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1、PATEXPLe)RER专利探索者-全球创新始于探索增强时域表达的人工耳蜗信号处理方法及系统申请号：CN.4申请H：20160107申请（专利权）人：I深圳大学地址：广东省深圳市南山区南海大道3688号发明人：孟庆林,郑能恒,李霞I主分类号：A61F11/04公开（公告）号：CNB公开（公告）日：20180605代理机构：深圳市恒申知识产权事务所（普通合伙）代理人：I王利彬(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利(10)授权公告号CNB(45)授权公告日20180605(21)申请号CM4(22)申请日20160107(71)申请人深圳大学地址广东省深圳市南山区南海大道3688号(
2、72)发明人孟庆林，郑能恒，李霞(74)专利代理机构深圳市恒申知识产权事务所(普通合伙)代理人王利彬(54)发明名称增强时域表达的人工耳蜗信号处理方法及系统(57)摘要本发明适用于医疗器械领域，提供了增强时域表达的人工耳蜗信号处理方法，包括滤波步骤：利用预设的带通滤波器组对采集的声音信号进行滤波：时域信号表达转换步骤：若当前电极通道的频率范围大于电极通道的时域音高上限fl且带宽小于等于电极通道的时域音高上限fl与包络的时域周期性所在的频率范围上限f2的差值时，将经过当前电极通道的带通信号向下移频至包络的时域周期性所在的频率范围上限f2和电极通道的时域音高上限fl之间：带通信号传递步骤：将经过时
3、域信号表达转换处理后的带通信号进一步处理后表达到电流波形上传递出去。本发明提供的方法旨在引入时域精细结构信息的同时避免对包络产生干扰，进而提升人工耳蜗声音感知效果。权利要求书1增强时域表达的人工耳蜗信号处理方法，其特征在于，包括下述步骤:滤波步骤：利用预设的带通滤波器组对采集的声音信号进行滤波得到带通信号；时域信号表达转换步骤：若当前电极通道的频率范围大于电极通道的时域音高上限fl且带宽小于等于电极通道的时域音高上限fl与包络的时域周期性所在的频率范用上限f2的差值时，将经过当前电极通道的带通信号向下移频至包络的时域周期性所在的频率范围上限f2和电极通道的时域音高上限fl之间：带通信号传递步骤
4、：将经过时域信号表达转换处理后的带通信号进一步处理后表达到电流波形上传递出去；所述带通信号传递步骤中的电流波形为单脉冲间隔采样波形或模拟电流波形，若采用单脉冲间隔采样波形，即用单脉冲对所述带通信号进行采样，然后在不同通道间间隔产生刺激；若采用模拟电流波形，即将所述带通信号表达为模拟电流形式传递出去。2.如权利要求1所述的人工耳蜗信号处理方法，其特征在于，所述电极通道的时域音高上限fl的范围为450Hz850Hz,包络的时域周期性所在的频率范围上限f2的范围为250HZ450Hz,且fl-f221OOHz3.如权利要求1所述的人工耳蜗信号处理方法，其特征在于，所述滤波步骤之前还包括预处理步骤，具
5、体为对采集的声音信号进行预加重、降噪处理。4.如权利要求1所述的人工耳蜗信号处理方法，其特征在于，所述带通信号传递步骤中对带通信号进一步处理的方法为：将带通信号进行非线性压缩。5.增强时域表达的人工耳蜗信号处理系统，其特征在于，包括：滤波模块，用于利用预设的带通滤波器组对采集的声音信号进行滤波；时域信号表达转换模块，用于对每个带通滤波器输出的带通信号进行时域信号表达转换处理；具体地，若当前电极通道的频率范围大于电极通道的时域音高上限fl旦带宽小于等于电极通道的时域音高上限fl与包络的时域周期性所在的频率范围上限f2的差值时，将经过当前电极通道的带通信号向下移频至包络的时域周期性所在的频率范围上
