諧波同步型電子耳蝸的製作方法
2023-04-27 21:43:06
專利名稱：諧波同步型電子耳蝸的製作方法
技術領域：
本發明屬於微電子技術領域，特別涉及應用生物醫學電子學等理論研製的一種諧波同步型電子耳蝸。
背景技術：
人工電子耳蝸(Cochlear Implant)的基本原理是用微弱的電流脈衝直接刺激聾人耳蝸內的聽神經，使之興奮，使聾人獲得聽覺。在人工電子耳蝸的研究中，語音信號的處理是非常關鍵的，聽覺恢復的效果與語音信號的處理方法有直接的關係。
目前，語音信號的處理方式大致可以劃分為兩大類，一類是基於特徵提取，即提取語音信號的基頻和共振峰等特徵信息，然後產生相應的刺激信號，例如Nucleus公司的WSP(wearable speech processor)，由於語音特徵信息不易準確提取，這種方法已很少使用。另一類是基於濾波器組的分頻方法，即對語音信號先進行分頻段濾波處理，然後根據耳蝸的頻率分布，將不同頻率的信息送至相應的刺激電極，去刺激耳蝸相應的頻率區。這類方法包括有最大譜峰聲音處理(spectral maxima sound process，SMSP)方案，譜峰(spectral peak，SPEAK)方案，連續間隔採樣(continuous interleaved sampling，CIS)方案，壓縮模擬(compressed analog，CA)方案等。另外，還有將這兩種方法結合起來使用的，例如，MPEAK(Multipeak)等方法。SMSP、SPEAK和CIS都是在對信號進行分頻段濾波，並對每個頻帶進行整流和低通濾波，然後檢測其包絡，所不同的是產生刺激信號的方案有各自的特點。MPEAK方法是在較低頻率段識別基頻和第一與第二共振峰(F0、F1、F2)，在高頻段加幾組濾波器。CA方案是一種基於模擬濾波的方法，用n個模擬的帶通濾波器，將語音信號分為n個頻段的信號，分別作增益調整，最後直接傳送到對應的電極作為刺激電信號。這種方法比較簡單，但是，由於在同一時刻會有多個電極同時發出刺激脈衝，相互之間存在幹擾，不利於聾人對語音的分辨。
耳蝸實際上就象一個頻譜分析裝置，在耳蝸中的不同位置對應著不同的頻率敏感點，當語音進入耳蝸後，語音的諧波會引起耳蝸中基底膜的相應點振動，當振動的幅值達到較高時，會在振動的峰值處引起毛細胞的動作電位。所以，耳蝸中的神經電脈衝是和語音中的諧波峰值同步的。如果電子耳蝸也具有這樣的同步功能，將會達到更好的效果。但是，現有的電子耳蝸或是提取頻譜中的包絡線、或是提取語音特徵、或是直接的模擬量刺激，沒有與諧波同步的功能，丟失了大量的有用信息。所以，產生的聽覺效果不自然，特別是對聲調的識別很差，不太適合患者。另外，已有的電子耳蝸都是採用付氏變換或濾波電路來進行頻譜分析，忽略了自然耳蝸的許多特點。
發明內容
針對現有技術的不足，本發明提供一種諧波同步型電子耳蝸，目的是利用聽覺系統特性和耳蝸聽覺細胞的工作原理，簡化語音處理的算法，實現電子耳蝸刺激脈衝與語音諧波峰值的同步變化，並根據大腦皮層對耳蝸中的電刺激響應的規律，構成一種最優的編碼方法，以較少的刺激脈衝傳遞較多的信息，使人工電子耳蝸更加接近人耳的工作方式，減少了語音的失真，同時也降低了成本。
本發明是一種基於聽覺系統特性來控制的全動態的機電轉換裝置，其電刺激頻率和刺激強度是隨聲音的諧波變化的，它能明顯地提高對聲音信號的傳遞質量。本發明將大腦聽區的腦電活動特點和自然耳蝸的諧振特性引入到編碼方式中，提高了整個系統的頻率特性和動態特性；同時還利用大腦皮層對耳蝸中的電刺激響應的研究結果，採用一種最優編碼方法，以較少的刺激脈衝傳遞較多的信息，同時降低了電子耳蝸的耗電量。
