耳蜗植入物的双侧同步通道选择的制作方法

本发明涉及听力植入物系统，并且更具体地涉及双侧耳蜗植入物系统中的信号处理装置。
背景技术：
：正常的人耳像图1中所示的那样通过外耳101向鼓膜102发送声音，所述鼓膜102移动中耳103的骨骼，所述骨骼使耳蜗104的椭圆形窗和圆形窗开口振动。耳蜗104是绕其轴线螺旋地缠绕约两圈半的窄长管。它包括通过耳蜗管连接的称为前庭阶的上部通道和称为鼓阶的下部通道。耳蜗104形成直立螺旋锥体，其中心被称作蜗轴，听神经113的螺旋神经节细胞存在于所述蜗轴中。响应于由中耳103发送的接收声音，充满流体的耳蜗104充当换能器以生成电脉冲，所述电脉冲被发送到耳蜗神经113，并且最终发送到大脑。当在沿着耳蜗104的神经基质将外部声音换能成有意义的动作电位的能力方面有问题时听力受损。为了改进受损听力，已经开发了听力假体。例如，当损伤与中耳103的操作有关时，可以使用常规的助听器来以放大声音的形式向听觉系统提供声机械刺激。或者当损伤与耳蜗104相关联时，具有植入电极的耳蜗植入物可用通过沿着电极分布的多个电极触点递送的小电流电刺激听觉神经组织。尽管以下讨论特定于耳蜗植入物，然而当刺激电极被植入在其它解剖结构中时，一些听力受损者被更好地服务。因此听力植入物系统包括脑干植入物、中脑植入物等，其中每个都刺激听觉系统中的特定听觉目标。图1还示出典型的耳蜗植入物系统的一些组件，其中外部麦克风向外部植入物处理器111提供音频信号输入，在所述外部植入物处理器111中可实现各种信号处理方案。例如，在本领域中众所周知的是，在耳蜗104内的不同位置处的电刺激产生不同的频率感知。正常声听力中的底层机制被称为音质(tonotopic)原理。在耳蜗植入物用户中，已广泛地调查了耳蜗的音质组织；例如，参见vermeire等人,neuraltonotopyincochlearimplants:anevaluationinunilateralcochlearimplantpatientswithunilateraldeafnessandtinnitus,hearres,245(1-2),2008sep12p.98-106；以及schatzer等人,electric-acousticpitchcomparisonsinsingle-sided-deafcochlearimplantusers:frequency-placefunctionsandratepitch,hearres,309,2014mar,p.26-35(其两者都通过引用整体地并入在本文中)。耳蜗植入物的领域中的当前信号处理方法的示例包括连续交错采样(cis)数字信号处理、通道特定采样序列(csss)数字信号处理(如通过引用并入在本文中的美国专利no.6,348,070中所描述的)、先进组合编码器(ace)处理、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。因此，外部植入物处理器111中的经处理的音频信号被转换成数字数据格式以便由外部发送器线圈107发送到植入物刺激器108中。除了接收经处理的音频信息之外，植入物刺激器108还执行诸如错误校正、脉冲形成等的附加信号处理，并且产生通过电极引线109被发送到植入电极阵列110的刺激信号(基于所提取的音频信息)。通常，此电极阵列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点112。在现有的耳蜗植入物系统中，电极触点112被按照刺激帧的重复时间顺序刺激。如果每个刺激帧使用所有电极接触112，则刺激速率需要相对低以适应实现患者特定足够响度感知所需要的脉冲长度。在给定刺激帧中刺激所有电极触点112的另一缺点是由于重叠电场、神经元膜处的残余电荷和更高阶过程而导致的不同通道之间的干扰。存在若干不同的方法来减少使用电极触点112的缩减子集的这些负面影响。然后基于诸如带通信号振幅的瞬时信号性质逐帧地执行通道选择。一种广泛使用的这种方案被称为m选n方法，其中具有最大振幅的仅一些数目n个电极通道在给定刺激帧中被刺激。例如，此方法由耳蜗公司用在ace和speak策略中。如果对于给定时间帧，特定电极通道的振幅保持高于其它通道的振幅，则将针对整个时间帧选择该通道。随后，可用于对信息进行编译的电极通道的数目减少一个，这导致一组刺激脉冲。在cis信号处理策略中，信号处理器仅将带通信号包络用于进一步处理，即，它们包含全部刺激信息。对于每个电极通道，信号包络被表示为恒定重复率下的双相脉冲的序列。cis的特性是刺激速率对于所有电极通道来说是相等的并且与个别通道的中心频率无关。