專利名稱：一種基于多通道光刺激的人工耳蝸裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于利用光刺激修復聽覺功能技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用植入耳蝸內(nèi)的 多通道激光刺激器恢復聽覺功能的裝置。
背景技術(shù)：
由于疾病、藥物或其他原因引起的耳聾逐年增多，根據(jù)衛(wèi)生部公布的數(shù)據(jù)，我國現(xiàn) 有聾啞患者達2700萬人，其中800萬是重度耳聾，新生兒發(fā)病率約0. 6%，每年新增聾啞兒 童近20萬人。人工耳蝸是醫(yī)學界公認的唯一能使雙側(cè)重度或極重度感音性神經(jīng)耳聾患者 恢復聽覺的臨床手段。人工耳蝸技術(shù)興起于上世紀80年代，經(jīng)歷了單道人工耳蝸到多道人工耳蝸的發(fā) 展過程，有20多年的臨床實踐經(jīng)驗。同時，由于人工耳蝸所涉及技術(shù)難度高，特別是微加工 制造、神經(jīng)接口、微創(chuàng)植入等技術(shù)，以及專利的壟斷，目前國外僅有三家公司生產(chǎn)人工耳蝸， 包括澳大利亞的Cochlear公司、美國的Advanced Bionics公司和奧地利的MED-EL公司， 產(chǎn)品價格20-25萬元人民幣左右。我國人工耳蝸的關(guān)鍵技術(shù)研究開始于上世紀90年代，復旦大學較早開始了相關(guān) 技術(shù)的研究工作，先后研制成功單道脈沖式人工耳蝸和單道連續(xù)式人工耳蝸，并與上海力 聲特醫(yī)學科技有限公司合作開發(fā)了國產(chǎn)人工耳蝸樣機并開展了臨床實驗。杭州諾爾康神經(jīng) 電子科技有限公司、中科院聲學所等單位也開發(fā)了人工電子耳蝸。目前進入臨床應用的人工電子耳蝸基于植入式神經(jīng)電刺激技術(shù)，將采集到的語音 信號編碼為電流脈沖觸發(fā)耳蝸內(nèi)的聽覺神經(jīng)引起神經(jīng)沖動，傳入大腦聽覺神經(jīng)中樞進而產(chǎn) 生聽覺。王正敏提出了一種多道程控人工耳蝸(專利公開號CN2261828)，其主要特征由接 收話筒、語音處理器、耦合器、接收刺激器與電極束組成，將語音信號編碼為電刺激信號經(jīng) 植入耳蝸的電極束刺激耳蝸內(nèi)的聽覺神經(jīng)，由電刺激引起神經(jīng)沖動在聽覺中樞產(chǎn)生聽覺； 周水文等提出了一種人工耳蝸內(nèi)植裝置(專利公開號CN1861024)，其主要特征由依次排 列的22個鉬金環(huán)形成耳蝸內(nèi)電極序列，刺激電流經(jīng)電極作用于耳蝸內(nèi)聽覺神經(jīng)；美國邁克 爾 法爾蒂斯提出了一種耳蝸刺激裝置(專利公開號CN101001666)，其主要特征是由可 放置于耳蝸內(nèi)的具有多個電極觸點的電極陣列將電刺激脈沖直接刺激耳蝸的聽覺神經(jīng)。綜上所述，目前的人工耳蝸屬于人工電子耳蝸，一般由麥克風、語音處理器、電脈 沖信號發(fā)生電路及其與之相連的多通道電極等部分組成，麥克風把語音轉(zhuǎn)換成電流信號并 送到語言處理器進行語音信號處理和編碼，編碼后的語音信號控制脈沖發(fā)生電路的輸出， 刺激電流經(jīng)植入耳蝸內(nèi)的電極陣列直接刺激耳蝸內(nèi)的聽覺神經(jīng)，引起神經(jīng)沖動，傳入大腦 聽覺神經(jīng)中樞進而產(chǎn)生聽覺。。人工電子耳蝸刺激電極陣列分布于由蝸底到蝸尖的不同部 位；由于蝸底對高頻聲音信號敏感而蝸尖對低頻聲音信號敏感，人工電子耳蝸將聲音高頻 信息編碼后通過靠近蝸底的電極輸出，而聲音低頻信號編碼后通過靠近蝸尖的電極輸出。 