（电路与系统专业论文）多道电子耳蜗系统研究及其接收刺激器实现.pdf

鲎坚墨堕皇翌塑墨篓堕窒壁基幽燮塑竺塑 多道电子耳蜗系统研究及其接收刺激器实现 曾晓军 摘要 ， ( 据美国健康统计中心t h en a t i o n a lc e n t e rf o rh e a l t hs t a t i s t i c s ( n c h s ) 的统计 数据表明，大约有两百分之一的人完全失去了听觉，听觉障碍是所有身体残疾 中最为普遍的 1 。听力丧失有许多原因，归纳起来有两类：一类是传导性耳聋， 另一类是传感性耳聋。传导性听力丧失是由于听力系统中的机械通道有障碍， 例如三小骨的损坏。这类耳聋可用助听器或者通过外科手术来消除，但对传感 性耳聋，传统的助听器毫无作用，因为耳蜗内的毛细胞受到了严重的损坏，以 致于无法将声波转换成生物电信号，但是耳蜗内的大部分听觉神经是完好无损 的，要使这类耳聋恢复听觉必须直接用电刺激听觉神经 7 】，这正是人工电子耳 蜗所要完成的任务和目标。 为了使耳聋者获得更好的语音理解，人工电子耳蜗必须是一个多通道系统。 本文实现的多道( 2 2 根电极) 电子耳蜗接收刺激器是人工电子耳蜗系统中的重 要组成部分，它将直接被置入患者耳蜗附近的乳突骨腔中，通过电感耦合接收 从体外语音处理器发射的数据信号，通过整流滤波为接收刺激器提供电源同 时提取时钟信号和数据包络 3 1 】。i 发射的每帧数据中包含同步头、有源电极选 择、刺激模式选择、刺激幅度控制_ 第一相刺激和第二相刺激时间控制脉冲。 根据这一数据格式，接收刺激器将接收的信号经译码，获得同步脉冲，分离出 各个不同作用的控制信号，来选择刺激电极和控制可编程电流源，使刺激器根 据不同的控制信号产生不同的双相恒流脉冲，驱动不同组合的电极，去刺激耳 蜗内不同位置的听觉神经，使耳聋患者恢复听觉。 本接收刺激器是一个数模混合电路，数字部分主要包括：包络检波和时钟 提取电路、预分频和同步检测器、错误检测器、电极计数器、状态计数器、有 源电极锁存器和输出开关电路网络：模拟部分主要包含；电源电压监测器、并 曾晓军：多道电子耳蜗系统研究及其接收刺激器实现 联稳压器、参考电流发生器、电流微调网络和可编程电流源。整个电路采用正 向设计，全定制单片集成，采用3 j t mp 阱c m o s 工艺，面积为 3 5 2 3 5 5 m m 2 ，有3 。个压焊脚。太 本文完成的主要创新芹日正作： 、 深入广泛地研究了人工电子耳蜗系统的原理和特点，包括语音处理策 略、接收刺激器以及电极数目的选择；并根据不同方面的要求，更加 完善了本接收刺激器的性能指标。 为了保证接收刺激器不产生错误的、不希望的刺激脉冲，提出了一个 错误检测器。 利用一个增强型大m o s 管的亚闽区效应，成功地设计和实现了一个高 精度高可靠性的可编程电流源。 在单电源下，通过一个多路可控的开关网络，利用电极极性互换，实 现了适合于听觉神经刺激的不含直流分量的双相恒流脉冲。 低功耗实现了整个接收刺激器电路的单片集成。 建立了适合于实验室低成本的测试环境，并成功地测试了芯片的所有 参数和功能。 ( 通过测试，各性能指标符合设计要求，并在整个人工电子耳蜗系统应用中 成功地通过了测试和验证。在上海医科大学进行了临床试验，并使一耳聋患者 恢复了听觉。 由于中国人口众多，耳聋患者相对也多，本课题的成功完成，无疑具有很 大的社会效益，同时随着人们生活水平的不断提高，也会带来不可低估的经济 效益。吱 关键词：电子耳蜗，? 耳蜗移植；、听力恢复，电刺激i 接收刺激器， 分类号：t n 4 6 ，r 3 1 8 1 2 塑堕兰! 墨壅皇至里塑墨篓堑窒垦茎壁堕型堂墨窭堡一 s t u d i e so fam u l t i p l e c h a n n e le l e c t r o n i cc o c h l e as y s t e m a n d i m p l e m e n t a t i o n o fi t sr e c e i v e r s t i m u l a t o r z e n g ，x i a o j u n a b s t r a c t d a t ac o l l e c t e db yt h en a t i o n a lc e n t e rf o rh e a l t hs t a t i s t i c ( n c h s ) i nt h eu n i t e d s t a t e so fa m e r i c as h o wt h a ta b o u to n ei ne v e r yt w oh u n d r e dp e r s o n sh a sap r o f o u n d h e a r i n gh a n d i c a p ，w h i c hi st h em o s tp r e v a l e n to fa l li m p a i r m e n t s 1 】h e a r i n gl o s s m a y b ed u et om a n