意图是脉冲重复率对于患者来说不是时间线索(即，它应该足够高使得患者不会感知到频率等于脉冲重复率的音调)。脉冲重复率通常被选取为是包络信号的带宽的两倍(基于奈奎斯特定理(nyquisttheorem))。在cis系统中，刺激脉冲被以严格非重叠的顺序施加。因此，作为典型的cis特征，一次仅一个电极通道是活动的并且总刺激速率是比较高的。例如，假定18kpps总刺激速率和12通道滤波器组，每通道的刺激速率是1.5kpps。每通道的这种刺激速率通常足以用于包络信号的充分时间表示。最大总刺激速率受每脉冲的最小相位持续时间限制。相位持续时间不能任意短，因为脉冲越短，电流振幅必须越高以在神经元中引出动作电位，并且电流振幅由于各种实际原因而受限制。对于18kpps的总刺激速率，相位持续时间是接近下限的27μs。med-el的精细结构处理(fsp)策略在较高频率通道中使用cis，而在较低频率更多顶端的电极通道中使用存在于带通信号中的精细结构信息。在fsp电极通道中，带通滤波的时间信号的过零点被跟踪，并且在每个负到正过零点处，通道特定采样序列(csss)被启动。通常csss序列被应用在最顶端的电极通道中的最多3个上，覆盖高达200或330hz的频率范围。fsp装置在通过引用并入在本文中的hochmairi,noppp,jollyc,schmidtm,h，garnhamc,andersoni,med-elcochlearimplants:stateoftheartandaglimpseintothefuture,trendsinamplification,vol.10,201-219,2006中被进一步描述。fs4编译策略与fsp不同的原因在于最多4个顶端的通道可使其精细结构信息被使用。在fs4-p中，可在4个fsp电极通道中的任何2个上并行地递送刺激脉冲序列。利用fsp和fs4编译策略，精细结构信息是给定电极通道的瞬时频率信息，其可以给用户提供改进的听力感觉、更好的语音理解和增强的感知音频质量。参见例如美国专利7,561,709；lorens等人"finestructureprocessingimprovesspeechperceptionaswellasobjectiveandsubjectivebenefitsinpediatricmed-elcombi40+users."internationaljournalofpediatricotorhinolaryngology74.12(2010):1372-1378；以及vermeire等人,"betterspeechrecognitioninnoisewiththefinestructureprocessingcodingstrategy."orl72.6(2010):305-311；其全部都通过引用整体地并入在本文中。除了上面讨论的特定处理和编译方法之外，不同的特定脉冲刺激模式可以用特定电极递送刺激脉冲—即单极、双极、三极、多极和相控阵刺激。并且还存在不同的刺激脉冲形状—即双相、对称三相、不对称三相脉冲或不对称脉冲形状。这些各种脉冲刺激模式和脉冲形状各自提供不同的益处；例如，较高的音质选择性、较小的电阈值、较高的电动态范围、诸如面部神经刺激的较少的有害副作用等。双耳刺激被长期用在助听器中，但是它最近才在诸如耳蜗植入物(ci)的听力植入物中变得常见。对于耳蜗植入物，双耳刺激需要具有两个植入电极阵列(每只耳朵中各一个)的双侧植入物系统。传入左右侧声学信号与助听器中的那些信号类似，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示出典型的双侧耳蜗植入信号处理系统中的各种功能块。独立地在每一侧—左侧和右侧—输入感测麦克风201感测环境声音并且将它们转换成代表性电信号，所述代表性电信号形成到系统的音频输入。图3示出来自输入感测麦克风201的输入音频信号的短时间段的典型示例。输入音频信号通过多个带通滤波器(bpf)202来馈送，所述多个bpf202将输入音频信号分解成如例如图4中所示的多个谱带通信号。如图5中所示，每个带通信号501被认为具有精细结构分量502和包络分量503(通常通过希尔伯特变换导出)。经滤波的包络信号504按与带通滤波器的基本频率f0有关的频率在零参考轴线附近振荡。非线性动态处理模块203通过自适应处理(诸如用自动增益控制(agc)和其它动态信号处理调整)动态地调整滤波器包络。