专利名称：具有低频信道优先权的耳蜗植入物刺激的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于耳蜗电极的刺激的信号处理。
背景技术：
通常的耳朵如图1中所示通过外耳101向鼓膜(耳膜)102发送声音，鼓膜(耳膜)102移动中耳103的骨头，该骨头继而振动耳蜗104的卵圆窗并且和圆窗膜开口。耳蜗104是窄的填充了流体的导管，该导管围绕其轴螺旋地缠绕大约两个半匝。耳蜗104包括通过蜗管连接的被称为前庭阶的上信道和被称为鼓阶的下信道。鼓阶形成具有中心的直立螺旋锥，该中心被称为耳蜗轴，其中，听觉神经113的螺旋节细胞驻留。响应于所接收的由中耳103发送的声音，所以填充流体的耳蜗104作为换能器，用于产生电脉冲，该电脉冲被传送到耳蜗神经113，并且最后被传送到大脑。当在沿着耳蜗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上存在问题时，损害听力。
在一些情况下，可以通过耳蜗植入物来处理听力损害，该耳蜗植入物使用由沿着植入电极分布的多个电极触点传递的小电流来电子地刺激听觉神经组织。图1也示出典型的耳蜗植入物系统的一些部件，其中，外部麦克风向外部信号处理级111提供音频信号输入，外部信号处理级111实现各种已知信号处理方案之一。所处理的音频信号被外部信号处理级111转换为数字数据格式，以发送到植入刺激器108。除了提取音频信息之外，植入刺激器108可以执行另外的信号处理，诸如纠错、脉冲形成等，并且产生刺激模式(基于所提取的音频信息)，该刺激模式通过所连接的导线109被发送到植入电极110。通常，植入电极110包括在其表面上的多个刺激电极，该多个刺激电极提供了耳蜗104的选择性刺激。
在耳蜗植入物中，较小数量的刺激电极每个与较宽的频带相关联，各个刺激电极使用从在相关联的频带内的信号包络的瞬时振幅得出的电荷的刺激脉冲来处理一组神经元。在一些编码策略中，在所有刺激电极上以不变的速率来施加刺激脉冲，而在其他编码策略中，以电极特定的速率来施加刺激脉冲。
在耳蜗植入物中的一个问题是空间信道交互。空间信道交互意味着如果在相同的时间附近启动多个不同的刺激电极，则在被激励的神经组织的位置处存在电场的显著几何重叠。空间信道交互主要是因为围绕植入电极110的导电流体和组织所导致的。
一种成功的刺激策略是通过引用在此包含的下文:“Continuous-1nterleaved-Sampling，，(CIS)as introduced by Wilson at al., Better Speech Recognition withCochlear Implants, Nature, vol.352, 236-238, July 1991。CIS 信号处理通常包含:
(I)通过滤波 器组将音频频率范围划分为频谱带；
(2)各个滤波器输出信号的包络检测；以及
(3)包络信号的瞬时非线性压缩(映射法)
基于耳蜗的音质分布组织，在鼓阶中的各个刺激电极与外部滤波器组的带通滤波器相关联，并且对称的二相电流脉冲被施加作为刺激。直接地从压缩的包络信号获得刺激脉冲的振幅(上面的步骤(3))。这些信号依序被采样，并且以严格地不重叠的序列来施加刺激脉冲。因此，最小化空间信道交互，并且实现在耳蜗中的电场的部件精确的限定。例如，考虑具有最大的整体刺激速率18kpps的12信道CIS系统；假定在一个循环中对各个信道寻址一次，各个信道的刺激速率是1.5kpps。这样的每个信道的刺激速率通常对于包络信号的足够的时间表示是足够的。最大整体刺激速率被各个脉冲的最小相延续时间限制。相延续时间不能被任意地选择得短，因为脉冲越短，则在神经元中引出动作电位所需电流振幅越高。并且，为了各种实际原因而限制电路振幅。对于ISkpps的整体刺激速率，相延续时间是接近下限的27微秒。
与CIS相关的刺激策略是“M选N”策略，其中，在各个刺激循环期间，仅从总共M个带通信号信道选择具有最大能量的N个电极信道，如通过引用包含的下文所述=Wilsonet al., Comparative Studies Of Speech Processing Strategies For Cochlear Implants, Laryngoscopel998; 98:1069-1077。通常，带通信号信道的数量M是不变的，并且等于可用信道的总数。由此，将所选择的信道的瞬时刺激速率提高因子M/N。有趣的是，M选N策略看起来与标准CIS作比较未改善语音感知，如在通过引用包含的下文中所述:Zieseet al.，Speech Understanding With CIS And N-Of-M Strategy In The MED-EL COMBI40+system,0RL2000;62:321-329。
