听力植入刺激的频率和延迟的双侧匹配的制作方法

本申请要求2014年12月18日提交的美国临时专利申请62/093,540的优先权，所述申请通过引用整体并入本文。本发明涉及听力植入系统，更具体地涉及双侧听力植入系统中的信号处理装置。
背景技术：
：如图1所示，正常的人耳通过外耳101将声音传送到鼓膜102，鼓膜移动中耳103的骨头，使耳蜗104的卵圆窗和圆窗开口振动。耳蜗104是绕其轴螺旋地卷曲约两周半的狭长管。耳蜗104包括通过耳蜗管连接的称为前庭阶的上通道和称为鼓阶的下通道。耳蜗104形成具有称为耳蜗轴的中枢的直立螺旋锥体，听神经113的螺旋神经节细胞位于其中。响应于由中耳103传送的接收的声音，充满流体的耳蜗104起到转换器的作用，产生传送到蜗神经113并最终传到大脑的电脉冲。当沿着耳蜗104的神经基质将外部声音转换成有意义的动作电位的能力出现问题时，听力受损。为了改善受损的听力，已开发出听觉假体。例如，当损伤涉及中耳103的操作时，可以使用传统的助听器来向听觉系统提供声音放大形式的声学机械刺激。或者当损伤与耳蜗104有关时，有植入电极的耳蜗植入物能够用沿着该电极分布的多个电极触体发送的小电流来电刺激听神经组织。尽管以下讨论针对耳蜗植入物，但当刺激电极植入其他解剖结构时可以更好地服务于某些听力受损的人。因此，听力植入系统包括分别刺激听觉系统中的特定听觉目标的脑干植入物、中脑植入物等等。图1还示出了典型耳蜗植入系统的一些构件，其中外部麦克风将音频信号输入提供到可实现各种信号处理方案的外部植入物处理器111。例如，在耳蜗植入领域中公知的信号处理方法包括连续交织采样(cis)数字信号处理、通道特定采样序列(csss)数字信号处理(如美国专利no.6,348,070中所述，该专利通过引用并入本文)、谱峰(speak)数字信号处理、精细结构处理(fsp)和压缩模拟(ca)信号处理。然后，处理后的音频信号转换成数字数据格式来通过外部发射器线圈107传送到植入刺激器108中。除了接收处理后的音频信息，植入刺激器108还执行诸如纠错、脉冲形成等等附加信号处理，并且(基于提取的音频信息)产生通过电极引线109发送到植入电极阵列110的刺激信号。通常，电极阵列110在其表面上包括提供耳蜗104的选择性刺激的多个电极触体112。双耳刺激长期以来一直用于助听器，但仅在最近开始常用于听力植入物如耳蜗植入物(ci)中。对于耳蜗植入物，双耳刺激需要具有两个植入电极阵列的双侧植入系统，每个耳朵中有一个。输入的左右侧声信号类似于助听器中的声信号，并且可以简单地分别是位于左耳和右耳附近的麦克风的输出信号。图2示出了典型的双侧耳蜗植入信号处理系统中的各功能块。独立地在每一侧——左侧和右侧，输入感测麦克风201感测环境声音并将其转换为形成输入到系统的音频输入的代表性电信号。图3示出了来自输入感测麦克风201的短时段输入音频信号的典型示例。通过将输入音频信号分解成例如图4中示出的多个频谱带通信号的多个带通滤波器(bpf)202来馈送输入音频信号。如图5中所示，认为每个带通信号501具有精细结构分量502和包络分量503(通常由希尔伯特变换导出)。经滤波的包络信号504以与带通滤波器的基频f0相关的频率在零参考轴线附近振荡。非线性动态处理模块203通过诸如使用自动增益控制(agc)和其他动态信号处理调整的自适应处理来动态调整滤波器包络。包络检测器204例如通过全波整流和低通滤波来提取带通信号的缓慢变化的带通包络分量。脉冲定时模块205利用对应的带通载波波形来调制包络信号，以产生刺激脉冲请求，映射/脉冲生成模块206针对刺激脉冲请求执行非线性(例如，对数)映射以拟合患者的感知特性并产生反映耳蜗的音质神经反应的电极刺激信号，该电极刺激信号的特定形式为植入在左侧和右侧的每个耳蜗中的每个电极阵列的每个刺激触体(el-1至el-n)的不重叠双相输出脉冲。双侧耳蜗植入物提供双侧听力的益处，其可允许收听者在水平面内定位声源。这需要来自双耳的信息，例如耳间声级差(ild)和耳间时间差(itd)。这例如在macpherson，e.a和middlebrooks，j.c.