雖然理論上沿耳蝸放置更多的刺激電極可以使頻率分辨率增加，但由于各個電極輸出的電 流會通過耳蝸內(nèi)的外淋巴液體向各個方向擴散，這種擴散的電流會導致一個刺激電極引起其附近較大范圍的聽覺神經(jīng)興奮，這阻礙了刺激電極陣列密度的增加，從而限制了人工電 子耳蝸的頻率分辨率的提高。另外，刺激電流經(jīng)電極流入生物組織，將發(fā)生化學反應，這對 也將影響刺激電極工作的長效性，并帶來相關(guān)的生物相容性、生物安全性問題。研究發(fā)現(xiàn)，用光刺激代替電刺激同樣可以引起神經(jīng)興奮。美國西北大學的Richter 等人用光纖取代電極，用激光取代電流刺激豚鼠耳蝸內(nèi)的聽覺神經(jīng)纖維，結(jié)果表明光刺激 成功地觸發(fā)了聽覺神經(jīng)。激光的最顯著特點是方向性好，從光纖輸出的激光只能照射在光 纖輸出所面對的神經(jīng)纖維，而不會像電刺激中電流向各個方向擴散，因此從兩個相鄰光纖 輸出的刺激激光束不會產(chǎn)生像兩個相鄰電極輸出的刺激電流那樣的相互作用。因此，利用 放置在耳蝸內(nèi)的多通道激光輸出裝置對耳蝸不同位置的聽覺神經(jīng)進行刺激，為聽覺功能修 復提供了一種新的技術(shù)途徑，它可以極大地減少在增加刺激電極數(shù)目時可能出現(xiàn)的通道間 相互干擾，這為提高人工耳蝸的頻率分辨率提供了有力手段；同時，由于激光對耳蝸的刺激 是非接觸式刺激，避免了人工電子耳蝸中刺激電流流入耳蝸組織會發(fā)生的化學反應，保證 了激光刺激輸出裝置與耳蝸組織的生物相容性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有人工電子耳蝸的技術(shù)不足，提出一種基于多通道光刺激 的人工耳蝸裝置，它將聲音信號編碼為光刺激信號，通過植入耳蝸的多通道光脈沖輸出端 口刺激耳蝸聽覺神經(jīng)引起神經(jīng)沖動進而在中樞神經(jīng)形成聽覺，由此避免人工電子耳蝸中刺 激電極與生物組織的相容性難題，也避免由于電流在組織中擴散所引起的通道間相互干 擾。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種基于多通道光刺激的人工耳蝸裝置，可刺激耳蝸聽覺神經(jīng)、并引起聽覺神經(jīng) 興奮，該裝置包括多通道光刺激裝置、多通道光脈沖控制電路、語音信號采集裝置、語音信 號處理與編碼裝置；所述多通道光刺激裝置是可植入耳蝸的光脈沖輸出端口陣列，光脈沖輸出端口放 置于沿耳蝸蝸底到蝸尖的不同位置，每個光脈沖輸出端口可獨立輸出光脈沖，刺激所在位 置的耳蝸聽覺神經(jīng)并引起聽覺神經(jīng)興奮。所述多通道光脈沖控制電路是可植入式電路模塊，該模塊電路可產(chǎn)生與上述多通 道光刺激裝置的光脈沖輸出端口數(shù)目相等的多通道電流信號，每個通道的電流信號獨立驅(qū) 動上述多通道光刺激裝置中一個通道產(chǎn)生光脈沖，該光脈沖經(jīng)上述光脈沖輸出端口刺激耳 蝸聽覺神經(jīng)。所述語音信號處理與編碼裝置是處理語音信號的模塊電路，通過提取語音信號的 時頻域特征，并將這些特征信息進行編碼，其輸出信號直接或間接傳輸?shù)缴鲜龆嗤ǖ拦饷} 沖控制電路，語音信號時頻域特征將決定上述多通道光脈沖控制電路不同通道電流的輸出 模式。所述語音信號采集裝置是用于將聲音信號進行收集并轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，以 及將電信號進行放大、濾波處理、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換的電路模塊，其輸出電信號端與上述語音 信號處理與編碼裝置的輸入信號端連接。上述基于多通道光刺激的人工耳蝸裝置的工作方式如下