yc a u s e s ，a n di sg e n e r a l l yo ft w ot y p e s ：o n ei sc o n d u c t i v eh e a r i n g l o s sa n dt h eo t h e ro n ei ss e n s o r i n e u r a lh e a r i n gl o s s t h ec o n d u c t i v eh e a r i n gl o s s r e s u k sf r o mt h ei m p e d e dm e c h a n i c a lp a t h w a y si nh e a r i n gs y s t e m ，f o re x a m p l eb y d a m a g e t ot h eo s s i c l e s t h i st y p e o f h e a r i n g l o s sm a yb eh e l p e d b y u s eo f h e a r i n ga i d s s o m et y p e so fc o n d u c t i v eh e a r i n gl o s sc o u l db ea l l e v i a t e db ys u r g i c a lp r o c e d u r e s s e n s o r i n e u r a lh e a r i n gl o s sr e s u l t sf r o md a m a g eo ft h eh a i rc e l l si nt h ec o c h l e a f o r t h i st y p eo f p a t i e n t ，c o n v e n t i o n a lh e a r i n ga i d sw i l lo f f e rn oi m p r o v e m e n t ，b e c a u s et h e m e c h a n i s m sf o rt r a n s d u c i n gs o u n dw a v ei n t on e r v ei m p u l s e sh a v eb e e nd a m a g e d h o w e v e rt h em a j o ra u d i t o r yn e r v e si nt h ec o c h l e aa r ei n t a c t ，i nc a s eo ft h i sh e a r i n g l o s st h eo n l ym e a n so fr e s t o r i n gs o m eh e a r i n gi st o d i r e c t l ys t i m u l a t et h ea u d i t o r y n e r v ee l e c t r i c a l l y 7 1 t h a ti st h em a i np u r p o s ea n dt h em a i nt a s ko ft h ee l e c t r o n i c c o c h l e at oc o m p l e t e i no r d e rt om a k et h ed e a fp e o p l ea c h i e v eb e t t e r s p e e c hu n d e r s t a n d i n g ，t h e e l e c t r o n i cc o c h l e am u s th a v e m u l t i p l e c h a n n e l s t h em o s ti m p o r t a n t p a r t o fa n e l e c t r o n i cc o c h l e as y s t e mi st h em u l t i p l e c h a n n e lr e c e i v e r - s t i m u l a t o ri m p l e m e n t e di n t h i st h e s i s ，w h i c hw i l lb ei m p l a n t e di n t ot h em a s t o i d a l c a v i t yn e a r b y t h ec o c h l e a d a t a 3 萱堕垩! 