M选N策略(具有常数Μ)的一个缺点是如果电极信道从“失活”转换为“激活”，则神经元或神经元组可能受到“弱电击”的影响。例如，考虑下述情形:其中，在特定的刺激电极处施加一系列阈值之上的刺激脉冲。初始脉冲在大多数相邻神经元中引起动作电位，其后是不应期，在此期间，可以引出更有限的神经元脉冲。神经元的大多数继续处于类似的不应状态中，直到已经过去了足以引起不应状态的充分分布的时间。因此，对于至少初始时间段，大多数神经元将因为它们的类似的不应状态而以相同的方式响应于各个脉冲，如在通过引用包含的下文中所述:Wilson et al., Temporal Representation With CochlearImplants, Am.J.0tology, Vol.18, N0.6 (Suppl), S30-S34, 1997。
在传统CIS中，在特定刺激电极处没有行为的时间段不出现，因为在各个循环中刺激各个电极，并且最小脉冲振幅通常接近或略大于阈值。因此，即使当在特定的频带中不存在频谱能量时，相关联 的电极将激活，以将神经元保持在不同的不应状态中。另外，因为在相邻信道中的行为，可以将多个神经元保持忙。在这个方面，空间信道交互可以具有有益(非故意)的效果。
对于M选N刺激的另一个问题是较高频率信号信道相对于低频刺激信道占主导的趋势。该效果因为下述情况而是特别不幸的:较低频率的信号信道包含整个音频信号的基频，它是用于语音理解的最主要的线索。发明内容
本发明的实施例涉及用于启动在耳蜗植入物电极中的刺激电极的系统、方法和计算机程序产品。预处理滤波器组处理输入的声音音频信号以产生带通信号，该带通信号的各个表示音频的相关联的频带。信息提取器基于向其中各个包含一个或多个刺激电极的对应的电极刺激组分配带通信号来从带通信号提取刺激信号信息，并且产生用于各个电极刺激组的一组刺激事件信号，该一组刺激事件信号限定了电极刺激定时和振幅。脉冲选择器基于脉冲加权函数从刺激事件信号选择一组电极刺激信号，来启动刺激电极以刺激相邻的听觉神经组织，该脉冲加权函数使用有利于较低频率的信道特定加权因子。在另外的特定实施例中，也可以有脉冲整形器，用于基于病人特定因素将电极刺激信号发展为向刺激电极的一组输出电极脉冲。
所述脉冲选择器可以基于电极刺激组来在递归的刺激循环中选择一组电极刺激信号，以便例如在各个刺激循环中依序启动在各个电极刺激组中的单个刺激电极或在各个刺激循环中同时启动在至少一个电极刺激组中的至少两个刺激电极。或者，对于至少一个刺激组，脉冲选择器可以随着时间改变在各个刺激循环中启动哪些特定刺激电极。
信息提取器可以基于对于各个电极刺激组限定的组脉冲速率来产生刺激事件信号。脉冲选择器可以基于刺 激神经组织的一个或多个非线性响应特性来产生用于各个电极刺激组的电极刺激信号。例如，该一个或多个非线性响应特性可以反映在刺激电极之间的空间交互。
脉冲选择器可以选择电极刺激信号以便依序启动在各个电极刺激组内的刺激电极。或者，脉冲选择器可以选择电极刺激信号以便同时启动在至少一个电极刺激组内的刺激电极。脉冲加权函数可以使用随着时间不变或随着时间变化的信道特定加权因子。
图1示出在人耳中的解剖结构和典型的耳蜗植入物系统的元件。
图2是脱水哈根据本发明的一个实施例的、用于启动在多信道电极阵列中的电极的方法的流程图。
图3示出在传统CIS系统中的选择的组的示例(现有技术)。
图4示出基于M选N策略的选择的组的示例(现有技术)。
图5示出在所有耳蜗区域中提供不变的行为的选择的组的示例。
图6示出提供良好的时间表示的选择的组的示例。
图7示出包括同时刺激的选择的组的示例。
图8示出根据本发明的一个实施例的刺激限定级的输入和输出。
图9示出在典型的M选N耳蜗植入物系统中的功能信号处理块。
具体实施方式
本发明的实施例涉及用于启动在植入的电极阵列中的电极的技术。与连续交织采样(CIS)手段作比较，可以使用较高的刺激速率，同时避免例如在M选N策略中遇到的“弱电击”。在较高频率FSP信道中的信号比较低频率信道传递更多的过零和因此的更多的脉冲。在没有用于低频信道的优先权的情况下，因为M选N选择导致的脉冲的比例丢失对于低频信道比对于较高信道更高。低频信道因此被因为M选N选择导致的信号失真更多地影响(假定在信道中的相等振幅)。
图9示出在典型实施例中的主要功能信号处理块，其中，预处理滤波器组901是并行频率特定信号滤波器的组，各个滤波器与音频频率的特定频带相关联。因此，输入声音音频信号被滤波为M个带通信号B1至^，其中，各个信号对应于用于带通滤波器之一的相应频带。通常，预处理滤波器组901具有大量的窄带频带滤波器，用于区分和映射所分析的频率范围。预处理滤波器组901也被设计来向输入声音音频信号应用某种初始预处理，例如，自动增益控制、噪声减小等。
带通信号B1至Bm然后被输入到信息提取器902，信息提取器902将信号特定刺激信息——例如，包络信息、相位信息、所请求的刺激事件的定时等——提取为一组M个刺激事件信号S1至SM，该一组M个刺激事件信号S1至Sm表示所请求的刺激事件。例如，可以如在通过引用包含的美国专利6，594，525中描述那样使用信道特定采样序列(CSSS)。可以将带通信号B1至Bm置于较小数量的重叠的宏带内，并且在各个宏带内，选择具有最高包络的信道来用于给定的采样间隔。也可以基于信道交互和禁止功能来将刺激事件信号S1至Sm抽取以提取导通信号的时域精细结构。
