人工耳蜗的经皮能量传输设计

发布时间：2017-07-14 04:14

  本文关键词：人工耳蜗的经皮能量传输设计

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【摘要】：人工耳蜗是一种能为听觉神经细胞提供电刺激的听觉假体,是目前仿生学中科技含量较高的一种电子装置,又称电子耳蜗,是目前唯一能使全聋患者恢复听觉的有效手段。人工耳蜗将声波机械振动能量转换成植入体电极微弱的电流脉冲信号,以植入耳蜗的多通道电极为桥梁,刺激耳蜗内的听神经纤维从而产生神经冲动。该过程模拟听觉外周系统的功能,将神经冲动传到大脑,从而形成听觉。目前各国的医疗机构已把人工耳蜗作为治疗重度耳聋至全聋的常规方法,全世界佩戴人工耳蜗的病人数目已达10多万。 对于具有正常听力的人来说,声波的振动被耳廓收集,通过外耳道到达鼓膜,经听小骨的杠杆作用传至内耳外淋巴,引起基底膜的振动。基底膜上毛细胞的纤毛产生摆动引起细胞膜的电位变化,从而释放出神经递质,进而使位于毛细胞底部的听神经末梢纤维产生电位变化,这种电位变化经螺旋神经节细胞传至中枢,产生听觉。感音性耳聋病人有不同程度的毛细胞病变或减少,但还是保留着一定数量的听神经纤维和螺旋神经节细胞,因此通过电刺激的方法可以恢复听觉。 人工耳蜗是在深入了解人耳听觉系统的基础上开发出来的一种电子仿生装置,又称为“仿生耳”。它是利用电刺激的方法恢复全聋人听觉感知的电子装置,其功能是采用特殊手段模仿正常人的外耳、中耳、内耳耳蜗等人耳外周听觉系统的生理功能,代替病变的内耳毛细胞,直接刺激残存的听神经纤维而使聋人产生听觉。 人工耳蜗设备由佩戴于体外的言语处理装置和体内的植入装置组成,二者之间以皮肤相隔,通过电磁耦合的无线方式联系在一起,没有直接的导线连接。体外的言语处理装置包括：麦克风电路、模数转换电路、编码电路、射频发送电路、能量传输电路。体内植入装置包括射频接收电路、能量接收电路、解码／刺激电路。依据人耳部位编码原理,体外部分先将语音信号经过编码、调制,通过射频发送到植入体,植入体接收信号后,解码芯片对语音信号进行解码,然后刺激植入多通道电极。 人工耳蜗是现代高科技在医学领域应用最成功的典范。随着人工耳蜗在技术上和功能上的不断发展与稳定,人工耳蜗得到越来越多耳聋患者的青睐,使完全失聪者重新建立了人工耳蜗的听觉,造福于老中青等不同群体的高质量生活。 世界上主流的人工耳蜗公司均出自于国外,他们是美国的Advanced Bionics Corporation,代表型号为HiRes90K;奥地利的MED-EL,代表型号为PulsarCI100;澳大利亚的Cochlear,代表型号为CI24RE,这三种产品在我国的临床中应用的最大问题是汉语识别率低且价格昂贵。 我国的人工耳蜗研究开始较晚,近几年来,国内开始有个别研究者着手搭建人工耳蜗硬件开发平台。主要研究点集中在三个方面：一、搭建为语音算法提供采集与处理的人工耳蜗语音采集平台；二、设计一种能够进行经皮能量传输的能量供给源；三、设计植入体内的刺激电路。 2006年,曹玉珍等提出了一种感应式充电设计方案,利用电磁感应原理进行经皮能量传输。 2008年,孟丽等基于通用DSP芯片,设计了一款电子耳蜗体外语音处理器。该处理器能够有效的处理语音信号,但效率很低。 2009年,王志军等设计了一种专用于16通道、电流脉冲刺激方式的人工耳蜗体内刺激电路。该芯片可以产生16通道的双相刺激电流,无电流刺激时电极通过开关短接可以泄放电极上的不平衡电荷,提高了刺激的安全性。同年,上海交通大学的牛帅在他的硕士学位论文中,提出了一种适用于神经接口的基于SimpliciTI的无线微电流神经刺激系统设计。在他的设计中,采用的是一款专用的微电流神经刺激器。李颖等发表在国际生物医学工程杂志的文章-电刺激器的双极性输出及保护电路设计,以单向置数方式的DAC和运放电路结合,实现双极性输出,仿真效果较好。 2011年,上海交通大学的阳天亮在他的博士学位论文中,对经皮能量传输系统闭环控制方法进行了系统研究,通过仿真和实验表明所设计的E类放大器可以使经皮能量传输在一定的参数变化条件下次级输出电压恒定,但效率较低,容易受到干扰。 2013年,张树威等人设计了一种基于DSP的人工耳蜗语音处理器,采用双麦克风接受语音输入的自适应消噪技术,较好的消除了语音信号中的噪声。 上述文献表明,近年来国内的听觉科学研究者开始在人工耳蜗硬件平台上开始大胆尝试。本论文在总结现有技术的基础上,对人工耳蜗硬件平台进行设计,展开了一系列研究： 首先,本文对国际上主流的人工耳蜗编码策略CIS进行了MATLAB仿真。把经过预处理的声音通过8个带通滤波器滤波,再分别提取包络获得其振幅(4,4,…,4),最后采用经过非线性压缩的包络来刺激频率映射的听神经细胞。CIS策略采用双向脉冲相间调制,在同一时刻只有一个通道刺激被选中,这样可避免不同通道电极间的相互干扰。 其次,本文对模拟前端的音频采集电路和无线通信电路进行了设计,实验结果表明电路的抗干扰能力较强,功耗很低。 再次,特别就人工耳蜗能量供给的难题,对经皮能量传输简单建模,得出了经皮能量传输中耦合线圈设计的部分参数,总结了提高能量传输效率的设计方法。在此基础上设计了一种无线能量传输电路,经实验测定,该电路能够在初、次级线圈1cm的范围内稳定的输出5V电压且波动较小。 最后,从MATLAB平台移植CIS算法到所搭建的人工耳蜗硬件平台上,通过调试结果可以看出,设计的人工耳蜗处理结果与仿真结果一致。 本论文设计的基于经皮能量传输的人工耳蜗,能够满足基本的语音拾取,算法处理,无线通讯及解码刺激功能。在体佩式人工耳蜗的设计中,设置有音频采集模块、语音处理器模块、无线收发模块、经皮能量传输模块和植入体模块。各模块电路芯片的选择采用目前工程上相对较先进的商用芯片实现,且整个设计过程都将低功耗作为系统设计的基本准则。在耳背式人工耳蜗的设计中,以保证系统体积最小、质量最低的原则,在满足系统对语音信号正常处理的前提下,设计了一种可挂佩于耳朵的微型人工耳蜗外挂件,并给出了语音算法的实时处理结果。
【关键词】：人工耳蜗 语音处理器 经皮能量传输 仿生设备 语音编码
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R318.18
【目录】：

