通道自适应动态峰值人工耳蜗信号处理方法和系统.pdf

本发明公开了一种通道自适应动态峰值人工耳蜗信号处理方法和系统，包括步骤：对传送的声信号进行分频处理，把信号分解为A个频段；根据可用电极的数目N，将A个频段合并为N个通道，同时保存每个通道的包络能量；计算每个通道的目标动态范围，并且将每个通道的包络能量调整至目标动态范围内；根据调整后的每个通道的包络能量的大小，对N个通道进行排序，选择能量最大的M个通道；对M个通道的每个通道的包络能量进行声-电刺激压缩，确定M个通道中需要刺激的通道并传送该刺激通道的刺激信息和能量。从而，本发明可以有效减少背景噪声对识别的影响，保证正常的听音环境效果。

1.  一种通道自适应动态峰值人工耳蜗信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
对传送的声信号进行分频处理，把信号分解为A个频段；
根据可用电极的数目N，将A个频段合并为N个通道，同时保存每个通道的包络能量；
计算每个通道的目标动态范围，并且将每个通道的包络能量调整至目标动态范围内；
根据调整后的每个通道的包络能量的大小，对N个通道进行排序，选择能量最大的M个通道；
对M个通道的每个通道的包络能量进行声-电刺激压缩，确定M个通道中需要刺激的通道并传送该刺激通道的刺激信息和能量。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在进行声信号的分频处理之前，先通过自动增益控制的采样模块，准确无失真采集30-100dB动态范围的声信号。

3.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算每个通道的目标动态范围，并且将每个通道的包络能量调整至目标动态范围内，是通过累加并存储第一个L帧包络能量值，作为第一个时间段的通道平均能量；之后累加第帧到第帧包络能量值，作为第二个时间段的通道平均能量；比较两个能量值，保存较小的能量值；以此类推，最终保存了一段时间内通道内平均能量的最小值；
若通道的声信号输入的动态范围为[Amin,Amax]，按通道平均能量最小值，分为下述4种情况调整通道动态范围至目标动态范围[A'min,A'max]内：
若NL<Dmin，输入动态范围调整为[Amin-X,Amax]，即目标动态范围[A'min,A'max]为[Amin-X,Amax]；此时背景噪声小，处于安静情况，把动态范围的下限降低XdB；
若Dmin<NL<Dmid，输入动态范围为[Amin,Amax]，即目标动态范围[A'min,A'max]为[Amin,Amax]，不调整输入动态范围；
若Dmid<NL<Dmax，输入动态范围调整为[Dmax-C,Amax]，即目标动态 范围[A'min,A'max]为[Dmax-C,Amax]；此时背景噪声比较大，把动态范围的下限提高CdB；
若NL>Dmax，输入动态范围调整为[Dmax-F,Amax]，即目标动态范围[A'min,A'max]为[Dmax-F,Amax]；此时背景噪声是接受的最大噪声，把动态范围的下限提高FdB；
其中，NL为通道平均能量最小值，Dmin为最小背景噪声门限，Dmid为背景噪声的中间值，Dmax为背景噪声的最大值。

4.  根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在对M个通道的每个通道的包络能量进行声-电刺激压缩时，是在M个通道中，将第i个通道的能量设为A_i，i≤M；按如下方法进行转换为电流幅度E_i或者记为不刺激通道：
则A_i<A'min时，E_i=0，记为不刺激通道；
则A'min<A_i<A'max时，E_i=Emin+(Emax-Emin)*k；
则A_i>A'max时，E_i=Emax；
其中，k=[(A_i-A'min)/(A'max-A'min)]^p；
p的取值范围为0.2-0.5，Emin和Emax分别对应于植入者电极的电刺激感知阈值和舒适阈值的参数；每个通道的A'min和A'max分别对应于调整后传送的声信号的最小能量和最大能量。

5.  根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对M个通道的每个通道的包络能量进行声-电刺激压缩之后，确定M个通道中需要刺激的通道并传送该刺激通道的刺激信息和能量是设累计刺激通道数为Z，累计不刺激通道数为Ｍ－Z；根据体内外系统的不同要求，当刺激通道数小于一定个数时，体外向体内传送的能量将不足以维系体内的正常工作，记该最小刺激通道数为Y，2≤Y≤M；
当Z小于Y时，需要强制产生至少Y个通道的刺激信息和能量;对不刺激的电极，不传送刺激信息和能量；
当Z大于Y时，则直接产生Z个通道的刺激信息和能量；传送Z个通道对应电极的刺激信息和能量；对不刺激的电极，不传送刺激信息和能量。