兰堕鱼王曼塑丕堑堑窒壁基壁坚型塑墨垂望一 s i g n a l st r a n s m i t t e db ya n e x t e r n a ls p e e c hp r o c e s s o ra r er e c e i v e dt h r o u g hat u n e d i n d u c t i v ec o i l t h ep o w e rs u p p l yf o r t h er e c e i v e r s t i m u l a t o ri sd e r i v e df r o mt h e r e c t i f i e da n df i l t e r e dd a t as i g n a l s m e a n w h i l e ，t h ec l o c ka n dt h ed a t ae n v e l o p ea r e e x t r a c t e d af r a m eo ft r a n s m i t t e dd a t ai sc o m p o s e do fas y n c h r o n i z a t i o nb u r s t ，a n e l e c n d d es e l e c t i o nb u r s t ，am o d es e l e c t i o nb u r s t ，as t i m u l u sa m p l i t u d ec o n t r o lb u r s t ， p h a s e 1a n dp h a s e2s t i m u l a t i o nc o n t r o lb u r s t a c c o r d i n gt ot h i sd a t af o r m a t ，a f t e r d e c o d i n gt h er e c e i v e dd a t at h er e c e i v e r s t i m u l a t o ro b t a i n st h es y n c h r o n i z a t i o np u l s e a n dt h ed i f f e r e n tc o n t r o ls i g n a l s ，w h i c ha r eu s e dt os e l e c tt h ea c t i v ee l e c t r o d ea n d c o n t r o lt h ep r o g r a m m a b l ec u r r e n ts o u r c e a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tc o n t r o ls i g n a lt h e r e c e i v e r s t i m u l a t o rp r o d u c e sd i f f e r e n tb i p h a s i cc u r r e n tp u l s e s ，w h i c ha r eu s e d t od r i v e ad i f f e r e n tc o m b i n a t i o no fe l e c t r o d e sa n ds t i m u l a t et h ea u d i t o r yn e r v eo fd i f f e r e n t p o s i t i o ni nc o c h l e a t or e s t o r es o m eh e a r i n go f t h e d e a f p e o p l e t h i sr e c e i v e r s t i m u l a t o ri sam i x e ds i g n a lc i r c u i t t h ed i g i t a lp a r ti n c l u d e s ： e n v e l o p ed e t e c t o r & c l o c ke x t r a c t i o n p r e s c a l e r & s y n c h r o n i z a t i o nd e t e c t o r , e r r o r d e t e c t o r , e l e c t r o d ec o u n t e r , s t a t ec o u n t e r , a c t i v e e l e c t r o d e l a t c h & o u t p u t s w i t c h i n gn e t w o r k ；t h ea n a l o gp a r ti n c l u d e s ：p o w e rs u p p l yv o l t a g em o n i t o r , v o l t a g e r e g u l a t o r , r e f e r e n c ec u r r e n tg e n e r a t o r , c u r r e n tt r i mn e t w o r k ，a n dp r o g r a m m a b l e c u r r e n ts o u r c e t h ew h o l ec i r c u i ti s f u l l - c u s t o m - i n t e g r a t e di n as i n g l ec h i pu s i n g 3 9 mp w e