谐波同步型电子耳蜗制造技术

本发明专利技术属于微电子技术，提供一种谐波同步型电子耳蜗，该电子耳蜗由体外和体内两部分组成，体外部分包括语音信号输入单元的麦克风和功放，语音信号处理模块的谐振频谱分析单元、谐波同步处理模块、语音编码模块，发射模块的载波调制电路、功放和发射线圈；体内部分包括接收单元的接收线圈、功放和检波解调电路，刺激器的解码模块、刺激脉冲生成模块，刺激电极；该电子耳蜗利用听觉特性和耳蜗听觉细胞的工作原理，简化语音处理，实现刺激脉冲与语音谐波峰值的同步变化，并根据大脑皮层对耳蜗电刺激响应的规律，构成一种最优的编码方法，以较少的刺激脉冲传递较多的信息，使人工电子耳蜗更接近人耳的工作方式，减少了语音的失真，也降低了成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子
，特别涉及应用生物医学电子学等理论研制的一种谐波同步型电子耳蜗。
技术介绍
人工电子耳蜗(Cochlear Implant)的基本原理是用微弱的电流脉冲直接刺激聋人耳蜗内的听神经，使之兴奋，使聋人获得听觉。在人工电子耳蜗的研究中，语音信号的处理是非常关键的，听觉恢复的效果与语音信号的处理方法有直接的关系。目前，语音信号的处理方式大致可以划分为两大类，一类是基于特征提取，即提取语音信号的基频和共振峰等特征信息，然后产生相应的刺激信号，例如Nucleus公司的WSP(wearable speech processor)，由于语音特征信息不易准确提取，这种方法已很少使用。另一类是基于滤波器组的分频方法，即对语音信号先进行分频段滤波处理，然后根据耳蜗的频率分布，将不同频率的信息送至相应的刺激电极，去刺激耳蜗相应的频率区。这类方法包括有最大谱峰声音处理(spectral maxima sound process，SMSP)方案，谱峰(spectral peak，SPEAK)方案，连续间隔采样(continuous interleaved sampling，CIS)方案，压缩模拟(compressed analog，CA)方案等。另外，还有将这两种方法结合起来使用的，例如，MPEAK(Multipeak)等方法。SMSP、SPEAK和CIS都是在对信号进行分频段滤波，并对每个频带进行整流和低通滤波，然后检测其包络，所不同的是产生刺激信号的方案有各自的特点。MPEAK方法是在较低频率段识别基频和第一与第二共振峰(F0、F1、F2)，在高频段加几组滤波器。CA方案是一种基于模拟滤波的方法，用n个模拟的带通滤波器，将语音信号分为n个频段的信号，分别作增益调整，最后直接传送到对应的电极作为刺激电信号。这种方法比较简单，但是，由于在同一时刻会有多个电极同时发出刺激脉冲，相互之间存在干扰，不利于聋人对语音的分辨。耳蜗实际上就象一个频谱分析装置，在耳蜗中的不同位置对应着不同的频率敏感点，当语音进入耳蜗后，语音的谐波会引起耳蜗中基底膜的相应点振动，当振动的幅值达到较高时，会在振动的峰值处引起毛细胞的动作电位。所以，耳蜗中的神经电脉冲是和语音中的谐波峰值同步的。如果电子耳蜗也具有这样的同步功能，将会达到更好的效果。但是，现有的电子耳蜗或是提取频谱中的包络线、或是提取语音特征、或是直接的模拟量刺激，没有与谐波同步的功能，丢失了大量的有用信息。所以，产生的听觉效果不自然，特别是对声调的识别很差，不太适合患者。另外，已有的电子耳蜗都是采用付氏变换或滤波电路来进行频谱分析，忽略了自然耳蜗的许多特点。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种谐波同步型电子耳蜗，目的是利用听觉系统特性和耳蜗听觉细胞的工作原理，简化语音处理的算法，实现电子耳蜗刺激脉冲与语音谐波峰值的同步变化，并根据大脑皮层对耳蜗中的电刺激响应的规律，构成一种最优的编码方法，以较少的刺激脉冲传递较多的信息，使人工电子耳蜗更加接近人耳的工作方式，减少了语音的失真，同时也降低了成本。本专利技术是一种基于听觉系统特性来控制的全动态的机电转换装置，其电刺激频率和刺激强度是随声音的谐波变化的，它能明显地提高对声音信号的传递质量。本专利技术将大脑听区的脑电活动特点和自然耳蜗的谐振特性引入到编码方式中，提高了整个系统的频率特性和动态特性；同时还利用大脑皮层对耳蜗中的电刺激响应的研究结果，采用一种最优编码方法，以较少的刺激脉冲传递较多的信息，同时降低了电子耳蜗的耗电量。本专利技术是这样实现对语音的处理的将声音信号进行自动增益控制(AGC)等预处理后，用谐振滤波分频带通滤波器，将声音信号经过谐振滤波分频后分出n个频带来，然后将每一频带的信号通过相应的耳蜗细胞模型转化成同步的脉冲信号，再对脉冲信号进行编码，通过无线发射装置按顺序间隔地送到接收模块对应的电极上。与常用的其它电子耳蜗语音处理方案相比，它的特点主要在于频谱分析的方式和刺激频率发出方式，这种频谱分析是采用一种谐振模型来进行的，刺激频率是与声音中的谐波频率同步的。这种处理方式很好地保留了声音信号的原有信息，对语音的理解很有好处，特别是对基频的传输很有利。