6、限f2和电极通道的时域音高上限fl之间；带通信号传递模块，用于将经过时域信号表达转换处理后的带通信号进一步处理后表达到电流波形上传递出去：所述带通信号传递模块中的电流波形为单脉冲间隔采样波形或模拟电流波形，若采用单脉冲间隔采样波形，即用单脉冲对所述带通信号进行采样，然后在不同通道间间隔产生刺激；若采用模拟电流波形，即将所述带通信号表达为模拟电流形式传递出去。6.如权利要求5所述的人工耳蜗信号处理系统，其特征在于，所述电极通道的时域音高上限fl的范围为450HZ850Hz,包络的时域周期性所在的频率范围上限f2的范围为250HZ450Hz,且fl-f22100Hz7.如权利要求5所述的人工耳蜗信
7、号处理系统，其特征在于，还包括预处理模块,用于对采集的声音信号进行预加重、降噪处理。8.如权利要求5所述的人工耳蜗信号处理系统，其特征在于，所述带通信号传递模块具体用于对经过时域信号表达转换处理后的带通信号进行非线性压缩后表达到电流波形上传递出去。说明书增强时域表达的人工耳蜗信号处理方法及系统技术领域本发明属于医疗器械领域，尤其涉及一种增强时域表达的人工耳蜗信号处理方法及系统。背景技术人工耳蜗(CochlearImplant,Cl)是一种能够帮助重度以上听力损失者恢复部分听力的电子装置。多数CI植入者己经可以在安静环境下进行良好的一对一言语交流(不借助视觉信息)，甚至可以打电话。但这是建立在说
8、话人发音清楚、标准、语速适中的情况下。快语速、发音连贯、偶尔吐字不清，这些情况对于正常听力者可能没有问题，但是会给植入者带来很大困难。另外，CI植入者的抗噪声干扰、音乐感知、音高分辨的效果依然很差。当前的CI信号处理策略大多是基于时域包络设计的，其中仅保留了少量有限多个(12-24)通道的时域包络信息，而丢弃了时域精细结构(TenIPoraIEineStructure,TFS)信息。TFS的缺少导致了以上提到的CI缺点。已经有大量研究尝试将TFS加入CI信号处理策略，但在目前己有的实际Cl实验中，这些策略都尚未表现出能够显著提升实际CI效果的能力。其中限制因素包括电听觉时域音高限制、包络和TF
9、S间的互相干扰、包络和TFS分解问题的病态性。为了突破以上三个限制，有技术提出了一种新的信号处理策略，被命名为时域限制编码(temporallimitsencoder,TLE)策略。TLE策略的核心创新点在于将带通信号向下移频至电听觉时域音高上限以下，这样可以克服电听觉时域音高限制，同时这个移频操作能够避免显式的包络和TFS分解操作，进而避免了其病态性带来的困扰。然而，TLE遗留了一个问题，就是包络和TFS间的互相干扰。由于TFS被移动到了300HZ以下，而这个范围与包络中的时域周期性所在的频率范围(50Hz-300Hz)重叠。包络和TFS同时在300Hz以下通过时域形式表达时则不可避免产生互
10、相干扰。发明内容本发明所要解决的技术问题在于提供一种增强时域表达的人工耳蜗信号处理方法及系统，旨在引入时域精细结构信息的同时避免对包络产生干扰，进而提升人工耳蜗声音感知效果。明提供了一种增强时域表达的人工耳蜗信号处理方法，包括下述步骤：滤波步骤：利用预设的带通滤波器组对采集的声音信号进行滤波得到带通信号；时域信号表达转换步骤：若当前电极通道的频率范围大于电极通道的时域音高上限fl且带宽小于等于电极通道的时域音高上限fl与包络的时域周期性所在的频率范围上限f2的差值时，将经过当前电极通道的带通信号向下移频至包络的时域周期性所在的频率范围上限f2和电极通道的时域音高上限fl之间；带通信号传递步骤：
