分布皮膚刺激式人工聽覺裝置的製作方法

2023-12-07 18:33:26 1

專利名稱：分布皮膚刺激式人工聽覺裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及醫療器械領域，特別是幫助聽力喪失者獲得人工模擬聽覺的設備。
背景技術：
電子技術的不斷發展推出了多種為聽力有障礙的人提高聽覺質量的裝置。其中最為常見的是助聽器、電子耳蝸和外置式觸覺模擬聽覺系統。助聽器能夠放大聲音，濾除噪聲，可以大大提高聽力低下患者的聽覺質量，但是對於聽力完全喪失的患者卻沒有用；電子耳蝸採用了高科技微電子技術，能夠將聲音變換成電信號直接刺激聽神經，對於聽覺完全喪失的患者效果也很顯著。但是電子耳蝸價格十分昂貴，而且需要手術植入，很難大規模推廣，對於聽神經已受損的患者也不起作用；外置式觸覺模擬聽覺系統是一種新的解決方案，它使聽力有障礙的患者通過皮膚觸覺獲得模擬聽覺。設備結構簡單，使用方便，對人耳完全不依賴，具有很大的發展潛力。但是現有的設備僅僅將聲音信號轉換為電信號直接刺激皮膚，使用者不能從刺激中分辨出聲音的內容，僅僅能夠獲得聲音的大小，有無，高低等等簡單的信息，遠不能分辨出包含的語言信息，而且長期直接用電流刺激皮膚會使皮膚受到傷害。
綜上所述，採用新的技術提高外置式觸覺模擬聽覺系統的分辨能力是一條非常用價值的研究途徑，新技術的實施將使高效廉價的助聽裝置成為可能。

發明內容
本發明是一種採用全新方法設計的外置式觸覺模擬聽覺系統。它能夠讓使用者同時獲得並分辨出聲音的頻率分布信息和每個頻段的振幅信息。
本發明的目的可以採用以下技術方案實現提出一種為幫助聽力喪失者獲得人工模擬聽覺的方法，包括如下步驟(1)使用拾音器將聲音信號轉換為音頻電信號。
(2)把音頻電信號放大，並通過低通濾波器濾掉不需要的高頻信號。
(3)把經過濾波後的音頻電信號通過A/D轉換轉化為數位訊號。
(4)把數字音頻信號輸入處理器處理，將時域信號變成頻域信號，並作多種加權處理。
(5)把處理後的頻域信號送往多個多通道D/A轉換器轉換成模擬信號。
(6)每個D/A轉換器的模擬輸出驅動一個刺激器刺激皮膚。
本發明的目的還可以通過採用以下技術方案來進一步實現設計製造一種分布皮膚刺激式人工聽覺裝置，包括拾音器，放大濾波處理電路，線陣式分布刺激器，電池及其充放電管理電路。其中放大濾波處理電路包括運算放大器、有源濾波器、A/D轉換器、數字處理器(DSP)、D/A轉換器、驅動器。
所述的分布皮膚刺激式人工聽覺裝置在打開開關後將自動進行工作。使用者只需將一邊嵌有線陣式分布刺激器的帶子貼著皮膚繫於腰間，將拾音器固定在胸前。處理電路即將獲取的聲音信號進行變換處理並驅動刺激器刺激皮膚。對使用者來說，聲音的大小反映在刺激器上就是刺激器振幅的大小，聲音的頻率分布反映在刺激器上就是產生振動的刺激器的位置分布。例如當使用者所處環境中只有一個4000赫茲左右的高功率單音時(重按鋼琴最高音鍵可模擬此效果)，使用者將感覺「腰帶式」刺激器最左邊的振動刺激器強烈震動；當一個單音變為4000赫茲，2000赫茲，100赫茲三個低功率複音時，使用者將感覺「腰帶式」刺激器最左邊，中間，最右邊三處的振動刺激器同時小幅振動。這樣通過感覺刺激器振動幅度和位置的不斷變化，使用者經過一段適應性的使用將能夠準確分辨出語音內容。


圖1為本發明-分布皮膚刺激式人工聽覺裝置的硬體構成原理圖；圖2為分布式刺激器與D/A轉換器連接示意圖；圖3為數字處理器(DSP)的軟體流程圖。
具體實施例方式
以下結合各附圖對本發明作進一步詳細說明1.如圖1所示，首先聲音信號激勵拾音器產生與聲音信號波形相同的模擬電信號，此模擬電信號通過一個耦合電容輸送到下級放大電路。拾音器可以是電阻式，電容式，動圈式，根據不同拾音器的使用條件搭配不同的偏置電路。這種電路常見於話筒，電話，手機的拾音電路中。耦合電容為1μF左右無極性電容，起到隔直作用。
