过零和脉冲序 列的初始脉冲之间的时间段对于每个过零事件可能是不同的，从而引 入了不希望的抖动。

与不希望的信号抖动的情况形成对比的，美国专利7,920,923描述 了向双耳刺激信号中有意地引入随机仿真相位抖动分量。这样做是为 了减少精细结构分量的周期性特征，同时保持了耳间的时差(ITD)信 息。

发明内容

本发明的实施例针对生成用于在植入的电极阵列的外表面上的刺 激触点的电刺激信号。预处理具有突出的感测频率的输入音频信号以 产生多个代表性的频带信号。然后处理频带信号中的每一个以生成用 于刺激触点的相应的电刺激信号。电刺激信号中的每一个都具有相关 联的刺激频率，并且对于电刺激信号中的至少一个，改变刺激频率以 维持刺激频率和输入音频信号的突出的感测频率之间的整数比。

在具体的实施例中，频带信号可通过一组带通滤波器被产生，这 组带通滤波器中的每一个与相应的音频频带相关联。对于电刺激信号 中的每一个，可以改变刺激频率以维持刺激频率和输入音频信号的感 测频率之间的整数比。

输入音频信号的突出的感测频率可以是输入音频信号的基础频率 和/或基础频率的谐波。或者输入音频信号的突出的感测频率可以是宽 带滤波器信号的最突出频率。突出的感测频率可以使用快速傅立叶变 换来确定。

在具体应用中，可以作为音乐处理模式和/或听觉假体系统的目标 音频源处理模式的函数改变刺激频率。

附图说明

图1示出了具有典型的被设计为向内耳递送电刺激以及在耳道上 递送声学刺激的听觉假体系统的人耳的剖视图。

图2示出了在连续交错采样(CIS)处理系统中的各个功能块。

图3示出了来自麦克风的音频语音信号的短时间段的示例。

图4示出了通过由一组滤波器进行带通滤波被分解为一组信号的 声学麦克风信号。

图5示出了刺激信号和感测模式之间变化的抖动的问题。

图6示出了如本发明的实施例所产生的具有恒定时间偏移而没有 抖动的刺激信号和感测模式。

图7示出了如本发明的实施例是产生的具有零时间偏移而没有抖 动的刺激信号和感测模式。

具体实施方式

如上面所讨论，通过离散系统的模拟信号的周期性的代表固有地 由其时间分辨率所限制住。对于耳蜗植入体，这意味着最高刺激速度 (其通常也是最高的感测速度)因时间分辨率而被限制。如果输入音频 信号具有频率f(a)的周期性并且CI系统的感测/刺激速度具有频率f(e)， 则生成以两个频率为特征的跳动。因此，电脉冲可以携带关于过零事 件的抖动。图5示出了在刺激信号(实线)和感测模式(虚线)之间 变化的抖动这一问题。减少这种抖动问题的一个方法是增加感测/刺激 速度。但是，这是相当耗能的并最终具有其他的技术限制。

实施例针对减少或消除在诸如耳蜗植入体的听觉假体中的不希望 的抖动。在诸如图2所示的一个的CI信号处理系统中，声音处理器202 对于电刺激信号通道中的至少一个改变刺激频率，以维持刺激频率和 输入音频信号的突出的感测频率之间的整数比。即，对于电极刺激通 道中的至少一个，声音处理器202将感测/刺激速度f(e)从固定的一个 改变为可变的一个从而使得它与输入音频信号的突出的感测频率f(a) 是整数关系，也就是，f(e)＝n倍的f(a)，其中n可以是整数或整数的商。

突出的感测频率f(a)可以但不限于是输入音频信号的基础频率、输 入音频信号的基础频率的谐波、或者仅是预定义带滤波器的最突出频 率，诸如来自如例如美国专利公开2009/0254150所述的低频宽带滤波 器，其通过引用并入本文。如美国专利公开2009/0254150所述的宽带 相干混合装置与基于确定输入音频信号的基础频率的系统相比可以是 有优势的，因为在许多现实生活的听力情况中清楚地确定基础频率可 能是非常困难的。可替代地或另外，突出的感测频率也可以经由执行 输入音频信号的FFT来确定。

在一些实施例中，多个刺激信号通道可以使其刺激频率变化以维 持刺激频率和输入音频信号的突出的感测频率之间的整数比。这可能 是特别有用的，例如，在耳蜗植入体使用者像在听音乐时那样听到携 带定义明确的基础频率以及相应谐波的声音情况下。因此，本发明的 实施例包括具有在其中可以改变刺激频率以消除抖动，并且可以是在 适当时用户可选择的或由系统自动选择的音乐处理模式的耳蜗植入体 系统。如果耳蜗植入体使用者处于系统不能可靠地检测突出的感测频 率的情况下，则系统可以仅切换到另一正常刺激模式和/或可以维持先 前选择的刺激速度。

