基于声电压缩的动态峰值人工耳蜗信号处理方法和系统
阅读：176发布：2020-08-16
专利汇可以提供基于声电压缩的动态峰值人工耳蜗信号处理方法和系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种基于声 电压 缩的动态峰值人工 耳 蜗 信号 处理方法和系统，包括步骤：对传送的声信号进行分频处理，把信号分解为A个频段；根据可用 电极 的数目N，将A个频段合并为N个通道，同时保存每个通道的包络 能量 ；根据每个通道的包络能量的大小，对N个通道进行排序，选择能量最大的M个通道，其中M小于N；对M个通道的每个通道的包络能量进行声- 电刺激 压缩，确定M个通道中需要刺激的通道并传送该刺激通道的刺激信息和能量。从而，本发明能够在为了维持体内外连接的时候，提供仅所需的刺激信息和能量，节省了能耗。，下面是基于声电压缩的动态峰值人工耳蜗信号处理方法和系统专利的具体信息内容。
1.一种基于声电压缩的动态峰值人工耳蜗信号处理系统，其特征在于，包括：
分频单元，用于对传送的声信号进行分频处理，把信号分解为A个频段；
峰值选取单元，与所述分频单元相连，用于根据可用电极的数目N，将A个频段合并为N个通道，同时保存每个通道的包络能量；然后根据每个通道的包络能量的大小，对N个通道进行排序，选择能量最大的M个通道，其中M小于N；
声电刺激压缩单元，与所述峰值选取单元相连，用于对M个通道的每个通道的包络能量进行声-电刺激压缩，确定M个通道中需要刺激的通道并传送该刺激通道的刺激信息和能量。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的分频单元在进行声信号的分频处理之前，先通过自动增益控制的采样模块，准确无失真采集30-100dB动态范围的声信号。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的声电刺激压缩单元对M个通道的每个通道的包络能量进行声-电刺激压缩是在M个通道中，将第i个通道的能量设为Ai，按如下方法进行转换为电流幅度Ei或者记为不刺激通道：
则Ai
其中，k＝[(A-Amin)(Amax-Amin)]^p；
p的取值范围为0.2-0.5；Emin和Emax分别对应于植入者电极的电刺激感知阈值和舒适阈值的参数；Amin和Amax分别对应于调整单元传送的声信号的最大能量和最小能量；
[Amin–Amax]为通道的声信号幅度输入范围。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述的声电刺激压缩单元对M个通道的每个通道的包络能量进行声-电刺激压缩之后，确定M个通道中需要刺激的通道并传送该刺激通道的刺激信息和能量是设累计刺激通道数为X，累计不刺激通道数为M－X；然后记维系体内人工耳蜗正常工作的最小刺激通道数为C；
当X小于C时，需要强制产生至少C个通道的刺激信息和能量，针对M个通道中，能量排序最大的前C个通道的声电压缩，按如下处理：Ai
基于声电压缩的动态峰值人工耳蜗信号处理方法和系统
技术领域
背景技术
[0002] 人的耳蜗毛细胞是接收声音的感觉细胞。当耳蜗毛细胞损伤严重时，就会出现严重的听力损伤。人工耳蜗就是替代已损伤毛细胞，通过电刺激听觉神经重新获得声音信号的一种电子装置。它通常由一个体外装置和一个可植入的体内装置组成。体外装置称为言语处理器，体内装置称为植入体。人工耳蜗植入体通过手术埋在病人的耳后皮下部位，植入体中的电极阵列在手术中被插入到病人耳蜗的鼓阶内，与病人的听神经相作用。图1给出典型的现代人工耳蜗结构示意图。
[0003] 言语处理器主要功能是通过麦克风拾取声信号，经信号处理单元器对声信号进行处理和编码后，由传输线圈以无线的方式将刺激所需的信号发射到体内植入装置。植入体由接收线圈、刺激器和电极阵列组成。植入体接收来自言语处理器的刺激编码信号和各种控制信号，同时产生电源供刺激器的电路工作。在信号解码的过程中，植入体芯片的数字逻辑部分对解码的数据进行检查和确认，保证各项刺激参数都在正常和安全的范围之内。解码成功后，植入体内的刺激生成电路根据指定的幅度、脉冲宽度和刺激率生成双向的电刺激脉冲，并发送到指定的电极通道上。除了前向的刺激之外，植入体将芯片的各种状态信息和电极采集的生理信号通过传输线圈回传给体外的言语处理器供系统分析和处理。
