[发明专利]一种基于耳蜗听觉非线性动力学机理的电子耳蜗编码方法

说明书

本发明公开了一种基于耳蜗听觉非线性动力学机理的电子耳蜗编码方法，包括(1)建立耳蜗非线性动力学模型；(2)构建非线性耳蜗阵列；非线性耳蜗阵列为一组包含n个不同固有频率的主动仿真模块，每一个主动仿真模块将接收的输入语音信号进行相应的运算后，获得每一个主动仿真模块的实时响应输出信号；(3)将各个主动仿真模块的实时响应输出信号进行整流和低通滤波后获得振幅包络；并将频率和振幅包络转换为脉冲信号传递给其对应的电极。本发明利用耳蜗非线性动力学模型使得经过处理后的声信号能够展现出与耳蜗处理结果类似的非线性动态范围压缩效应，并产生与音调相关的结合音，从而解决传统电子耳蜗动态范围小，音调信息传递困难的问题。

技术领域

本发明属于生物医学工程领域，更具体地，涉及一种基于耳蜗听觉非线性动力学机理的电子耳蜗编码方法。

背景技术

听觉作为人类与外界交流的重要信息通道，是人类生存发展、感知世界的重要途径，然而世界上却有很大一部分人，由于各种原因生活在无声的世界。据世界卫生组织统计，全球目前有3.6亿人患有耳聋或听力障碍，占全球总人数的5％，绝大多数的深度耳聋患者无法将声信号正常转换为传向听神经电信号使其感受声音信息。电子耳蜗是一种通过电刺激，将声音信号转换为听神经信号，从而使完全丧失听力的全聋患者重获听觉的人体植入听力康复装置，主要包括语音处理器和植入电极两部分。语音处理器首先将声信号转换为植入耳蜗中不同部位的电极上的电刺激信号，由这些电极上的电刺激信号激发、诱导听神经产生传向大脑的神经电信号，从而使患者听到声音。目前，国内外已有多个品牌的电子耳蜗在临床上使用，它们为耳聋患者带来了福音，使其重回有声世界。现有电子耳蜗能使患者获得一定程度的言语感知能力，但是其性能仍有很大改进的空间。例如，电子耳蜗只能提供20dB的动态感知范围，而正常人能感受120dB动态范围的声音。另一个显著的问题是电子耳蜗还不能使患者有效感受声音的音调信息，使其在音调、语调以及音乐感受上存在困难。

电子耳蜗的听力康复效果取决于电刺激引起的听神经信号能否像正常人的听神经信号那样正确传递声音信息。研究发现，耳蜗具有频率分析功能，它将不同频率的声信号通过不同部位的神经通道传入大脑，而信号的大小则通过听神经中单位是时间的脉冲个数，也即发放率来表达。这简称为频率-部位、强度-发放率编码机理。现有的电子耳蜗均以此为基础制定相应的声音信号处理与编码方案。目前，电子耳蜗的语音处理方案大致可以分为两大类：一类是提取语音信号的基频和共振峰等特征信息，称为SPEAK方案。例如Nucleus耳蜗植入装置所使用的F0/F1/F2解决方法；另一类通过对语音信号进行分频段滤波处理，然后根据耳蜗频率分布，将对应频率信号通过电极传送到耳蜗的不同区域。例如目前被广泛使用的，连续间隔采样语音信号处理器(Continuous Interleaved Sampling，CIS)。上述编码方案，无论是运用共振峰的SPEAK方案，还是CIS方案，对于耳蜗这个重要的部位的信号处理，采用的是频谱分析或者是带通滤波来模拟。它们能够在一定程度上反映在反应其频率-部位、强度-发放率编码，但不能反映耳蜗的非线性。

我们长期从事听觉外周的信号处理机制研究，在国家自然科学基金支持下开展的《耳蜗音调信息感知的激光干涉研究》的最新结果表明，耳蜗还通过非线性对音调的感知发挥作用，使其能对基频缺失信号以及准周期信号的音调通过非线性得以表达。这意味着现有电子耳蜗编码方案采用的频谱分析、带通滤波等线性计算在反映耳蜗信号处理上存在缺陷，需要有更好的方法来替代。国际上也注意到耳蜗的非线性在听觉信号处理中的重要性，认为耳蜗可以看成是一个停留在Hopf分叉点的振子，但是只是一个数学上的抽像方程，用以反映耳蜗具有的部分典型非线性特征，实际行为与真实耳蜗还存差距。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于耳蜗听觉非线性动力学机理的电子耳蜗编码方法，旨在解决采用传统耳蜗模拟计算方法的电子耳蜗动态范围小，音调信息传递困难的问题。

本发明提供了一种基于耳蜗听觉非线性动力学机理的电子耳蜗编码方法，包括下述步骤：

(1)建立耳蜗非线性动力学模型；