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利用相应的带通载波波形对包络信号进行调制以产生刺激脉冲请求，映射/脉冲生成模块206对所述刺激脉冲请求执行非线性(例如，对数)映射以适合患者的感知特性并且以针对在左侧和右侧的每个耳蜗中植入的每个电极阵列的刺激触点(el-1至el-n)中的每个反映耳蜗的音质神经反应的非重叠双相输出脉冲的特定形式产生电极刺激。双侧耳蜗植入物提供双侧听力的益处，其可允许收听者定位水平平面中的声源。这需要来自双耳的信息，诸如耳间水平差(ild)和耳间时间差(itd)。这例如在通过引用并入在本文中的macpherson,e.a和middlebrooks,j.c.,listenerweightingofcuesforlateralangle:theduplextheoryofsoundlocalizationrevisited,j.acoust.soc.am.111,2219-3622,2002中被进一步讨论。itd是到达左耳和右耳的信号之间的相对时间偏移，其是通过当声源不在中间平面内时信号到达每只耳朵的不同时间而引起的。ild是进入耳朵的信号的声级中的类似差异。同样已知，双侧听力使语音在噪声中更易于理解，并且itd的感知再次在其中发挥关键作用。这例如在通过引用并入在本文中的bronkhorst,a.w.和plomp,r.,theeffectofhead-inducedinterauraltimeandleveldifferencesonspeechintelligibilityinnoise,j.acoust.soc.am.83,1508-1516,1988中被更充分地说明。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物系统的系统和方法。左侧和右侧声音环境用左侧和右侧感测麦克风来感测以开发相应的左右麦克风信号。左右麦克风信号被预处理以为每侧生成带通信号，每个带通信号表示音频频率的相关带。带通信号被以刺激帧的时间顺序处理，并且对于每个刺激帧，处理包括基于带通信号的谱内容为每侧同步地选择刺激通道集，并且处理与所选刺激通道相对应的每侧带通信号的有限子集以生成用于左侧和右侧听力植入物的电刺激信号以便由植入患者感知为声音。在另外的特定实施例中，同步地选择使用组合左右带通信号的复合集(compositeset)；例如，使用一个或多个掩蔽模型。此外或可替选地，同步地选择可以使用主-从装置，其中双侧听力植入物系统的一侧被选择为被配置用于选择刺激通道的主侧(masterside)，以及其中双侧听力植入物系统的另一侧是被配置用于使用来自主侧的所选刺激通道的从侧(slaveside)。在此类实施例中，主侧可以是麦克风信号最响的侧和/或优势声音对象(dominantsoundobject)所位于的侧。同步地选择可以独立于侧而选取定义数目的最大振幅带通信号。附图说明图1示出具有被设计成向内耳递送电刺激的典型的听力假体系统的人耳的截面视图。图2示出典型的双侧耳蜗植入物信号处理装置中的各种功能块。图3示出来自麦克风的音频语音信号的短时间段的示例。图4示出由滤波器组通过带通滤波分解成信号集的声学麦克风信号。图5示出特定带通信号及其各种分量部分。图6示出根据本发明的一个特定实施例的具有同步谱内容的双侧耳蜗植入物信号处理装置中的各种功能块。图7示出根据本发明的实施例的处理具有同步谱内容的刺激信号时的各种功能步骤。图8a-8b示出安静环境中的语音的左右带通包络的示例。图9a-9b示出嘈杂环境中的语音的原始左右带通包络的示例。图10a-10b示出根据本发明的实施例的双侧选择的左右带通包络的示例。具体实施方式当在双侧植入物系统中应用信号特定通道选择时，耳朵之间的谱分布可不同；例如，如果存在噪声源，则噪声源向双耳不同地添加噪声。在此类情况下，被选择用于刺激的通道在植入物系统的两侧将是不同的，并且这进而可提供期望源信号的不同谱线索。当在包含不同谐波的不同刺激通道被选择用于在植入物系统的两侧进行刺激时，在听乐器时，这可能是尤其有问题的。到目前为止，双侧听力植入物系统尚未使系统的两侧的谱内容同步。相反，每侧的电极刺激通道的选择独立于另一侧被执行。本发明的实施例改变这种情况，并且使在双侧植入物系统的两侧的通道选择同步。图6示出用于双侧听力植入物系统的信号处理装置中的各种功能块，并且图7是示出在同步双侧听力植入物系统的两侧的电极刺激信号的谱内容时的各种逻辑步骤的流程图。可以将这种方法的伪代码示例阐述为：在以下讨论中阐述这种装置的细节。在图6中所示的装置中，初始输入声音信号由左侧和右侧感测麦克风201产生，所述左侧和右侧感测麦克风201可以是全向和/或定向的，并且被配置用于感测左侧和右侧声音环境以开发相应的左右麦克风信号，步骤701。