的listenerweightingofcuesforlateralangle：theduplextheoryofsoundlocalizationrevisited，j.acoust.soc.am.111,2229-3622,2002中进一步讨论，其通过引用并入本文。itd是信号到达左耳和右耳之间的相对时间偏差，它由当声源不在中间平面内时信号到达每个耳朵的不同时间引起。ild是类似的进入耳朵的信号的声级差。众所周知，双侧听力使噪音中的语音更容易理解，itd的感知再次在其中起着关键的作用。这在例如bronkhorst，a.w.和plomp，r.的theeffectofhead-inducedinterauraltimeandleveldifferencesonspeechintelligibilityinnoise，j.acoust.soc.am.83，1508-1516,1988中更完整地解释，其通过引用并入本文。在itd的感知中，可以感知到itd信息的两个来源：来自信号包络的itd信息和来自信号精细结构的itd信息。已经发现，精细结构itd信息对于声音定位和理解噪声中的语音比包络itd信息更重要。这在例如wightman和kistler的factorsaffectingtherelativesalienceofsoundlocalizationcues,由gilkey,r.h.和anderson,t.r.编辑的binauralandspatialhearinginrealandvirtualenvironments(lawrenceerlbaumassociates,mahwah,newjersey,1997)；smith等人的chimaericsoundsrevealdichotomiesinauditoryperception，nature416,87-90,2002；nie等人的encodingfrequencymodulationtoimprovecochlearimplantperformanceinnoise，ieeetrans.biomed.eng.52，64-73，2005；和zeng等人的speechrecognitionwithamplitudeandfrequencymodulations，proc.natl.acad.sci.102,2293-2298,2005中已经示出，所有这些文献通过引用并入本文。在较早的耳蜗植入装置中未使用精细结构信息。相反，输入声音被分成多个频带，对每个频带提取缓慢变化的包络，并且使用该包络信息来调制高频脉冲载波信号的幅值。在这种传统的耳蜗植入物中，脉冲载波信号的频率和相位仅由语音处理器决定，并且不直接与输入信号的精细结构相关。因此，利用这种已知的耳蜗植入物，只有包络itd信息可用，因此itd感知非常有限。已经实现了更新的人工耳蜗植入系统，其中刺激信号由具有基于左右侧声音信号的精细结构内的时间事件的定时的刺激脉冲组成。例如，这种时间事件可以是信号的精细结构内的峰值或过零点。用于编码精细结构信息的刺激方案例如由美国专利公开20040478675；美国专利号6,594,525；美国专利公开2004136556描述；其通过引用并入本文，以及在vanhoesel和tyler的speechperception，localization，andlateralizationwithbilateralcochlearimplants，j.acoust.soc.am.113，1617-1630,2003；和litvak等人的auditorynervefiberresponsestoelectricstimulation：modulatedandunmodulatedpulsetrains，j.acoust.soc.am.110(1)，368-79,2001中描述，上述文献也通过引用并入本文。通过这些改进的刺激策略，与仅包含包络itd信息的刺激策略相比，itd感知应该增大。然而，在比较研究中，声音定位或噪声环境中语音的理解都没有发现改善；参见上面vanhoesel的文献。还知道听力受损的听众对定位声音源和在噪声环境中理解语音有困难。