ИМПЛАНТИРУЕМОЕ УСТРОЙСТВО
IMPLANTED DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к имплантируемым медицинским устройствам и, в частности, к способам кодирования стимулирующих импульсов подобных устройств.
Уровень техники
Кохлеарные имплантаты представляют собой устройства, которые позволяют слышать пациентам, страдающим серьезным снижением или нарушением слуха. В отличие от обычных слуховых аппаратов, в которых используется лишь усиленный и преобразованный звуковой сигнал, кохлеарный имплантат осуществляет непосредственную электростимуляцию слухового нерва внутреннего уха через группу вживляемых электродов. В наиболее современных стратегиях кодирования стимулирующих электрических сигналов кохлеарных имплантатов звуковой сигнал представляется путем разделения на полосы частот и выделения огибающей (т.е. энергии) каждой из полос. Эти огибающие, представляющие акустический сигнал, используются для определения величины стимулирующего сигнала каждого электрода.
В одном из современных подходов, в стратегии кодирования обработки тонких структур, далее СКОТС, используемой в имеющихся в продаже речевых процессорах Med-EI OPUS 1 и OPUS 2, производится анализ фазы пропускаемой полосы сигналов и синхронизация стимулирующих импульсов с определенными событиями в фазе соответствующего электрода. В стратегии СКОТС временные события определяются с использованием пересечений сигналом пропускаемой полосы нулевой отметки, где осуществляется стимуляция последовательно по всем каналам системы в заданном порядке ("стимулирующем цикле"). Частота стимуляции или сетка, соответствующая каждому каналу, в основном определяется суммой продолжительностей импульсов и пауз между последовательными стимулирующими импульсами. Частота (т.е. частота повторения) одного стимулирующего цикла равна частоте или сетке каждого канала, обычно составляющей 1000-2000 Гц.
При использовании стратегии СКОТС для представления временной информации пропускаемой полосы сигналов применяется стратегия индивидуальной низкочастотной выборки для каждого канала последовательностей, далее CSSS (см., например, патент U.S. No. 6,594,525, целиком включенный сюда по ссылке). После пересечения сигналом из пропускаемой полосы нулевой отметки для связанного с ним электрода начинается выполнение индивидуальной стратегии CSSS. Временная точность определяется сеткой, равной частоте цикла СКОТС. Данная точность обеспечивает кодирование временной информации тонких структур частотой до нескольких сотен Гц. Временная точность CSSS в рамках стратегии СКОТС в основном определяется продолжительностями импульсов, т.е. при большой продолжительности импульсов точность стратегии CSSS является низкой, и максимальная частота кодирования во временной области также является низкой.
Более высокая временная частота стимулирующих импульсов может быть получена при помощи стратегии кодирования тонких структур, использующей стратегию CSSS совместно с выбором групп стимулирующих каналов (см., например, патент США 7283876, целиком включенный сюда по ссылке). Определяются различные типы каналов (например, каналы для последовательностей стратегии CSSS, и каналы для огибающих) и определенные каналы объединяются в группы. Например, все каналы для последовательностей стратегии CSSS объединяются в одну или большее число групп, в некоторых из которых повторение воздействия производится более часто на протяжении заданного стимулирующего цикла. В пределах заданной группы может осуществляться одновременная стимуляция через один или большее число каналов. В результате создается временная сетка зависящих от канала дискретных последовательностей кратная частоте цикла. Повышенная временная точность стратегии CSSS обеспечивает кодирование фазовой информации (до частоты около 1000 Гц) на основе подробной временной сетки с использованием коротких импульсов. При больших длительностях импульсов также происходит снижение временной точности и частоты цикла (т.е. частоты высокочастотных каналов огибающих). В наиболее пригодных для физической реализации сочетаниях последовательностей CSSS, подобранных групп и одновременного стимулирующего воздействия имеется несоответствие между частотами самого высокочастотного канала последовательностей CSSS и соседними каналами огибающих. При подобных стратегиях кодирования тонких структур во временной области отбрасывается определенное число требуемых стимулирующих импульсов. Количество отброшенных стимулирующих импульсов (преимущественно в каналах последовательностей CSSS) тем больше, чем больше продолжительности импульсов, что может привести к потере временной информации.
