專利名稱：帶有片上信號處理器的雙向多通道人工耳蝸系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶有片上信號處理器的雙向多通道人工耳蝸系統(tǒng)，屬于電子信息技術(shù)和醫(yī)療器械領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
醫(yī)學(xué)上把聽閾在90分貝以上的患者統(tǒng)稱為全聾。大部分患者全聾的原因是毛細(xì)胞的損傷而不是聽神經(jīng)的功能衰退。人工耳蝸是用于治療傳感性耳聾的一種醫(yī)療電子儀器，其功能是代替病變的毛細(xì)胞完成聲—電轉(zhuǎn)換，用帶有聲音信息的電信號刺激殘存的聽神經(jīng)，使患者產(chǎn)生真實(shí)的聽覺感受，從而達(dá)到恢復(fù)患者聽力的目的。當(dāng)前人工耳蝸系統(tǒng)的語音處理器普遍采用頻率分解算法，依靠體外電路完成聲音電信號的數(shù)字化、分解濾波并編碼后再以無線方式傳給體內(nèi)電路。由于電極數(shù)目大，刺激頻率高，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量往往很大，需要占用大量帶寬(通常在百KHz甚至MHz量級)，在載頻受限的情況下必然導(dǎo)致數(shù)據(jù)精度不足以及能量傳輸效率低下，進(jìn)而影響系統(tǒng)的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述背景技術(shù)中所存在的不足，提出一種在體內(nèi)電路集成數(shù)字信號處理器的雙向多通道人工耳蝸系統(tǒng)，以達(dá)到提高系統(tǒng)精度和降低功耗的目的。在當(dāng)前的技術(shù)條件下，在體內(nèi)電路中集成小體積、極低功耗的數(shù)字信號處理器已經(jīng)成為可能。在體內(nèi)電路中集成數(shù)字信號處理器可將語音信號的分解濾波及其他相關(guān)處理任務(wù)移至體內(nèi)完成，使得體外電路僅需要向體內(nèi)電路傳輸帶寬很窄(幾KHz，對比前述系統(tǒng)的幾百KHz甚至幾MHz)的完整的模擬語音信號，首先消除了傳輸帶寬受限的問題，提高了體內(nèi)數(shù)據(jù)處理精度；其次提高了能量傳輸效率，降低了系統(tǒng)功耗。
本發(fā)明提出的帶有片上信號處理器的雙向多通道人工耳蝸系統(tǒng)包括相互無線耦合的體外電路、體內(nèi)電路以及與體內(nèi)電路相連的電極組
(1)所述體外電路包括聲音采集單元、自動(dòng)增益控制單元、計(jì)算機(jī)接口單元、調(diào)制器、比較器和體外天線，其中，聲音采集單元，由兩個(gè)麥克風(fēng)組成，該聲音采集單元用于采集兩路語音或一路語音和一路噪聲信號；自動(dòng)增益控制單元，由兩個(gè)自動(dòng)增益控制電路組成，其輸入端分別與上述的兩個(gè)麥克風(fēng)的輸出端相連，該自動(dòng)增益控制單元用于調(diào)整上述聲音采集單元輸出信號的動(dòng)態(tài)范圍；計(jì)算機(jī)接口單元，用于所述系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的連接；調(diào)制器，由晶體管和阻容元件構(gòu)成，該調(diào)制器的兩個(gè)輸入端分別與上述自動(dòng)增益控制單元的兩個(gè)輸出端相連，另一個(gè)輸入端與上述計(jì)算機(jī)接口單元的輸出端相連，所述調(diào)制器用于將上述自動(dòng)增益控制單元輸出的模擬聲音信號或計(jì)算機(jī)指令調(diào)制到設(shè)定的載頻信號上，并進(jìn)行功率放大；比較器，其輸入端與上述調(diào)制器的電壓信號輸出端相連，其輸出端與計(jì)算機(jī)接口單元的輸入端相連，該比較器用于在反向測量時(shí)將上述調(diào)制器輸出的電壓信號與預(yù)置的電壓值進(jìn)行比較并將比較結(jié)果反饋給計(jì)算機(jī)；體外天線，其輸入端與上述調(diào)制器的調(diào)制信號輸出端相連，該體外天線用于向體內(nèi)電路發(fā)送已調(diào)制的信號；(2)所述體內(nèi)電路包括體內(nèi)天線、整流濾波單元、時(shí)鐘產(chǎn)生單元、解調(diào)