2.放大電路由一個運算放大器組成，調節運算放大器的反饋電阻可以改變放大倍數，將模擬電信號的幅值放大到適合採樣的大小。運算放大器採用低噪聲高增益運放。放大倍數的選擇標準為能夠將聲強為80dB的聲音對應的電信號放大到A/D轉換器的滿量程為宜。這是因為人正常談話的聲強為60dB～70dB。
3.經過放大的模擬電信號再通過一個低通濾波器，濾去不需要的高頻成分。濾波器的設計採用無限增益多路反饋低通濾波器或二階壓控電壓源低通濾波器，調節濾波器的電阻、電容值使濾波器的截至頻率為4000赫茲。因為根據統計人的語音頻率絕大部分在4000赫茲以下，而且一架普通鋼琴的頻率範圍為也為27.5赫茲-4186赫茲，因此4000赫茲以上的頻率基本不包含有用信息，濾掉4000赫茲以上的高頻信號對後續處理有利而且基本不會丟失語音信息。
4.將經過低通濾波的模擬電信號輸入A/D轉換器。A/D轉換器的解析度為16位，與數據處理器(DSP)數據位寬相等以便處理。A/D轉換器的轉換頻率為每秒8000次，是最高語音頻率4000赫茲的兩倍以滿足香儂-奈虧斯特採用定理不致失真。A/D轉換器的啟動由定時器控制，每125μs啟動一次。每次轉換完成後向數據處理器(DSP)發出中斷，數據處理器(DSP)響應中斷將數據從A/D轉換器中讀出保存在緩衝區。
5.數字處理器(DSP)是整個處理電路的核心。處理器的主要任務是把A/D採樣得到的數字音頻信號進行時域-頻域變換，變換的結果是得到音頻信號中各個頻譜成分的強度。用經過時域-頻域變換後的數據驅動D/A轉換器再驅動刺激器可以讓使用者獲得對聲音頻率信息的分辨能力。時域-頻域變換的方法很多，常見的有傅立葉變換，拉普拉斯變換，Z變換，小波變換等等。其中傅立葉變換中的快速傅立葉變換是較為快速的變換方法，本裝置即採用此算法。
6.數字處理器(DSP)內部存儲空間分為5個部分，兩個A/D採樣緩衝區，每個大小為320byte用於緩存A/D採樣20毫秒內來的數據；一個快速傅立葉變換原數據區，大小為2048byte用來保存傅立葉變換前的數據；一個快速傅立葉變換運算數據區，大小為2048byte用來保存變換過程的中間數據以及變換完成後的數據；一個輸出數據區，大小為400byte，用來保存加權、取平均值運算後的數據用來輸出給D/A轉換器，通過D/A轉換成模擬信號後再驅動刺激器。
處理器工作在中斷等待模式下，其工作流程如圖3所示。每得到一個來自A/D轉換器的中斷，處理器將讀出數據保存在活動緩衝區。如果當前的活動緩衝區存滿則將另一個緩衝區啟用為活動緩衝區。兩個緩衝區輪流充當活動緩衝區，以避免活動緩衝區存滿後正在向原數據區複製數據時A/D轉換得到的數據無處保存。每次活動緩衝區從空到滿需用20ms，存滿後觸發快速傅立葉轉換程序。快速傅立葉轉換以及後續處理將在20ms內完成，因為根據人的口腔發聲原理和子帶編碼理論(SBC)，可以認為語音的波形在20ms內基本保持不變。如果處理器的運算速度足夠快，可以把兩次變換的時間間隔縮短到10～20ms。
快速傅立葉轉換程序過程如下處理器先把存滿了的緩衝區中的數據更新到快速傅立葉變換原數據區。更新的方法為，將原數據區中的數據在保持原有順序的前提下整體向高位地址空間遷移，遷移的地址偏移量為320byte，高位數據移出後作丟棄處理，低位地址空間寫入最近存滿的那個緩衝區中的數據，共320byte。完成遷移後將整個原數據塊拷貝到運算數據區，拷貝完成後啟動一次1024點(2048byte)的快速傅立葉變換。快速傅立葉變換是通用的時域-頻域變換方法，其變換速度快，中間數據保存覆蓋於原數據上，因而所用的存儲空間較小。