В современной литературе описывается три других подхода, обеспечивающих передачу временной информации тонких структур. Технология синхронизации по пиковым значениям, описывается Вандэйли и др. в статье "Способность ранжирования основного тона речевого сигнала пользователями кохлеарных имплантатов: сравнение стратегий обработки звука" журнала Американского акустического сообщества за май 2005 г, №117(5):3126-38, целиком включенной сюда по ссылке. Технология синхронизации по пиковым значениям экспериментально применялась для пользователей кохлеарных имплантатов и в ней проводилась синхронизация стимулирующих импульсов по положительным пиковым значениям сигналов из пропускаемой полосы. Согласование импульсов по времени осуществлялось по арбитражной схеме, при которой производилось задержка или опережающая подача одновременно запрошенных стимулирующих импульсов. В данном алгоритме не был реализован учет характеристик преломления.
Стратегия асинхронной последовательной дискретизации, описана Ситом и др. в статье "Алгоритм асинхронной последовательной дискретизации сигналов малой мощности для кохлеарных имплантатов, в котором кодируется информация о огибающих и фазах" издания IEEE Trans. Biomed. Eng. за январь 2007 г, №54(1), стр.138-149, целиком включенной сюда по ссылке. Стратегия асинхронной последовательной дискретизации использует асинхронное выделение временных событий из полосы пропускаемых сигналов, однако в ней отсутствует управление последовательными стимулирующими импульсами, что является необходимым элементом пригодной для использования стратегии кодирования звука в кохлеарных имплантатах.
Стратегия представления звука во временном диапазоне на основе анализа пиковых значений, основана на звуковой модели, описанной, например, Грейденом и др. в статье "Стратегия обработки речи кохлеарным имплантатом на основе звуковой модели", опубликованной на стр.491-496 материалов конференции "Интеллектные датчики, Сети датчиков и обработка информации", проведенной 14-17 декабря 2004 г (данная статья целиком включена сюда по ссылке). В подходе стратегии представления звука во временном диапазоне на основе анализа пиковых значений примерно аналогично тому, как это делается в стратегии CSSS, распределение импульсов во времени производится на основании пересечений сигналами из пропускаемой полосы нулевой отметки. В этой стратегии конфликты при одновременном возникновении пиковых значений разрешаются путем систематического переноса стимулирующих импульсов в моменты времени, не совпадающие с точкой пересечения нулевой отметки. В статье не приведены подробности алгоритма. Производится ограничение средней частоты стимуляции через высокочастотные каналы, однако в публикации не содержится никаких подробностей механизма этого ограничения.
Раскрытие изобретения
Имплантируемое устройство включает многоканальную матрицу электродов, в которой каждый канал связан с электродом матрицы. Блок обработки звука осуществляет обработку входного звукового сигнала и выдает выходные сигналы, представляющие соответствующие полосы звуковых частот. Детектор распределения во времени и определения огибающих производит обработку сигналов выходных каналов в последовательности интервалов дискретизации, включающую для каждого интервала дискретизации определение для каждого сигнала выходного канала: набора временных моментов выдачи запрашиваемых импульсов и набора соответствующих огибающих сигналов, представляющих величины выдаваемых в заданные моменты импульсов. Блок выбора импульсов и задания амплитуд определяет для каждой группы значений времени выдачи требуемых импульсов группу выходных импульсов в заданные моменты времени, выбираемое из набора временных моментов выдачи запрашиваемых импульсов на основании функции запрета выбора импульсов, и величину стимулирующего воздействия, соответствующую каждому выходному импульсу. Многоканальная матрица электродов прикладывает выходные импульсные стимулирующие воздействия с соответствующими величинами к окружающей ткани.
В более характерных вариантах осуществления изобретения запрещающая функция может в определенные моменты принимать постоянные значения для определения состояния полного запрета и/или может в определенные моменты изменяться для задания состояния относительного запрета. Запрещающая функция может зависеть от выходного канала и/или величины импульса, например, учитывать отношение запрещающего состояния к величине импульса; например, выходные импульсы могут выбираться предпочтительно на основе краткости запрещающего состояния.
В определенных вариантах осуществления изобретения входной звуковой сигнал включает временные структурные характеристики, которые представляются в сигналах выходных каналов индивидуальными низкочастотными выборками для каждого канала последовательностей (стратегией CSSS) и/или отражаются в заданные моменты времени в выходных импульсах. Матрица электродов может, в частности, представлять собой матрицу электродов кохлеарного имплантата.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - пример характерного акустического сигнала.
Фиг.2 - представление акустического сигнала в виде набора сигналов (входных каналов), полученное фильтрацией пропускаемой полосы посредством набора фильтров.