参见例如colburn，s.等人的binauraldirectionalhearing–impairmentsandaids,w.yost和g.gourevitch(编辑)，directionalhearingpp.261-278，纽约：springer-verlag，1987；durlachn.i.等人的binauralinteractionofimpairedlisteners.areviewofpastresearch,audiology，20(3)：181-211,1981；gabrielk.j.等人的frequencydependenceofbinauralperformanceinlistenerswithimpairedbinauralhearing,jacoustsocam.,jan:91(1):336-47,1992；hawkins和wightman的interauraltimediscriminationabilityoflistenerswithsensorineuralhearingloss,audiology.19,495-507,1980；kinkel,m.等人的binauralesbeiundi.meβmethodenundmeβergebnisse,audiologischeakustik6/91,192-201,1991；koehnke,j.等人的effectsofreferenceinterauraltimeandintensitydifferencesonbinauralperformanceinlistenerswithnormalandimpairedhearing,earandhearing,16,331–353,1995；以及smoski,w.j.和trahiotis,c.的discriminationofinterauraltemporaldisparitiesbynormal-hearinglistenersandlistenerswithhigh-frequencysensorineuralhearingloss,jacoustsocam.79,1541-7,1986，所有这些都通过引用并入本文。现有的双侧耳蜗植入系统通常关于两侧的刺激通道的频率分布不匹配。并且带通滤波器的双侧不匹配的频率分布可能导致不同的耳间延时——共同音频输入信号的给定频率分量将被两个系统不同地延迟。在fir带通滤波器的特定情况下，组延迟的差异通常可以在毫秒的范围内，因此将通过不匹配的双侧植入系统阻碍itd信息的使用。在低频刺激通道中，滤波器之间的延迟差异最显着，其中已证明听力植入物用户对itd最敏感。如果激活的刺激通道的数量在两侧之间有不同，这种效果将更加明显。在美国专利公开20090264961(其全部内容通过引用并入本文)中，描述了使用虚拟刺激通道来改变频率通道的音质位置以便匹配用于耳间延迟感知的组延迟的系统。美国专利公开20060100672(通过引用整体并入本文)也使用虚拟通道来匹配信息。美国专利7,496,406(其全部内容通过引用并入本文)描述了使用通道组进行拟合，但是这些组未针对itd感知进行优化，且通道不是双侧匹配的，并且组内的刺激通道的延迟也不匹配。技术实现要素：本发明的实施例涉及用于具有左侧和右侧的双侧听力植入系统的系统和方法。在每一侧上有多个音频处理级，其配置成处理输入音频信号以使用多个分别具有分配的音频频带的刺激通道来产生相应的神经组织刺激信号。每一侧的音频处理级包括：耳间延时(itd)处理模块，其配置成基于限定的刺激通道组来调整刺激信号的itd特性，所述的限定的刺激通道组包括：i.每一侧的顶端通道组，对应于最低范围的音频频率直到共同的顶端通道组上限频率，其中，将相同数量的一个或多个刺激通道分配给每个顶端通道组，并且其中，每一侧的对应顶端通道组刺激通道具有匹配的音频频带；和ii.每一侧的一个或多个基底通道组，对应于高于顶端通道组上限频率的较高范围的音频频率，其中，在每一侧限定了相同数量的基底通道组，并且其中，一个或多个刺激通道被分配给每个基底通道组。