本發明是這樣實現對語音的處理的將聲音信號進行自動增益控制(AGC)等預處理後，用諧振濾波分頻帶通濾波器，將聲音信號經過諧振濾波分頻後分出n個頻帶來，然後將每一頻帶的信號通過相應的耳蝸細胞模型轉化成同步的脈衝信號，再對脈衝信號進行編碼，通過無線發射裝置按順序間隔地送到接收模塊對應的電極上。與常用的其它電子耳蝸語音處理方案相比，它的特點主要在於頻譜分析的方式和刺激頻率發出方式，這種頻譜分析是採用一種諧振模型來進行的，刺激頻率是與聲音中的諧波頻率同步的。這種處理方式很好地保留了聲音信號的原有信息，對語音的理解很有好處，特別是對基頻的傳輸很有利。由於漢語的四聲變化是基頻的變化，基頻又是在各次諧波頻率中反應出來的，所以這種方法用於電子耳蝸特別有利於對漢語的識別。
本發明由體外部分和植入體內部分所組成。體外部分包括語音信號輸入模塊、語音信號處理模塊、發射模塊。語音信號輸入模塊包括麥克風和功率放大器；語音信號處理模塊包括諧振型頻譜分析模塊、諧波同步處理模塊、語音編碼模塊；發射模塊包括載波調製電路、一個功率放大器和發射線圈。植入體內部分包括接收模塊、刺激器和刺激電極。接收模塊包括一個接收線圈、功率放大器和檢波解調電路；刺激器包括解碼模塊和刺激脈衝生成模塊。
該電子耳蝸信號轉換過程是信號輸入裝置中的麥克風拾取外界的語音信號，通過運算放大器，將所得模擬信號放大，放大後的信號輸入諧振型頻譜分析模塊進行分頻處理，然後將每一頻帶的諧波信號傳輸到諧波同步處理模塊，由對應的耳蝸細胞模型轉化成與諧波同步的且脈衝寬度與其對應的諧波幅值成正比的脈衝信號。這種脈衝信號由語音編碼模塊進行編碼，編碼後的信息包括驅動第幾通道的刺激電極、刺激強度和脈衝間隔。然後，將編碼後的信號送入發射模塊進行射頻調製。調製後的信號由發射線圈以射頻方式傳至植入體內部分的接收模塊。接收模塊對接收到的信號進行諧振選頻、檢波解調處理，恢復原始的數據幀。刺激器會對數據幀進行解碼，並根據解碼信息產生相應的電刺激脈衝。這些脈衝傳至對應通道的電極上，從而通過電極直接刺激聽神經產生聽覺。
圖1本發明的電子耳蝸結構圖；圖2本發明的電子耳蝸體外部分原理框圖；圖3本發明的電子耳蝸體內部分原理框圖；圖4本發明的諧振濾波器與耳蝸細胞模型電路原理圖；圖5本發明的諧波及其經過耳蝸細胞模型處理後對應的脈衝；圖6本發明的DSP系統的外圍電路原理圖；
圖7本發明的系統時鐘控制模塊電路原理圖；圖8本發明的電源管理模塊電路原理圖；圖9本發明的語音編碼模塊I/O口擴展電路原理圖；圖10本發明的擴展程序存儲模塊電路原理圖；圖11本發明的語音編碼模塊程序流程圖；圖12本發明的信號發射模塊電路原理圖；圖13本發明的接收模塊和刺激器電路原理圖；圖14本發明的多通道刺激電極結構圖。
圖中1為語音信號輸入模塊，2為語音信號處理模塊，3為發射模塊，4為接收模塊，5為刺激器，6為刺激電極，7為諧振型頻譜分析模塊，8為諧波同步處理模塊，9為語音編碼模塊，10為語音信號輸入模塊的功率放大器，11為接收模塊的功率放大器，12為檢波解調電路，13為解碼模塊，14為刺激脈衝生成模塊，15為載波調製電路，16為發射模塊的功率放大器，17為發射線圈，18為接收線圈。
具體實施例方式
本發明諧波同步型電子耳蝸如圖1所示由體外部分和植入體內部分所組成。體外部分包括語音信號輸入模塊1、語音信號處理模塊2、發射模塊3。語音信號輸入模塊1由麥克風和語音信號輸入模塊的功率放大器10組成；語音信號處理模塊2包括諧振型頻譜分析模塊7、諧波同步處理模塊8、語音編碼模塊9；發射模塊3包括載波調製電路15、發射模塊的功率放大器16和發射線圈17。體內部分包括接收模塊4、刺激器5和刺激電極6。接收模塊4由一個接收線圈18、接收模塊的功率放大器11和檢波解調電路12組成；刺激器5內部模塊有解碼模塊13和刺激脈衝生成模塊14。
