專利名稱：分布皮膚刺激式人工聽覺裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及醫(yī)療器械領域，特別是幫助聽力喪失者獲得人工模擬聽覺的設備。
背景技術：
電子技術的不斷發(fā)展推出了多種為聽力有障礙的人提高聽覺質量的裝置。其中最為常見的是助聽器、電子耳蝸和外置式觸覺模擬聽覺系統(tǒng)。助聽器能夠放大聲音，濾除噪聲，可以大大提高聽力低下患者的聽覺質量，但是對于聽力完全喪失的患者卻沒有用；電子耳蝸采用了高科技微電子技術，能夠將聲音變換成電信號直接刺激聽神經(jīng)，對于聽覺完全喪失的患者效果也很顯著。但是電子耳蝸價格十分昂貴，而且需要手術植入，很難大規(guī)模推廣，對于聽神經(jīng)已受損的患者也不起作用；外置式觸覺模擬聽覺系統(tǒng)是一種新的解決方案，它使聽力有障礙的患者通過皮膚觸覺獲得模擬聽覺。設備結構簡單，使用方便，對人耳完全不依賴，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。但是現(xiàn)有的設備僅僅將聲音信號轉換為電信號直接刺激皮膚，使用者不能從刺激中分辨出聲音的內(nèi)容，僅僅能夠獲得聲音的大小，有無，高低等等簡單的信息，遠不能分辨出包含的語言信息，而且長期直接用電流刺激皮膚會使皮膚受到傷害。
綜上所述，采用新的技術提高外置式觸覺模擬聽覺系統(tǒng)的分辨能力是一條非常用價值的研究途徑，新技術的實施將使高效廉價的助聽裝置成為可能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種采用全新方法設計的外置式觸覺模擬聽覺系統(tǒng)。它能夠讓使用者同時獲得并分辨出聲音的頻率分布信息和每個頻段的振幅信息。
本發(fā)明的目的可以采用以下技術方案實現(xiàn)提出一種為幫助聽力喪失者獲得人工模擬聽覺的方法，包括如下步驟(1)使用拾音器將聲音信號轉換為音頻電信號。
(2)把音頻電信號放大，并通過低通濾波器濾掉不需要的高頻信號。
(3)把經(jīng)過濾波后的音頻電信號通過A/D轉換轉化為數(shù)字信號。
(4)把數(shù)字音頻信號輸入處理器處理，將時域信號變成頻域信號，并作多種加權處理。
(5)把處理后的頻域信號送往多個多通道D/A轉換器轉換成模擬信號。
(6)每個D/A轉換器的模擬輸出驅動一個刺激器刺激皮膚。
本發(fā)明的目的還可以通過采用以下技術方案來進一步實現(xiàn)設計制造一種分布皮膚刺激式人工聽覺裝置，包括拾音器，放大濾波處理電路，線陣式分布刺激器，電池及其充放電管理電路。其中放大濾波處理電路包括運算放大器、有源濾波器、A/D轉換器、數(shù)字處理器(DSP)、D/A轉換器、驅動器。
所述的分布皮膚刺激式人工聽覺裝置在打開開關后將自動進行工作。使用者只需將一邊嵌有線陣式分布刺激器的帶子貼著皮膚系于腰間，將拾音器固定在胸前。處理電路即將獲取的聲音信號進行變換處理并驅動刺激器刺激皮膚。對使用者來說，聲音的大小反映在刺激器上就是刺激器振幅的大小，聲音的頻率分布反映在刺激器上就是產(chǎn)生振動的刺激器的位置分布。例如當使用者所處環(huán)境中只有一個4000赫茲左右的高功率單音時(重按鋼琴最高音鍵可模擬此效果)，使用者將感覺“腰帶式”刺激器最左邊的振動刺激器強烈震動；當一個單音變?yōu)?000赫茲，2000赫茲，100赫茲三個低功率復音時，使用者將感覺“腰帶式”刺激器最左邊，中間，最右邊三處的振動刺激器同時小幅振動。這樣通過感覺刺激器振動幅度和位置的不斷變化，使用者經(jīng)過一段適應性的使用將能夠準確分辨出語音內(nèi)容。