itd处理模块调整刺激通道的itd特性，使得给定通道组内的每个刺激通道具有匹配的itd特性，并且每一侧的对应通道组具有匹配的itd特性。在具体实施例中，可将多个刺激通道分配给每个顶端通道组。至少一个基底通道组可能在每侧具有不同数量的刺激通道。在一些实施例中，每一侧的对应的基底通道组可以具有不同的对应音频频带，和/或给定基底通道组内的对应刺激通道可以具有不同的对应音频频带。至少一个顶端通道组中的分配的刺激通道可包括混合电声系统(eas)听力植入物中的声刺激通道。并且顶端通道组上限频率可对应于精细结构编码的系统特定上限。并且在具体实施例中，可以存在itd拟合模块，其配置用于限定刺激通道组并使刺激通道组与左侧和右侧通信。附图说明图1示出了具有典型听觉假体系统的人耳的剖视图，该系统被设计成向内耳传递电刺激并且在耳道处传递声刺激。图2示出典型的双侧耳蜗植入信号处理装置中的各功能块。图3示出了来自麦克风的短时段音频语音信号的示例。图4示出了通过用滤波器组带通滤波成一组信号而被分解的麦克风声信号。图5示出了特定的带通信号及其各分量部分。图6示出了根据本发明的一个具体实施例的具有itd调整通道组的双侧耳蜗植入信号处理装置中的各功能块。图7示出了根据本发明的实施例将刺激通道组织起来形成itd调整通道组的各功能步骤。图8示出了根据本发明的实施例的双侧听力植入系统中的通道组的示例。具体实施方式本发明的实施例涉及双侧听力植入系统，该系统在每一侧具有限定的刺激通道组，布置成使得给定通道组内的每个刺激通道具有匹配的itd特性，并且每一侧的相应通道组具有匹配的itd特性。对于具有双侧听力植入系统两侧的相应中心频率的每个通道，可以实现相同的整体信号延迟。所产生的匹配系统则可以为植入用户提供准确的itd信息，使其能够定位声源并且在挑战性聆听条件下享受更好的语音理解。实际上，每一侧可能有不同数量的主动刺激通道。这可能是由于在拟合过程中因通道的停闭而导致的，这是由于因耳蜗外位置、捷径等诸如面神经刺激之类的刺激产生的不利副作用。每一侧的不同类型的植入物上也可具有不同数量的通道。更顶端的低频刺激通道对于耳蜗植入用户的itd感知来说更为重要，因此这些通道应优先考虑。图6示出了具有刺激通道分组的双侧听力植入信号处理装置中的各功能块，并且图7示出了根据本发明的一个具体实施例将刺激通道组织到itd调整通道组的各功能步骤。正如在现有的双侧处理装置中一样，通过感测麦克风201产生左侧和右侧音频输入，然后由左侧和右侧的音频预处理模块202进行处理，所述音频预处理模块202包括经配置以产生相应的左侧和右侧带通信号的滤波器组，其中每个带通信号表示音频输入信号中相关联的音频频带。每一侧的itd处理模块601基于限定的刺激通道组来调整刺激信号的itd特性。在图6所示的具体实施例中，刺激通道组由外部itd拟合模块602限定。其他实施例可以不需要这样的外部拟合模块602，并且刺激通道组可以由左侧和右侧的内部模块限定或者有一些其他外部设备来限定刺激通道组，例如术前软件编程装置。步骤701，限定刺激通道组，包括在每一侧限定对应于最低范围的音频频率直到某个共同的顶端通道组上限频率的顶端通道组。这涉及将相同数量的一个或多个顶端定位的刺激通道分配给每一侧的顶端通道组。步骤702，两个顶端通道组中的刺激通道的音频频带都设定成匹配值。在传送精细结构信息的听力植入系统中，顶端通道组应限定成为病患用户覆盖包含非常精细结构itd感知的低频范围；例如，itd检测阈值小于300微秒。顶端通道组的频率范围也可以通过精细结构编码的系统特定上限来限定。根据具有较少数量的激活刺激通道的一侧的激活电极的数量n激活，顶端组的通道数量n顶端及其频率分布在两侧类似地设定。n顶端可以设置为覆盖系统的特定频率区域，例如精细结构刺激的区域。