基于激励扩展的植入电极带的目标分配的制作方法与工艺

基于激励扩展的植入电极带的目标分配本申请要求2013年10月17日提交的美国专利临时申请61/891,930的优先权，其全部内容援引包含在本文中。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：
正常的耳朵传送声音如图1所示，通过外耳101到鼓膜(耳膜)102，其移动中耳103的骨头(锤骨、砧骨和镫骨)，这些骨头振动耳蜗104的椭圆形窗和圆形窗开口。耳蜗104是长、窄管，呈螺旋形沿其轴缠绕大约两个半圈。它包括被称为前庭阶的上通道，以及被称为鼓阶的下通道，两者通过耳蜗管连接。耳蜗104形成垂直螺旋锥，其中心称为蜗轴，听神经113的螺旋神经节细胞驻留于此处。响应由中耳103传输而收到的声音，充满液体的耳蜗104用作换能器，产生电脉冲传送到耳蜗神经113，最终传送到大脑。当将外部声音转换为沿着耳蜗104的神经基质的有意义的动作电位的能力存在问题时，听力受损。为了提高受损的听力，已经开发出听觉假体。例如，当损伤涉及中耳103的操作时，常规的助听器可用于向听觉系统提供声音放大形式的声音机械刺激。或者，当损伤与耳蜗104相关联时，具有植入电极接触的耳蜗植入体能够以通过沿电极分布的多电极接触传送的小电流电刺激听觉神经组织。图1还示出典型耳蜗植入系统的一些元件，包括提供声音信号输入到外部信号处理器111的外部麦克风，处理器111能够实施各种信号处理方案。然后经处理的信号转换为数字数据格式，例如数据帧的序列，用于通过线圈107传送给植入体108.。除了接收经过处理的声音信息，植入体108也执行另外的信号处理，例如误差校正、脉冲形成等等，并产生刺激模式(基于提取的声音信息)，通过电极导线109发送到植入的电极阵列110。沿着电极阵列110的延长轴，在其表面具有多个电极接触112，其提供了耳蜗104的可选择刺激，例如单相刺激或双相刺激。电极接触112之间的间距可以是固定的或者可变的。例如，在电极阵列110的底端的电极接触112(更接近阵列进入耳蜗的地方，例如通过椭圆形窗口)可能比那些在电极阵列110顶端的电极接触具有更宽的间距。很多已有的耳蜗植入刺激编码策略表示声音信号的方式是将声音信号分离成不同的频带，并提取出这些频带每一个的包络(即能量)。这些声音信号的包络表示用于限定施加到每个电极的刺激脉冲的脉冲幅度。带通信号的数目典型地等于刺激电极的数目，需要相对宽的频带来覆盖声音频率范围。每个电极接触向其邻近的神经组织传送反应耳蜗的音质组织的限定频带的电刺激信号。由于利用心理声学流程确定地点间距十分耗时，耳蜗植入(CI)装配的一个被忽视的方面是每个电极通道的频带分配的优化。通常，感知的间距与沿耳蜗(音质)的神经激励的位置强相关。在正常听力中，频率-位置映射是对数关系，由Greenwood(Greenwood，1961)限定。当几个电极通道激励神经元结构的相似区域，可以期待或多或少地等于感知的间距。如果这些电极通道表示施加到相同神经元的不同频带信号，可以导致空间和时间的混淆。在电极植入手术期间，外科医生将电极阵列通过椭圆形窗口推进到耳蜗鼓阶的底端，以便电极阵列的末端到达耳蜗顶端区域。但是电极阵列的高弹性意味着外科插入流程承担着电极阵列在耳蜗内“折叠”的极大风险。特别是，电极阵列的顶端可能折叠，折叠顶端内的电极接触将不会到达耳蜗的顶端区域，而是将刺激耳蜗的更底端区域，这将引起被植入患者间距混淆听力印象。这样的电极折叠可以通过成像方法检测，例如计算机断层扫描(Grolman等,“SpreadofExcitationMeasurementsfortheDetectionofElectrodeArrayFoldovers:AProspectiveStudyComparing3-DimensionalRotationalX-rayandIntraoperativeSpreadofExcitationMeasurements”,2008)。这样的复杂和昂贵流程是必需的，因为其他的测量，例如eCAP不允许神经元神经不反应的区域和电极折叠发生的区域之间的区分；该测量结果不允许建立任何标准来区分两种情况。

