专利名称：包络特定刺激定时的制作方法正常耳通过外耳101将如图I中所示出的声音传送到鼓 室膜(鼓膜)102，鼓室膜102移动中耳103的骨骼(锤骨、砧骨以及镫骨)，骨骼震动耳蜗104的卵形窗和圆窗开口。耳蜗104是狭长的管，围绕它的轴线螺旋缠绕大约两圈半。它包括通称前庭阶的上部通道和通称鼓阶的下部通道，上部通道和下部通道通过耳蜗管连接。耳蜗104以称作蜗轴的中心形成直立螺旋锥，听觉神经113的螺旋神经节细胞存在于蜗轴中。响应于由中耳103传送的接收的声音，充满流体的耳蜗104充当传感器以产生电脉冲，该电脉冲被传送到耳蜗神经113并且最终到脑。当将外部声音转换成沿着耳蜗104的神经基质的有意义的动作电位的能力出问题时听力受损。为了改善受损的听力，已经开发了听觉假体。例如，当损伤与中耳103的作用相关时，可以使用常规的听力辅助来以放大的声音的形式将声-机械刺激提供给听觉系统。或者，当损伤与耳蜗104相关联时，具有植入刺激电极的耳蜗植入物能够利用由沿着电极分布的多个电极触点所释放的小电流来电刺激听觉神经组织。图I还示出了典型的耳蜗植入物系统的一些部件，典型的耳蜗植入物系统包括外部麦克风，其将音频信号输入提供给其中能够实现各种信号处理方案的外部信号处理器111。处理后的信号然后被转换成诸如数据帧序列的数字数据格式，以用于传输到植入物108中。除接收经处理后的音频信息之外，植入物108还执行额外的信息处理，诸如错误校正、脉冲形成等，并且(基于所提取的音频信息)产生刺激模式，通过电极引线109将刺激模式发送到植入电极阵列110。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。当今在耳蜗植入物中，相对少量的电极每一个与相对宽的频带相关联，每个电极通过刺激脉冲对一组神经元进行寻址(addressing),刺激脉冲的电荷源自该频带内的包络的瞬时幅度。在一些编码策略中，刺激脉冲在所有电极上以恒定的速率施加，然而在其它编码策略中，刺激脉冲被以电极特定速率施加。能够实现各种信号处理方案来产生电刺激信号。在耳蜗植入物领域中熟知的信号处理方法包括连续交替采样(CIS)数字信号处理、通道特定采样序列(CSSS)数字信号处理(如在通过引用结合于此的美国专利No. 6，348，070中所描述的)、谱峰(SPEAK)数字信号处理以及压缩模拟(CA)信号处理。例如，在CIS方法中，用于语音处理器的信号处理包括以下步骤(I)借助于滤波器组将音频频率范围分割成谱带，(2)每个滤波器输出信号的包络检测，(3)包络信号的瞬时非线性压缩(映射法则)根据耳蜗的音质分布组织，鼓阶中的每个刺激电极都与外部滤波器组的带通滤波器相关联。对于刺激，施加了对称二相性电流脉冲。直接从经压缩的包络信号获得刺激脉冲的幅度。这些信号被顺序地采样，并且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，在一次仅仅一个刺激通道是激活的，并且总体刺激速率是相当高的。例如，假定18kppS的总体刺激速率和12个通道滤波器组，则每通道的刺激速率是I. 5kpps。通常这样的每通道的刺激速率对于包络信号的适当的时域表示是足够的。最大总体刺激速率受到每脉冲的最小相位持续时间的限制。相位持续时间不能够被选择地任意短，因为脉冲越短，电流幅度必须越高以在神经元中引发动作电位，并且电流幅度由于各种实际的原因而受限制。对于ISkpps的总体刺激速率，相位持续时间是27 μ S，其接近下限。CIS带通滤波器的每个输出大体上能够被认为是由包络信号调制的在带通滤波器的中心频率的正弦波。这是由于滤波器的品质因素(Q ^ 3)的原因。在浊音语音片段的情况下，此包络是近似周期性的，并且重复率等于基音频率。在现有的CIS策略中，仅仅包络信号被用于进一步的处理，即，它们包含整个刺激信息。对于每个通道，包络被表示为恒定的重复率的二相脉冲序列。CIS的特性特征是这个重复率(通常为I. 5kpps)对于所有通道是相等的，并且与各个通道的中心频率没有关系。意图是，重复率不是针对患者的时域提示，即，它应该是足够高的，使得患者不感知具有等于重复率的频率的音调。重复率通常被选择为大于包络信号的带宽的两倍(奈奎斯特定理)。