首先，多通道光刺激裝置植入耳蝸，經(jīng)光脈沖輸出端口輸出的光刺激信號將調(diào)控 受到光照射的耳蝸聽覺神經(jīng)的電興奮模式，即利用光脈沖刺激使耳蝸聽覺神經(jīng)產(chǎn)生神經(jīng)沖 動；其次，多通道光刺激裝置的光脈沖輸出受語音信號的時頻域特征信息控制，頻率 較高的語言信號將使靠近耳蝸蝸底的光脈沖輸出端口輸出光刺激信號，以引起對頻率較高 的聲音成分的感受，而頻率較低的語言信號將使靠近耳蝸蝸尖的光脈沖輸出端口輸出光刺 激信號以引起對頻率較低的聲音成分的感受。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的技術(shù)效果(1)通過植入耳蝸的光脈沖輸出端口陣列輸出的光脈沖刺激耳蝸聽覺神經(jīng)，一個 光脈沖輸出端口對耳蝸神經(jīng)的刺激范圍決定于光脈沖的照射范圍，光脈沖不會刺激其照射 范圍外的耳蝸聽覺神經(jīng)，使其具有較電刺激更好的空間分辨率。(2)光脈沖可以實現(xiàn)對耳蝸聽覺神經(jīng)的無接觸刺激，還避免了電刺激耳蝸聽覺神 經(jīng)時出現(xiàn)的電極與耳蝸組織間的化學反應，這使本方案提出的光脈沖刺激耳蝸聽覺神經(jīng)具 有更好的生物相容性，增強耳蝸內(nèi)光刺激裝置工作的長效性。


圖1應用多通道耳蝸光刺激的人工耳蝸裝置示意圖；其中1-耳蝸、2-耳蝸蝸尖、3-耳蝸蝸底、4-多通道光刺激裝置、5-光脈沖輸出端 口、6_多通道光脈沖控制電路、7-語音信號處理及編碼裝置、8-語音信號采集裝置；圖2基于激光二極管陣列刺激耳蝸的人工耳蝸裝置示意圖；其中9_麥克風、10-語音放大電路、11-語音信號處理電路、12-22通道恒流源電 路、13-激光二極管、14-電纜束。圖3基于多根光纖輸出光脈沖刺激耳蝸的人工耳蝸裝置示意圖；其中9_麥克風、10-語音放大電路、11-語音信號處理電路、17-22通道光源發(fā)生 電路、15-光纖輸出端、16-光纖束。圖4拉伸后的基于多根光纖輸出光脈沖刺激耳蝸的人工耳蝸示意圖其中15_光纖輸出端、16-光纖束。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明所涉及的多通道耳蝸光刺激的人工耳蝸裝置是將多通道光刺 激裝置4植入耳蝸1，聲音信號經(jīng)語音信號采集裝置8轉(zhuǎn)換為恰當?shù)碾娦盘?，通過語音信號 處理及編碼裝置7提取聲音信號的特征信息，這些特征信息將用于調(diào)節(jié)多通道光脈沖控制 電路6的電參數(shù)，進而改變多通道光刺激裝置4每個通道光脈沖的輸出參數(shù)，光脈沖經(jīng)輸出 端口 5刺激耳蝸1的聽覺神經(jīng)以引起聽覺神經(jīng)興奮形成聽覺，聲音信號中頻率較高的成分 將控制靠近耳蝸蝸底3的輸出端口 5的光脈沖參數(shù)，而聲音信號中頻率較低的成分將控制 靠近耳蝸蝸尖2的輸出端口 5的光脈沖參數(shù)，實現(xiàn)聲音信號中頻率較高的成分引起靠近耳 蝸蝸底3的聽覺神經(jīng)興奮、頻率較低的成分引起靠近耳蝸蝸尖2的聽覺神經(jīng)興奮。本發(fā)明的一個實施例如圖2所示，是一種利用激光二極管陣列對耳蝸進行光刺激 的人工耳蝸裝置。在本實施例中，22個激光二極管13組成的陣列構(gòu)成多通道光刺激裝置的
5光脈沖輸出端口，其植入耳蝸后將分布在從蝸尖到蝸底的耳蝸不同位置，外界聲音信號經(jīng) 麥克風9 (即作為語音信號采集裝置)采集后轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)語音信號放大電路10放大 后傳入語音信號處理電路11，實現(xiàn)對語音信號的A/D轉(zhuǎn)換、22個頻率段的特征提取和編碼， 語音信號處理電路11輸出的22個頻率段的特征編碼信息將分別控制22通道恒流源電路 12的電流輸出，再由各通道的恒流源輸出電流經(jīng)電纜束14控制激光二極管13的光脈沖輸 出強度，進而刺激耳蝸不同位置的聽覺神經(jīng)引起神經(jīng)沖動，形成聽覺。