11、将经过时域信号表达转换处理后的带通信号进一步处理后表达到电流波形上传递出去。进一步地，所述电极通道的时域音高上限fl的范围为450HZ850Hz,包络的时域周期性所在的频率范围上限f2的范围为250HZ450Hz,且fl-f22100Hz。进一步地，所述滤波步骤之前还包括预处理步骤，具体为对采集的声音信号进行预加重、降噪处理。进一步地，所述带通信号传递步骤中对带通信号进一步处理的方法为：将带通信号进行非线性压缩。进一步地，带通信号传递步骤中的电流波形为单脉冲间隔采样波形或模拟电流波形；具体地，若采用单脉冲间隔采样波形，即用单脉冲对带通信号进行采样，然后在不同通道间间隔产生刺激：若采用模拟电流波
12、形，即将带通信号表达为模拟电流形式传递出去。本发明还提供了一种增强时域表达的人工耳蜗信号处理系统，包括：滤波模块，用于利用预设的带通滤波器组对采集的声音信号进行滤波；时域信号表达转换模块，用于对每个带通滤波器输出的带通信号进行时域信号表达转换处理:具体地，若当前电极通道的频率范围大于电极通道的时域音高上限fl且带宽小于等于电极通道的时域音高上限fl与包络的时域周期性所在的频率范围上限f2的差值时，将经过当前电极通道的带通信号向下移频至包络的时域周期性所在的频率范围上限f2和电极通道的时域音高上限门之间；带通信号传递模块，用于将经过时域信号表达转换处理后的带通信号进一步处理后表达到电流波形上传递
13、出去。进一步地，所述电极通道的时域音高上限门的范围为450HZ850Hz,包络的时域周期性所在的频率范围上限f2的范围为250HZ450Hz,且fl-f22100Hz。进一步地，还包括预处理模块，用于对采集的声音信号进行预加重、降噪处理。进一步地，所述带通信号传递模块具体用于对经过时域信号表达转换处理后的带通信号进行非线性压缩后表达到电流波形上传递出去。进一步地，带通信号传递模块中的电流波形为单脉冲间隔采样波形或模拟电流波形：具体地，若采用单脉冲间隔采样波形，即用单脉冲对带通信号进行采样，然后在不同通道间间隔产生刺激：若采用模拟电流波形，即将带通信号表达为模拟电流形式传递出去。本发明与现有技术
14、相比，有益效果在于：本发明提供了一种增强时域表达的人工耳蜗信号处理方法及系统，将带通信号移频至稍高于包络的时域周期性所在的频率范围上限，这种方式在避免包络和TFS（时域精细结构）分解的病态问题的同时，将TFS以可用的适中的速度进行传递，可以避免TFS对包络产生过度干扰；并且通过单脉冲间隔采样或模拟电流进行刺激，比传统的多相脉冲间隔采样刺激能提供更高的听觉灵敏度，并且可以在最小程度上避免可能对听神经产生损伤的残留电荷。附图说明图1是本发明实施例提供的一种增强时域表达的人工耳蜗信号处理方法流程图:图2是本发明实施例提供的时域信号表达转换中用到的移频操作的示意图；图3是本发明实施例提供的一种增强时域
15、表达的人工耳蜗信号处理系统的示意图;图4是本发明实施例提供的以一个双纯音构成的复合音为例对CIS、TLE1、TLE2在时域信号表达方面的对比示意图：图5为图4中关于CIS、TLE1、TLE2的电极宏观对比示意图；图6为图5中CIS、TLEUTLE2的电极图的局部放大对比图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。一种增强时域表达的人工耳蜗信号处理方法，具体包括：预处理步骤：对麦克风采集的声音信号进行预加重、降噪处理：滤波步骤：利用预先设计好的带通滤波器组
16、对所采集到的声音信号进行滤波：时域信号表达转换步骤：对每个带通滤波器输出的带通信号进行时域信号表达转换处理，使在引入时域精细结构信息的同时保留包络的时域周期性信息；带通信号传递步骤：将每个通道中的转换处理后的带通信号进行非线性压缩并以某种波形形式表现在电流波形上。总体流程图如图1所示。其中，时域信号表达转换步骤中的时域信号表达转换处理的方法包括如下三种方法的至少一种：一、若当前电极通道的频率范围小于电极通道的时域音高上限fl时，带通信号不做任何处理，直接输出。二、若当前电极通道的频率范围大于电极通道的时域音高上限fl且带宽小于等于fl-f2时，将经过的带通信号向下移频至包络的时域周期性所在的频