Фиг.3 - пример детектора распределения сигналов во времени и определения огибающих, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.4 - примеры огибающих, полученных на основании анализа набора входных сигналов.
Фиг.5 - распределение во времени стимулирующих импульсов, полученное на основе анализа набора входных сигналов.
Фиг.6 - пример блока выбора импульсов и определения амплитуд, согласно одному варианту осуществления изобретения.
Фиг.7 - пример возможной реализации алгоритма выбора импульсов в блоке выбора импульсов и определения амплитуд.
Фиг.8 - пример распределения во времени отобранных стимулирующих импульсов согласно одному варианту осуществления изобретения.
Фиг.9 - пример двухфазных стимулирующих импульсов в последовательной реализации системы.
Фиг.10 - дополнительные подробности двухфазных стимулирующих импульсов в последовательной реализации системы.
Осуществление изобретения
Варианты осуществления настоящего изобретения направлены на стратегию кодирования сигналов для имплантируемого устройства с многоканальной матрицей электродов. Стратегия кодирования сигналов обеспечивает кодирование временных характеристик звуковых сигналов с более высокой временной точностью и с большими длительностями импульсов, чем это было возможно до этого. Производится кодирование тонкой временной структуры, и стимуляция совокупности пораженных нервов может запрещаться при помощи запрещающей функции, которая определяет передавать, или не передавать стимулирующие импульсы к одному или большему числу электродов. Данное кодирование больше не основано на фиксированных частотах стимуляции и командах каналов, и кодирование временной тонкой структуры является более точным, даже при больших продолжительностях импульсов.
На Фиг.1 показан типовой звуковой сигнал, у которого общая амплитуда изменяется в течение короткого периода времени. Подобный звуковой сигнал изначально содержит определенную временную информацию, характеризующую сигнал. Звуковой сигнал такой формы как звуковой электрический сигнал обычно предварительно раскладывается на группу сигналов выходных каналов. Например, одним из распространенных подходов является предварительная обработка исходного звукового сигнала с помощью набора фильтров, в которых он раскладывается путем полосовой фильтрации и формирования набора сигналов выходных каналов, таких как в примере, показанном на Фиг.2, каждый из которых представляет полосу звуковых частот. В альтернативном варианте осуществления изобретения начальный звуковой сигнал может обрабатываться одним или большим числом нелинейных фильтров, которые выдают группу сигналов с выходных каналов.
В отличие от подходов к обработке тонких структур, где требуется определение различных типов выходных каналов (например, каналов последовательностей стратегии CSSS и каналов огибающих), в вариантах осуществления настоящего изобретения работа со всеми выходными каналами производится одинаковым образом. На Фиг.3 показан пример детектора огибающих и распределения во времени, который принимает входной набор сигналов с выходных каналов, таких как звуковые сигналы, показанные на Фиг.2, от набора полосных фильтров. Детектор огибающих и распределения во времени преобразует эти сигналы с выходных каналов в непрерывную последовательность интервалов дискретизации, которая производится с заданной частотой, которая, например, может определяться по продолжительностям импульсов, применяемых для электростимуляции (например, вычисляться, как обратная величина от максимальной продолжительности импульса). Детектор огибающих и распределения во времени выделяет определенные временные события в каждом интервале дискретизации, например, моменты пересечения нулевой отметки, возникновения максимумов сигналов, достижения настраиваемых пороговых значений и т.д., а также информацию о огибающих. Детектор выдает набор огибающих сигналов (см., например, Фиг.4), служащих для вычисления величин импульсов, а также набор сигналов временных событий (см., например, Фиг.5), которые управляют включением запрашиваемых стимулирующих импульсов.
Как показано на Фиг.6, выходные сигналы детектора подаются в блок выбора импульсов/определения амплитуд, в котором производится отбор сокращенного набора временных событий (выходных стимулирующих импульсов) и расчет стимулирующих амплитуд для отобранных выходных импульсов. Блок выбора импульсов/определения амплитуд использует запрещающую функцию для расчета и анализа запрещающего состояния для каждого выходного канала. В пределах каждого интервала дискретизации определяются запрашиваемые импульсы, и на основании запрещающих состояний и огибающих идентифицированных каналов выбирается, по меньшей мере, один канал, в котором требуется создание импульса. Например, одним из способов отбора импульсов блоком выбора импульсов/ определения амплитуд является выбор одного или большего числа запросов на создание импульса в пределах каждого интервала дискретизации, который имеет наиболее короткие соответствующие запрещающие состояния. Более сложные алгоритмы выбора могут учитывать огибающие запрашиваемых импульсов таким образом, что в качестве критерия выбора выступает отношение запрещающего состояния к амплитуде импульса. На Фиг.7 показан процесс отбора с использованием простого прототипа запрещающей функции, где звездочками представлено распределение во времени запрашиваемых импульсов в конкретном канале, сплошными линиями показаны отобранные импульсы, а пунктирными линиями показаны запрещающие состояния.