本實施例以22通道的諧波同步型電子耳蝸為例。
1)頻帶的劃分依據本發明的設計方案，設計多通道電子耳蝸系統。以該22通道的電子耳蝸為例，該系統需要22根電極，每根電極對應的頻帶類似於實驗測得的臨界帶寬，其分布如表1所示。由於電極組的放置會有偏差，每根電極對應的頻率範圍可能會有偏差，需對患者進行測試後逐一確定。
表1頻帶/電極編號 中心頻率/Hz帶寬範圍/Hz1 50 20～1002 150100～2003 250200～3004 350300～4005 450400～5106 570510～6307 700630～7708 840770～9209 1000 920～1080101170 1080～1270111370 1270～1480121600 1480～1720131850 1720～2000142150 2000～2320152500 2320～2700162900 2700～3150173400 3150～3700184000 3700～4400194800 4400～5300205800 5300～6400217000 6400～7700228500 7700～95002)諧振濾波器諧振濾波器如圖4(a)部分所示，主要是根據LC電路的諧振原理，對處在中心頻率附近的信號進行諧振放大，對遠離中心頻率的信號進行衰減，從而達到濾波的目的。諧振的中心頻率由諧振迴路中的L1和C2確定，諧振頻率為 。R1、R2、R3起到穩定晶體三極體Q1的直流工作點的作用，C1、C3是隔直流電容，C4是高頻旁路電容。對於具有諧振頻率的輸入信號Ui(t)將在L1和C2兩端形成較高的電壓，這個電壓通過C3的Porti端輸出。所以這個電路具有諧振選頻的作用。
諧振濾波分頻方式即採用多個不同頻帶的諧振濾波器對語音信號進行分頻處理。
3)耳蝸細胞模型如圖4(b)，當Port1的輸入電壓Ur大於D1的壓降時將對C4充電，當C4上的電壓大於V-時U1的輸出將上跳，同時通過R7和Q2將C4放電，使U1的輸出在一定的時間後下跳，在U1的輸出端產生一個脈衝。脈衝的寬度取決於Ur的高低，越高越寬，相當於刺激能量越大。當Ur的頻率較高時，不是每個周期都產生一個脈衝，而可能是多個周期後的某個周期產生一個脈衝，這時的CH0口輸出電壓Up也是和Ur的某個周期同步的。
對於不同頻率範圍的諧波信號，耳蝸細胞模型能不能無失真地產生對應的同步脈衝信號，完全取決於電容C4和電阻R4的大小。因此，不同頻率範圍的信號對應著C4和R4不同的耳蝸細胞模型。設某一頻帶的中心頻率為f0，那麼R4*C4=0.3f0,]]>以此來確定耳蝸細胞模型C4和R4的具體大小，電容的大小一般為0.1μF～10μF。電容C4的放電時間也受R7的影響，所以R7的取值應小於R4，這樣才能做到完全不失真。
脈衝信號輸出波型如圖5。
4)信號的編碼/解碼方式在發送脈衝信號之前，要對脈衝信號進行編碼。對於22通道的諧波同步型電子耳蝸，每15μs對22個脈衝信號輸入埠(CN1)進行掃描一次。因為CN1與U2的三個並行輸入口(每個口8位，共24位)中的22位相連(剩餘兩位設置為「0」)，所以相當於每5μs按順序掃描一個並行輸入口，並將這8位數據存入串行緩衝區，這樣共有22位串行數據(分別屬於22個通道)，再加上一些輔助位進行串行傳輸，每次要傳送30位數據，每15微秒傳送一回。這樣相當於最高時間解析度為15微秒，與正常聽覺系統對時間的分辨能力相符。選數據傳輸頻率為2MHz，發射載波頻率為10MHz。