技术实现要素：
本发明的实施例用于检测植入的耳蜗植入电极折叠位置。对于植入电极阵列的每个电极接触，执行eCAP测量。然后对每个电极接触，作为eCAP测量的函数，计算电流扩展。基于电流扩展的计算，确定了电极阵列折叠位置，其中电极阵列的顶部与电极阵列的更底部相反折叠。在进一步的具体实施例中，可以对每个电极接触执行神经激励空间扩展电压测量，然后作为eCAP测量和空间扩展电压测量的函数，计算电流扩展。或者，可以对每个电极接触执行阻抗场遥测(IFT)测量，然后作为eCAP测量和IFT测量的函数计算电流扩展。对每个电极接触计算电流扩展也可使用在被测量的电极接触每一侧的限定数目的电极接触。本发明的实施例也包括新的耳蜗植入装置，用于在植入患者内产生声音感觉。植入电极包含用于将刺激信号传送到相应的电极接触的电极线，这些电极接触沿植入电极的顶电极阵列部分的外表面的长度分布。电极阵列的顶部特征在于当插入到患者的耳蜗中时，对于电极阵列更底层的部分易于相反折叠。可植入的刺激处理器产生刺激信号，以便包括任何相反折叠部分的每个电极接触以基于刺激电压的空间扩展函数限定的频带传送刺激信号，并与相邻神经组织的音质频率响应正确地相关联。空间电流扩展的函数可进一步基于幅度增长函数和/或指数函数。空间电流扩展函数可基于阻抗场遥测(IFT)测量。空间电流扩展函数可利用空间扩展矩阵来限定。附图说明图1表示具有耳蜗植入系统的人耳的解剖结构。图2表示理想eCAP增长函数是刺激电流的函数的曲线图。图3表示来自一组实验的空间扩展电压的曲线图。图4表示在电极接触3和4之间模拟折叠时的电流扩展的曲线图。图5表示来自图4的电流扩展的空间扩展电压的曲线图。图6表示由图5的空间扩展决定的估计电流扩展的曲线图。图7表示电极接触3和4之间具有折叠的相邻电极之间电流差的曲线图。图8表示基于Greenwood函数的电极接触频率分配的曲线图。图9图示插入到患者耳蜗内的电极阵列的电极接触角度的概念。图10表示空间扩展电压函数叠加数据的示例。具体实施方式本发明的实施例涉及利用电极接触的电流扩展来检测电极阵列的折叠和刺激期间的随后的适应。一旦检测到折叠，能够做出电极接触对各种频率通道的映射，根据这种映射得出每个电极接触的最佳频带分配。可以以各种方式计算电流扩展，例如通过神经激励空间扩展(SS)电压测量和eCAP(电诱发复合动作电位)阈值测量或通过阻抗场遥测(IFT)。一个具体的实施例从执行eCAP测量开始，确定振幅增长函数和eCAP阈值，检测电极阵列折叠。在空间电流扩展SS测量中，对每个电极接触使用恒定刺激电流。这允许基于测量的SS电压的电流扩展估计，其中对任何缺少的值(没有eCAP可检测)可使用插值法获得完整的数据集。具有N个电极接触的电极阵列的电极接触j，从电极阵列的最顶部电极接触1开始，到电极阵列的最底部电极接触N进行编号。eCAP电压通过测量N1和P1之间的eCAP响应信号的峰峰电压差而得到(Seyle,k.andBrown,C.J.,"Speechperceptionusingmapsbasedonneuralresponsetelemetrymeasures",EarHear23(1Suppl.),pages72S-79S,2002)。可以理解，其他eCAP响应峰峰信号可以相同的方式使用，例如N1和P2，或者它们的结合。对于第一近似，当具体的阈值eCAPthr交叉时，典型的峰峰eCAP电压UP1-N1与刺激电流I线性相关(增长函数)。在该刺激电流下，没有可测量的eCAP响应，UP1-N1＝0。