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器、反向數(shù)據(jù)輸出單元、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、壓控電流源組以及開關(guān)矩陣，該體內(nèi)電路是把上述各電路單元集成在特征尺寸為0.18um的工藝下定制的面積為4mm×4mm的專用芯片上，其中，體內(nèi)天線，與上述體外天線相耦合，用于接收體外電路發(fā)送過來的調(diào)制信號；整流濾波單元，其輸入端與上述體內(nèi)天線的輸出端相連，該整流濾波單元用于對接收到的調(diào)制信號進(jìn)行整流濾波后提取峰值電壓作為體內(nèi)其他電路單元的電源電壓；時(shí)鐘產(chǎn)生單元，用于產(chǎn)生時(shí)鐘信號作為體內(nèi)電路的時(shí)鐘基準(zhǔn)；解調(diào)器，其調(diào)制信號輸入端與上述體內(nèi)天線的輸出端相連，其電壓輸入端與上述整流濾波單元的輸出端相連，該解調(diào)器用于對接收到的調(diào)制信號進(jìn)行解調(diào)后提取基帶信號；
模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由一個(gè)A/D變換器組成，其模擬信號輸入端與上述解調(diào)器的輸出端相連，該A/D變換器用于將上述解調(diào)器輸出的模擬基帶信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；數(shù)字信號處理器，其時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號輸入端分別與上述時(shí)鐘產(chǎn)生單元的輸出端以及上述模數(shù)變換器的輸出端相連，其電壓輸入端與上述整流濾波單元的輸出端相連，該數(shù)字信號處理器用于對上述模數(shù)變換器輸出的聲音數(shù)據(jù)或計(jì)算機(jī)指令進(jìn)行處理對于聲音信號，該數(shù)字信號處理器對其進(jìn)行信號濾波、諧振點(diǎn)提取和頻率分解后根據(jù)處理結(jié)果控制電極的輸出，對于編程指令，該數(shù)字信號處理器則自動(dòng)進(jìn)入編程狀態(tài)并把接收到的程序數(shù)據(jù)存入內(nèi)部的指令存儲器，對于測量指令，該數(shù)字信號處理器則實(shí)現(xiàn)反向數(shù)據(jù)測量操作；反向數(shù)據(jù)輸出單元，其數(shù)據(jù)輸入端與上述數(shù)字信號處理器的輸出端相連，其電壓輸入端與上述整流濾波單元的輸出端相連，其輸出端與上述天線相連，該反向數(shù)據(jù)輸出單元用于根據(jù)上述數(shù)字信號處理器給出的反向測量數(shù)據(jù)的大小來輸出相應(yīng)寬度的脈沖，并以脈沖作為開關(guān)來改變天線負(fù)載，向體外電路傳遞反向測量數(shù)據(jù)；數(shù)模轉(zhuǎn)換器，由一個(gè)D/A變換器構(gòu)成，其輸入端與上述數(shù)字信號處理器的輸出端相連，該D/A變換器用于將數(shù)字信號處理器輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓量；壓控電流源組，其輸入端與上述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端相連，該壓控電流源組用于將上述數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的電壓量轉(zhuǎn)化成相應(yīng)大小的電流值；開關(guān)矩陣，其輸入端與上述壓控電流源組的輸出端相連，其控制端與上述數(shù)字信號處理器的輸出端相連，所述開關(guān)矩陣用于在上述數(shù)字信號處理器的控制下選通要實(shí)施刺激的電極通道并在相應(yīng)通道上輸出刺激電流；(3)所述電極組，由一組敷以特氟隆絕緣涂層的硅橡膠電極構(gòu)成，其輸入端與上述體內(nèi)電路的開關(guān)矩陣相連，其輸出端直接與聽神經(jīng)相連，該電極組用于將上述開關(guān)矩陣相應(yīng)通道上的輸出電流導(dǎo)接到聽神經(jīng)上刺激聽神經(jīng)。