[0004] 对于正常听力者而言，声音的响度承受范围是120dB，而对于人工耳蜗植入者，电刺激的动态范围仅有10-20dB左右，取决于使用者电刺激阈值（T值）和舒适阈值（C值）。设计人工耳蜗言语处理器的一个重要指标是声信号的输入动态范围，这决定了将多少动态范围的声信号压缩映射至使用者的T值和C值之间。现代人工耳蜗一般将输入动态范围限定在40-70dB，可以根据植入者的个人情况或信号处理策略的不同而调整。
[0005] 通常情况下，针对每一帧信号（4ms），人工耳蜗的体外部分需要向植入体发送相应的刺激信息，包括刺激幅度、脉冲宽度、刺激速率等；另外，鉴于植入体本身并没有电源，为了维持体内部分的正常工作，还需要向体内传送一定的能量，假设每一帧声音有M个电极产生刺激，体外向体内发送的信息与能量如图2所示。人工耳蜗的功耗主要来源于此。
[0006] 当外界的声音输入没有达到人工耳蜗的动态范围下限时，言语处理器一般给出一个比较小的刺激（通常不超过T值），仅为了维持体内外的连接。此时虽然植入者并无声音的感知，但能量损耗依然与正常听音情况差别不大。
发明内容
[0007] 有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于声电压缩的动态峰值人工耳蜗信号处理方法和系统，能够降低人工耳蜗的能量损耗。
[0008] 基于上述目的本发明提供的基于声电压缩的动态峰值人工耳蜗信号处理方法，包括以下步骤：
[0009] 对传送的声信号进行分频处理，把信号分解为A个频段；
[0010] 根据可用电极的数目N，将A个频段合并为N个通道，同时保存每个通道的包络能量；
[0011] 根据每个通道的包络能量的大小，对N个通道进行排序，选择能量最大的M个通道，其中M小于N；
[0012] 对M个通道的每个通道的包络能量进行声-电刺激压缩，确定M个通道中需要刺激的通道并传送该刺激通道的刺激信息和能量。
[0014] 进一步地，利用数字信号处理芯片（DSP）对采集到的声信号进行分频处理。
[0015] 可选地，利用Greenwood公式将A个频段合并为N个通道，同时保存每个通道的包络能量。
[0016] 可选地，对M个通道的每个通道的包络能量进行声-电刺激压缩是在M个通道中，将第i个通道的能量设为Ai，按如下方法进行转换为电流幅度Ei或者记为不刺激通道：
[0017] 则Ai
[0018] 则Amin
[0019] 则Ai>Amax时，Ei=Emax；
[0020] 其中，k=[(A-Amin)/(Amax-Amin)]^p；
[0021] p的取值范围为0.2-0.5；Emin和Emax分别对应于植入者电极的电刺激感知阈值和舒适阈值的参数；Amin和Amax分别对应于调整单元传送的声信号的最大能量和最小能量；[Amin–Amax]为通道的声信号幅度输入范围。
[0022] 进一步地，对M个通道的每个通道的包络能量进行声-电刺激压缩之后，确定M个通道中需要刺激的通道并传送该刺激通道的刺激信息和能量是设累计刺激通道数为Ｘ，累计不刺激通道数为Ｍ－Ｘ；然后记维系体内人工耳蜗正常工作的最小刺激通道数为Ｃ；
[0023] 当Ｘ小于Ｃ时，需要强制产生至少Ｃ个通道的刺激信息和能量，针对Ｍ个通道中，能量排序最大的前Ｃ个通道的声电压缩，按如下处理：Ai
[0024] 当Ｘ大于Ｃ时，则直接产生Ｘ个通道的刺激信息和能量，传送Ｘ个通道对应电极的刺激信息和能量；对不刺激的电极，不传送刺激信息和能量。
[0025] 基于上述目的，本发明还提供了基于声电压缩的动态峰值人工耳蜗信号处理系统，包括：
[0026] 分频单元，用于对传送的声信号进行分频处理，把信号分解为A个频段；