После того, как произведен выбор запроса на создание импульсов в качестве выходного импульса, в выбранном выходном канале запускается индивидуальная для конкретного канала и конкретной амплитуды запрещающая функция. В конкретном варианте изобретения, показанном на Фиг.7, запрещающая функция имеет постоянное значение в течение нескольких сотен микросекунд (например, 500 мс) во время фазы максимального или абсолютного запрета, а затем уменьшается до нуля в течение другого периода продолжительностью несколько сотен микросекунд (например, 1500 мс), который определяет фазу относительного запрета. В данном варианте осуществления изобретения запрашиваемые импульсы, которые возникают во время фазы абсолютного запрета, не выбираются в качестве выходных импульсов для стимулирующего воздействия. Так, в данном примере интервалы времени запрета могут использоваться для определения максимальной для конкретного канала частоты стимулирующего воздействия системы. На Фиг.8 показан сокращенный набор временных событий (отобранных выходных импульсов), полученный в результате процесса отбора импульсов. По сравнению с изначально запрошенным распределением импульсов во времени, показанном на Фиг.5, число отобранных блоком выбора импульсов/определения амплитуд моментов выдачи выходных импульсов существенно уменьшено, особенно для высоких частот. На Фиг.9 показаны итоговые двухфазные стимулирующие импульсы и их амплитуды, которые создаются в электродах разных каналов. На Фиг.10 подробно показана картина, разворачивающаяся на участке временного интервала, приведенного на Фиг.9.
Подобные подходы к распределению стимулирующего воздействия во времени могут обеспечить очень точное представление низкочастотных временных тонких структур. Например, временная сетка стимулирующих воздействий в конкретном выходном канале может определяться максимальной продолжительностью импульса, необходимой для электростимуляции. Для типовых продолжительностей двухфазного импульса, составляющих 50 мс, может быть реализована временная сетка с частотой до 20 кГц. Даже для относительно продолжительных электрических импульсов возможно достижение более высокой точности распределения во времени. Например, при продолжительности импульса 100 мс в каждом выходном канале может быть получена временная сетка стимулирующих воздействий с частотой 10 кГц. В варианте осуществления изобретения, в котором производится выбор только одного выходного импульса из каждого интервала дискретизации, частота сетки получается в два раза больше, чем максимально возможная частота сетки, получаемой только с использованием стратегии CSSS с выбором групп каналов электродов, при которой также выдается только один стимулирующий импульс в каждый момент времени. По сравнению с наиболее быстродействующими сочетаниями стратегии CSSS с выбором групп каналов электродов количество отбрасываемых импульсов в определенных вариантах осуществления изобретения может быть существенно снижено. Например, при частоте временной сетки 20 кГц и фазе абсолютного запрета продолжительностью 500 мс в выходных каналах производится отбрасывание пренебрежимо малого числа запрашиваемых стимулирующих импульсов, отображающих временную тонкую структуру до частоты более 1000 Гц.
Конкретные варианты осуществления изобретения могут встраиваться в систему с относительно низким питающим напряжением, такую как полностью имплантируемая кохлеарная система. В такой системе низкие допустимые напряжения требуют создания относительно продолжительных стимулирующих импульсов для достижения комфортной громкости. Варианты осуществления изобретения обеспечивают представление временной тонкой структуры даже при низких значениях питающего напряжения и, следовательно, могут использоваться для пациентов, для которых допустимы малые значения напряжений.
Варианты осуществления изобретения также могут быть полезны для пациентов, подверженных лицевой стимуляции, вызываемой работой кохлеарного имплантата. В подобных приложениях требуется создание относительно длительных импульсов, и при этих условиях варианты настоящего изобретения способны точно передавать временную тонкую структуру.
Тип и форма индивидуальной для конкретного канала/конкретной амплитуды запрещающей функции может использоваться для определения частоты стимулирующих воздействий в конкретном канале. Вышеописанная система с вышеописанной запрещающей функцией, имеющей продолжительность максимального/абсолютного запрета 500 мс, с выбором канала на основании только запрещающей функции позволяет создавать стимулирующее воздействие с максимальной частотой 2000 Гц на канал. Для существенного снижения энергопотребления при электростимуляции могут применяться большие продолжительности интервалов абсолютного запрета.