本發(fā)明提出的帶有片上信號處理器的雙向多通道人工耳蝸系統(tǒng)，通過在體內(nèi)電路上集成小體積低功耗的數(shù)字信號處理器，使系統(tǒng)具有強(qiáng)大的體內(nèi)數(shù)據(jù)處理能力。由此體外電路只需向體內(nèi)電路傳輸未經(jīng)處理的純粹的窄帶模擬語音信號，既提高了系統(tǒng)的精度，又降低了無線傳輸過程中的能量損失。該系統(tǒng)語音信號的采樣率在8K×12bit/s以上，電極的脈沖總刺激率在1MHz以上，總功耗在20mW以下(體內(nèi)電路功耗在10mW以下)，體外電路總體積在40mm×25mm×10mm以下，重量不足200g，體內(nèi)芯片面積在4mm×4mm以下，整個(gè)系統(tǒng)具有精度高、功耗低、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)。此外，體內(nèi)的數(shù)字信號處理器還可以裝載多種語音處理算法，并能通過遠(yuǎn)程在線編程隨時(shí)加入新的語音處理算法。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖a是體外電路結(jié)構(gòu)框圖；b是體內(nèi)電路結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的帶有片上信號處理器的雙向多通道人工耳蝸系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其體外電路包括聲音采集單元、自動(dòng)增益控制單元、計(jì)算機(jī)接口單元、調(diào)制器、比較器和體外天線；體內(nèi)電路包括體內(nèi)天線、整流濾波單元、時(shí)鐘產(chǎn)生單元、解調(diào)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器、反向數(shù)據(jù)輸出單元、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、壓控電流源組以及開關(guān)矩陣；體內(nèi)電路通過電極組與聽神經(jīng)相連。
系統(tǒng)的工作原理如下所述。正常工作狀態(tài)下，體外電路的聲音采集單元首先將聲音轉(zhuǎn)換成模擬電信號，經(jīng)過自動(dòng)增益控制單元放大后，調(diào)制器直接將其調(diào)制到天線輸出；編程或測量狀態(tài)下，調(diào)制器輸入的則是指令數(shù)據(jù)，由計(jì)算機(jī)通過計(jì)算機(jī)接口給出，同樣以模擬的方式調(diào)制到天線輸出，比較器則檢測調(diào)制器輸出電壓以獲取反向測量數(shù)據(jù)。體內(nèi)天線收到的信號首先送到整流濾波單元提取出體內(nèi)電路工作所需的電源電壓，體內(nèi)電路所需的時(shí)鐘基準(zhǔn)則由時(shí)鐘產(chǎn)生單元給出，與此同時(shí)解調(diào)器從收到的調(diào)制信號中恢復(fù)出基帶信號，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后送給數(shù)字信號處理器，數(shù)字信號處理器對不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理對于聲音數(shù)據(jù)，需要完成信號濾波、諧振點(diǎn)提取和頻率分解等運(yùn)算，處理結(jié)果被送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器上轉(zhuǎn)換成模擬電壓，然后通過壓控電流源組轉(zhuǎn)換成電流，開關(guān)矩陣在數(shù)字信號處理器的控制下把電流接到相應(yīng)的電極上刺激聽神經(jīng)；對于編程指令，數(shù)字信號處理器則自動(dòng)進(jìn)入編程狀態(tài)，并將接受到的程序數(shù)據(jù)存入內(nèi)部的程序存儲器中；對于測量指令，則將測量結(jié)果送至反向數(shù)據(jù)輸出單元，通過該單元改變天線負(fù)載將測量數(shù)據(jù)傳給體外電路。