l l c m o sp r o c e s s ，t h ea r e a o f w h i c h i s3 5 2 3 5 5 r a m 2 ，a n d h a s3 0p a d s t h ef o l l o w i n gi st h em a i ni n n o v a t i o n sa n dt h em a i nw o r kw h i c hh a v eb e e nd o n e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ： i n t e n s i v e l ys t u d i e dt h ep r i n c i p l ea n df e a t u r e so fe l e c t r o n i cc o c h l e as y s t e m s i n c l u d i n gs p e e c hp r o c e s s i n gs t r a t e g i e s ，r e c e i v e r s t i m u l a t o ra n dt h ec h o i c eo f t h en u m b e ro f e l e c t r o d e ，a sw e l la si m p r o v e dt h es p e c i f i c a t i o n so fr e c e i v e r - s t i m u l a t o ra c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t sf r o md i f f e r e n td i r e c t i o n ss u c ha s p a t i e n t s ，p r e v i o u sc l i n i c a lt r i a le x p e r i e n c e ，s a f e t y , e t c a n e r r o rd e t e c t o rh a sb e e n p r o v i d e dt og u a r a n t e et h er e c e i v e r s t i m u l a t o rn o t t op r o d u c ei n c o r r e c ta n du n w a n t e ds t i m u l u sp u l s e s a p r o g r a m m a b l ec u r r e n ts o u r c ew i t hh i r g hp r e c i s i o na n dh i g hr e l i a b i l i t yh a s 4 萱堕垩! 墨壅皇王里塑墨笙堡窒丞基壁堕型塑墨壅堡一 b e e ns u c c e s s f u l l yd e s i g n e da n di m p l e m e n t e db yt a k i n ga d v a n t a g eo ft h e e f f e c to fa l a r g ee n h a n c e m e n t m o st r a n s i s t o ro p e r a t i n gi nt h es u b t h r e s h o l d r e g i o n u n d e rt h es i n g l ep o w e rs u p p l y , t h eb i p h a s i cc u r r e n tp u l s e sw i t h o u tn e td c c o m p o n e n t w h i c ha r es u i t a b l e f o r a u d i t o r y n e r v es t i m u l a t i o n o r e i m p l e m e n t e db yr e v e r s a l o ft h ec o n n e c t i o n so ft h ee l e c t r o d e st h r o u g ha c o n t r o l l a b l em u l t i p a t h ss w i t c h i n gn e t w o r k t h ew h o l er e c e i v e r - s t i m u l a t o rc i r c u i t so r ei n t e g r a t e di nas i n g l ec h i pw i t h l o w p o w e rd i s s i p a t i o n al o wc o s tc h i pt e s te n v i r o n m e n th a sb e e nb u i l t a n da l lp a r a m e t e r sa n d f u n c t i o n so f t h e