• 摘要3-7
• ABSTRACT7-15
• 第一章 绪论15-22
• 1.1 引言15
• 1.2 研究背景15-20
• 1.2.1 人工耳蜗技术的发展15-16
• 1.2.2 研究现状16-18
• 1.2.3 存在问题18-20
• 1.3 论文的立论依据及主要研究内容20
• 1.4 论文的组织结构20-22
• 第二章 耳聋的病理基础与人工耳蜗22-32
• 2.1 人耳的组成结构22-23
• 2.2 声音感知过程23-24
• 2.3 耳聋的病理24-25
• 2.4 语音的听觉模型25-26
• 2.5 功能性电刺激26-27
• 2.6 人工耳蜗的结构和工作原理27-29
• 2.7 人工耳蜗的对比29-31
• 2.8 本章小结31-32
• 第三章 人工耳蜗的关键技术问题32-41
• 3.1 模拟采集前端32-34
• 3.1.1 麦克风32-33
• 3.1.2 预处理电路33-34
• 3.2 语音处理器34
• 3.3 能量供给34-35
• 3.4 刺激电路35-36
• 3.5 语音编码算法36-40
• 3.6 本章小结40-41
• 第四章 经皮能量传输系统设计41-49
• 4.1 数据能量一体化传输41-42
• 4.2 经皮变压器型传输42-48
• 4.2.1 经皮变压器的模型42-45
• 4.2.2 屏蔽材料45
• 4.2.3 线圈线材规范45
• 4.2.4 匝数45-46
• 4.2.5 线圈调谐46-47
• 4.2.6 提高能量传输效率47-48
• 4.3 本章小结48-49
• 第五章 人工耳蜗硬件设计49-72
• 5.1 体佩式人工耳蜗的设计方案49-63
• 5.1.1 语音处理器50
• 5.1.2 音频编/解码器50-53
• 5.1.3 射频收发电路53-56
• 5.1.4 植入体模块56-57
• 5.1.5 经皮能量传输电路57-61
• 5.1.6 其他接口61-62
• 5.1.7 底层软件设计62-63
• 5.2 耳背式人工耳蜗的设计方案63-71
• 5.2.1 麦克风放大器63-65
• 5.2.2 语音处理器65-66
• 5.2.3 植入体66
• 5.2.4 软件设计66-67
• 5.2.5 算法核心67-68
• 5.2.6 非线性压缩68
• 5.2.7 刺激脉冲数据帧序列68-69
• 5.2.8 结果69-71
• 5.3 本章小结71-72
• 第六章 总结和展望72-74
• 6.1 论文完成的工作总结72-73
• 6.2 论文进一步研究的计划73-74
• 参考文献74-78
• 攻读硕士期间发表的论文及取得的成果78-79
• 致谢79-80

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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中国博士学位论文全文数据库 前2条

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本文编号：539617