圖1為本發(fā)明-分布皮膚刺激式人工聽覺裝置的硬件構成原理圖；圖2為分布式刺激器與D/A轉換器連接示意圖；圖3為數(shù)字處理器(DSP)的軟件流程圖。
具體實施例方式
以下結合各附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明1.如圖1所示，首先聲音信號激勵拾音器產(chǎn)生與聲音信號波形相同的模擬電信號，此模擬電信號通過一個耦合電容輸送到下級放大電路。拾音器可以是電阻式，電容式，動圈式，根據(jù)不同拾音器的使用條件搭配不同的偏置電路。這種電路常見于話筒，電話，手機的拾音電路中。耦合電容為1μF左右無極性電容，起到隔直作用。
2.放大電路由一個運算放大器組成，調節(jié)運算放大器的反饋電阻可以改變放大倍數(shù)，將模擬電信號的幅值放大到適合采樣的大小。運算放大器采用低噪聲高增益運放。放大倍數(shù)的選擇標準為能夠將聲強為80dB的聲音對應的電信號放大到A/D轉換器的滿量程為宜。這是因為人正常談話的聲強為60dB～70dB。
3.經(jīng)過放大的模擬電信號再通過一個低通濾波器，濾去不需要的高頻成分。濾波器的設計采用無限增益多路反饋低通濾波器或二階壓控電壓源低通濾波器，調節(jié)濾波器的電阻、電容值使濾波器的截至頻率為4000赫茲。因為根據(jù)統(tǒng)計人的語音頻率絕大部分在4000赫茲以下，而且一架普通鋼琴的頻率范圍為也為27.5赫茲-4186赫茲，因此4000赫茲以上的頻率基本不包含有用信息，濾掉4000赫茲以上的高頻信號對后續(xù)處理有利而且基本不會丟失語音信息。
4.將經(jīng)過低通濾波的模擬電信號輸入A/D轉換器。A/D轉換器的分辨率為16位，與數(shù)據(jù)處理器(DSP)數(shù)據(jù)位寬相等以便處理。A/D轉換器的轉換頻率為每秒8000次，是最高語音頻率4000赫茲的兩倍以滿足香儂-奈虧斯特采用定理不致失真。A/D轉換器的啟動由定時器控制，每125μs啟動一次。每次轉換完成后向數(shù)據(jù)處理器(DSP)發(fā)出中斷，數(shù)據(jù)處理器(DSP)響應中斷將數(shù)據(jù)從A/D轉換器中讀出保存在緩沖區(qū)。
5.數(shù)字處理器(DSP)是整個處理電路的核心。處理器的主要任務是把A/D采樣得到的數(shù)字音頻信號進行時域-頻域變換，變換的結果是得到音頻信號中各個頻譜成分的強度。用經(jīng)過時域-頻域變換后的數(shù)據(jù)驅動D/A轉換器再驅動刺激器可以讓使用者獲得對聲音頻率信息的分辨能力。時域-頻域變換的方法很多，常見的有傅立葉變換，拉普拉斯變換，Z變換，小波變換等等。其中傅立葉變換中的快速傅立葉變換是較為快速的變換方法，本裝置即采用此算法。
6.數(shù)字處理器(DSP)內(nèi)部存儲空間分為5個部分，兩個A/D采樣緩沖區(qū)，每個大小為320byte用于緩存A/D采樣20毫秒內(nèi)來的數(shù)據(jù)；一個快速傅立葉變換原數(shù)據(jù)區(qū)，大小為2048byte用來保存傅立葉變換前的數(shù)據(jù)；一個快速傅立葉變換運算數(shù)據(jù)區(qū)，大小為2048byte用來保存變換過程的中間數(shù)據(jù)以及變換完成后的數(shù)據(jù)；一個輸出數(shù)據(jù)區(qū)，大小為400byte，用來保存加權、取平均值運算后的數(shù)據(jù)用來輸出給D/A轉換器，通過D/A轉換成模擬信號后再驅動刺激器。