c h i ph a v eb e e ns u c c e s s f u l l yt e s t e d t h et e s tr e s u l t so fa l ls p e c i f i c a t i o n sm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h er e c e i v e r - s t i m u l a t o r c h i p h a sb e e n s u c c e s s f u l l y v e r i f i e di nt h ee l e c t r o n i cc o c h l e a s y s t e m a p p l i c a t i o n i th a sb e e nr e p o r t e dt h a to n ep a t i e n tw i t ht h i sr e c e i v e r s t i m u l a t o rc h i ph a s r e s t o r e dh i s h e a r i n g i ns h a n g h a im e d i c i n e u n i v e r s i t y i ti sn od o u b tt h a tt h es u c c e s s f u la c c o m p l i s h m e n to ft h i sp r o j e c th a sm u c hs o c i a l b e n e f i t ，b e c a u s ec h i n ah a sm o r ed e a fp e o p l et h a no t h e rc o u n t r i e sd u et o h u g e p o p u l a t i o n m e a n w h i l e ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp e o p l el i v el e v e l ，i tw i l la l s ob r i n g u n u n d e r e s t i m a b l ee c o n o m i c p r o f i t k e y w o r d s ：e l e c t r o n i cc o c h l e a ，c o c h l e a ri m p l a n t ，h e a r i n gp r o s t h e s i s ，e l e c t r i c a l s t i m u l a t i o n ，r e c e i v e r s t i m u l a t o r 5 鲎堕至! 兰堂皇王星塑垂堕婴壅垦基壁鉴型鲎堡薹翌一 感谢 首先我要衷心地感谢我的导师洪志良教授! 本论文就是在他的悉心指导 下和热情鼓励下进行的，他严谨的科研作风和渊博的学识使作者受益匪浅。由 洪教授提出申请，把人工电子耳蜗列入了国家科研项目，对本论文工作起到了 积极重要的作用。除了学习外，他还关心学生的生活和身体情况，时常帮助解 决学生生活中的一些困难。特别是他那自始至终的态度、积极的工作热情、刻 苦钻研的精神以及他那大度的胸怀和谆谆教诲不断地激励着学生。 我还要感谢我的另一位导师一凌燮亭教授! 他对本论文给予了极大的关 注。同时我要感谢上海半导体器件研究所的钱学俭总工程师和赵建忠高工，感 谢他们的合作。在此我还要感谢上海贝岭微电子公司对芯片制备给予的帮助和 上海医科大学在临床试验方面给予的配合。 另外要感谢参与本项目的同事：任俊彦、缪国清、程志宏、曹先国和晁英 伟，他们在版图设计和芯片测试给予了极大的帮助。对鼓励和支持我的老师和 朋友们在此同表示感谢。 最后感谢我的妻子钱俐和我的父母以及岳父岳母，感谢他们对我的关怀、 支持和鼓励1 6 曾晓军 堕堕至! 墨堂皇至堡塑墨笙堑壅丛基堡堕型遨墨堡里一 插图清单 图l 、入耳结构示意图 图2 、频率编码示意图 图3 、电刺激脉冲速率与音调感觉的关系图 图4 、人工电子耳蜗一般系统框图一 图5 、电子耳蜗移植示意图 图6 、拥有2 2 根电极的人工电子耳蜗系统框图 图7 、数据信号传输格式一 图8 、连续问插采样示意框图一 图9 、f o f 1 ，f 2 语音处理策略框图 图1 0 、双相恒流脉冲示意图 图1 1 、驱动2 2 根电极的接收刺激器数字电路框图 图1 2 、包络检波和时钟提取电路 图1 3 、包络检波和时钟提取电路的输入输出关系 图1 4 、输出开关网络 图1 5 、多极刺激模式 图1 6 、输出开关电路 图1 7 、数字部分电路中重要信号时序 图1 8 、模拟部分电路框图 图1 9 、参考电流发生电路 图2 0 、电流微调电路 图2 i 、电源电压监测器框图 图2 2 、v d s 和v s b 固定时，l o g 七与v g s 的关系曲线 5 2 】 图2 3 、可遍程电流源原理图 图2 4 、可编程电流源信号时序 图2 5 、输出电流镜 图2 6 、输出电流镜信号时序 图2 7 、( a ) 双相电流脉冲发生器原理图( b ) 控制时序图 图2 8 、接收刺激器芯片照片 9 ” h 埔 懈 伸 加 扒 巧 拍 鹤 匆 如 ” 弧 卯 ” 钔 舵 钙 “ 卯 如 钉 娩 望堕至! 