理想线性增长函数如图2所示被描述为：UP1-N1＝max(d×(I-eCAPthr),0)(公式1)在图2所示的测量中，eCAPthr是300μA，斜率d＝0.8V/μA。斜率d和阈值eCAPthr依赖于神经元存活和几何特性，例如位置、神经元和电极接触之间的距离，并从电极接触到电极接触而相应变化。可替换地，除了线性幅度增长之外，其他模型可类似地工作，例如指数模型：UP1-N1＝f(I,eCAPthr)在越过电极接触的SS电压曲线中，从刺激电极接触开始，可以预期在直耳蜗上的单调下降函数，具有电极阵列的最佳定位而没有折叠，并假定同质的神经元存活(没有“死”区)。这可以在图3的曲线e6h和e7h中看出。在低神经元存活区(“死”区)，如图3的曲线e6i和e7i所示，神经响应减小，导致SS电压曲线的下沉或者值降低。电极折叠的出现，除了SS曲线中的刺激电极之外，由下沉或者另外的峰表示(Grolman等，2008)。这样的下沉可由死区和折叠两者的情况表示，并没有任何另外的信息(例如X射线图像或者CT扫描)，这不可能区分两种不同情况。为了克服这个问题，由于电流扩展相对不被神经元存活影响，相应的电流扩展可基于测量的SS电压和eCAPthr计算。为此，对每个电极接触i和SS矩阵SSi,j，eCAP阈值eCAPthri可以被确定，行系数i表示刺激电极接触，列系数j表示测量的电极接触。刺激电流I0被确定，以便对电极阵列的全部阵列接触i，max(eCAPthri)＜I0≤min(MCLi)。为了完整的eCAPthri和SSi,j数据集，任何遗漏的值都可以利用样条函数或者任何其他合适的目标函数通过插值获得。空间扩展电压矩阵SSi,j和电流扩展矩阵Ii,j的关系给出了归一化SS矩阵SSnormi,j：假设对每个电极接触，相等的刺激电流I0是可接受的简化，其不依赖于给出的幅度增长函数。通常，对每个电极接触，使用不同的特定的刺激电流I0i代替通常的电流I0是可能的。当电极阵列上的MCLi和eCAPthri电流不允许使用如上所述的通常的电流I0时，这是特别重要的。在这种情况下，利用相同的公式2计算SSnormi,j，但是用电极接触特定的刺激电流I0i替代对全部电极接触i通用的刺激电流I0。刺激电流I0，或者在电极接触特定刺激电流I0i的情况下，施加到一个电极接触，在其他电极接触上测得电压UP1-N1。这种测量可以重复几次，从这些测量中可以估计电压UP1-N1。该测量对电极阵列的每个电极接触i进一步重复。由于没有能够获得刺激电极接触i的测量，利用施加的刺激电流I0或者在电极接触特定刺激电流I0i的情况下，由幅度增长函数的模型计算SSi,j。在幅度增长函数模型中的任何比例系数抵消。在线性模型中，这是斜率dj。具有刺激电极接触i和测量的电极接触j的电流扩展Ii,j可以由测量SS电压计算出来，考虑到幅度增长函数，如下：差值Di,k这样计算出来，如果k<i，则Ii,k+1-Ii,k，如果k≥i，则Ii,k-Ii,k+1。在此，i表示被刺激的电极接触，k是从1到N-1的系数，其中N是电极阵列具有电极接触的数目。注意，这不只是个导数。也可通过阻抗场遥测(IFT)测量估计电流扩展Ii,j。在这种情况下，在活动电极和公共地电极上的刺激人工因素需要在测量电压矩阵Ui,j时考虑。基于该电压矩阵和通道阻抗Zj，电流扩展矩阵可由下式计算在图4和5中，示出了当电极接触1、3、5或7在800μA处被刺激以及电极折叠位于电极接触3和4之间时的Ii,j和SSi,j数据集。这由位置矢量x＝[6.55.54.5456789101112]和阈值eCAPthr＝300e-6*[0.970.800.900.770.711.000.720.970.820.710.920.96]模拟。在图5中，电极接触7的SS7,j扩展，例如在电极接触4、7、10具有若干个转折点。基于公式3，如图6所示，当仅一个转折点出现在电极接触4处ecs7中时，下面的电流扩展I7,j可以被估计。