該方案的一個(gè)實(shí)施例中，聲音采集單元中麥克風(fēng)的型號是EM-100B，自動(dòng)增益控制單元的型號是MAX4252，比較器的型號為MAX987，運(yùn)算控制單元由簡單的門電路構(gòu)成，調(diào)制器則由晶體管和阻容元件構(gòu)成，計(jì)算機(jī)接口采用RS-232接口，天線由一對電感線圈構(gòu)成，體內(nèi)電路全部集成在特征尺寸為0.18um工藝下定制的面積為4mm×4mm的專用芯片上，電極組由17根敷以特氟隆絕緣涂層的硅橡膠電極構(gòu)成。整個(gè)系統(tǒng)采用全3.6伏電源設(shè)計(jì)，用一塊3.6伏的鋰充電電池或三節(jié)鎳氫電池供電，使用低壓差線性穩(wěn)壓器輸出3.3V和1.8V工作電壓。體內(nèi)電路和電極組植入患者耳蝸，體外天線置于患者耳邊與體內(nèi)天線相耦合，體外電路(除天線外)則封裝在大小為40mm×25mm×10mm的盒內(nèi)，并通過導(dǎo)線和體外天線相連。
患者可將盒裝的體外電路隨身攜帶，并可置于身體的任何部位。
權(quán)利要求
1.一種帶有片上信號處理器的雙向多通道人工耳蝸系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括相互無線耦合的體外電路、體內(nèi)電路以及與體內(nèi)電路相連的電極組(1)所述體外電路包括聲音采集單元、自動(dòng)增益控制單元、計(jì)算機(jī)接口單元、調(diào)制器、比較器和體外天線，其中，聲音采集單元，由兩個(gè)麥克風(fēng)組成，該聲音采集單元用于采集兩路語音或一路語音和一路噪聲信號；自動(dòng)增益控制單元，由兩個(gè)自動(dòng)增益控制電路組成，其輸入端分別與上述的兩個(gè)麥克風(fēng)的輸出端相連，該自動(dòng)增益控制單元用于調(diào)整上述聲音采集單元輸出信號的動(dòng)態(tài)范圍；計(jì)算機(jī)接口單元，用于所述系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的連接；調(diào)制器，由晶體管和阻容元件構(gòu)成，該調(diào)制器的兩個(gè)輸入端分別與上述自動(dòng)增益控制單元的兩個(gè)輸出端相連，另一個(gè)輸入端與上述計(jì)算機(jī)接口單元的輸出端相連，所述調(diào)制器用于將上述自動(dòng)增益控制單元輸出的模擬聲音信號或計(jì)算機(jī)指令調(diào)制到設(shè)定的載頻信號上，并進(jìn)行功率放大；比較器，其輸入端與上述調(diào)制器的電壓信號輸出端相連，其輸出端與計(jì)算機(jī)接口單元的輸入端相連，該比較器用于在反向測量時(shí)將上述調(diào)制器輸出的電壓信號與預(yù)置的電壓值進(jìn)行比較并將比較結(jié)果反饋給計(jì)算機(jī)；體外天線，其輸入端與上述調(diào)制器的調(diào)制信號輸出端相連，該體外天線用于向體內(nèi)電路發(fā)送已調(diào)制的信號；(2)所述體內(nèi)電路包括體內(nèi)天線、整流濾波單元、時(shí)鐘產(chǎn)生單元、解調(diào)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器、反向數(shù)據(jù)輸出單元、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、壓控電流源組以及開關(guān)矩陣，該體內(nèi)電路是把上述各電路單元集成在特征尺寸為0.18um的工藝下定制的面積為4mm×4mm的專用芯片上，其中，體內(nèi)天線，與上述體外天線相耦合，用于接收體外電路發(fā)送過來的調(diào)制信號；整流濾波單元，其輸入端與上述體內(nèi)天線的輸出端相連，該整流濾波單元用于對接收到的調(diào)制信號進(jìn)行整流濾波后提取峰值電壓作為體內(nèi)其他電路單元的電源電壓；時(shí)鐘產(chǎn)生單元，用于產(chǎn)生時(shí)鐘信號作為體內(nèi)電路的時(shí)鐘基準(zhǔn)；解調(diào)器，其調(diào)制信號輸入端與上述體內(nèi)天線的輸出端相連，其電壓輸入端與上述整流濾波單元的輸出端相連，該解調(diào)器用于對接收到的調(diào)制信號進(jìn)行解調(diào)后提取基帶信號；模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由一個(gè)A/D變換器組成，其模擬信號輸入端與上述解調(diào)器的輸出端相連，該A/D變換器用于將上述解調(diào