墨鲎皇至兰塑墨竺竺窒垦基堡堕型塑矍塞塑 图2 9 、可编程恒流源芯片照片5 3 图3 0 、实验室芯片测试环境5 3 图3 1 、测试信号产生框图5 4 图3 2 、电平转换电路5 4 图3 3 、晶振产生测试信号所需的2 5 m h z 时钟5 5 图3 4 、芯片输入输出连接图5 5 图3 5 、2 2 根电极问的模拟假负载网络连接图5 6 图3 6 、双极刺激模式的输入信号5 7 图3 7 、多极刺激模式的输入信号5 8 图3 8 、错误数据5 9 图3 9 、( a ) 输入信号数据包络，( b ) 数据包络中的脉冲( 2 5 m h z ) 5 9 图4 0 、( a ) 输入信号波形照片，( b ) 接收刺激器产生的双相恒流刺激脉冲6 0 图4 l 、恒流源输出随幅度控制脉冲的宽度( 即放电时间) 变化的实测关系曲线 图4 2 、刺激图形示意图 1 0 6 0 6 1 曾晓军：多道电子耳蜗系统研究及其接收刺激器实现 表1 、人耳的主带分布 表2 、编码方式 表3 、输出开关电路的组合状态 表4 、电流微调系数 列表清单 1 5 2 2 3 8 4 2 塑堕至! 垄堂皇王里塑墨笙婴壅垦基壁坚型塑墨塞堡一 第1 章前言 社会发展的今天，物质文化和精神文化都已极大发展，人们过着丰富多彩 的生活，但还有相当一部分人生活在一个没有声音的世界里。根据美国国家健 康统计中心t h en a t i o n a lc e n t e rf o rh e m t hs t a t i s t i c s ( n c h s ) 的统计数据 表明全世界大约有两百分之一的人完全失去了听觉，听力障碍是所有身体残疾 中最为普遍的 1 。我们知道，耳是人的重要器官之一，没有它，人们就无法方 便地交流思想和感情。 几世纪以来，人们相信只有奇迹才能恢复聋者的听力。1 8 世纪末和1 9 世 纪初，电刺激产生声音的感觉首先引起了人们的注意，b e n j a m i nf r a n k l i n 和 a l e s s a n d r ov o l t a 记录了在耳里电刺激产生的感觉反应 1 2 。自从d j o u r n o 和e y r i e s 把一根电极放置在一位双耳失聪患者的耳蜗内进行试验以来，这一现 象就开始进入了系统化的研究 1 3 。开始的实验结果是不令人满意的，因为 患者听到的只是不可理解的声音。然而，为了帮助耳聋者恢复听觉，科学家们 从人耳的生理学、解剖学以及精神物理学方面做了深入细致的研究，随着信号 处理技术的发展，特别是由于微电子技术和微加工技术的高速发展，使得人工 电子耳蜗技术获得了突破性的进展。通过大量的临床试验 1 5 3 5 3 6 3 7 3 8 3 9 ，人工电子耳蜗已经收到了令人满意的效果，使耳聋者重新回到有声 的世界变为现实。尽管取得了不少的成功，但人工电子耳蜗技术还在不断地向 前发展。 在国外，特别是美国的c l a r i o n 、澳大利亚的n u c l e u s 和奥地利的m e d e l 实用电子耳蜗听觉恢复技术获得了很大的成功。在我国，中国医科大学和上海 医科大学开展过单电极简单电子耳蜗的研究和应用，并举办过植入手术培训班。 但是在多通道人工电子耳蜗的研究和实现还属首创，本课题在 1 8 1 9 2 0 和 其它相关文献的基础上对多道电子耳蜗系统进行了研究，并成功地实现了具有 2 2 个通道适合于多种语音处理策略的接收刺激器芯片，它将被植入患者耳蜗附 近的乳突骨中。我国人口众多，估计大约有6 0 0 万耳聋者，本课题的成功无疑 将会带来显著的社会效益和经济效益。 1 2 堕堕垩! 垒堂皇王里塑墨堕堕窒墨基堡坚型塑矍壅垫一一 为了更好地理解多道人工电子耳蜗的设计思想，我们必须首先要了解关于 人耳的生理学和解剖学方面的知识。另外，由于电刺激脉冲与正常人由声波刺 激产生的生物电信号不可能相同，所以也必须懂得在听力系统中关于电刺激的 精神物理学方面的知识( 精神物理学主要研究刺激与感觉的关系) 。下面将介绍 声音的形成原理、频率编码和强度编码、电刺激与感觉的关系、人工电子耳蜗 发展史和系统概况，之后给出本文章节的安排。 1 1 人耳的结构及功能 人耳的解剖结构如图1 所示，它一般分为三部分：外耳、中耳和内耳 2 2 。 由耳廓收集声音信号直接传到耳道( e a rc a n a l ) ，耳道末端是鼓膜( e a r d r u m ) ， 鼓膜的另一边面向中耳，紧靠着鼓膜的是锤骨、占骨和搅拌骨，总称为三小骨。 搅拌骨的尾部附在椭圆窗。当鼓膜一振动，振动波将传到锤骨，经占骨激活搅 拌骨。中耳充满了空气，通过咽鼓管使鼓膜两边静态空气压力平衡。耳蜗内充 满了象水一样的不可压缩的液体。当搅拌骨振动时，它把声波传到耳蜗内。