作为固有振荡的倍数的听觉假体刺激速度的制作方法
【专利说明】
[00011 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和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
[0002] 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】
[0003] 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,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。
[0004] 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-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。
[0005] 图1还示出了典型的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 的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，通过引入并入本文）、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。
[0006] 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导线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包括在其表面上的提供了耳蜗104的选择性刺激的多个 电极触点112。
[0007] 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。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 取谱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为特定形式用于植入到耳蜗中的刺激 电极中的每一个(EL-1到EL-n)的电刺激信号，刺激电极反映了沿着植入电极阵列110的长 度的耳蜗104的音质神经反应。
[0008] CIS刺激在递送的电脉冲上施加固定的刺激速度，并且因此不能代表所感测的音 频信号的周期性分量。另一方面，FSP刺激(及其变体)不代表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的信号特性的刺激脉冲序列。但是在过 零事件之后的FSP脉冲序列只能以预定义的模式来表示。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，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描述了有意地将随机仿真相位抖 动分量引入到双耳刺激信号。这样做是为了减少精细结构分量的周期性特性，同时保持了 耳间的时间差（ITD){目息。
[0009] 在音调语言的语音的特定情况下，听觉植入体刺激方案有进一步的附加考虑。音 调语言的特征在于给定的语音音节根据其音高特性将具有不同的含义。举个简单的例子， 在图3中示出了中国普通话语音的四个音调的音高轮廓。音调I(Tl)具有几乎恒定的音高， 首调2(T2)具有主要上扬的首尚，首调3(T3)具有下降和上扬的首尚，以及首调4(T4)具有主 要下降的音高。如果发音为[ma: ]，T1的意思是"妈"，Τ2的意思是"麻"，Τ3的意思是"马"，以 及T4的意思是"骂"。根据音节是由男性、女性或儿童说出，在图3上水平线之间的距离将通 常为1.2、0.8或0.4毫秒。
[0010] 音高主要以信号的时间结构、基频R)和高次谐波来编码。图4示出了由女性对象说 出的"shi"的四个音调模式的窄带谱图和FO轮廓，其中灰度指示与时间（X轴)和频率(y轴） 相关的能量，以及浓黑线代表了通过自相关提取的轮廓。
【发明内容】
[0011] 本发明的实施例针对用于生成用于听觉植入体系统中的刺激触点的电刺激信号 的布置。对于输入音频信号中的频率分量确定特有的特征周期。对于选定的符合周期选择 标准的特征周期，确定对应于特定语言的基本周期的最接近整数倍的调整的特征周期。对 每个调整的特征周期确定对应的刺激速度频率，并且将每个刺激速度频率分配给一个或多 个刺激触点。然后对于刺激触点以它们各自的刺激速度频率生成电刺激信号。
[0012] 可以使用带通滤波器组处理输入音频信号以产生多个带通频率的信号，在这种情 况下，对于每个带通频率信号确定特有的特征周期。此外或可选地，可以使用快速傅立叶变 换处理输入音频信号。频率分量可以是输入音频信号的基频分量和/或谐波频率分量。特定 语言的基本周期可以是音调语言所特有的，例如，在中国普通话中是0.4毫秒。
[0013] 本发明的实施例还针对生成用于在植入电极阵列的外表面的刺激触点的电刺激 信号。预处理输入音频信号以产生多个代表性的频带信号，其每个都具有突出感测频率。然 后处理每个频带信号以生成用于刺激触点的对应的电刺激信号。每个电刺激信号具有相关 的刺激频率，并且对于至少一个电刺激信号，变化刺激频率以维持刺激频率和对应的频带 信号的突出感测频率之间的整数比。
[0014] 在具体的实施例中，频带信号可通过带通滤波器组来产生，带同滤波器组中的每 一个与对应的音频频带相关联。对于每个电刺激信号，可以变化刺激频率以维持刺激频率 和对应的频带信号的感测频率之间的整数比。
[0015] 与选择的至少一个电刺激信号相关的带通信号的突出感测频率可以是带通信号 的基频和/或基频的谐波。或者与选择的至少一个电刺激信号相关的带通信号的突出感测 频率可以是带通信号最突出的频率。突出感测频率可以使用快速傅立叶变换来确定。
[0016] 在具体的应用中，可以变化刺激频率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。
【附图说明】
[0017] 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剖视图。
[0018] 图2示出了在连续交错采样(CIS)处理系统中的各种功能块。
[0019] 图3示出了用于中国普通话语音的四种音调的音高轮廓线。
[0020] 图4示出了女性说话人的四种音调的"shi"的窄带谱图和FO轮廓。
[0021] 图5示出了许多说话人的四种普通话音调的音高分布数据。
[0022]图6A和6B示出了宽带语音信号的音高周期特性。
[0023]图7示出了根据本发明的实施例在时域中的特征提取系统中的各种功能块。
[0024]图8示出了根据本发明的实施例在频域中的特征提取系统中的各种功能块。
[0025] 图9示出了来自麦克风的音频语音信号的短时间周期的示例。
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