由于汉语的四声变化是基频的变化，基频又是在各次谐波频率中反应出来的，所以这种方法用于电子耳蜗特别有利于对汉语的识别。本专利技术由体外部分和植入体内部分所组成。体外部分包括语音信号输入模块、语音信号处理模块、发射模块。语音信号输入模块包括麦克风和功率放大器；语音信号处理模块包括谐振型频谱分析模块、谐波同步处理模块、语音编码模块；发射模块包括载波调制电路、一个功率放大器和发射线圈。植入体内部分包括接收模块、刺激器和刺激电极。接收模块包括一个接收线圈、功率放大器和检波解调电路；刺激器包括解码模块和刺激脉冲生成模块。该电子耳蜗信号转换过程是信号输入装置中的麦克风拾取外界的语音信号，通过运算放大器，将所得模拟信号放大，放大后的信号输入谐振型频谱分析模块进行分频处理，然后将每一频带的谐波信号传输到谐波同步处理模块，由对应的耳蜗细胞模型转化成与谐波同步的且脉冲宽度与其对应的谐波幅值成正比的脉冲信号。这种脉冲信号由语音编码模块进行编码，编码后的信息包括驱动第几通道的刺激电极、刺激强度和脉冲间隔。然后，将编码后的信号送入发射模块进行射频调制。调制后的信号由发射线圈以射频方式传至植入体内部分的接收模块。接收模块对接收到的信号进行谐振选频、检波解调处理，恢复原始的数据帧。刺激器会对数据帧进行解码，并根据解码信息产生相应的电刺激脉冲。这些脉冲传至对应通道的电极上，从而通过电极直接刺激听神经产生听觉。附图说明图1本专利技术的电子耳蜗结构图；图2本专利技术的电子耳蜗体外部分原理框图；图3本专利技术的电子耳蜗体内部分原理框图；图4本专利技术的谐振滤波器与耳蜗细胞模型电路原理图；图5本专利技术的谐波及其经过耳蜗细胞模型处理后对应的脉冲；图6本专利技术的DSP系统的外围电路原理图； 图7本专利技术的系统时钟控制模块电路原理图；图8本专利技术的电源管理模块电路原理图；图9本专利技术的语音编码模块I/O口扩展电路原理图；图10本专利技术的扩展程序存储模块电路原理图；图11本专利技术的语音编码模块程序流程图；图12本专利技术的信号发射模块电路原理图；图13本专利技术的接收模块和刺激器电路原理图；图14本专利技术的多通道刺激电极结构图。图中1为语音信号输入模块，2为语音信号处理模块，3为发射模块，4为接收模块，5为刺激器，6为刺激电极，7为谐振型频谱分析模块，8为谐波同步处理模块，9为语音编码模块，10为语音信号输入模块的功率放大器，11为接收模块的功率放大器，12为检波解调电路，13为解码模块，14为刺激脉冲生成模块，15为载波调制电路，16为发射模块的功率放大器，17为发射线圈，18为接收线圈。具体实施例方式本专利技术谐波同步型电子耳蜗如图1所示由体外部分和植入体内部分所组成。体外部分包括语音信号输入模块1、语音信号处理模块2、发射模块3。语音信号输入模块1由麦克风和语音信号输入模块的功率放大器10组成；语音信号处理模块2包括谐振型频谱分析模块7、谐波同步处理模块8、语音编码模块9；发射模块3包括载波调制电路15、发射模块的功率放大器16和发射线圈17。体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种谐波同步型电子耳蜗，其特征在于该电子耳蜗由体外部分和体内植入部分所组成：其中体外部分包括：语音信号输入单元（１）、语音信号处理模块（２）、发射模块（３）；语音信号输入单元（１）由麦克风和语音信号输入模块的功率放大器（１０）组成，语音信号处理模块（２）由谐振型频谱分析单元（７）、谐波同步处理模块（８）、语音编码模块（９）组成，发射模块（３）由载波调制电路（１５）、发射模块的功率放大器（１６）和发射线圈（１７）组成；体内植入部分包括：接收单元（４）、刺激器（５）和刺激电极（６）；接收单元（４）由一个接收线圈（１８）、接收模块的功率放大器（１１）和检波解调电路（１２）组成，刺激器（５）内部模块由解码模块（１３）和刺激脉冲生成模块（１４）组成；其信号转换过程是：信号输入装置（１）中的麦克风拾取外界的语音信号，通过运算放大器，将所得模拟信号放大，放大后的信号输入谐振型频谱分析模块（７）进行分频处理，然后将每一频带的谐波信号传输到谐波同步处理模块（８），由对应的耳蜗细胞模型转化成与谐波同步的且脉冲宽度与其对应的谐波幅值成正比的脉冲信号，该信号由语音编码模块（９）进行编码，然后将编码后的信号送入发射模块（３）进行射频调制，调制后的信号由发射线圈（１７）以射频方式传至植入体内部分的接收模块（４），接收模块（４）对接收到的信号进行谐振选频、检波解调处理，恢复原始的数据帧，刺激器（５）会对数据帧进行解码，并根据解码信息产生相应的电刺激脉冲，这些脉冲传至对应通道的电极（６）上，从而通过电极（６）直接刺激听神经产生听觉。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王旭，万晓颖，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]