在接收模塊的刺激器裡，要對接收到的信號進行解碼。解析收到的數據，如果是命令字，該命令字控制刺激電極，就根據該命令字相應的改變刺激電極，如果是數據字，就根據數據字信息控制輸出刺激脈衝。
下面對本實施例的各個模塊具體說明1、語音信號的採集聲音採集模塊1由一個微型麥克風和運算放大器TLC2272組成。
聲音信號經麥克風轉化成模擬電信號，模擬電信號再經過運算放大器接入信號處理模塊。
2、語音信號的處理1)諧振型頻譜分析模塊7
對信號的濾波分頻處理，利用諧振濾波分頻方式來實現22路帶通濾波分頻器的設計。經過這種方法得到的各個頻帶諧波信號，按順序傳送到諧波同步處理模塊8。
如圖4中(a)，帶通濾波分頻器由22個諧振濾波器組成，並有22個輸出埠。由於中心頻率由LC振蕩電路中的電感和電容決定，所以每個諧振濾波器的中心頻率可與圖表1一一對應。當放大後的語音信號Ui(t)輸入帶通濾波分頻器後，處在22個中心頻率附近的信號就被諧振濾波電路分別諧振放大，而其他頻率範圍的信號反而受到抑制。每一頻道的諧振濾波器的輸出端Porti與對應頻道的耳蝸細胞模型的輸入端Porti相連，這樣，經過濾波處理後的每路信號將分別由對應的耳蝸細胞模型，進行諧波同步處理。
2)諧波同步處理模塊8諧波同步處理模塊由22個耳蝸細胞模型組成，所以，該模塊的輸入端Porti和輸出端CN1都有22路，如圖4(b)。這22個耳蝸細胞模型裡的電容C和電阻R的大小是不相同的，這樣可以使每個耳蝸細胞模型滿足不同的諧波頻率範圍。以第一通道為例，由濾波模塊輸出的第一通道的語音分頻信號由Port1送到諧波同步處理模塊後，由對應的耳蝸細胞模型轉化成脈衝信號。該脈衝信號再經CN1的CH0埠傳送到語音編碼模塊。
由於每個耳蝸細胞模型各自對應著不同的諧波頻率範圍，所以由其各自產生的脈衝信號可以如實地反映諧波信號周期和幅值的變化。在不同頻帶的脈衝信號之間，頻率越高脈衝就越窄。同一頻率範圍內的脈衝寬度與諧波信號的振幅成正比，而當諧波信號的振幅大到一定程度時，可能會出現多個周期後的某個周期產生一個脈衝。
3)語音編碼模塊9語音編碼模塊主要功能是對耳蝸細胞模型產生的脈衝信號進行編碼，編碼後的信息包括驅動第幾通道的電極刺激聽覺神經、刺激強度和脈衝間隔。該模塊採用PCM(Pulse CodeModulation脈衝編碼調製)方式進行編碼，採樣頻率為2MHz，這樣可以在以後的傳輸過程中提高信號的抗幹擾能力，減少失真，穩定傳輸特性。語音編碼模塊的編碼功能主要由DSP(Digital Signal Processing數位訊號處理)晶片TMS320VC5410來完成。DSP編碼系統的外圍電路主要由4大模塊組成，如圖6所示●系統時鐘控制模塊21該模塊通過S5的鍵控編碼向TMS320VC5410 DSP晶片提供工作時鐘，如圖7。
●電源管理模塊22
主要由TPS73HD301及其外圍電路組成，如圖8所示，該模塊完成了對語音處理模塊各個晶片的供電，是整個語音處理模塊的電源管理核心。該模塊可提供+5V，+3.3V和+2.5V電源。
●I/O口擴展模塊23由於有22路脈衝信號串行輸入，所以，用CPLD(Complex PLD複雜的可編程邏輯器件)晶片XC9536-10PC44C來擴展DSP的I/O口。如圖9，CN1為22路輸入埠，與XC9536-10PC44C的22個I/O口相連。MC1-17和MC2-17管腳是選擇I/O口讀寫數據的控制埠，對於24個I/O口實行三選一方式，並分別與DSP晶片的HINT和HRDY管腳相連，由DSP晶片來控制XC9536-10PC44C I/O口的選擇。當DSP晶片對I/O口的掃描速度達到0.5us/次時，基本上可以滿足無失真地接收脈衝信號。
