多通道光遗传学刺激和抑制制造技术

描述了用于具有植入患者的光学刺激源的耳蜗内阵列的听觉假体的光遗传学信号处理，所述患者具有用光敏离子通道遗传修饰的听觉神经元。基于带通信号的特征时间精细结构特征，为每个带通信号的相应听觉神经元生成刺激定时信号。刺激定时信号包括：i.一个或多个通道打开信号，其被适配来打开相应听觉神经元的离子通道；以及，ii.一个或多个通道关闭信号，其被适配来关闭相应离子通道的离子通道。然后基于刺激定时信号为光学刺激源产生光学刺激信号。

Multichannel Photogenetic Stimulation and Inhibition

Photogenetic signal processing of an auditory prosthesis with an optical stimulus source implanted into the cochlea is described. The patient has auditory neurons genetically modified with photosensitive ion channels. Based on the characteristic time fine structure of the band-pass signal, a stimulus timing signal is generated for the corresponding auditory neurons of each band-pass signal. Stimulation timing signals include: I. one or more channel opening signals, which are adapted to open the ion channels of corresponding auditory neurons; and I I. one or more channel closing signals, which are adapted to close the ion channels of corresponding ion channels. Then the optical stimulus signal is generated for the optical stimulus source based on the stimulus timing signal.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多通道光遗传学刺激和抑制本申请要求在2016年4月14日提交的美国临时专利申请62/322,266的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
本专利技术涉及听觉植入系统，并且更具体地，涉及用于在这种系统中产生电刺激信号的技术。
技术介绍
正常耳朵将如图1所示的声音通过外耳101传递到鼓膜(耳膜)102，鼓膜使中耳103的小骨(锤骨，砧骨和镫骨)振动。镫骨足板位于椭圆形窗口106中，椭圆形窗口106形成通向充满液体的内耳(耳蜗)104的接口。镫骨的移动在耳蜗104中产生压力波，其刺激听觉系统的感觉细胞(毛细胞)。耳蜗104是围绕其中心轴(称为耳蜗轴)螺旋缠绕大约两圈半的长而窄的管道。耳蜗104包括被称为前庭阶的上部通道，被称为中阶的中间通道和被称为鼓阶的下部通道。毛细胞连接到位于耳蜗中的耳蜗神经105的螺旋神经节细胞。响应于接收到的由中耳103发送的声音，充满流体的耳蜗104用作换能器以产生电脉冲，该电脉冲被传输到耳蜗神经105，并最终传输到大脑。当在沿着耳蜗104的神经基底将外部声音转换成有意义的动作电位的能力存在问题时，听力受损。为了改善听力受损，已经开发了听觉假体。例如，当损伤与中耳103的操作有关时，可以使用传统的助听器或中耳植入物以放大的声音的形式向听觉系统提供声学-机械刺激。或者当损伤与耳蜗104相关联时，具有植入的刺激电极的耳蜗植入物可以用由沿着电极分布的多个电极触点传递的小电流电刺激听觉神经组织。图1还示出了典型的耳蜗植入系统的一些组件，包括外部麦克风，其向其中可以实现各种信号处理方案的外部信号处理器111提供音频信号输入。然后，将处理后的信号转换成数字数据格式，例如数据帧序列，以便传输到植入物108中。除了接收处理后的音频信息之外，植入物108还执行附加信号处理，例如纠错、脉冲形成等，并产生通过电极引线109发送到植入电极阵列110的刺激模式(基于提取的音频信息)。通常，电极阵列110在其表面上包括多个电极触点112，其提供对耳蜗104的选择性刺激。根据上下文，电极触点112也称为电极通道。在今天的耳蜗植入物中，相对少量的电极通道各自与相对宽的频带相关联，每个电极接触112用电刺激脉冲寻址一组神经元，所述电刺激脉冲具有从在该频段内的信号包络的瞬时幅度导出的电荷。图2示出了信号处理布置中的各种功能块，用于根据典型的听力植入系统向植入的耳蜗植入物阵列中的电极触点产生电极刺激信号。这种布置的伪代码示例可以被给出为：输入信号预处理：BandPassFilter(input_sound，band_pass_signals)包络提取：BandPassEnvelope(band_pass_signals，band_pass_envelopes)刺激定时生成：TimingGenerate(band_pass_signals，stim_timing)脉冲生成：PulseGenerate(band_pass_envelopes，stim_timing，out_pulses)在下面的讨论中阐述了这种布置的细节。