處理器工作在中斷等待模式下，其工作流程如圖3所示。每得到一個來自A/D轉換器的中斷，處理器將讀出數(shù)據(jù)保存在活動緩沖區(qū)。如果當前的活動緩沖區(qū)存滿則將另一個緩沖區(qū)啟用為活動緩沖區(qū)。兩個緩沖區(qū)輪流充當活動緩沖區(qū)，以避免活動緩沖區(qū)存滿后正在向原數(shù)據(jù)區(qū)復制數(shù)據(jù)時A/D轉換得到的數(shù)據(jù)無處保存。每次活動緩沖區(qū)從空到滿需用20ms，存滿后觸發(fā)快速傅立葉轉換程序。快速傅立葉轉換以及后續(xù)處理將在20ms內(nèi)完成，因為根據(jù)人的口腔發(fā)聲原理和子帶編碼理論(SBC)，可以認為語音的波形在20ms內(nèi)基本保持不變。如果處理器的運算速度足夠快，可以把兩次變換的時間間隔縮短到10～20ms。
快速傅立葉轉換程序過程如下處理器先把存滿了的緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)更新到快速傅立葉變換原數(shù)據(jù)區(qū)。更新的方法為，將原數(shù)據(jù)區(qū)中的數(shù)據(jù)在保持原有順序的前提下整體向高位地址空間遷移，遷移的地址偏移量為320byte，高位數(shù)據(jù)移出后作丟棄處理，低位地址空間寫入最近存滿的那個緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，共320byte。完成遷移后將整個原數(shù)據(jù)塊拷貝到運算數(shù)據(jù)區(qū)，拷貝完成后啟動一次1024點(2048byte)的快速傅立葉變換?？焖俑盗⑷~變換是通用的時域-頻域變換方法，其變換速度快，中間數(shù)據(jù)保存覆蓋于原數(shù)據(jù)上，因而所用的存儲空間較小。
快速傅立葉變換完成后將得到1024點(2048byte)，這1024個點分布在頻域空間中，分別表示聲音電信號每個頻點上的幅值。第N個點的頻域坐標為7.8125×N，其中7.8125為基頻。由于刺激器的個數(shù)的限制，需要把1024個點壓縮至與刺激器的個數(shù)一樣多。壓縮方法很多，由于人耳對頻率的分辨能力不是線性，最好根據(jù)人耳對頻率的分辨能力參數(shù)進行非等間隔壓縮。以下介紹一種簡單的等間距壓縮每2.5個點取一個平均值。如將的1點的值加上第2點值再加上第3點值的一半，再除以2.5就得到第一個平均值，以此類推得到409個平均值。
經(jīng)過壓縮后的頻域信號仍為為16位，再經(jīng)過A律或μ律壓縮為8位。A律或μ律是語音壓縮常用的方法。人耳對于聲音的振幅感覺不是線性，對小振幅相對敏感度高。上述兩種壓縮方法正是模擬了人耳的這種性質，使得壓縮后的失真度最小。經(jīng)過壓縮得到409個8位數(shù)據(jù)，丟棄最后9個，因為其對應的頻段為人耳不敏感的次聲頻段。最后得到400個8位數(shù)據(jù)。
由于人耳對各個頻段的聲音靈敏度不同，對1000赫茲左右最為敏感，兩端靈敏度逐漸降低，所以為了模擬人耳的聽覺效果需要對輸出的數(shù)據(jù)加權。另外人體皮膚對振動刺激的反應也不是與振幅成正比的，為了達到準確的刺激效果也需要對輸出數(shù)據(jù)加權。以上兩個加權函數(shù)可以疊加在一起，一次性完成加權計算。加權公式為Yn＝Xn×Ann為1到400的整數(shù)Yn為加權后的第n個數(shù)，Xn為加權前的第n個數(shù)，An為第n點的權重因子。