本發(fā)明的另一個實施例如圖3，圖4所示，是一種利用光纖多根光纖輸出光脈沖信 號對耳蝸進行刺激的人工耳蝸裝置。在本例中，22根光纖組成的光纖束16構(gòu)成多通道光刺 激裝置的光脈沖輸出端口，植入耳蝸后不同光纖的輸出端口將分布在從蝸尖到蝸底的耳蝸 不同位置，外界聲音信號經(jīng)麥克風9 (即作為語音信號采集裝置)采集后轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng) 語音信號放大電路10放大后傳入語音信號處理電路11，實現(xiàn)對語音信號的A/D轉(zhuǎn)換、22個 頻率段的特征提取和編碼，語音信號處理電路11輸出的22個頻率段的特征編碼信息將分 別控22通道光源發(fā)生電路17的光信號輸出，各通道輸出的光脈沖經(jīng)光纖束16的不同光纖 輸出端15傳輸?shù)蕉伒牟煌恢?，進而刺激耳蝸不同位置的聽覺神經(jīng)引起神經(jīng)沖動形成 聽覺，其中聲音信號頻率較高成分將控制靠近耳蝸蝸底的光纖輸出，而聲音信號頻率較低 的成分將控制靠近耳蝸蝸尖的光纖輸出。
權(quán)利要求
一種基于多通道光刺激的人工耳蝸裝置，包括可植入耳蝸的多通道光刺激裝置、多通道光脈沖控制電路、語音信號采集裝置、語音信號處理與編碼裝置；其特征在于所述可植入耳蝸的多通道光刺激裝置是可植入耳蝸的光脈沖輸出端口陣列，由分布在耳蝸蝸底到蝸尖的不同位置的光脈沖輸出端口組成，各端口獨立輸出光脈沖刺激信號；所述各端口的光脈沖輸出模式受語音信號采集裝置采集的語音信號的特征控制；所述多通道光脈沖控制電路采用可植入式電路模塊，產(chǎn)生與所述多通道光刺激裝置端口數(shù)目相等的多通道電流信號，每個通道的電流信號獨立驅(qū)動所述多通道光刺激裝置中一個通道產(chǎn)生光脈沖，該光脈沖經(jīng)所述光脈沖輸出端口輸出刺激信號；所述語音信號處理與編碼裝置的輸出信號直接或間接傳輸?shù)剿龆嗤ǖ拦饷}沖控制電路，語音信號時頻域特征決定所述多通道光脈沖控制電路不同通道電流的輸出模式；所述語音信號采集裝置的輸出電信號端與所述語音信號處理與編碼裝置的輸入信號端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多通道光刺激的人工耳蝸裝置，其特征為所述光脈沖 輸出端口采用發(fā)光二極管輸出光信號，或采用多根具有不同輸出位置的光纖組成的光纖束 輸出光信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于多通道光刺激的人工耳蝸裝置，其特征為所述靠 近耳蝸蝸尖的光脈沖輸出端口的光信號受聲音信號中頻率較低的成分控制，而靠近耳蝸蝸 底的光脈沖輸出端口的光信號受聲音信號中頻率較高的成分控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于多通道光刺激的人工耳蝸裝置，包括多通道光刺激裝置、多通道光脈沖控制電路、語音信號采集裝置、語音信號處理與編碼裝置；它采集語音信號后編碼為光刺激信號，通過植入耳蝸的多通道光脈沖輸出端口刺激耳蝸聽覺神經(jīng)，引起神經(jīng)沖動進而在中樞神經(jīng)形成聽覺?；诙嗤ǖ拦獯碳さ娜斯ざ伇苊饬巳斯る娮佣佒写碳る姌O與生物組織的相容性難題，也避免了電流在組織中擴散所引起的各刺激通道間相互干擾的問題。
文檔編號A61F2/18GK101926693SQ201010267248
公開日2010年12月29日 申請日期2010年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月31日
發(fā)明者侯文生, 吳小鷹, 廖彥劍, 楊軍, 胡寧, 鄭小林 申請人:重慶大學