[0027] 峰值选取单元，与所述分频单元相连，用于根据可用电极的数目N，将A个频段合并为N个通道，同时保存每个通道的包络能量；然后根据每个通道的包络能量的大小，对N个通道进行排序，选择能量最大的M个通道，其中M小于N；
[0028] 声电刺激压缩单元，与所述峰值选取单元相连，用于对M个通道的每个通道的包络能量进行声-电刺激压缩，确定M个通道中需要刺激的通道并传送该刺激通道的刺激信息和能量。
[0029] 可选地，所述的分频单元在进行声信号的分频处理之前，先通过自动增益控制的采样模块，准确无失真采集30-100dB动态范围的声信号。
[0030] 可选地，所述的声电刺激压缩单元对M个通道的每个通道的包络能量进行声-电刺激压缩是在M个通道中，将第i个通道的能量设为Ai，按如下方法进行转换为电流幅度Ei或者记为不刺激通道：
[0031] 则Ai
[0032] 则Amin
[0033] 则Ai>Amax时，Ei=Emax；
[0034] 其中，k=[(A-Amin)/(Amax-Amin)]^p；
[0035] p的取值范围为0.2-0.5；Emin和Emax分别对应于植入者电极的电刺激感知阈值和舒适阈值的参数；Amin和Amax分别对应于调整单元传送的声信号的最大能量和最小能量；[Amin–Amax]为通道的声信号幅度输入范围。
[0036] 进一步地，所述的声电刺激压缩单元对M个通道的每个通道的包络能量进行声-电刺激压缩之后，确定M个通道中需要刺激的通道并传送该刺激通道的刺激信息和能量是设累计刺激通道数为Ｘ，累计不刺激通道数为Ｍ－Ｘ；然后记维系体内人工耳蜗正常工作的最小刺激通道数为Ｃ；
[0037] 当Ｘ小于Ｃ时，需要强制产生至少Ｃ个通道的刺激信息和能量，针对Ｍ个通道中，能量排序最大的前Ｃ个通道的声电压缩，按如下处理：Ai
[0038] 当Ｘ大于Ｃ时，则直接产生Ｘ个通道的刺激信息和能量，传送Ｘ个通道对应电极的刺激信息和能量；对不刺激的电极，不传送刺激信息和能量。
[0039] 从上面所述可以看出，本发明提供的基于声电压缩的动态峰值人工耳蜗信号处理方法和系统，通过对M个通道的每个通道的包络能量进行声-电刺激压缩，然后确定M个通道中需要刺激的通道并传送该刺激通道的刺激信息和能量。从而，本发明所述的基于声电压缩的动态峰值人工耳蜗信号处理方法和系统能够在为了维持体内外连接的时候，提供仅所需的刺激信息和能量，节省了能耗。附图说明
[0040] 图1为现有技术中的人工耳蜗的结构示意图；
[0041] 图2为现有技术中人工耳蜗的每一帧体外向体内发送的信息和能量示意图；
[0042] 图3为本发明实施例基于声电压缩的动态峰值人工耳蜗信号处理方法的流程示意图；
[0043] 图4为本发明实施例基于声电压缩的动态峰值人工耳蜗信号处理系统的结构示意图。
具体实施方式
[0044] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0045] 参阅图3所示，为本发明实施例基于声电压缩的动态峰值人工耳蜗信号处理方法的流程示意图。作为本发明的实施例，所述的基于声电压缩的动态峰值人工耳蜗信号处理方法包括以下步骤：
[0046] 步骤301，对传送的声信号进行分频处理，把信号分解为A个频段。在本发明的一个实施例中，具体的实现过程如下：
[0047] 将传送的声信号进行分频处理，可以利用数字信号处理芯片（DSP）对采集到的声信号进行分频处理。较佳地，数字信号处理芯片（DSP）可以先对采集到的声信号进行预加重处理，在本发明的一个实施例中是按照下表进行预加重处理：
[0048]<500Hz 500‐4kHz >4kHz
‐10dB ‐6.7dB 0dB
‐10dB ‐6.7dB 0dB
[0049] 然后对预加重后的信号采用8阶butterworth滤波器组进行分频处理，把信号分解为A个频段，A的取值范围为32-128。
[0050] 较佳地，在本发明的实施例中在进行声信号的分频处理之前，先通过自动增益控制的采样模块，准确无失真采集30-100dB动态范围的声信号，采集率为16K。