在 内耳，由椭圆窗的振动在耳蜗基膜上建立的传递波刺激毛发细胞，产生生物电 信号，由第八神经传到大脑，从而使人听到声音。 图1 、人耳结构示意图 1 3 萱堕至! 墨堂皇王呈塑丕笙婴窒墨基堡堕型塑墨薹堡 1 2 频率编码和强度编码 耳蜗相当于一个机电转换器和听力系统中的频率选择分析器，把经编码过 的神经脉冲送入大脑。频率编码示意图如图2 n 示，它说明了不同的声音频率 沿着基膜在不同的位置引起神经兴奋。基膜上大约有2 5 ，0 0 0 个毛发细胞，低频 信号在耳蜗的顶部能引起最多的毛发细胞兴奋，而高频信号在基部能引起最多 的毛发细胞兴奋，这就是所谓的“频率编码的位置理论”【1 0 】。对每个毛发细 胞来说，似乎有一个带通滤波器、电平检测器、平滑网络和一个超微型传感器 f 2 1 1 1 2 2 。耳蜗起到了对声音信号连续频谱分析的作用，然后将处理后的信息经 第八神经传入大脑。 图2 、频率编码示意图 基膜、单独的毛发细胞和单独的听觉神经纤维各自显示了相当的频率选择 性，这些综合的效果导致听力系统的总体频率分辨率，可归结为一个带通滤波 器阵列，称为主带 2 l 】。主带有连续交叠的中心频率，如表1 n 示，表中列出了 主带的中心频率、带宽及带宽与中心频率的比值。从主带的带宽变化来看，大 体相当于一组三分之一倍频( o n e t h i r do c t a v e ) 滤波器( 其带宽与中心频率比为 2 32 ) 。 1 4 曾晓军：多道电子耳蜗系统研究及其接收刺激器实现 表1 、人耳的主带分布 主带中心频带宽( 赫带宽中主带中一心频带宽带宽中 率( 赫兹) 兹)心频率率( 赫( 赫心频率 比( )兹1兹)比 15 01 0 02 0 01 31 8 5 02 8 01 5 21 5 01 0 06 71 42 1 5 03 2 01 5 32 5 01 0 04 01 5 2 5 0 03 8 01 5 4 3 5 01 0 02 91 62 9 0 04 5 01 6 54 5 01 1 02 41 7 3 4 0 05 5 01 8 65 7 01 2 02 11 8 4 0 0 07 0 01 9 77 0 01 4 0 2 01 94 8 0 09 0 01 9 8 8 4 01 5 01 82 0 5 8 0 01 1 0 01 9 91 0 0 0 1 6 01 62 l7 0 0 0 1 3 0 01 9 1 0 1 1 7 01 9 01 62 2 8 5 0 01 8 0 02 1 1 1 1 3 7 02 l o1 52 3 1 0 5 0 02 5 0 02 4 1 2 1 6 0 02 4 01 52 4 1 3 5 0 03 5 0 02 6 尽管强度变化的感觉在语音理解中不太重要，但大的变化会影响语音识别 1 0 ，因此，在听觉恢复系统设计中也需要考虑强度编码。 有两个主要的强度编码理论。第一个理论表述了强度是在神经纤维放电的 平均速度基础上编码。然而这个理论有些问题，因一些研究表明所有的听觉神 经纤维在某一频率有相近的刺激门限和2 0 到5 0 d b 的动态范围，因此单独在这 基础上，正常听觉的1 2 0 d b 动态范围就不能编码【1 0 】。第二个理论表述了强度 在被刺激的神经纤维总数基础上编码。较强的声音沿着基膜导致的传输波有较 大的幅度和较宽的传播，这将导致更多的听觉神经纤维兴奋 1 2 1 1 2 3 。 1 3 电刺激与感觉的关系 电刺激听觉神经产生声音的感觉，这一现象为发展人工电子耳蜗奠定了基 1 5 塑堕星! 墨堂皇王呈塑墨堕婴壅壁基壁些型塑墨窒塑一 础。人工电子耳蜗是根据声音信号产生一系列的刺激脉冲，刺激耳蜗内的听觉 神经，使耳聋者听到声音，这些刺激脉冲和在正常人耳由声音产生的生物电信 号不可能是相同的，但是人的感觉与电刺激有一定的关系。这一关系究竟如何 呢? 科学家们通过大量的实验，总结出了“位置一音调”( “p l a c e - p i t c h ”) 原理和 “速率音调( “r a t e p i t c h ”) 原理【l 】【2 1 【2 4 1 ，其关系示意图如图3 所示。 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 0 ( 刺激重复频率( h z ) ) 图3 、电刺激脉冲速率与音调感觉的关系图 “位置一音调”原理：在同一刺激频率下，耳蜗内不同的位置将产生不同的 音调感觉( 图中不同的电极编号代表不同的位置) ，在耳蜗基部产生高音的感觉， 而在顶部产生低音的感觉。 “速率一音调”原理：在同一位置，不同频率的刺激脉冲将产生不同的音调 感觉，刺激重复频率越高，感觉到的音调也就越高，但当刺激脉冲速率高于某 一频率时，音调变化不大，处于饱和状态。在5 0 3 0 0 h z 范围内能获得最大的音 调识别。但有的证据表明：通过训练后，刺激速率可以达到1 0 0 0 h z ，甚至2 0 0 0 1 - 1 ：e 还可分辨出音调。这两个原理在人工电子耳蜗中起着重要的作用。 另外，声音的“响度”感觉也不是独立的，它随着刺激脉冲速率、电极位 1 6 m 舳 蚰 加 塑堕至! 