17、率范围上限f2和电极通道的时域音高上限fl之间；所述电极通道的时域音高上限fl的范围为450IIZ850Hz：包络的时域周期性所在的频率范围上限f2的范围为250HZ450Hz；且fl-f22100Hz。三、若当前电极通道的频率范围大于电极通道的时域音高上限fl且带宽大于等于fl-f2时，选择下述两种方法中的-种对经过的带通信号进行处理：方法一，将经过当前电极通道的带通信号向下移频至包络的时域周期性所在的频率范围上限f2以上的范围，并对移频后的带通信号进行包络提取；方法二，直接对经过当前电极通道的带通信号进行包络提取。在时域信号表达转换中用到的移频操作如图2所示。上述带通信号传递步骤中，将带通
18、信号进行非线性压缩处理；具体地，将时域表达转换的输出结果进行声电映射。传统的压缩函数为幕函数和对数函数；本发明与传统的基于包络（短时能量）的策略的原理不同，本发明采用较小的压缩系数以更好地表达TFS信息。在所述带通信号传递步骤中，若时域信号表达转换处理采用第一或第二种方法，则带通信号传递步骤中的电流波形对应单脉冲间隔采样波形或模拟电流波形：若时域信号表达转换处理采用第三种方法，则带通信号传递步骤中的电流波形对应多相脉冲间隔刺激波形。具体地，若采用单脉冲间隔采样波形，即用单脉冲（只有一个正矩形脉冲或一个负矩形脉冲）对带通信号进行采样，然后在不同通道间间隔产生刺激。若采用模拟电流波形，即将带通信号
19、直接表达为模拟电流形式传递出去。若采用传统的整流加多相脉冲间隔刺激波形，在采用脉冲表达时，应使用较高的刺激速率（建议在200OPPS以上）；这里PPS是pulsespersecond的缩写，译为每秒内脉冲数。在电流量化精度方面，建议采用较高（>8bits）的量化精度，以更好地表达TFS信息。上述所谓传统的多相（最常用的是双相）脉冲间隔刺激波形，在一个脉冲中有多个相位；以双相脉冲为例，它是正负波，即一个正矩形脉冲和一个负矩形脉冲先后发生（也可以负在前、正在后），两个不同相位的脉冲的绝对电荷量相等，由于它们符号相反，所以能够相互抵消，避免残留电荷（注：残留电荷可能对听神经产生损伤）。本发明还
20、提供了一种增强时域表达的人工耳蜗信号处理系统，如图3所示，包括:滤波模块1：用于利用预设的带通滤波器组对采集的声音信号进行滤波；时域信号表达转换模块2:用于对每个带通滤波器输出的带通信号进行时域信号表达转换处理；带通信号传递模块3：用于将经过时域信号表达转换处理后的带通信号进一步处理后表达到电流波形上传递出去。所述时域信号表达转换模块2包括如下三种子模块的至少一种：时域信号表达模块21,若当前电极通道的频率范围小于电极通道的时域音高上限门时，所述时域信号表达模块21直接输出带通信号:移频模块22,若当前电极通道的频率范围大于电极通道的时域音高上限fl且带宽小于等于ff2时，所述移频模块22将经
21、过的带通信号向下移频至包络的时域周期性所在的频率范围上限f2和电极通道的时域音高上限fl之间；包络提取模块23,若当前电极通道的频率范围大于电极通道的时域音高上限fl且带宽大于等于ff2时，选择下述两种子模块中的一种对经过的带通信号进行处理：第一包络提取模块，用于将经过当前电极通道的带通信号向下移频至包络的时域周期性所在的频率范围上限f2以上的范围，并对移频后的带通信号进行包络提取；第二包络提取模块，用于直接对经过当前电极通道的带通信号进行包络提取。下面举一具体实施例对CIS、TLE1、TLE2的时域信号表达进行比较：目前临床上常用的策略大多只保留了时域包络信息而丢弃了时域精细结构(TFS)信