[0051] 步骤302，根据可用电极的数目N，将A个频段合并为N个通道，同时保存每个通道的包络能量。具体实现过程如下：
[0052] 根据电子耳蜗系统可用电极的数目N，可以利用Greenwood公式将A个频段合并为N个通道，同时保存每个通道的包络能量。其中，N的取值范围为2-24。
[0053] 在本发明的一个实施例中，可用电极个数为24，按greenwood公式，将声信号在100－8ｋＨｚ范围内分为24个通道。对24个通道的子带信号，可以通过6阶butterworth滤波器进行低通滤波（截至频率500Ｈｚ），得到24个通道的包络能量值。
[0054] 步骤303，根据每个通道的包络能量的大小，对N个通道进行排序，选择能量最大的M个通道，其中M小于N。
[0055] 在本发明的一个实施例中，将24个通道中按照能量从大到小进行排序，挑选其中能量最大的8个通道能量，假设为1，5，6，8通道和10，12，13，24通道。
[0056] 步骤304，对M个通道的每个通道的包络能量进行声-电刺激压缩，确定M个通道中需要刺激的通道并传送该刺激通道的刺激信息和能量。在本发明的一个实施例中，具体的实现过程如下：
[0057] 1)在M个通道中，将第i个通道的能量设为Ai，其中，i≤M。按如下方法进行转换为电流幅度Ei或者记为不刺激通道：
[0058] 则Ai
[0059] 则Amin
[0060] 则Ai>Amax时，Ei=Emax；
[0061] 其中，k=[(A-Amin)/(Amax-Amin)]^p；
[0062] p的取值范围为0.2-0.5，较佳地，在本发明实施例中p为0.2；Emin和Emax分别对应于植入者电极的电刺激感知阈值和舒适阈值的参数；Amin和Amax分别对应于调整单元传送的声信号的最大能量和最小能量。[Amin–Amax]为通道的声信号幅度输入范围。
[0063] 作为一个实施例，通道的声信号幅度输入范围取[20dB-70dB]。假设一帧内8个最大的通道能量分别对应为：
[0064] A1=35dB；A5=3dB;A6=45dB；A8=56dB;
[0065] A10=35dB；A12=5dB;A13=6dB；A24=3dB;
[0066] 根据上述声电转换规则，得到不刺激通道分别为：5、12、13、24，则刺激的通道数目为4个，分别为：1、6、8、10。
[0067] 2）在进行完声-电压缩转换后，设累计刺激通道数为Ｘ，累计不刺激通道数为Ｍ－Ｘ。根据体内外系统的不同要求，当刺激通道数小于一定个数时，体外向体内传送的能量将不足以维系体内的正常工作，记该最小刺激通道数为Ｃ，其中2≤C≤M。所以，当Ｘ小于Ｃ时，需要强制产生至少Ｃ个通道的刺激信息和能量，针对Ｍ个通道中，能量排序最大的前Ｃ个通道的声电压缩，按如下处理：Ai
[0068] 当Ｘ大于Ｃ时，则直接产生Ｘ个通道的刺激信息和能量。传送Ｘ个通道对应电极的刺激信息和能量；对不刺激的电极，不传送刺激信息和能量。
[0069] 作为一个实施例，根据体内外系统的要求，设置该最小刺激通道数为2，刺激通道数4大于最小刺激通道数2。因此，可以直接向进行刺激的通道相对应的电极传送刺激信息和能量。
[0070] 参阅图4所示，为本发明实施例基于声电压缩的动态峰值人工耳蜗信号处理系统的结构示意图，所述的基于声电压缩的动态峰值人工耳蜗信号处理系统包括：
[0071] 分频单元401，对传送的声信号进行分频处理，把信号分解为A个频段。主要功能包括：
[0072] 在本发明的一个实施例中，将传送的声信号进行分频处理，可以利用数字信号处理芯片（DSP）对采集到的声信号进行分频处理。较佳地，数字信号处理芯片（DSP）可以先对采集到的声信号进行预加重处理，在本发明的一个实施例中是按照下表进行预加重处理：
[0073]<500Hz 500‐4kHz >4kHz
‐10dB ‐6.7dB 0dB
‐10dB ‐6.7dB 0dB
[0074] 然后对预加重后的信号采用8阶butterworth滤波器组进行分频处理，把信号分解为A个频段，A的取值范围为32-128。