●擴展程序存儲模塊24主要由SST39VF400A及其外圍電路組成，作為永久性存儲器，該模塊用於存放語音信號處理程序，以保證DSP的正常工作，如圖10。
由DSP晶片的R/W(23腳)經過反向器U6對程序存儲器的WE管腳進行數據讀寫控制。採用17位地址線和16位數據線。在DSP系統上電後，程序從程序存儲器U3裡自動加載到DSP的內部RAM。
本編碼模塊完成以下功能首先，從CPLD的並行輸出埠每次讀取8位數據，根據選擇控制字的改變，完成對22道數據單個數位讀取，並對數據進行調整，恢復每個通道的數據信息，然後是幀編碼，生成含有驅動第幾通道的刺激電極、脈衝間隔及其幅值信息的數據幀。最後根據設置的2MHz的數據傳輸頻率，將幀數據按照該頻率由DSP的BDX1串口發送到信號發射模塊3。整個程序的流程如圖11所示。
3、信號發射模塊3編碼後的信號要通過射頻方式傳送到體內部分。信號發射模塊由一個載波調製電路15、一個功率放大器16和發射線圈17組成。電路的原理圖如圖12。模塊3對收到的數據幀採用採用幅度鍵控(ASK)調製方式進行調製，載波調製頻率為10MHz。
U10為雙輸出壓控振蕩器，由RNG、FC和CX控制輸出信號的頻率，Y為輸出端。本設計選擇其中一路輸出，利用變阻器VR1，VR2和電容C5控制一路輸出的振蕩信號的頻率為10MHz。將1Y端的輸出信號通過電容C8的直流隔斷接入運算放大器的輸入負端。運算放大器的放大倍數由DSP晶片BDX1串口發出的數位訊號決定，BDX1端通過電阻R23與光電耦合器U10-4N136的1管腳相連，以控制U12的輸出電壓。光電耦合器的輸出端3和4與電阻R24並聯，又控制著R24兩端的電壓，從而使BDX1串口發出的數位訊號控制運算放大器U11的放大倍數，實現了ASK調製。
將用ASK方式調製後的輸出信號經過C6送入發射電路。其中C7和L3構成10MHz調諧振蕩器，諧振線圈L3即為發射線圈17同時具有電磁波發射能力，將調製後的信號以射頻方式發射出去。
4、信號的接收和刺激系統—體內植入部分1)接收模塊4和刺激器5，如圖13植入體內部分採取體外供電的方法。植入體內部分設有接收線圈和穩壓電源電路，接收線圈L4即圖3中接收線圈18和C27構成調諧電路，用來選頻接收10MHz的電波，經由兩個二極體整流和一個7805穩壓片構成的穩壓電路，得到比較穩定的直流電壓，為體內的電路供電。
接收模塊用來接收發射模塊的射頻信號並把高頻模擬信號解調成數位訊號，由一個接收線圈18、功率放大器11和檢波解調電路12組成。L4和C27同時也組成諧振迴路，諧振頻率等於載波頻率f0，選頻接收射頻信號。將接收到的信號加到R31端，通過U8—運算放大器LM375將高頻信號放大，然後通過D4、C25和R33組成的檢波電路將模擬信號整改成數位訊號來完成信號的解調。該數位訊號通過CPLD晶片U7的I/O/MC1-9管腳進入刺激器5。這樣，就完成了高頻模擬信號到數位訊號的解調過程。
刺激器5先把對數位訊號進行解碼，然後依次產生22道刺激脈衝。刺激器包括解碼模塊13和刺激脈衝生成模塊14，如圖3所示。數位訊號經過解碼模塊13解碼後得到每個通道的刺激信息，刺激脈衝生成模塊14根據這些刺激信息，可產生相應通道上的電刺激脈衝並傳至對應通道的電極上。刺激器的實現採用可編程邏輯器件XC9536-10PC44C晶片，如圖13，通過燒寫程序，該晶片可具有單串口輸入埠和22道串口輸出埠，同時還具有信號解碼和產生刺激脈衝功能。