快速傅立葉變換完成後將得到1024點(2048byte)，這1024個點分布在頻域空間中，分別表示聲音電信號每個頻點上的幅值。第N個點的頻域坐標為7.8125×N，其中7.8125為基頻。由於刺激器的個數的限制，需要把1024個點壓縮至與刺激器的個數一樣多。壓縮方法很多，由於人耳對頻率的分辨能力不是線性，最好根據人耳對頻率的分辨能力參數進行非等間隔壓縮。以下介紹一種簡單的等間距壓縮每2.5個點取一個平均值。如將的1點的值加上第2點值再加上第3點值的一半，再除以2.5就得到第一個平均值，以此類推得到409個平均值。
經過壓縮後的頻域信號仍為為16位，再經過A律或μ律壓縮為8位。A律或μ律是語音壓縮常用的方法。人耳對於聲音的振幅感覺不是線性，對小振幅相對敏感度高。上述兩種壓縮方法正是模擬了人耳的這種性質，使得壓縮後的失真度最小。經過壓縮得到409個8位數據，丟棄最後9個，因為其對應的頻段為人耳不敏感的次聲頻段。最後得到400個8位數據。
由於人耳對各個頻段的聲音靈敏度不同，對1000赫茲左右最為敏感，兩端靈敏度逐漸降低，所以為了模擬人耳的聽覺效果需要對輸出的數據加權。另外人體皮膚對振動刺激的反應也不是與振幅成正比的，為了達到準確的刺激效果也需要對輸出數據加權。以上兩個加權函數可以疊加在一起，一次性完成加權計算。加權公式為Yn＝Xn×Ann為1到400的整數Yn為加權後的第n個數，Xn為加權前的第n個數，An為第n點的權重因子。
權重因子來源於實測數據，內置於程序存儲器EEPROM中。最後將加權後的400個數據送往D/A轉換器。
7.D/A轉換器與數字處理器(DSP)的接口為串口或I2C接口。數字處理器(DSP)將數據以串行的形式發送至50個D/A轉換器，每個D/A轉換器有8個通道，一共有400個通道。數據傳輸完成後，數字處理器(DSP)啟動轉換使能端，所有D/A轉換器同時轉換將數位訊號轉換成模擬信號輸出。D/A轉換器的參考端接有1000～2000赫茲的正弦信號，具體頻率為振動刺激器的諧振頻率，可以使得刺激器的振幅達到最大值。在這個過程中，D/A轉換器實際上是用輸入的數位訊號對1000～2000赫茲的正弦信號進行調幅，得到400個調幅輸出。其具體連接方式為，將1000～2000赫茲的正弦信號接在D/A轉換器的參考電壓端(Vref)。這時如果輸入數位訊號為Din，則輸出信號為Vout＝Vref(Din/256)，這樣就實現了用輸入數位訊號對正弦信號的幅度調製，使壓電陶瓷刺激器有256級不同振幅。每個壓電陶瓷的振幅代表了聲音信號內其對應頻率的強度的大小。
8.每個D/A的模擬輸出端接有驅動器，驅動器的輸入輸出電壓相等或呈線性關係，輸出電流比輸入大，保證能夠正常驅動刺激器。驅動器的輸出端接壓電陶瓷刺激器。如果D/A轉換器內部有驅動器，使得輸出的電流可以驅動壓電陶瓷，則驅動器可以省略。
9.整個系統一共使用了400個壓電陶瓷刺激器，如圖2所示。它們呈線性排列，每個壓電陶瓷一端連接驅動器的輸出端，另一端接地。經過傅立葉變換並加壓縮權後的驅動信號，其對應的坐標空間已經為頻域空間，每個驅動信號都對應了一個中心頻點，同時每個驅動信號對應驅動一個刺激器。刺激器在空間位置上從左至右排列，對應驅動他們的信號在頻率空間中也是依次遞增或遞減。這樣聲音的頻率分布信息將通過刺激器的空間位置區分開來。因此如果有高音輸入，左邊的刺激器會振動；低音輸入右邊的刺激器會振動。輸入的聲音越高，刺激器振動的位置越靠左；輸入的聲音越低，刺激器振動的位置越靠右。同時有多個不同頻率的聲音輸入時，則會有多個相應點振動。
10.刺激器採用壓電陶瓷振動式刺激器。壓電陶瓷具有直流阻抗大，功耗小，體積小，動作速度快的特點，相比電極刺激器還有對皮膚無害的特點。每個壓電陶瓷刺激器長5mm，寬0.6mm左右。它們按照寬的方向順序排列，焊接在一條柔性電路板上，每兩個之間間隔0.4mm以防相互幹擾。整個電路板長度約為400mm，它的背面將焊接D/A轉換器和驅動器。整個電路板被包裹在保護橡膠套中，只露出壓電陶瓷刺激器，形狀好像一根腰帶。D/A轉換器的電源線和數據線包成一束，從「腰帶」的一段引出並與處理板連接。使用者只需將「腰帶」的有刺激器的一面貼於皮膚，繫於腰間就可以通過刺激器的振動「感覺」聲音。