[0075] 较佳地，在本发明的实施例中在进行声信号的分频处理之前，先通过自动增益控制的采样模块，准确无失真采集30-100dB动态范围的声信号，采集率为16K。
[0076] 峰值选取单元402，与分频单元401相连。主要功能包括：
[0077] 1）根据可用电极的数目N，将A个频段合并为N个通道，同时保存每个通道的包络能量。其中，N的取值范围为2-24。
[0078] 在本发明的一个实施例中，根据电子耳蜗系统可用电极的数目N，可以利用Greenwood公式将A个频段合并为N个通道，同时保存每个通道的包络能量。在本发明的一个实施例中，可用电极个数为24，按greenwood公式，将声信号在100－8ｋＨｚ范围内分为24个通道。对24个通道的子带信号，可以通过6阶butterworth滤波器进行低通滤波（截至频率500Ｈｚ），得到24个通道的包络能量值。
[0079] 2）根据每个通道的包络能量的大小，对N个通道进行排序，选择能量最大的M个通道，其中M小于N。
[0080] 在本发明的一个实施例中，将24个通道中按照能量从大到小进行排序，挑选其中能量最大的8个通道能量，假设为1，5，6，8通道和10，12，13，24通道。
[0081] 声电刺激压缩单元403，与峰值选取单元402相连，能够对M个通道的每个通道的包络能量进行声-电刺激压缩，确定M个通道中需要刺激的通道并传送该刺激通道的刺激信息和能量。主要功能包括：
[0082] 1）在M个通道中，将第i个通道的能量设为Ai，其中，i≤M。按如下方法进行转换为电流幅度Ei或者记为不刺激通道：
[0083] 则Ai
[0084] 则Amin
[0085] 则Ai>Amax时，Ei=Emax；
[0086] 其中，k=[(A-Amin)/(Amax-Amin)]^p；
[0087] p的取值范围为0.2-0.5，较佳地，在本发明实施例中p为0.2；Emin和Emax分别对应于植入者电极的电刺激感知阈值和舒适阈值的参数；Amin和Amax分别对应于调整单元传送的声信号的最大能量和最小能量。
[0088] 作为一个实施例，通道的声信号幅度输入范围取[20dB-70dB]。假设一帧内8个最大的通道能量分别对应为：
[0089] A1=35dB；A5=3dB;A6=45dB；A8=56dB;
[0090] A10=35dB；A12=5dB;A13=6dB；A24=3dB;
[0091] 根据上述声电转换规则，得到不刺激通道分别为：5、12、13、24，则刺激的通道数目为4个，分别为：1、6、8、10。
[0092] 2）在进行完声电压缩转换后，设累计刺激通道数为Ｘ，累计不刺激通道数为Ｍ－Ｘ。根据体内外系统的不同要求，当刺激通道数小于一定个数时，体外向体内传送的能量将不足以维系体内的正常工作，记该最小刺激通道数为Ｃ，其中2≤C≤M。所以，当Ｘ小于Ｃ时，需要强制产生至少Ｃ个通道的刺激信息和能量，针对Ｍ个通道中，能量排序最大的前Ｃ个通道的声电压缩，按如下处理：Ai
[0093] 当Ｘ大于Ｃ时，则直接产生Ｘ个通道的刺激信息和能量。传送Ｘ个通道对应电极的刺激信息和能量；对不刺激的电极，不传送刺激信息和能量。
[0094] 作为一个实施例，根据体内外系统的要求，设置该最小刺激通道数为2，刺激通道数4大于最小刺激通道数2。因此，可以直接向进行刺激的通道相对应的电极传送刺激信息和能量。
[0095] 从上面的描述可以看出，本发明基于声电压缩的动态峰值人工耳蜗信号处理方法和系统，创造性的提出了在人工耳蜗信号处理时进行声电压缩转换成电流，并且在转换时当Ai电池，延长了其寿命，利用率得到了提高；与此同时，为了不损害人工耳蜗使用者的听音效果，创造性地采用了判断最少需要的刺激通道，极其有效地在保证听音效果的同时，降低能耗；最后，整个基于声电压缩的动态峰值人工耳蜗信号处理方法和系统实现起来简便易行。
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