設定I/O/MC1-9管腳為串口輸入端，設定I/O/MC2-1至I/O/MC2-16管腳，還有I/O/MC1-13至I/O/MC1-16管腳為串行輸出端，分別對應電極的22個通道。
刺激器5具體操作過程是，系統時鐘為CPLD提供必要的時鐘信息的條件下，先將收到的串行信息還原成原始發送數據幀，然後進行解碼，並解析收到的數據，如果是命令字，該命令字控制刺激電極和刺激脈衝的頻率，就根據該命令字相應的改變刺激電極，如果是數據字，就根據數據字信息控制輸出刺激脈衝的間隔和其幅值。
由於接收模塊和刺激器要植入體內，所以刺激器一般密封在多層高分子材料中和醫用矽橡膠內，以滿足防水性和生物相容性等人體植入要求。
2)刺激電極如圖14所示，電極的結構可分為單電極結構19和雙電極結構20。在單極性電極中，每個電極和參考電壓之間的距離較遠，因為頻率編碼受存活神經的限制，當刺激電流注入耳蝸神經時，它將會以刺激源為對稱向四周輻射刺激，而不是單獨的對一部分耳蝸神經產生刺激。而雙極電極裝置中，每一個電極有一個參考電極，這樣就使電極刺激的位置更集中一些。該系統可以提供兩種電極的裝置，對於不同的患者，確定採用較好電極方式。
本發明的這種處理方式很好地保留了聲音信號的原有信息，提高了整個系統的頻率特性和動態特性。採用這種處理方式的電子耳蝸特別有利於患者對漢語的識別。優化的編碼方法，能夠以較少的刺激脈衝傳遞較多的信息，同時也降低了電子耳蝸的耗電量。
使用本發明的諧波同步型電子耳蝸，由信號輸入裝置1中的麥克風拾取外界的語音信號，通過運算放大器，將所得模擬信號放大，放大後的信號輸入諧振型頻譜分析模塊7進行分頻處理，然後將每一頻帶的諧波信號傳輸到諧波同步處理模塊8，由對應的耳蝸細胞模型轉化成與諧波同步的且脈衝寬度與其對應的諧波幅值成正比的脈衝信號，該信號由語音編碼模塊9進行編碼，然後將編碼後的信號送入發射模塊3進行射頻調製，調製後的信號由發射線圈17以射頻方式傳至植入體內部分的接收模塊4，接收模塊4對接收到的信號進行諧振選頻、檢波解調處理，恢復原始的數據幀，刺激器5會對數據幀進行解碼，並根據解碼信息產生相應的電刺激脈衝，這些脈衝傳至對應通道的電極6上，從而通過電極6直接刺激聽神經產生聽覺。
權利要求
1.一種諧波同步型電子耳蝸，其特徵在於該電子耳蝸由體外部分和體內植入部分所組成其中體外部分包括語音信號輸入單元(1)、語音信號處理模塊(2)、發射模塊(3)；語音信號輸入單元(1)由麥克風和語音信號輸入模塊的功率放大器(10)組成，語音信號處理模塊(2)由諧振型頻譜分析單元(7)、諧波同步處理模塊(8)、語音編碼模塊(9)組成，發射模塊(3)由載波調製電路(15)、發射模塊的功率放大器(16)和發射線圈(17)組成；體內植入部分包括接收單元(4)、刺激器(5)和刺激電極(6)；接收單元(4)由一個接收線圈(18)、接收模塊的功率放大器(11)和檢波解調電路(12)組成，刺激器(5)內部模塊由解碼模塊(13)和刺激脈衝生成模塊(14)組成；其信號轉換過程是信號輸入裝置(1)中的麥克風拾取外界的語音信號，通過運算放大器，將所得模擬信號放大，放大後的信號輸入諧振型頻譜分析模塊(7)進行分頻處理，然後將每一頻帶的諧波信號傳輸到諧波同步處理模塊(8)，由對應的耳蝸細胞模型轉化成與諧波同步的且脈衝寬度與其對應的諧波幅值成正比的脈衝信號，該信號由語音編碼模塊(9)進行編碼，然後將編碼後的信號送入發射模塊(3)進行射頻調製，調製後的信號由發射線圈(17)以射頻方式傳至植入體內部分的接收模塊(4)，接收模塊(4)對接收到的信號進行諧振選頻、檢波解調處理，恢復原始的數據幀，刺激器(5)會對數據幀進行解碼，並根據解碼信息產生相應的電刺激脈衝，這些脈衝傳至對應通道的電極(6)上，從而通過電極(6)直接刺激聽神經產生聽覺。