В некоторых вариантах осуществления изобретения может быть лучше отражено естественное поведение нервов уха человека. В частности, группы нервов, стимулируемых электродами, соединенными с низкочастотными каналами, могут стимулироваться с меньшими частотами. Стимуляция через эти электроды может иметь относительно детерминированный характер в широком диапазоне запрещающих функций и временных интервалов. Высокочастотные каналы могут создавать псевдостохастическое распределение стимулирующих импульсов во времени. Для заданного детектора, заданных временных констант запрещающей функции и продолжительностей импульсов (временной сетки) частота стимулирующих воздействий индивидуального канала практически равна характеристической частоте соответствующего электродного канала, в то время как для высокочастотных каналов может быть получено "естественное" насыщение для частоты стимулирующего воздействия. Запрещающая функция может обеспечить резистентное поведение стимулируемых групп нервов в пределах электродного канала, что также приводит к снижению энергозатрат на стимулирующее воздействие при восприятии постоянной громкости.
Конкретные варианты осуществления блока выбора импульсов/ определения амплитуд могут также обеспечивать дополнительную функциональность для выбора и определения выходных импульсов. Соответственно, блок выбора импульсов/определения амплитуд может в типовом варианте содержать определенные аппаратные и/или программные модули, предназначенные для этой цели, такие как нелинейная электросхема для определения стимулирующих амплитуд индивидуальных для пациента и электрода. Например, подобные задачи могут учитываться в специальных вариантах осуществления алгоритма запрещающей функции. В результате конкретные варианты осуществления блока выбора импульсов/определения амплитуд могут быть более сложными, чем описанные выше.
Варианты осуществления изобретения могут быть реализованы на любом стандартном компьютерном языке программирования. Например, предпочтительные варианты осуществления изобретения могут быть реализованы на процедурном языке программирования (например, на языке С) или на объектно-ориентированном языке программирования (например, C++ или Python). Альтернативные варианты осуществления изобретения могут быть реализованы в виде программируемых аппаратных элементов, других соответствующих компонентов или в виде комбинации аппаратных и программных компонентов.
Варианты осуществления изобретения могут быть реализованы в виде компьютерной программы для использования в компьютерной системе. Подобные реализации могут включать последовательность компьютерных инструкций, записанных либо на материальном носителе, таком как считываемый компьютером носитель (например, дискета, компакт-диск, постоянное запоминающее устройство или встроенный диск), или выполненных с возможностью передачи компьютерной системе через модем или другое интерфейсное устройство, такое как адаптер связи, подключенный к сети через передающую среду. Передающая среда может представлять собой либо физическое устройство (например, оптические или аналоговые линии связи) или среду, реализованную по беспроводным технологиям (например, технологиям передачи при помощи микроволнового излучения, инфракрасного излучения или другим технологиям). Последовательность компьютерных инструкций реализует полную или частичную функциональность, описанную выше для данной системы. Для специалистов в данной области техники понятно, что подобные компьютерные инструкции могут быть написаны на различных языках программирования для использования на компьютерах с различной архитектурой и операционными системами. Кроме того, подобные инструкции могут храниться на любом запоминающем устройстве, таком как полупроводниковое, магнитное, оптическое или другое запоминающее устройство, и могут передаваться с использованием любой коммуникационной технологии, такой как оптическая, инфракрасная, микроволновая или другая технология передачи данных. Предполагается, что подобная компьютерная программа может распространяться в виде съемного носителя с прилагаемой печатной или электронной документацией (например, хранящейся в сжатом виде программы), заранее загружаться при помощи компьютерной системы (например, на постоянное запоминающее устройство или встроенный диск) или распространяться с сервера или электронного бюллетеня в сети (например, сети Интернет или всемирной сети). Безусловно, некоторые варианты осуществления изобретения могут быть реализованы в виде комбинации программной части (например, завершенной компьютерной программы) и аппаратной части. В то же время другие варианты осуществления изобретения реализуются целиком в виде аппаратной части или целиком в виде программной части (например, в виде завершенной компьютерной программы).
Хотя были описаны различные примеры вариантов осуществления изобретения, специалистам в данной области техники понятно, что для обеспечения некоторых преимуществ изобретения возможно внесение различных изменений и выполнение модификаций, которые не выходят за пределы истинного объема изобретения.