脉冲选择器903使用反映病人特定感知特性的刺激幅度的加权矩阵来加权各个所请求的刺激事件信号S1至Sm，以产生一组N个电极刺激信号A1至An，该一组N个电极刺激信号A1至An提供声音信号的最佳的电子音质分布表不。在通过引用在此包含的在2008年4月22日提交的美国专利申请61/046，832中进一步描述了刺激脉冲的矩阵加权。等式I示出大小M X N的典型加权矩阵:
权利要求
1.一种可植入刺激装置，用于产生用于在耳蜗植入物中的刺激电极的电极刺激信号，所述装置包括: 预处理滤波器组，用于处理输入声音音频信号以产生多个带通信号，所述多个带通信号的各个表示音频频率的相关联的频带； 信息提取器，用于基于向其中各个包含一个或多个刺激电极的多个电极刺激组分配所述带通信号来从所述带通信号提取刺激信号信息，并且产生用于各个电极刺激组的一组刺激事件信号，所述一组刺激事件信号限定了电极刺激定时和振幅；以及 脉冲选择器，用于基于脉冲加权函数从所述刺激事件信号选择一组电极刺激信号，用于启动所述刺激电极以刺激相邻的听觉神经组织，所述脉冲加权函数使用有利于较低频率的信道特定加权因子。
2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括: 脉冲整形器，用于基于病人特定因素将所述电极刺激信号发展为向所述刺激电极的一组输出电极脉冲。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述脉冲选择器进一步基于所述电极刺激组来在递归的刺激循环中选择所述一组电极刺激信号。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述脉冲选择器选择所述电极刺激信号以便在各个刺激循环中依 序启动在各个电极刺激组中的单个刺激电极。
5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述脉冲选择器选择所述电极刺激信号，以便在各个刺激循环中同时启动在至少一个所述电极刺激组中的至少两个刺激电极。
6.根据权利要求3所述的装置，其中，对于至少一个刺激组，所述脉冲选择器随着时间改变在各个刺激循环中启动哪些特定刺激电极。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述信息提取器基于对于各个电极刺激组限定的组脉冲速率来进一步产生所述刺激事件信号。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述脉冲选择器基于所刺激的神经组织的一个或多个非线性响应特性来进一步产生用于各个电极刺激组的所述电极刺激信号。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述一个或多个非线性响应特性反映在所述刺激电极之间的空间交互。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述脉冲选择器选择所述电极刺激信号以便依序启动在各个电极刺激组内的所述刺激电极。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述脉冲选择器选择所述电极刺激信号以便同时启动在至少一个电极刺激组内的所述刺激电极。
12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述脉冲加权函数使用随着时间不变的信道特定加权因子。
13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述脉冲加权函数使用随着时间变化的信道特定加权因子。
全文摘要
描述了用于启动在耳蜗植入物电极中的刺激电极的系统和方法。在预处理滤波器组处理输入的声音音频信号以产生带通信号，该带通信号的各个表示音频的相关联的频带。信息提取器基于向其中各个包含一个或多个刺激电极的对应的电极刺激组分配带通信号来从带通信号提取刺激信号信息，并且产生用于各个电极刺激组的一组刺激事件信号，该一组刺激事件信号限定了电极刺激定时和振幅。脉冲选择器基于脉冲加权函数从刺激事件信号选择一组电极刺激信号，该脉冲加权函数使用有利于较低频率的信道特定加权因子来启动刺激电极以刺激相邻的听觉神经组织。
文档编号A61N1/36GK103140260SQ201180042370
公开日2013年6月5日 申请日期2011年9月1日 优先权日2010年9月1日
发明者彼得·施莱赫, 迪尔克·梅斯特, 彼得·诺普 申请人:Med-El电气医疗器械有限公司