權重因子來源于實測數(shù)據(jù)，內(nèi)置于程序存儲器EEPROM中。最后將加權后的400個數(shù)據(jù)送往D/A轉換器。
7.D/A轉換器與數(shù)字處理器(DSP)的接口為串口或I2C接口。數(shù)字處理器(DSP)將數(shù)據(jù)以串行的形式發(fā)送至50個D/A轉換器，每個D/A轉換器有8個通道，一共有400個通道。數(shù)據(jù)傳輸完成后，數(shù)字處理器(DSP)啟動轉換使能端，所有D/A轉換器同時轉換將數(shù)字信號轉換成模擬信號輸出。D/A轉換器的參考端接有1000～2000赫茲的正弦信號，具體頻率為振動刺激器的諧振頻率，可以使得刺激器的振幅達到最大值。在這個過程中，D/A轉換器實際上是用輸入的數(shù)字信號對1000～2000赫茲的正弦信號進行調幅，得到400個調幅輸出。其具體連接方式為，將1000～2000赫茲的正弦信號接在D/A轉換器的參考電壓端(Vref)。這時如果輸入數(shù)字信號為Din，則輸出信號為Vout＝Vref(Din/256)，這樣就實現(xiàn)了用輸入數(shù)字信號對正弦信號的幅度調制，使壓電陶瓷刺激器有256級不同振幅。每個壓電陶瓷的振幅代表了聲音信號內(nèi)其對應頻率的強度的大小。
8.每個D/A的模擬輸出端接有驅動器，驅動器的輸入輸出電壓相等或呈線性關系，輸出電流比輸入大，保證能夠正常驅動刺激器。驅動器的輸出端接壓電陶瓷刺激器。如果D/A轉換器內(nèi)部有驅動器，使得輸出的電流可以驅動壓電陶瓷，則驅動器可以省略。
9.整個系統(tǒng)一共使用了400個壓電陶瓷刺激器，如圖2所示。它們呈線性排列，每個壓電陶瓷一端連接驅動器的輸出端，另一端接地。經(jīng)過傅立葉變換并加壓縮權后的驅動信號，其對應的坐標空間已經(jīng)為頻域空間，每個驅動信號都對應了一個中心頻點，同時每個驅動信號對應驅動一個刺激器。刺激器在空間位置上從左至右排列，對應驅動他們的信號在頻率空間中也是依次遞增或遞減。這樣聲音的頻率分布信息將通過刺激器的空間位置區(qū)分開來。因此如果有高音輸入，左邊的刺激器會振動；低音輸入右邊的刺激器會振動。輸入的聲音越高，刺激器振動的位置越靠左；輸入的聲音越低，刺激器振動的位置越靠右。同時有多個不同頻率的聲音輸入時，則會有多個相應點振動。
10.刺激器采用壓電陶瓷振動式刺激器。壓電陶瓷具有直流阻抗大，功耗小，體積小，動作速度快的特點，相比電極刺激器還有對皮膚無害的特點。每個壓電陶瓷刺激器長5mm，寬0.6mm左右。它們按照寬的方向順序排列，焊接在一條柔性電路板上，每兩個之間間隔0.4mm以防相互干擾。整個電路板長度約為400mm，它的背面將焊接D/A轉換器和驅動器。整個電路板被包裹在保護橡膠套中，只露出壓電陶瓷刺激器，形狀好像一根腰帶。D/A轉換器的電源線和數(shù)據(jù)線包成一束，從“腰帶”的一段引出并與處理板連接。使用者只需將“腰帶”的有刺激器的一面貼于皮膚，系于腰間就可以通過刺激器的振動“感覺”聲音。
11.整個系統(tǒng)的頻率分辨率為10赫茲左右，振幅分辨率為8位(256級)，聲音波形的分析時間間隔為20ms。本系統(tǒng)中的數(shù)值處理器(DSP)使用的是TSM320C5402，A/D轉換器是MAX1165，D/A轉換器是MAX5594。增加刺激器的個數(shù)可以提高系統(tǒng)的頻率分辨率，提高D/A轉換器的精度可以提高振幅分辨率，采用更高速度的數(shù)值處理器(DSP)或高速可編程邏輯器件(FPGA)可以縮短聲音波形的分析時間間隔。另外采用多層壓電陶瓷刺激器、提高驅動器輸出電壓電流，可以增大刺激器振幅獲得更好的刺激效果。
權利要求