这导致电极折叠的简单检测，其中对于除了全球最大值(刺激电极接触i的位置)之外的本地最大值使用和扫描估计Ii,j电流，因为另外的本地最大值能够表示折叠。为了避免转向串扰，仅仅限定数目的电极接触可考虑用于评估，即不多于远离刺激电极接触的一些给定数目相邻电极接触。该数目的电极接触被称为窗口尺寸，并对称地在刺激电极接触的两侧延伸。这可以反映如图9所示的电极接触分离角α，特征在于电极接触902之间的角度分离(关于位于中心耳蜗轴901上的角顶点)。依赖具体的患者生理，不同的接触分离角α可以适合，包括位置依赖角。例如，最顶端电极接触可由较大的角度分离，更底端的电极接触可由较小的角度分离。任何映射依赖电极接触位置的角度的函数也可以适用。典型地，电极接触902之间的接触分离角α平均在55°左右。为了避免转向串扰，最左侧和最右侧电极接触902之间的最大角度，可以例如限制在不超过270°。电极接触间距典型地在2mm左右的电极阵列，可以确定窗口尺寸为9。依据使用的电极阵列、最左侧和最右侧电极接触902之间最大接触分离角α、以及耳蜗的尺寸，实际具体窗口尺寸可以变化，以便确定相邻电极接触902之间的接触分离角α，并根据患者和患者的不同而变化。图7表示相邻电极接触之间的差值，其中例如，曲线d1表示当电极接触1被刺激时的数据。这样，d1曲线对应于适合窗口尺寸的任何k的D1,k。对于在窗口尺寸之外的任何k，d1线将被切断并设置成零。一旦d1函数被导出，折叠的检测从最底部电机接触开始，推进到更顶端接触，寻找表示电极折叠出现的第一过零点。如果不存在这样的过零点，那么就没有出现折叠。在图7中，曲线d5在电极接触3和4之间具有过零点，表示在其间出现了电极折叠。基于折叠检测结果，可以执行新的电极接触到频带的分配。对于频带分配，感兴趣的是电刺激的感觉，因此在下文中使用归一化空间扩展电压矩阵SSnormi,j。在一个具体实施方式中，沿测量的电极接触维度j的空间扩展可表示为电极阵列上电极接触位置的函数，将空间扩展电压矩阵SSi,j转换为一组函数SSi(x)，其中i是刺激电极接触，x是一维空间内电极阵列上的位置。函数SSi(x)可以被归一化，窗口尺寸转换为电极阵列上的长度。如图10所示，从标记为xi的刺激电极接触i的位置开始，限于空间扩展电压函数Pai的顶部方向由电极位置x确定，其中函数SSi(x)到达或者降低到特定限度SSlimit以下，或者到达窗口尺寸的位置。以相同的方式，底部方向限制标识为Pbi。底部方向和顶部方向限制可以不同，而且可依赖位置和/或电极接触i。该限制可以从测量的空间扩展测量SSi,j的统计特性和/或期望的滤波器组的特性获得。在另一个具体示例中，对于沿测量电极接触维度j的每个刺激电极接触，归一化空间扩展电压矩阵SSnormi,j被上采样。这意味着，对于刺激电极接触i，电极接触j之间的任何测量值可以被插值。可以使用任何合适的插值，例如线性或者样条。这些插值或者上采样值可标记为SSinti,f，其中f是上采样系数，在相邻的电极接触之间引入M个点：f＝{1,1+1/M,1+2/M,...1+(M-1)/M,2,...,N}。在一个例子中，上采样可表示为：Pai和Pbi的值以与上述相同的方式确定，但是，例如限制可以dB的形式表示，例如-3dB。注意，如果SSjj＝max(SSij)(这未必总为真)，那么SSnorm已经被归一化，因此SSint已经包括归一化和被max(SSinti,f)除，其应当对应SSi,i*M并且已经是1，其中M是上采样参数。根据长期平均语音谱的归一化(Byrne等，1994)可以这样完成：在上、下频率组限制范围内(例如根据Greenwood频率－地点函数)，相对于谱的最大值另外地增加长期dB值，或者长期平均语音谱也能在空间扩展矩阵限制SSlimit中使用。对电极阵列的全部电极接触N已经确定了Pai和Pbi，下一步是确定重叠系数Oindexi，其中该系数表示相邻电极接触之间重叠的百分比，依据空间扩展(通道交互)：参见图10。