6.  根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当Z小于Y时，针对Ｍ个通道中，能量排序最大的前Y个通道的声电压缩，按如下处理：A_i<A'min时，E_i=Emin；然后，传送该Y个通道对应电极的刺激信息和能量。

7.  一种通道自适应动态峰值人工耳蜗信号处理系统，其特征在于，包 括：
分频处理单元，对传送的声信号进行分频处理，把信号分解为A个频段；根据可用电极的数目N，将A个频段合并为N个通道，同时保存每个通道的包络能量；
调整单元，与分频处理单元相连，计算每个通道的目标动态范围，并且将每个通道的包络能量调整至目标动态范围内；
峰值选取单元，与调整单元相连，根据调整后的每个通道的包络能量的大小，对N个通道进行排序，选择能量最大的M个通道；
压缩刺激单元，与峰值选取单元相连，对M个通道的每个通道的包络能量进行声-电刺激压缩，确定M个通道中需要刺激的通道并传送该刺激通道的刺激信息和能量。

8.  根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述的调整单元计算每个通道的目标动态范围，并且将每个通道的包络能量调整至目标动态范围内，是通过累加并存储第一个L帧包络能量值，作为第一个时间段的通道平均能量；之后累加第帧到第帧包络能量值，作为第二个时间段的通道平均能量；比较两个能量值，保存较小的能量值；以此类推，最终保存了一段时间内通道内平均能量的最小值；
若通道的声信号输入的动态范围为[Amin,Amax]，按通道平均能量最小值，分为下述4种情况调整通道动态范围至目标动态范围[A'min,A'max]内：
若NL<Dmin，输入动态范围调整为[Amin-X,Amax]，即目标动态范围[A'min,A'max]为[Amin-X,Amax]；此时背景噪声小，处于安静情况，把动态范围的下限降低XdB；
若Dmin<NL<Dmid，输入动态范围为[Amin,Amax]，即目标动态范围[A'min,A'max]为[Amin,Amax]，不调整输入动态范围；
若Dmid<NL<Dmax，输入动态范围调整为[Dmax-C,Amax]，即目标动态范围[A'min,A'max]为[Dmax-C,Amax]；此时背景噪声比较大，把动态范围的下限提高CdB；
若NL>Dmax，输入动态范围调整为[Dmax-F,Amax]，即目标动态范围[A'min,A'max]为[Dmax-F,Amax]；此时背景噪声是接受的最大噪声，把动态范围的下限提高FdB；
其中，NL为通道平均能量最小值，Dmin为最小背景噪声门限，Dmid为背景噪声的中间值，Dmax为背景噪声的最大值。

9.  根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述的压缩刺激单元在对M个通道的每个通道的包络能量进行声-电刺激压缩时，是在M个通道中，将第i个通道的能量设为A_i，i≤M；按如下方法进行转换为电流幅度E_i或者记为不刺激通道：
则A_i<A'min时，E_i=0，记为不刺激通道；
则A'min<A_i<A'max时，E_i=Emin+(Emax-Emin)*k；
则A_i>A'max时，E_i=Emax；
其中，k=[(A_i-A'min)/(A'max-A'min)]^p；
p的取值范围为0.2-0.5，Emin和Emax分别对应于植入者电极的电刺激感知阈值和舒适阈值的参数；每个通道的A'min和A'max分别对应于调整后传送的声信号的最小能量和最大能量；
对M个通道的每个通道的包络能量进行声-电刺激压缩之后，确定M个通道中需要刺激的通道并传送该刺激通道的刺激信息和能量是设累计刺激通道数为Z，累计不刺激通道数为Ｍ－Z；根据体内外系统的不同要求，当刺激通道数小于一定个数时，体外向体内传送的能量将不足以维系体内的正常工作，记该最小刺激通道数为Y，2≤Y≤M；
当Z小于Y时，需要强制产生至少Y个通道的刺激信息和能量;对不刺激的电极，不传送刺激信息和能量；
当Z大于Y时，则直接产生Z个通道的刺激信息和能量；传送Z个通道对应电极的刺激信息和能量；对不刺激的电极，不传送刺激信息和能量。