左侧和右侧音频预处理器601被配置用于预处理左右麦克风信号以为每侧生成多个带通信号，每个带通信号表示音频频率的相关带，步骤702，具有多个并行带通滤波器组，其中的每个均与音频频率的特定带相关联；例如，使用具有6阶无限脉冲响应(iir)类型的12个数字巴特沃斯带通滤波器的滤波器组，使得输入声音信号被滤波成多个带通信号，其中每个信号对应于这些带通滤波器中的一个的频带。用于基于直接形式ii转置结构的无限脉冲响应(iir)滤波器组的伪代码的示例由fontaine等人,brianhears:onlineauditoryprocessingusingvectorizationoverchannels,frontiersinneuroinformatics,2011给出；通过引用整体地并入在本文中。用于浊音语音输入信号的足够窄的cis带通滤波器的每个输出可以粗略地被认为是在带通滤波器的中心频率处通过包络信号调制的正弦波。这也是由于滤波器的品质因数(q≈3)而导致的。在浊音语音段的情况下，此包络是近似周期性的，并且重复率等于音调频率。可替选地而不限于，可以基于快速傅立叶变换(fft)或短时傅里叶变换(stft)的使用实现左侧和右侧音频预处理器601。基于耳蜗的音质组织，鼓阶中的每个电极触点通常与左侧和右侧音频预处理器601的特定带通滤波器相关联。左侧和右侧音频预处理器601还可以执行其它初始信号处理功能，诸如例如自动增益控制(agc)和/或噪声降低和/或风噪声降低和/或波束形成以及其它众所周知的信号增强功能。带通信号(其还可被认为是电极通道)被输出到双侧信号处理模块603，所述双侧信号处理模块603以刺激帧的时间顺序处理带通信号。双侧信号处理模块603包括双侧通道选择模块602，被配置用于处理每个刺激帧以基于带通信号的谱内容为每侧同步地选择刺激通道集，步骤703。左右侧刺激通道处理器604然后针对每个刺激帧来处理与所选刺激通道相对应的每侧带通信号的有限子集以生成用于左侧和右侧听力植入物的电刺激信号以便由植入患者感知为声音，步骤704。例如，左右侧刺激通道处理器604可以使用如上面关于图2所描述的具有包络检测器204、脉冲定时模块205和映射/脉冲生成模块206的装置。更具体地，双侧通道选择模块602可以被配置成将双侧m×(2选1)方案用于选择刺激通道。换句话说，针对每个通道i以及刺激帧n和预定义阈值thr的通道选择可以由刺激通道处理器604根据以下伪程序代码来选择：此外，通道i的数目n个双侧组g可以被形成为包括左侧通道和右侧通道，例如由具有相同频率设定的左侧的一个通道和右侧的一个通道构成。然后可以针对每个组g和该组内的所有通道应用前述伪代码。在一个实施例中，可以从由刺激通道处理器604执行的选择步骤703中省略一个或多个组。例如可以省略由低频通道形成的组g以避免患者的横向感知的退化。在另一个实施例中，预定义阈值thr对于每个组和/或通道i和/或该组和/或左侧或右侧内的通道i来说可以是不同的。例如，阈值thr可以是通道i的函数，即thr(i)＝f(i)。更具体地说通道i的带宽的函数：thr(i)＝f(bwi)。此外或可替选地，双侧通道选择模块602可以被配置成使用用于同步通道选择的算法，所述算法可以基于左右输入信号的融合信号，即，组合左右带通信号的复合集。双侧通道选择模块602可以被具体地配置成从复合集中(即，独立于侧)同步地选择预定义数目的最大振幅带通信号。在第一步骤中复合集由左侧通道的1...m个通道和右侧通道的m+1...2m个通道形成。然后通道选择模块602可以从复合集中挑选出具有最大振幅的那些预定数目n个通道，而不管这是左侧通道还是右侧通道。作为示例，下表1示出八个刺激通道中的每个均出现一次并且用所显示的振幅来表示的一个刺激帧：通道12345678l_amplitude1050551010104540r_amplitude530352520555表1：示例刺激帧中的左右侧通道振幅在这种情况下，选择n＝6个预定的通道将产生如表2中所示的以下选择：通道12345678nlxxxxnrxx表2：复合m选n选择。此外或可替选地，双侧通道选择模块602可以被配置成将主-从装置用于同步地选择刺激通道。可选择双侧听力植入物系统的一侧作为被配置用于选择刺激通道的主侧，而双侧听力植入物系统的另一侧可以是被配置用于使用来自主侧的所选刺激通道的从侧。例如，主侧可以是麦克风信号最响的侧和/或优势声音对象所位于的侧。