传送精细时间结构信息的另一个耳蜗植入物刺激策略是Med-El的精细结构处理(FSP)策略。跟踪带通滤波的时间信号的过零点，并且在每个负到正过零点处开始通道特定采样序列(CSSS)。通常，CSSS序列仅仅被施加在前一个或两个最顶侧的通道上，覆盖了直至Ij 200或330Hz的频率范围。在被通过引用结合于此的Trends in Amplif ication, 2006年第 10 卷，201-219 页中 Hochmair I> Nopp P> Jolly C、Schmidt M>SchoBer H% Garnham C、Anderson I 的 MED-EL Cochlear Implants:State of the Art and a Glimpse into theFuture (MED-EL耳蜗植入物技术现状和未来展望)中对FSP装置进行了进一步的描述。 已知现有的刺激策略是不完美的。例如，已知CIS非专用于一些信号特性。FSP提供了关于较低频率通道中的一些的精细结构信息，并且在较高通道提供类CIS的刺激，但是FSP策略遇到由不平衡的速率分布(profile)强制的通道相互作用的问题高速率被应用于CIS通道，而低速率被应用于FS通道。CIS刺激的脉冲速率不对信息进行编码，仅仅经由信号包络的恒定采样来对信号幅度编码。此外，电力消耗较高。此外，CIS刺激不专用于听觉神经属性来自猫的听觉神经组织的印象(neurogram)示出了与高频通道的基频同步的峰。例如，见通过引用结合于此的J Acoust. Soc. Am，1990年88 (3)，1427至1436页中Secker-Walker 和 Searle 的 Time Domain Analysis Of Auditory Nerve Tissue FiringRates(听觉神经组织电刺激速率的时域分析)。目前仅仅FSP策略使用不规则的脉冲速率，但是仅仅在FS通道而不是CIS通道上。美国专利申请20090161896描述了一种方法，其中，基于整流的低通滤波在带通包络的峰处生成脉冲刺激。然而，刺激定时不是基于听觉神经组织的生理学属性的。
本发明的实施例针对一种用于为具有刺激电极的植入电极阵列生成电极刺激信号的可植入式刺激装置。滤波器组预处理器处理输入声音频信号，以生成每一个都与音频频率的相关频带相对应的带通信号。信号包络模块计算每个带通信号的对应的信号包络。刺激脉冲生成器从信号包络的改变速率，诸如基于时间的导数，来提取刺激信号信息，以生成定义了用于刺激电极中的一些或全部的电极刺激定时和电极刺激幅度的刺激事件信号。在一些这样的实施例中，脉冲成形器可以将刺激事件信号演变成到刺激电极的输出电极脉冲。包络滤波器可以对由信号包络模块计算的信号包络进行平滑和零位参考，并 且可以基于零位参考后的信号包络的过零点来定义电极刺激定时。刺激信号信息可以基于诸如一阶、二阶或三阶导数的基于时间的导数来提取。而且，刺激脉冲生成器可以使用导数阈值来生成刺激事件信号。可以基于信号包络的最大幅度和/或最小幅度来定义刺激事件幅度中的至少一些。信号包络模块可以基于希尔伯特变换和/或基于带通信号的整流和滤波来计算信号包络。刺激脉冲生成器可以考虑听觉神经组织的生理学属性来生成刺激事件信号。此外或可替代地，第一发放延时(FSL)函数可以被用来生成刺激事件信号。可以存在用来生成刺激事件信号的导数阈值。刺激脉冲生成器可以基于信号包络的改变速率来定义电极刺激定时以提供自适应时延。可以基于信号包络的改变速率，为所有刺激电极生成刺激事件信号。或者，用于刺激电极中的一些的刺激事件信号可以是基于精细结构处理(FSP)函数的。刺激脉冲生成器可以基于一个或多个信号特征进一步对电极刺激幅度进行加权。本发明的实施例还包括用于为具有刺激电极的植入电极阵列生成电极刺激信号的类似方法。利用信号滤波器组处理输入声音频信号，以生成每一个都与音频频率的相关频带相对应的带通信号。对于每个带通信号计算对应的信号包络。基于信号包络的改变速率来提取刺激信号信息，以生成定义了用于刺激电极中的一些或全部的电极刺激定时和电极刺激幅度的刺激事件信号。在进一步的这样的实施例中，该方法可以进一步包括对每个带通信号的信号包络进行平滑和零位参考；和/或将刺激事件信号演变成到刺激电极的输出电极脉冲。