10.  根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述的压缩刺激单元在当Z小于Y时，针对Ｍ个通道中，能量排序最大的前Y个通道的声电压缩，按如下处理：A_i<A'min时，E_i=Emin；然后，传送该Y个通道对应电极的刺激信息和能量。

通道自适应动态峰值人工耳蜗信号处理方法和系统
技术领域
本发明涉及神经刺激领域，特别是指一种通道自适应动态峰值人工耳蜗信号处理方法和系统。
背景技术
人的耳蜗毛细胞是接收声音的感觉细胞。当耳蜗毛细胞损伤严重时，就会出现严重的听力损伤。人工耳蜗就是替代已损伤毛细胞，通过电刺激听觉神经重新获得声音信号的一种电子装置。它通常由一个体外装置和一个可植入的体内装置组成。体外装置称为言语处理器，体内装置称为植入体。人工耳蜗植入体通过手术埋在病人的耳后皮下部位，植入体中的电极阵列在手术中被插入到病人耳蜗的鼓阶内，与病人的听神经相作用。图1给出典型的现代人工耳蜗结构示意图。
言语处理器主要功能是通过麦克风拾取声信号，经信号处理单元器对声信号进行处理和编码后，由传输线圈以无线的方式将刺激所需的信号发射到体内植入装置。植入体由接收线圈、刺激器和电极阵列组成。植入体接收来自言语处理器的刺激编码信号和各种控制信号，同时产生电源供刺激器的电路工作。在信号解码的过程中，植入体芯片的数字逻辑部分对解码的数据进行检查和确认，保证各项刺激参数都在正常和安全的范围之内。解码成功后，植入体内的刺激生成电路根据指定的幅度、脉冲宽度和刺激率生成双向的电刺激脉冲，并发送到指定的电极通道上。除了前向的刺激之外，植入体将芯片的各种状态信息和电极采集的生理信号通过传输线圈回传给体外的言语处理器供系统分析和处理。
对于正常听力者而言，声音的响度承受范围是120dB，而对于人工耳蜗植入者，电刺激的动态范围仅有10-20dB左右，取决于使用者电刺激阈值（T值）和舒适阈值（C值）。设计人工耳蜗言语处理器的一个重要指标是声信号的输入动态范围，这决定了将多少动态范围的声信号压缩映射至使用者的T值和C值之间。现代人工耳蜗一般将输入动态范围限定在40-70dB，可 以根据植入者的个人情况或信号处理策略的不同而调整。
通常情况下，针对每一帧信号（4ms），人工耳蜗的体外部分需要向植入体发送相应的刺激信息，包括刺激幅度，脉冲宽度，刺激速率等；另外，鉴于植入体本身并没有电源，为了维持体内部分的正常工作，还需要向体内传送一定的能量，假设每一帧声音有M个电极产生刺激，体外向体内发送的信息与能量如图2所示，人工耳蜗的功耗主要来源于此。
在安静的环境下，言语处理器一般给出一个比较小的刺激（通常不超过T值），仅为了维持体内外的连接。此时虽然植入者并无声音的感知，但能量损耗依然与正常听音情况差别不大。而在有一定背景噪声的环境时，尤其是固定背景噪声下，植入者虽然有声音感知，但外界的噪声会带来令人不悦的感受。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种通道自适应动态峰值人工耳蜗信号处理方法和系统，能够提高人工耳蜗的利用率。
基于上述目的本发明提供的通道自适应动态峰值人工耳蜗信号处理方法，包括以下步骤：
对传送的声信号进行分频处理，把信号分解为A个频段；
根据可用电极的数目N，将A个频段合并为N个通道，同时保存每个通道的包络能量；
计算每个通道的目标动态范围，并且将每个通道的包络能量调整至目标动态范围内；
根据调整后的每个通道的包络能量的大小，对N个通道进行排序，选择能量最大的M个通道；
对M个通道的每个通道的包络能量进行声-电刺激压缩，确定M个通道中需要刺激的通道并传送该刺激通道的刺激信息和能量。
可选地，在进行声信号的分频处理之前，先通过自动增益控制的采样模块，准确无失真采集30-100dB动态范围的声信号。
可选地，计算每个通道的目标动态范围，并且将每个通道的包络能量调整至目标动态范围内，是通过累加并存储第一个L帧包络能量值，作为第一个时间段的通道平均能量；之后累加第帧到第帧包络能量值，作为 第二个时间段的通道平均能量；比较两个能量值，保存较小的能量值；以此类推，最终保存了一段时间内通道内平均能量的最小值；