然后电极接触i与限制Olimit比较，这些Oindexi等于或者超过Olimit的电极接触被排除。对于全部电极接触，Olimit可以是固定值，或者其可以是电极接触特定的，例如，作为电极阵列上电极接触位置x的函数。然后在一个电极接触被排除的情况下，电极接触被重新给予系数。这可以这样完成：例如，比较从最底部电极接触开始的电极接触i和Olimit(其考虑电极接触的位置)，或者在确定全部要被排除的电极接触之后完成。这些重新指派的电极接触系数由下面的e表示，并不包括新的系数，也即e＝i。例如，Olimit可以确定为：其中median(Oindexi)是电极阵列的全部电极接触N的中值，Ooffset和Oprop是单独的常数(例如，都等于零)。在Olimit是负值的情况下，折叠检测和重新映射可以如这里所述那样执行。然后对在电极阵列上的保留电极接触e计算较低的Ple和较高的Phe切断位置。例如，这包括计算：和电极接触e的位置由Pe表示。对于电极e＝1和e＝N，计算对称带宽。不使用第一电极和最后电极内的对称带宽，平均带宽可计算为：和最终，在作为映射函数的Greenwood函数的帮助下，对每个电极接触e的频带可以根据较低的Ple和较高的Phe切断位置计算出来：F＝A×(10αx-k)(公式10)A、α和k常数基于性别或者其他生理经验值来选定。例如，对于成年男性，典型值可以是A＝165.4，α＝2.1，k＝0.88。选择常数α以便x表示基底长度的比例。或者映射可以由公知的经验值估算。由电极阵列上位置Pa1最底部电极接触覆盖的最低频率典型地为F1＝100Hz，由电极阵列上位置PbN最顶部电极接触覆盖的最高频率典型地为F2＝8500Hz。将两个频率插入Greenwood函数，能够计算出x1和x2，x1对应关于耳蜗频率最顶部位置，x2对应关于耳蜗频率最底部位置。由此，电极阵列上的位置可以映射到耳蜗内频率区域f：F＝A×(10αx-k)，以及一组实验的结果如图8所示，其中使用了上面的频率限制F1和F2，假定具有宽度Pbe-Pae＝1的电极接触e周围的对称扩展。在Greenwood函数和带限的交叉点处，示出了频带限制。本发明的实施例可部分地以传统计算机编程语言实现。例如，优选的实施例可以以流程编程语言(例如“C”)或者面向对象的编程语言(例如“C++”、Python)实现。本发明可替换的实施例可实现为预编程硬件元件、其他相关组件或者硬件和软件组件的结合。实施例可部分地实现为用在计算机系统中的计算机程序产品。这些实现可包括一系列或者固定在有形介质，如计算机可读介质(如磁盘、CD-ROM、ROM或者硬盘)上的计算机指令，或者通过调制解调器或者其他接口设备传送到计算机系统的计算机指令，例如在介质上连接到网络的通信适配器。该介质可以是有形介质(例如光学或者模拟通信线)或者通过无线技术(例如微波、红外或者其他传输技术)实现的介质。该系列计算机指令全部或者部分地体现本文中前述的关于系统的功能。本领域技术人员应当理解，这样的计算机指令可写为用于很多计算机体系结构或操作系统的多种程序语言。而且，这样的指令可存储在任何存储器设备中，例如半导体、磁、光或者其他存储器设备，并使用任何通信技术传送，例如光学、红外、微波或者其他传送技术。期望这样的计算机程序产品分布为具有伴随打印或者电子文档的可移动介质(例如压缩包软件)，预载计算机系统(例如，在系统ROM或者固定磁盘上)，或者在网络(例如互联网或者万维网)上从服务器或者电子公告板实现。当然，本发明的一些实施例可实现为软件(如计算机程序产品)和硬件的结合。本发明的另外一些实施例实现为全部硬件，或者全部软件(如计算机程序产品)。尽管已经公开了本发明的各种示例实施例，在不脱离本发明范围的情况下，本领域技术人员显然可以作出各种变化和变型，这也将获得本发明的某些优点。