电极刺激定时可以基于零位参考后的信号包络来定义。可以基于诸如一阶、二阶或三阶导数的基于时间的导数来提取刺激信号信息。可以基于信号包络的最大幅度和/或最小幅度来定义电极刺激幅度中的至少一些。计算信号包络可以包括使用希尔伯特变换和/或带通信号的整流及滤波。生成刺激事件信号可以进一步反映听觉神经组织的生理学属性。可以使用第一发放延时(FSL)函数和/或导数阈值来生成刺激事件信号。生成刺激事件信号可以包括基于信号包络的改变速率以定义电极刺激定时来提供自适应时延。可以基于信号包络的改变速率为全部刺激电极中生成刺激事件信号。或者，可以基于精细结构处理(FSP)函数为刺激电极中的一些生成刺激事件信号。生成刺激事件信号可以包括基于一个或多个信号特征对电极刺激幅度进行加权。图I示出了包含典型的耳蜗植入物(Cl)系统的人耳解剖的截面图。
图2示出了本发明的一个特定实施例的信号处理装置中的主要功能块。图3示出了带通信号(黑色线)和它的对应的信号包络(浅色线)的示例。图4示出了包络信号(浅色线)和进一步的带通滤波的包络信号(黑色线)的示例。图5示出了带通滤波信号包络的一阶和二阶 导数。图6示出了基于经滤波的信号包络的二阶导数信号被定时和加权的脉冲。图7是如通过使用本发明的实施例的系统产生的一组刺激脉冲。图8示出了在没有信号包络的第二带通滤波器的情况下，基于本发明的一个特定实施例产生脉冲的示例。图9示出了基于根据本发明的实施例的自适应刺激定时产生的FSP脉冲的示例。图10示出了对经滤波的信号包络本身进行电极刺激定时和幅度的偏置的示例。图11示出了其中在经滤波的信号包络的每个过零点处定义刺激事件信号脉冲的示例。

本发明的实施例可以用任何常规的计算机编程语言全部地或部分地实现。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++”、Python)实现。本发明的替代实施例可以被实现为预编程的硬件元件、其它相关的部件或者硬件和软件部件的组合。实施例能够被作为与计算机系统一起使用的计算机程序产品来全部地或部分地实现。这样的实施方式可以包括一系列计算机指令，一系列计算机指令被固定在诸如计算机可读介质(例如，磁盘、⑶_R0M、R0M或固定盘)的有形介质上，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，传送到计算机系统。介质可以是有形介质(例如，光或模拟通信线路)或用无线技术(例如，微波、红外线或其它传输技术)实现的介质。一系列的计算机指令体现了在本文中先前关于系统所描述的功能中的全部或部分。本领域的技术人员应该了解的是，这样的计算机指令能够以与许多计算机架构或操作系统一起使用的多个编程语言来编写。此外，这样的指令可以被存储在诸如半导体、磁、光或其它存储器设备的任何存储器设备中，并且可以使用诸如光、红外线、微波或其它传输技术的任何通信技术来传送。期望的是，这样的计算机程序产品可以作为带有随附打印的或电子的文档的可移动介质(例如，收缩包装软件)来发布，与计算机系统一起预装(例如，在系统ROM或固定盘上)，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发布。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。本发明的其它实施例被实现为全硬件或全软件(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，但是对本领域的技术人员而言应该显而易见的是，在不背离本发明的范围的情况下，能够进行各种改变和修改，这将实现本发明的优点中的一些。


描述了一种用于为具有刺激电极的植入电极阵列生成电极刺激信号的可植入式刺激装置。滤波器组预处理器处理输入的声音频信号，以生成每一个都与音频频率的相关带相对应的带通信号。信号包络模块计算每个带通信号的对应的信号包络。刺激脉冲生成器从信号包络的改变速率，诸如基于时间的导数，来提取刺激信号信息，以生成刺激事件信号，刺激事件信号定义了刺激电极中的一些或全部的电极刺激定时和幅度。