若通道的声信号输入的动态范围为[Amin,Amax]，按通道平均能量最小值，分为下述4种情况调整通道动态范围至目标动态范围[A'min,A'max]内：
若NL<Dmin，输入动态范围调整为[Amin-X,Amax]，即目标动态范围[A'min,A'max]为[Amin-X,Amax]；此时背景噪声小，处于安静情况，把动态范围的下限降低XdB；
若Dmin<NL<Dmid，输入动态范围为[Amin,Amax]，即目标动态范围[A'min,A'max]为[Amin,Amax]，不调整输入动态范围；
若Dmid<NL<Dmax，输入动态范围调整为[Dmax-C,Amax]，即目标动态范围[A'min,A'max]为[Dmax-C,Amax]；此时背景噪声比较大，把动态范围的下限提高CdB；
若NL>Dmax，输入动态范围调整为[Dmax-F,Amax]，即目标动态范围[A'min,A'max]为[Dmax-F,Amax]；此时背景噪声是接受的最大噪声，把动态范围的下限提高FdB；
其中，NL为通道平均能量最小值，Dmin为最小背景噪声门限，Dmid为背景噪声的中间值，Dmax为背景噪声的最大值。
进一步地，在对M个通道的每个通道的包络能量进行声-电刺激压缩时，是在M个通道中，将第i个通道的能量设为A_i，i≤M；按如下方法进行转换为电流幅度E_i或者记为不刺激通道：
则A_i<A'min时，E_i=0，记为不刺激通道；
则A'min<A_i<A'max时，E_i=Emin+(Emax-Emin)*k；
则A_i>A'max时，E_i=Emax；
其中，k=[(A_i-A'min)/(A'max-A'min)]^p；
p的取值范围为0.2-0.5，Emin和Emax分别对应于植入者电极的电刺激感知阈值和舒适阈值的参数；每个通道的A'min和A'max分别对应于调整后传送的声信号的最小能量和最大能量。
进一步地，对M个通道的每个通道的包络能量进行声-电刺激压缩之后，确定M个通道中需要刺激的通道并传送该刺激通道的刺激信息和能量是设累计刺激通道数为Z，累计不刺激通道数为Ｍ－Z；根据体内外系统的不同 要求，当刺激通道数小于一定个数时，体外向体内传送的能量将不足以维系体内的正常工作，记该最小刺激通道数为Y，2≤Y≤M；
当Z小于Y时，需要强制产生至少Y个通道的刺激信息和能量;对不刺激的电极，不传送刺激信息和能量；
当Z大于Y时，则直接产生Z个通道的刺激信息和能量；传送Z个通道对应电极的刺激信息和能量；对不刺激的电极，不传送刺激信息和能量。
进一步地，当Z小于Y时，针对Ｍ个通道中，能量排序最大的前Y个通道的声电压缩，按如下处理：A_i<A'min时，E_i=Emin；然后，传送该Y个通道对应电极的刺激信息和能量。
基于上述目的，本发明还提供了通道自适应动态峰值人工耳蜗信号处理系统，包括：
分频处理单元，对传送的声信号进行分频处理，把信号分解为A个频段；根据可用电极的数目N，将A个频段合并为N个通道，同时保存每个通道的包络能量；
调整单元，与分频处理单元相连，计算每个通道的目标动态范围，并且将每个通道的包络能量调整至目标动态范围内；
峰值选取单元，与调整单元相连，根据调整后的每个通道的包络能量的大小，对N个通道进行排序，选择能量最大的M个通道；
压缩刺激单元，与峰值选取单元相连，对M个通道的每个通道的包络能量进行声-电刺激压缩，确定M个通道中需要刺激的通道并传送该刺激通道的刺激信息和能量。
可选地，所述的调整单元计算每个通道的目标动态范围，并且将每个通道的包络能量调整至目标动态范围内，是通过累加并存储第一个L帧包络能量值，作为第一个时间段的通道平均能量；之后累加第帧到第帧包络能量值，作为第二个时间段的通道平均能量；比较两个能量值，保存较小的能量值；以此类推，最终保存了一段时间内通道内平均能量的最小值；
若通道的声信号输入的动态范围为[Amin,Amax]，按通道平均能量最小值，分为下述4种情况调整通道动态范围至目标动态范围[A'min,A'max]内：