22、息，其中最典型的为连续间隔采样(COntinUoUSinterleavedSamPIing,CIS)策略。另外一个对比方法是现有技术提出的时域限制编码器(temporallimitsencoder)策略，在这里用TLEl表示。本发明与TLEl的一个重要区别在于所选的移频范围不同，TLEl将带限信号移频至300HZ以下，本发明将带限信号移频至30OHZ以上，在这里用TLE2表示本发明提出的方法。图4以一个双纯音构成的复合音为例对CIS、TLE1、TLE2的时域信号表达进行比较。左侧一列为时域信号表达，灰色实线代表原始或移频后的带限信号，黑色虚线代表相应的希尔伯特包络。TLEl的每个通道的时域表达
23、信号为左中图实线，TLE2的每个通道内的时域表达信号为左下图实线，CIS的每个通道内的时域表达信号为左上图虚线(即希尔伯特包络)。右侧一列为左侧实线对应的幅度谱。可以看出图4中TLEl和TLE2信号的幅度谱均保留了原始幅度谱的形状，区别仅在于所属频率范围。TLEl和TLE2提取的时域信号的希尔伯特包络均保留了原始带限信号的包络信息。TLE方法提取的时域信号比原始带限信号变化慢，TLE2提取的时域信号比TLEl提取的时域信号变化稍快。由于TLEl中将TFS移至了300HZ以下，这个范围与包络所属的范围产生重叠，很容易产生相互干扰。TLE2移至300HZ以上，则可以一定程度上避免这个干扰。同时根据
24、己有研究可知，300HZ并非是电听觉时域音高的绝对上限。更高的时域变化速率，如300至100OHz,也存在被感知的可能。这就保证了TLE2方法在保留了TLEl方法的优势同时避免包络和TFS干扰。图5为CIS、TLE1、TLE2的电极图宏观对比，原始语音为一个男声说的一句普通话他的电话怎么也打不通。”；图6为图5中的三个小长方框内的信号进行局部放大得到的图。从图5可以看出，三种方法在整体的能量分布上不存在明显差异。但是从图6可以看出，在局部特征上存在明显的区别；TLE2比TLEl更好地保留了CIS中的包络信息，同时TLE2比CIS增加了可用的TFS信息。本发明将带通信号移频至稍高于电听觉音高时域
25、上限(约300HZ)的范围，可以在避免包络和TFS分解的病态问题的同时，将TFS以可用的适中的速度进行传递，避免TFS对包络产生过度干扰。另外，在电流刺激形式方面，本发明提出采用单脉冲间隔采样或模拟电流形式，原因是TLE2提取的时域信号中不具有直流分量，不会产生有害的电荷累积。这些优势都使得本发明(TLE2)能够增强人工耳蜗的时域表达，进而可能提高人工耳蜗声音感知效果。本发明适用于人工耳蜗，也可能适用于其他人工听觉设备，包括听性脑干植入，听觉中脑植入，深脑植入等。以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明
26、的保护范围之内。说明书附图声音信号采集3L预处理带通滤波器组时域信号表达转换V非妹，降压缩图1时域厘时域音期性版高项空空上五上医图21图3O-110-11010.50105010.50900Hz40Hz202Hz142Hz452Hz392Hz时间(三)0160200400600800图4须率(HZ)25335时间（W45图5期第tfl2.22.2523n1itl,iiIt11IfhIjIUI二10987654ElwInffJLEiiiifliunHiiihhiHniiLHHiiii.一一山UiimlJIujL皿ULHihWkdJuJL一U-LuiIuihJULIHuiiLULIU3LHLU业山山皿山IAJunjlnUJhiJUUMh一Jimuinmi山川Ilm山皿山皿山山JN一.-WMiiLlLdlUiliUkLUULULnJLlluUUUiUJdhLj393.95时间(三)图64