2.據權利要求1所述的一種諧波同步型電子耳蝸，其特徵在於該電子耳蝸的諧振型頻譜分析模塊(7)對信號的濾波分頻處理，利用諧振濾波分頻方式來實現n路帶通濾波分頻器的分頻，帶通濾波分頻器由n個諧振濾波器組成，並有n個輸出埠，諧振的中心頻率由諧振迴路中的L1和C2確定，諧振頻率為 處在這n個中心頻率附近的信號就被諧振濾波電路分別諧振放大，其他頻率範圍的信號被抑制，經過濾波處理後的每路信號將分別由對應的耳蝸細胞模型進行諧波同步處理。
3.據權利要求1所述的一種諧波同步型電子耳蝸，其特徵在於該電子耳蝸的諧波同步處理模塊8由n個耳蝸細胞模型組成，這n個耳蝸細胞模型裡的電容C和電阻R的大小是不相同的，可以使每個耳蝸細胞模型滿足不同的諧波頻率範圍，由於每個耳蝸細胞模型各自對應著不同的諧波頻率範圍，所以由其各自產生的脈衝信號可以如實地反映諧波信號周期和幅值的變化，在不同頻帶的脈衝信號之間，頻率越高脈衝就越窄，同一頻率範圍內的脈衝寬度與諧波信號的振幅成正比，而當諧波信號的振幅大到一定程度時，可能會出現多個周期後的某個周期產生一個脈衝。
4.根據權利要求1所述的一種諧波同步型電子耳蝸，其特徵在於該電子耳蝸的耳蝸細胞模型中的輸入電壓Ur越高脈衝的寬度越寬，相當於刺激能量越大，對於不同頻率範圍的諧波信號，如某一頻帶的中心頻率為f0，則R4*C4=0.3f0,]]>以此來確定耳蝸細胞模型C4和R4的具體大小，電容的大小一般為0.1μF～10μF，為了保證完全不失真，R7的取值應小於R4。
5.據權利要求1所述的一種諧波同步型電子耳蝸，其特徵在於該電子耳蝸在發送脈衝信號之前，要對脈衝信號進行編碼，當通道數n為22時的諧波同步型電子耳蝸，每15μs對22個脈衝信號輸入埠(CN1)進行掃描一次；因為CN1與U2的三個並行輸入口(每個口8位，共24位)中的22位相連(剩餘兩位設置為「0」)，所以相當於每5μs按順序掃描一個並行輸入口，並將這8位數據存入串行緩衝區，這樣共有22位串行數據(分別屬於22個通道)，再加上一些輔助位進行串行傳輸，每次要傳送30位數據，每15微秒傳送一回；這樣相當於最高時間解析度為15微秒，與正常聽覺系統對時間的分辨能力相符；選數據傳輸頻率為2MHz，發射載波頻率為10MHz；在接收模塊的刺激器裡，要對接收到的信號進行解碼，解析收到的數據，如果是命令字，該命令字控制刺激電極，就根據該命令字相應的改變刺激電極，如果是數據字，就根據數據字信息控制輸出刺激脈衝。
全文摘要
本發明屬於微電子技術，提供一種諧波同步型電子耳蝸，該電子耳蝸由體外和體內兩部分組成，體外部分包括語音信號輸入單元的麥克風和功放，語音信號處理模塊的諧振頻譜分析單元、諧波同步處理模塊、語音編碼模塊，發射模塊的載波調製電路、功放和發射線圈；體內部分包括接收單元的接收線圈、功放和檢波解調電路，刺激器的解碼模塊、刺激脈衝生成模塊，刺激電極；該電子耳蝸利用聽覺特性和耳蝸聽覺細胞的工作原理，簡化語音處理，實現刺激脈衝與語音諧波峰值的同步變化，並根據大腦皮層對耳蝸電刺激響應的規律，構成一種最優的編碼方法，以較少的刺激脈衝傳遞較多的信息，使人工電子耳蝸更接近人耳的工作方式，減少了語音的失真，也降低了成本。
文檔編號A61F11/04GK1596854SQ20041002156
公開日2005年3月23日 申請日期2004年7月28日 優先權日2004年7月28日
發明者王旭, 萬曉穎 申請人:東北大學