若NL<Dmin，输入动态范围调整为[Amin-X,Amax]，即目标动态范围[A'min,A'max]为[Amin-X,Amax]；此时背景噪声小，处于安静情况，把动态范 围的下限降低XdB；
若Dmin<NL<Dmid，输入动态范围为[Amin,Amax]，即目标动态范围[A'min,A'max]为[Amin,Amax]，不调整输入动态范围；
若Dmid<NL<Dmax，输入动态范围调整为[Dmax-C,Amax]，即目标动态范围[A'min,A'max]为[Dmax-C,Amax]；此时背景噪声比较大，把动态范围的下限提高CdB；
若NL>Dmax，输入动态范围调整为[Dmax-F,Amax]，即目标动态范围[A'min,A'max]为[Dmax-F,Amax]；此时背景噪声是接受的最大噪声，把动态范围的下限提高FdB；
其中，NL为通道平均能量最小值，Dmin为最小背景噪声门限，Dmid为背景噪声的中间值，Dmax为背景噪声的最大值。
进一步地，所述的压缩刺激单元在对M个通道的每个通道的包络能量进行声-电刺激压缩时，是在M个通道中，将第i个通道的能量设为A_i，i≤M；按如下方法进行转换为电流幅度E_i或者记为不刺激通道：
则A_i<A'min时，E_i=0，记为不刺激通道；
则A'min<A_i<A'max时，E_i=Emin+(Emax-Emin)*k；
则A_i>A'max时，E_i=Emax；
其中，k=[(A_i-A'min)/(A'max-A'min)]^p；
p的取值范围为0.2-0.5，Emin和Emax分别对应于植入者电极的电刺激感知阈值和舒适阈值的参数；每个通道的A'min和A'max分别对应于调整后传送的声信号的最小能量和最大能量；
对M个通道的每个通道的包络能量进行声-电刺激压缩之后，确定M个通道中需要刺激的通道并传送该刺激通道的刺激信息和能量是设累计刺激通道数为Z，累计不刺激通道数为Ｍ－Z；根据体内外系统的不同要求，当刺激通道数小于一定个数时，体外向体内传送的能量将不足以维系体内的正常工作，记该最小刺激通道数为Y，2≤Y≤M；
当Z小于Y时，需要强制产生至少Y个通道的刺激信息和能量;对不刺激的电极，不传送刺激信息和能量；
当Z大于Y时，则直接产生Z个通道的刺激信息和能量；传送Z个通道对应电极的刺激信息和能量；对不刺激的电极，不传送刺激信息和能量。
进一步地，所述的压缩刺激单元在当Z小于Y时，针对Ｍ个通道中，能 量排序最大的前Y个通道的声电压缩，按如下处理：A_i<A'min时，E_i=Emin；然后，传送该Y个通道对应电极的刺激信息和能量。
从上面所述可以看出，本发明提供的通道自适应动态峰值人工耳蜗信号处理方法和系统，通过计算每个通道的目标动态范围，并且将每个通道的包络能量调整至目标动态范围内，有效减少背景噪声对识别的影响，保证正常的听音环境效果。同时，对调整后的每个通道的包络能量进行声-电刺激压缩，确定M个通道中需要刺激的通道并传送该刺激通道的刺激信息和能量，降低了能源的消耗。
附图说明
图1为现有技术中的人工耳蜗的结构示意图；
图2为现有技术中人工耳蜗的每一帧体外向体内发送的信息和能量示意图；
图3为本发明实施例通道自适应动态峰值人工耳蜗信号处理方法的流程示意图；
图4为本发明实施例通道自适应动态峰值人工耳蜗信号处理系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
参阅图3所示，为本发明实施例通道自适应动态峰值人工耳蜗信号处理方法的流程示意图，作为本发明的实施例，所述的通道自适应动态峰值人工耳蜗信号处理方法包括以下步骤：
步骤301，对传送的声信号进行分频处理，把信号分解为A个频段。在本发明的一个实施例中，具体的实现过程如下：
将传送的声信号进行分频处理，可以利用数字信号处理芯片（DSP）对采集到的声信号进行分频处理。较佳地，数字信号处理芯片（DSP）可以先对采集到的声信号进行预加重处理，在本发明的一个实施例中是按照下表进行预加重处理：