)器輸出的模擬基帶信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；數(shù)字信號處理器，其時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號輸入端分別與上述時(shí)鐘產(chǎn)生單元的輸出端以及上述模數(shù)變換器的輸出端相連，其電壓輸入端與上述整流濾波單元的輸出端相連，該數(shù)字信號處理器用于對上述模數(shù)變換器輸出的聲音數(shù)據(jù)或計(jì)算機(jī)指令進(jìn)行處理對于聲音信號，該數(shù)字信號處理器對其進(jìn)行信號濾波、諧振點(diǎn)提取和頻率分解后根據(jù)處理結(jié)果控制電極的輸出，對于編程指令，該數(shù)字信號處理器則自動(dòng)進(jìn)入編程狀態(tài)并把接收到的程序數(shù)據(jù)存入內(nèi)部的指令存儲器，對于測量指令，該數(shù)字信號處理器則實(shí)現(xiàn)反向數(shù)據(jù)測量操作；反向數(shù)據(jù)輸出單元，其數(shù)據(jù)輸入端與上述數(shù)字信號處理器的輸出端相連，其電壓輸入端與上述整流濾波單元的輸出端相連，其輸出端與上述天線相連，該反向數(shù)據(jù)輸出單元用于根據(jù)上述數(shù)字信號處理器給出的反向測量數(shù)據(jù)的大小來輸出相應(yīng)寬度的脈沖，并以脈沖作為開關(guān)來改變天線負(fù)載，向體外電路傳遞反向測量數(shù)據(jù)；數(shù)模轉(zhuǎn)換器，由一個(gè)D/A變換器構(gòu)成，其輸入端與上述數(shù)字信號處理器的輸出端相連，該D/A變換器用于將數(shù)字信號處理器輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓量；壓控電流源組，其輸入端與上述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端相連，該壓控電流源組用于將上述數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的電壓量轉(zhuǎn)化成相應(yīng)大小的電流值；開關(guān)矩陣，其輸入端與上述壓控電流源組的輸出端相連，其控制端與上述數(shù)字信號處理器的輸出端相連，所述開關(guān)矩陣用于在上述數(shù)字信號處理器的控制下選通要實(shí)施刺激的電極通道并在相應(yīng)通道上輸出刺激電流；(3)所述電極組，由一組敷以特氟隆絕緣涂層的硅橡膠電極構(gòu)成，其輸入端與上述體內(nèi)電路的開關(guān)矩陣相連，其輸出端直接與聽神經(jīng)相連，該電極組用于將上述開關(guān)矩陣相應(yīng)通道上的輸出電流導(dǎo)接到聽神經(jīng)上刺激聽神經(jīng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種帶有片上信號處理器的雙向多通道人工耳蝸系統(tǒng)，屬于電子信息技術(shù)和醫(yī)療器械領(lǐng)域。該系統(tǒng)由體外和體內(nèi)兩部分電路以及電極組構(gòu)成。體外電路用于采集聲音信號并將其放大調(diào)制后以無線方式發(fā)送給體內(nèi)電路，同時(shí)提供用于對體內(nèi)電路進(jìn)行編程和測量的計(jì)算機(jī)接口。體內(nèi)電路從接收到的調(diào)制信號中解調(diào)出基帶信號并將其數(shù)字化后，通過內(nèi)置的數(shù)字信號處理器進(jìn)行處理，以此來控制電極組的輸出、進(jìn)行在線編程或提供反向測量結(jié)果。該系統(tǒng)將低功耗的數(shù)字信號處理器集成到體內(nèi)電路上，使體外電路只需向體內(nèi)電路傳輸未經(jīng)處理的窄帶模擬語音信號，取消了無線傳輸帶寬的限制，提高了體內(nèi)數(shù)據(jù)處理精度。此外，該系統(tǒng)還具有遠(yuǎn)程更新升級能力。
文檔編號H04R3/00GK1732871SQ20051001200
公開日2006年2月15日 申請日期2005年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月24日
發(fā)明者王志華, 麥宋平, 張春, 李冬梅 申請人:清華大學(xué)