可以通过计算或使用诸如表1或表2的查找表来导出n顶端的选择和顶端组中的通道的频率分布：n激活121110987n顶端444332顶端组频率范围[hz]100‐700100‐800100‐950100‐700100‐850100‐600带宽通道160708090100140带宽通道2100110130170210360带宽通道3170190230330430n/a带宽通道4270320410n/an/an/a表1：顶端通道组中基于对数的频率分布示例n激活121110987n顶端444332顶端组频率范围[hz]100‐700100‐800100‐950100‐700100‐850100‐600带宽通道1150175212200250250带宽通道2150175212200250250带宽通道3150175212200250n/a带宽通道4150175212n/an/an/a表2：顶端通道组中的线性频率分布示例这在系统两侧提供了顶端通道组的相同数量和频率分布。不在顶端组中的刺激通道被称为基底通道。两侧基底通道的频率分布设定成覆盖剩余频率范围。步骤703，对于高于顶端通道组上限频率的较高范围的音频频率，在每侧限定一个或多个基底通道组，具体地在每一侧限定相同数量的基底通道组。将一个或多个刺激通道分配给限定的每个基底通道组，并且每一侧限定相同数量的基底组，每个组覆盖相同的频率范围。步骤704，对于分配给每个基底通道组的每个刺激通道也限定音频频带。顶端通道组或基底通道组中的通道的可能的频率分布可以是对数分布。例如，基底通道组频率分布可以是相等的对数频率间隔，例如，用matlab代码计算：logspace(log10(flbasal)，log10(fubasal)，nchan+1)其中flbasal是基底通道的频率下界，fubasal是基底通道的频率上界，nchan是基底通道的数量。图8示出了根据本发明的实施例的双侧听力植入系统中的刺激通道组的一个示例。在这个例子中，每一侧的顶端通道组各有两个刺激通道，其中通道1对应于100-300hz的范围，通道2对应于300-1000hz的范围。在这个例子中，每一侧还限定有三个基底通道组，其中左侧在每个基底组中都有一个刺激通道，右侧在基底组1和2中有两个刺激通道，在基底组3中有一个刺激通道。这将导致植入系统两侧有三个基底组，其中左侧的三个组由每组中的一个通道组成，右侧的两个组有两个通道和一个组有一个通道。形成基底通道组以便在每一侧具有相同数量的组。作为起点，每个基底刺激通道形成一个组。然后，如果基底通道的数量在左侧和右侧不同，通道则分配给其下一个邻近的基底组，从具有更多的基底通道的侧面最顶端的基底通道开始。将通道置于第一基底组中，直到顶端到基底的顺序中的第一个通道具有比另一侧(即具有较少通道的一侧)的第一基底组更高的频率上界fu。然后形成下一个基底组，再次将通道添加到具有更多通道的一侧的组，直到第一通道具有比另一侧的第一基底组更高的fu。对剩余的通道重复该过程。在图8所示的例子中，右侧(具有更多活动通道的一侧)的通道3和4被分配给基底组1，通道5和6被分配给基底组2，通道7被分配给基底组3。对于激活通道较少的左侧，每个基底通道形成一个基底组。刺激通道组的限定可以反映对于显着的itd感知的患者特定频率范围的评估，例如，根据laback等人在effectsofinterauraltimedifferencesinfinestructureandenvelopeonlateraldiscriminationinelectrichearing，jacoustsocam，120(4)，2006年10月，p.2190-2201(其全部内容通过引用并入本文)中描述的方法。对于左侧和右侧处理器自拟合的系统，音频处理器包括用于执行算法的计算模块，并且彼此协作以对其滤波器组进行分组和校准，并根据算法调整itd延迟。计算模块可以是信号处理控制器的一部分，并以软件方式实现。该协作包括交换诸如n激活，n顶端，顶端通道组上限频率、基底通道组频率限制等等算法的必要输入信息。左侧和右侧处理器之间的这种交换可以由位于每个处理器中的通信模块完成。通信模块可以配置成用于无线或有线通信。在另一个实施例中，所述交换可由外部itd拟合模块602或任何其他合适的外部互连来辅助。对于外部限定刺激通道组的系统(例如，通过外部itd拟合模块)，通道组信息可存储在内部存储器中，例如在术前或术后的拟合过程中编写的表格中。