11.整個系統的頻率解析度為10赫茲左右，振幅解析度為8位(256級)，聲音波形的分析時間間隔為20ms。本系統中的數值處理器(DSP)使用的是TSM320C5402，A/D轉換器是MAX1165，D/A轉換器是MAX5594。增加刺激器的個數可以提高系統的頻率解析度，提高D/A轉換器的精度可以提高振幅解析度，採用更高速度的數值處理器(DSP)或高速可編程邏輯器件(FPGA)可以縮短聲音波形的分析時間間隔。另外採用多層壓電陶瓷刺激器、提高驅動器輸出電壓電流，可以增大刺激器振幅獲得更好的刺激效果。
權利要求
1.一種幫助聽力喪失者獲得模擬聽覺的方法，包括如下步驟(1)使用拾音器將聲音信號轉換為音頻電信號。(2)把音頻電信號放大，並通過低通濾波器濾掉不需要的高頻信號。(3)把經過濾波後的音頻電信號通過A/D轉換轉化為數位訊號。(4)把數字音頻信號輸入處理器處理。(5)把經過處理後的信號經過D/A轉換後送往刺激器刺激皮膚，讓使用者獲得對聲音的感覺。
2.按照權利要求1所述的幫助聾人獲得聽覺的方法，其特徵還在於對數字音頻信號的處理採用了時域-頻域變換方法。
3.按照權利要求2所述的時域-頻域變換方法，其特徵還在於時域-頻域變換方法的具體實施採用快速傅立葉變換(Fast Fourier Transform)方法。
4.按照權利要求3所述的快速傅立葉變換(Fast Fourier Transform)方法，其特徵還在於每次進行快速傅立葉變換(Fast Fourier Transform)前，將存儲器中的變換原數據進行部分更新。將上次變換的整個變換原數據塊向高位地址空間遷移，遷移的地址偏移量為兩次變換時間間隔內A/D轉換所得的數據所佔空間的大小。高位數據移出後丟棄，在低位地址空間寫入在兩次變換時間間隔內A/D轉換所得的數據。更新完成後將原數據塊拷貝到變換運算數據區在進行變換。
5.按照權利要求1所述的幫助聾人獲得聽覺的方法，其特徵還在於對數字音頻信號的處理還包括對時域-頻域變換後得到的數據進行模擬人耳聽覺函數的加權。
6.按照權利要求1所述的幫助聾人獲得聽覺的方法，其特徵還在於對數字音頻信號的處理還包括對時域-頻域變換後得到的數據進行了模擬人體對刺激器感覺函數的加權。
7.按照權利要求1所述的幫助聾人獲得聽覺的方法，其特徵還在於所採用的刺激皮膚的刺激器為分布式多點刺激器，可以組成線陣或面陣。
8.按照權利要求7所述的採用的刺激皮膚的刺激器為分布式多點刺激器，其特徵還在於單個刺激器採用壓電陶瓷振動刺激器。
9.按照權利要求1所述的幫助聾人獲得聽覺的方法，其特徵還在於時域-頻域變換並加權後的數字驅動信號的頻域坐標與振動刺激器的空間坐標具有線性對應關係，刺激器按照位置關係從左至右對應的數字驅動信號的頻域坐標依次遞增或遞減。
10.按照權利要求1所述的幫助聾人獲得聽覺的方法，其特徵還在於每個刺激器的模擬驅動信號為一個經過幅度調製的正弦波。調製信號為時域一頻域變換並加權後的數位訊號，由D/A轉換器的數據輸入端輸入；被調製的正弦波頻率為1000～2000赫茲，由D/A轉換器的參考電壓端輸入。
全文摘要
本發明涉及醫療器械領域，特別是幫助聽力喪失者獲得人工模擬聽覺的設備。整個裝置包括聲音的模擬電信號採集器，A/D轉換器，處理單元，分布式刺激單元等。音頻信號經過數位化後送入處理器進行時域－頻域變換等處理，最後驅動多個刺激器刺激皮膚。藉助皮膚的觸覺使用者不僅能夠感受到聲音的振幅信息而且還能感受到聲音的頻率信息，達到模擬人耳產生聽覺的效果。本裝置體積小，可隨身攜帶，反覆充電使用，可部分替代電子耳蝸功能。
文檔編號H04R25/00GK1819719SQ20061006750
公開日2006年8月16日 申請日期2006年3月7日 優先權日2006年3月7日
發明者鍾茗 申請人:鍾茗