1.一種幫助聽力喪失者獲得模擬聽覺的方法，包括如下步驟(1)使用拾音器將聲音信號轉換為音頻電信號。(2)把音頻電信號放大，并通過低通濾波器濾掉不需要的高頻信號。(3)把經(jīng)過濾波后的音頻電信號通過A/D轉換轉化為數(shù)字信號。(4)把數(shù)字音頻信號輸入處理器處理。(5)把經(jīng)過處理后的信號經(jīng)過D/A轉換后送往刺激器刺激皮膚，讓使用者獲得對聲音的感覺。
2.按照權利要求1所述的幫助聾人獲得聽覺的方法，其特征還在于對數(shù)字音頻信號的處理采用了時域-頻域變換方法。
3.按照權利要求2所述的時域-頻域變換方法，其特征還在于時域-頻域變換方法的具體實施采用快速傅立葉變換(Fast Fourier Transform)方法。
4.按照權利要求3所述的快速傅立葉變換(Fast Fourier Transform)方法，其特征還在于每次進行快速傅立葉變換(Fast Fourier Transform)前，將存儲器中的變換原數(shù)據(jù)進行部分更新。將上次變換的整個變換原數(shù)據(jù)塊向高位地址空間遷移，遷移的地址偏移量為兩次變換時間間隔內(nèi)A/D轉換所得的數(shù)據(jù)所占空間的大小。高位數(shù)據(jù)移出后丟棄，在低位地址空間寫入在兩次變換時間間隔內(nèi)A/D轉換所得的數(shù)據(jù)。更新完成后將原數(shù)據(jù)塊拷貝到變換運算數(shù)據(jù)區(qū)在進行變換。
5.按照權利要求1所述的幫助聾人獲得聽覺的方法，其特征還在于對數(shù)字音頻信號的處理還包括對時域-頻域變換后得到的數(shù)據(jù)進行模擬人耳聽覺函數(shù)的加權。
6.按照權利要求1所述的幫助聾人獲得聽覺的方法，其特征還在于對數(shù)字音頻信號的處理還包括對時域-頻域變換后得到的數(shù)據(jù)進行了模擬人體對刺激器感覺函數(shù)的加權。
7.按照權利要求1所述的幫助聾人獲得聽覺的方法，其特征還在于所采用的刺激皮膚的刺激器為分布式多點刺激器，可以組成線陣或面陣。
8.按照權利要求7所述的采用的刺激皮膚的刺激器為分布式多點刺激器，其特征還在于單個刺激器采用壓電陶瓷振動刺激器。
9.按照權利要求1所述的幫助聾人獲得聽覺的方法，其特征還在于時域-頻域變換并加權后的數(shù)字驅動信號的頻域坐標與振動刺激器的空間坐標具有線性對應關系，刺激器按照位置關系從左至右對應的數(shù)字驅動信號的頻域坐標依次遞增或遞減。
10.按照權利要求1所述的幫助聾人獲得聽覺的方法，其特征還在于每個刺激器的模擬驅動信號為一個經(jīng)過幅度調制的正弦波。調制信號為時域一頻域變換并加權后的數(shù)字信號，由D/A轉換器的數(shù)據(jù)輸入端輸入；被調制的正弦波頻率為1000～2000赫茲，由D/A轉換器的參考電壓端輸入。
全文摘要
本發(fā)明涉及醫(yī)療器械領域，特別是幫助聽力喪失者獲得人工模擬聽覺的設備。整個裝置包括聲音的模擬電信號采集器，A/D轉換器，處理單元，分布式刺激單元等。音頻信號經(jīng)過數(shù)字化后送入處理器進行時域－頻域變換等處理，最后驅動多個刺激器刺激皮膚。借助皮膚的觸覺使用者不僅能夠感受到聲音的振幅信息而且還能感受到聲音的頻率信息，達到模擬人耳產(chǎn)生聽覺的效果。本裝置體積小，可隨身攜帶，反復充電使用，可部分替代電子耳蝸功能。
文檔編號H04R25/00GK1819719SQ20061006750
公開日2006年8月16日 申請日期2006年3月7日 優(yōu)先權日2006年3月7日
發(fā)明者鐘茗 申請人:鐘茗