步骤705，itd处理模块601调整分配给每个通道组的刺激通道的itd特性，使得通道组内的每个刺激通道具有匹配的itd特性，并且使得每一侧的对应通道组具有匹配的itd特性。在具体实施例中，itd处理模块601可以调整通道或组的itd特性，以便匹配具有较低的高频范围fu的通道或组的延迟，因为较低频率具有较长的组延迟，因此较高频率的通道/组可以通过添加额外的延迟而设定为总延迟相同。如果基底组具有多个通道，则将延迟添加到通道的滤波器中，以使该基底组中的所有通道具有该组中最顶端通道的滤波器的组延迟。在图8的示例中，通道4将与通道3进行延迟匹配，并且通道6将与通道5进行延迟匹配。相对侧的匹配延迟以最小延迟施加到基底组的通道，使得每个基底组与相对侧的对应组具有相同的整体延迟。多个另外的音频处理级配置成使用有组织的刺激通道来产生用于刺激通道的听力刺激信号；例如包络检测模块204、脉冲定时模块205和映射/脉冲生成模块206等。在一些具体实施例中，可以通过向每个基底通道添加特定延迟来实现两侧的组延迟的进一步匹配，使得具有相应中心频率的通道(具有最近中心频率的相对侧通道)在两侧具有相同的总延迟。在图8的例子中，左侧的基底组1将具有与右侧的基底组1相同的延迟等等，使得每个组的耳间延迟对于不具有itd的刺激(来自植入用户的前面)是相同的。至少一个顶端通道组中的分配的刺激通道可包括混合电声系统(eas)听力植入物中的声刺激通道。为了确保这种装置中正确的itd感知，应该匹配声刺激通道的滤波器组延迟和频率边界。还应考虑沿基底膜行波的传播时间。在基本方法中，对于从文献中已知的所选频带，可以使用直到神经元的平均传播时间。在更先进的方法中，可以使用具有相应时间特性的电模型。基于计算出的完整的声和电传播时间，可以在信号处理链中计算和施加所需的补偿。可通过关于信号延迟的产生的相关变化对植入系统的其他模拟部分进行进一步的延迟补偿，例如用于麦克风和预放大级。解决延迟而不实施额外延迟线的一种方法是通过改变刺激通道的频率边界来调整每侧相应通道上的滤波器组延迟。这将需要在延迟匹配和频率匹配之间进行折中。例如，可向左侧的通道1分配100至300hz的频率范围，向右侧的通道1分配110至300hz的范围，此时，通过该设定，通道1的总延迟可在左侧和右侧相等。可部分地使用任何常规计算机编程语言来实现本发明的实施例。例如，可以用程序编程语言(例如“c”)或面向对象编程语言(例如，“c++”或python)来实现优选实施例。本发明的替代实施例可以被实现为预编程的硬件元件、其他相关构件或实现为硬件和软件构件的组合。实施例可部分地实现为用于与计算机系统一起使用的计算机程序产品。这样的实现可以包括固定在诸如计算机可读介质(例如，磁盘、cd-rom、rom或固定盘)的有形介质上、或经由调制解调器或诸如通过介质连接到网络的通信适配器的其他接口设备可传送到计算机系统的一系列计算机指令。介质可以是有形介质(例如，光学或模拟通讯线)或通过无线技术(例如，微波、红外或其他传送技术)实现的介质。所述系列的计算机指令包含关于系统的所有或部分的本文前面所述的功能。本领域技术人员应当理解的是，这样的计算机指令可以用多种编程语言编写以用于与很多计算机架构或操作系统一起使用。此外，这样的指令可存储在诸如半导体、磁性、光学或其他存储器设备的任何存储器设备中，并且可使用诸如光学、红外、微波或其他传送技术的任何通信技术来传送。可预期这样的计算机程序产品可发布为具有随附印刷文档或电子文档的可移动介质(例如，现成软件)、用计算机系统预载(例如，在系统rom或固定盘上)或通过网络从服务器或电子公告板发布(例如，互联网或万维网)。当然，本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)和硬件两者的组合。本发明的其他实施例被实现为全部硬件或全部软件(例如，计算机程序产品)。尽管已经公开了本发明的各种示例性实施例，但是对本领域技术人员应当显而易见的是，在不偏离本发明的真实范围的情况下，可以进行将获得本发明的至少一部分优点的各种变化和修改。例如，本文所述的方法可以应用于耳蜗植入物之外的听觉植入物，例如听觉脑干植入物。当前第1页12