如上所述的改变刺激频率有效地消除了图5中可见的抖动。如图 6所示，能够改变刺激频率以维持刺激信号(实线)和突出的感测频率 (虚线)之间的恒定持续时间偏移。或者如图7所示，实施例可以相对 于突出的感测频率控制刺激频率，以具有零偏移，并且因此固有地具 有零抖动。并且，虽然前面的讨论是按照刺激频率的整数刺激比来呈 现的，但是它也当然适用于相应时间段的整数值。

本发明的实施例的一个优势是确定了刺激速度的突出的感测频率 信号是更加显著的，而同时可能存在于输入音频信号的其他模式频率 较少被体现。因此这种控制抖动的方法也引入了用于感兴趣信号的滤 波器功能。这在诸如多人同时讲话的某些情况下可以是有帮助的。并 且如果耳蜗植入体系统利用定向麦克风的特性，可以增强目标发言者 的声音的表达，同时衰减其他发言者的声音。因此，本发明的一些实 施例可具有用于在这样的消除抖动并增强目标发言者的突出的频率的 情形下的目标音频源处理模式。

此外，对于在引入有意抖动的特定系统的进一步处理，如上所述 的消除不希望的抖动也可以是有用的或必须的，诸如美国专利公开 2008/0319509以及2012年10月31日提交的美国临时专利申请 61/720,600所述的那样，其通过引用并入本文。

除了诸如耳蜗植入体的听力假体系统，本发明的实施例能够在深 层脑刺激(DBS)系统中被实现。在这样的实施例中的DBS系统为植 入到本领域已知的深层脑刺激系统位置中的电极阵列的外表面上的一 个或多个刺激触点生成电刺激信号。确定基本频率并且为每个刺激触 点生成电刺激信号，每个刺激信号具有确定的操作刺激频率。对于电 刺激信号中的至少一个，改变操作刺激频率以维持操作刺激频率和基 本频率之间的整数比。

在这样的实施例中，存在各种具体的方法来确定基本频率，包括 但不限于从记录的EEG测量中导出频率、从神经脑组织的手术中的(目 标)响应测量中导出频率、或者仅仅基于医学专家等的经验而定义频 率。类似的，操作刺激频率也可以以各种特定方法来确定，包括但不 限于从记录的EEG测量中导出频率、从神经脑组织的手术中的(目标) 响应测量中导出频率、或者仅仅基于医学专家等的经验而定义频率。 此外，对于植入后的每个电极触点，操作频率也可以从神经脑组织的 (目标)响应测量中导出，这将允许在其中操作刺激频率可以根据(目 标)响应测量而(自动地)时时调整的闭环系统。

本发明的实施例可以部分地以任何常规的计算机编程语言来实 现。例如，优选实施例可以以过程式编程语言(例如，“C”)或面向对 象的编程语言(例如，“C++”或Python)来实现。本发明的替代的实 施例可以被实现为预编程的硬件元件、其他相关组件、或硬件和软件 组件的结合。

为了计算机系统一起使用，实施例能够部分地作为计算机程序产 品来实现。这样的实现方式可以包括固定在诸如计算机可读介质(例 如，磁盘、CD-ROM、ROM或硬盘)的有形介质上，或者经由调制解 调器或诸如跨越介质连接到网络的通信适配器的其它接口设备可发送 到计算机系统的一系列计算机指令。该介质可以是有形介质(例如， 光学或模拟通信线路)或采用无线技术(例如，微波、红外线或其它 传送技术)实现的介质。这一系列计算机指令体现了本文先前描述的 关于系统的全部或一部分功能。本领域的技术人员应该了解，为了与 许多计算机架构或操作系统一起使用，这样的计算机指令能够以多种 编程语言进行编写。此外，这样的指令可以被存储在任何存储器设备， 诸如半导体、磁性、光学或其它存储器设备中，并且可以使用任何通 信技术，诸如光学、红外线、微波或其它传送技术来传输。据预计， 这样的计算机程序产品可以作为可移动介质同随附的印刷或电子文档 一起被分发(例如，收缩打包软件)，同计算机系统一起被预装载(例 如，在系统ROM或硬盘上)，或者跨越网络(例如，互联网或万维网) 从服务器或电子布告板中被分发。当然，本发明的一些实施例可以作 为软件(例如，计算机程序产品)和硬件这二者的结合被实现。本发明还 有其它的实施例作为完整的硬件或完整的软件(例如，计算机程序产品) 被实现。

尽管已经公开了本发明的各种示例性实施例，但是对于本领域技 术人员而言应该显而易见的是，在不脱离本发明的真实范围的情况下， 能够做出将达到本发明的至少一些优势的各种改变和修改。例如，本 文所述的方法可以应用于除耳蜗植入体外的听觉假体，诸如如具有通 过在耳蜗核内或与其相邻的电极所表示的电刺激的听觉脑干植入体， 或者具有通过在下丘内或其上的电极所表示的电刺激的听觉中脑植入 体。