多堂皇王璺塑丕堕堑塞垦基! 耋鉴型塑墨窒婴- 一 置、刺激脉冲幅度及刺激时间长短的变化而变化。 1 4 发展历史 两百年前，科学家a l e s s a n d r ov o l t a 在他的耳朵里插入一根带有有源电路的 金属棒，他描述了类似于开水声音的感觉 1 】，这是最早的具有文字记载的直接 电刺激听觉系统的尝试。尽管在接下来的5 0 年里进行了其它的尝试，到十九世 纪中叶，用电刺激的想法作为一种治疗方法被拒绝【5 5 】。 直到1 9 3 0 年代初，电刺激在听力方面的影响才再被开始研究。然而由于当 时所面临的技术难题难以克服，所以并没有使人工电子耳蜗进入实质性的应用。 到1 9 5 0 年代后期，法国科学家报告了第一次通过在一个聋者内耳里插入一 跟电极获得了成功的听觉神经电刺激，患者觉察到了语音的韵律，并报告了电 刺激在唇读方面提供的帮助 5 5 。这正是今天现代的人工电子耳蜗系统研究与 开发的丌始。 1 9 6 0 年代在研究和开发电子耳蜗投入了大量的工作。到1 9 7 0 进行了i 临床应 用。这些早期的电子耳蜗都是单通道系统，它只能将刺激信息送到耳蜗中的一 个电极位置。单通道应用效果不佳，一般不能提供语言识别，只能给患者提供 一些声音和语音的知觉，增强一些唇读能j j 5 6 。 1 9 8 0 年代，随着微电子，微细加工技术和信号处理技术的发展，给人工电 子耳蜗技术带来了重大的进展，引入了多通道电子耳蜗。多通道系统可以在耳 蜗内不同的位置同时或者顺序刺激听觉神经纤维，这是很重要的，因为耳蜗本 身就是不同位置的每个神经纤维都被调谐到相应的不同音调频率上，在耳蜗的 基部获取高频信号，而在顶部获取低频信号。随着多通道人工电子耳蜗的引入， 电子耳蜗已经达到了不需唇读理解语音的能力。人工电子耳蜗技术的最新发展 是朝着具有多种刺激方式和多种语音处理策略方向发展。 1 7 堕咝垩! 垒堂皇i 里塑墨篓婴塞垦基壁蝗型塑矍燕堡，。一 1 5 a i 电子耳蜗系统概况 近十年来，世界上开发出了几种人工电子耳蜗，目前具有代表性的是澳大 利豫的n u c l e u s2 2 1 5 6 、美豳的c l a r i o n 5 7 ；f t l 奥地利的m e d ”e 1 1 5 8 。近来的人工 电子耳蜗系统( 如图4 ) 一般包括：体外有麦克风和语音信号处理器，体内有 接收刺激器和电极【4 】 5 】【6 】f 8 】。其简单的工作原理：由麦克风拾音，将信号送 入语音处理器，处理器根据不同的处理策略对语音进行处理，对刺激信息进行 编码，然后经人体皮肤传送到体内的接收刺激器。接收刺激器根据输入的信号 经解码，产生相应的刺激脉冲，驱动电极，刺激残留的听赏神经，从i 耐达到使 耳聋者恢复听力的目的。 一 体外 叫驷 体内 圈4 、人正电子耳娲般系统框戮 根据刺激通道的数融，人工电子耳蜗可分为单通道系统和多通道系统。在 单通道系统中，电极只能在耳蜗内某一位置产生刺激，所以只有3 0 0 5 0 0 h z 的 带宽【7 】【9 】，如此窄的带宽说明了单通道系统不能实现较好的语裔识别。从理论 和实验证明，要获得较好的语言理解，必须是个多通道系统【l o 】【11 1 4 】。多 通道必须有多根电极，多根电极( 电极阵列) 被植入耳蜗内以馒不疑豹听懿神 经可以在不同的位置被刺激，这正是利用了频率编码豹挝置理论。 圈5 1 5 6 绘出了令人工电予耳烬移搪示意图，i e 女l l 上嚣所介绍静郯榉， 它包鸯体钋郝分鞠髂逡郝分： ( a ) 麦宠风( 被戴在耳聋患者静琢朵露器，像耳税一样可方馁地欷下或 裁上) 固邀缆( 连接麦壳蕊帮语音处理器，以及传输线圈和语膏处理嚣) 】8 鲎堕至! 垒堂皇至里塑墨堕丛窒星基壁堕重! 堂墨窒堡一 ( c ) 语音处理器 ( d ) 传输线圈 ( e ) 接收刺激器 m 电极阵列( 被植入耳蜗内) ( g ) 耳蜗 ( h ) 听觉神经 1 6 本文章节安排 图5 、电子耳蜗移植示意图 在下一章将主要阐述人工电子耳蜗系统方面的设计，给出了传输数据格式 的定义以及每个数据的作用，讨论了不同的语音处理策略，总结了对接收刺激 器的设计要求。 在第3 章中详细阐述了部分关键电路的设计和实现，对数字电路进行了功 能描述，在模拟电路中特别是对可编程电流源进行了详细的讨论。 在第4 章中给出了接收刺激器芯片照片，描述了测试环境的建立，测试信 号的准备，并对测试结果进行了总结。 最后，第5 章给出了结论和将来的方向。 1 9 塑堕垩! 垒堂皇至呈塑墨篓堕壅墨基堡蝗型蹩墨塾 第2 章系统设计 电子耳蜗的主要旦的是月惠脉冲刺激瞬鐾枣孛经，消除健感性孵力障碍。系 统撼图如图6 ，月一般框图一撵，它包含蕊大郝分：一部分在体孙，另一部分 在体痰。同样由麦克风拾音，燎信号送到避啻处理嚣，对褰l 激信息进行数字编 码，寒获褥一个较大的动态范爨，较好熬镕嗓毙和较离浆刺激精度。然后将编 码蜃豹信号逶过藕合线錾穿j 建人体皮获耦合妥接收刺激器，发射频率为 2 5 m h z 3 0 ，接收粼激嚣一方瑶；接牧数耀