作为示例，下表3示出八个刺激通道中的每个均出现一次并且用所显示的振幅来表示的一个刺激帧：通道12345678l_amplitude1050551010104540r_amplitude530352520555表3：示例刺激帧中的左右侧通道振幅在这种情况下，典型的非双侧同步8选4选择将产生如表4中所示的以下选择：通道12345678nlxxxxnrxxxx表4：独立m选n选择。在根据本发明的实施例的此示例中，左通道被选择为主(master)而右通道被选择为从(slave)。此示例中使用的准则是包络振幅，其反映信号能量或响度。因此，在同步地选择双侧刺激通道同时较高振幅左侧被选择为主侧情况下，同步地选择的刺激通道(在两侧)将如表5中所示：通道12345678nlxxxxnrxxxx表5：在较高振幅左侧作为主情况下的主选择。作为严格的主-从关系的替代方案，双侧通道选择模块602可以被配置成首先在两侧单独地执行m选n选择从而为左侧产生nl且为右侧产生nr，然后双侧通道选择模块602可以根据两个侧特定数目nl和nr计算所选通道的公共数目nlr，例如，作为nlr＝nl或nr的叠加。“或”选择将产生8选6选择：通道12345678nlxxxxxxnrxxxxxx表6：左右m选n的叠加。在另一个实施方式中，双侧通道选择模块602可以被配置成汇集所有通道ml和mr并且选择如表7中所示的n最高者：通道12345678nlxxxxnrxx表7：全部胜者为王，(2xm)选6。此配置将根据“胜者为王”原理增强大ild。m选n的特殊情况是2选1，特别是在双侧通道对中的较大者被选择的情况下。双侧对可以由如表8中所描绘的相同的带通通道([ch1l/ch1r]、[ch2l/ch2r])或交替通道(例如，([ch1l/ch2r]、[ch2l]/ch1r]))编译：通道12345678nlxxxxxxnrxx表8：胜者为王，mx(2选1)。图8a-8b分别示出在安静声音环境中成-60°方位角以60dbspl呈现的语音信号的左右带通包络的示例。图9a-9b示出在具有以60dbspl从60°方位角呈现的噪声的声音环境中从-60°方位角以60dbspl呈现的相同语音信号的左右带通包络的类似示例。应用具有相同带通的双侧通道选择(mx(2选1))产生如图10a-10b中所描绘的掩蔽包络，其中原始左侧信号的谱-时间特性被重建。根据本发明的实施例的双侧信号处理装置导致左右侧信号的谱形状是相同的，并且尤其将在左右侧刺激相同的谐波结构。这对于音乐信号的感知是尤其有益的。尽管说明书仅涉及带通振幅，然而容易地理解的是，本发明对带通包络振幅同样可行。本发明的实施例可以部分地用任何常规的计算机编程语言加以实现。例如，优选的实施例可以用过程编程语言(例如，“c”)或面向对象编程语言(例如，“c++”或python)加以实现。本发明的替代实施例可以作为预编程的硬件元件、其它相关组件被实现，或者作为硬件和软件组件的组合被实现。实施例可部分地作为与计算机系统一起使用的计算机程序产品被实现。这种实施方式可以包括一系列计算机指令，该系列计算机指令被固定在有形介质(诸如计算机可读介质(例如，磁盘、cd-rom、rom或固定盘))上或者可经由调制解调器或其它接口设备(诸如通过介质连接到网络的通信适配器)发送到计算机系统。介质可以是有形介质(例如，光学或模拟通信线路)或用无线技术(例如，微波、红外或其它传输技术)实现的介质。该系列计算机指令具体实现在本文中关于系统先前描述的功能性的全部或部分。本领域的技术人员应该领会的是，此类计算机指令可用许多编程语言加以编写，以与许多计算机架构或操作系统一起使用。此外，此类指令可以被存储在任何存储器设备(诸如半导体、磁、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、微波或其它传输技术)来发送。预期这种计算机程序产品可以随附带印刷或电子文档(例如，收缩包装软件)作为可移动介质被分发，随计算机系统(例如，在系统rom或固定盘上)预装载，或者通过网络(例如，因特网或万维网)从服务器或电子公告板分发。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)和硬件两者的组合被实现。本发明的其它的实施例仍然作为全硬件或全软件(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，然而对于本领域的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，可以做出各种变化和修改，这些变化和修改将实现本发明的优点中的至少一些。例如，本文中描述的方法能被应用于除耳蜗植入物以外的听力植入物，诸如听觉脑干植入物。当前第1页12