在图2所示的信号处理布置中，初始输入声音信号由一个或多个传感麦克风产生，所述一个或多个传感麦克风可以是全向性和/或方向性的。预处理器滤波器组201利用一组多个并行带通滤波器(例如，无限脉冲响应(IIR)或有限脉冲响应(FIR))对该输入声音信号进行预处理，每个滤波器与特定的音频频带相关联，例如使用具有6阶无限脉冲响应(IIR)类型的12个数字巴特沃斯带通滤波器的滤波器组，使得声学音频信号被滤波成一些K个带通信号U1到UK，其中，每个信号对应于带通滤波器之一的频带。用于有声语音输入信号的足够窄的CIS带通滤波器的每个输出可粗略地被视为由包络信号调制的在带通滤波器的中心频率处的正弦波。这也是由于滤波器的品质因数(Q≈3)。在有声语音段的情况下，该包络是近似周期性的，并且重复率等于音调频率。可选地并且非限制地，可以基于快速傅里叶变换(FFT)或短时傅里叶变换(STFT)的使用来实现预处理器滤波器组201。基于耳蜗的音频定位组织，在鼓阶中的每个电极触点通常与预处理器滤波器组201的特定带通滤波器相关联。预处理器滤波器组201还可以执行其他初始信号处理功能，例如但不限于自动增益控制(AGC)和/或降噪和/或风噪声降低和/或波束形成以及其他众所周知的信号增强功能。下文给出了基于直接形式II转置结构的无限脉冲响应(IIR)滤波器组的伪代码的示例：Fontaine等人,BrianHears:OnlineAuditoryProcessingUsingVectorizationOverChannels,FrontiersinNeuroinformatics,2011(大脑听力：使用通道上的矢量化的在线听觉处理，神经信息学前沿，2011)，其通过引用整体并入本文。带通信号U1到UK(其也可以被认为是电极通道)被输出到包括包络检测器202和精细结构检测器203的刺激定时器206。包络检测器202提取特征包络信号输出Y1，...，YK，其表示通道特定的带通包络。可以用Yk＝LP(|Uk|)表示包络提取，其中，|.|表示绝对值，并且，LP(.)是低通滤波器；例如，使用12个整流器和二阶IIR型的12个数字巴特沃斯低通滤波器。或者，如果带通信号U1，...，UK由正交滤波器生成，则包络检测器202可以提取希尔伯特包络。精细结构检测器203用于获得在信号通道中的瞬时频率的估计，处理带通信号U1，...，UK的所选时间精细结构特征以产生刺激定时信号X1，...，XK。带通信号U1，...，UK可以被假定为实值信号，因此在分析正交滤波器组的特定情况下，精细结构检测器203仅考虑Uk的实值部分。精细结构检测器203由K个独立的、同等结构的并行子模块形成。来自包络检测器202的所提取的带通信号包络Y1，...，YK以及来自精细结构检测器203的刺激定时信号X1，...，XK从刺激定时器206输出到脉冲发生器204，脉冲发生器204产生用于在植入电极阵列205中的电极触点的电极刺激信号Z。脉冲发生器204应用患者特异性映射功能——例如，使用包络信号的瞬时非线性压缩(映射定律)——这适用于在植入物的适配期间，个体耳蜗植入物使用者的需要，以便实现自然响度增长。脉冲发生器204可以应用具有形状因子C的对数函数作为响度映射函数，其通常在所有带通分析通道上是相同的。在不同的系统中，可以使用除对数函数之外的不同的特定响度映射函数，其中，将仅仅一个相同的函数应用到所有的通道，或对于每个通道应用一个单独的函数以产生电极刺激信号。电极刺激信号通常是一组对称的双相电流脉冲。在本领域中众所周知的是，耳蜗内不同位置处的电刺激产生不同的频率感知。正常声音听觉中的潜在机制被称为音质原理。在耳蜗植入物用户中，耳蜗的音质定位组织已被广泛研究；例如，参见：Vermeire等人，Neuraltonotopyincochlearimplants:Anevaluationinunilateralcochlearimplantpatientswithunilateraldeafnessandtinnitus,HearRes,245(1-2),2008Sep12p.98-10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于具有植入患者的多个光学刺激源的耳蜗内阵列的听觉假体的光遗传学信号处理的方法，所述患者具有用光敏离子通道遗传修饰的听觉神经元，所述方法包括：处理输入声音信号以产生多个带通信号，每个带通信号表示给定的音频频带并与一组相应的听觉神经元相关联，其中，每个带通信号具有特征时间精细结构特征；基于所述特征时间精细结构特征，为每个带通信号产生用于所述相应听觉神经元的刺激定时信号，其中，所述刺激定时信号包括：i.一个或多个通道打开信号，被适配来打开所述相应听觉神经元的所述离子通道以激活神经激发，以及ii.一个或多个通道关闭信号，被适配来关闭所述相应离子通道的所述离子通道以抑制神经激发；以及基于所述刺激定时信号产生用于所述光学刺激源的光学刺激信号。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.04.14 US 62/322,2661.一种用于具有植入患者的多个光学刺激源的耳蜗内阵列的听觉假体的光遗传学信号处理的方法，所述患者具有用光敏离子通道遗传修饰的听觉神经元，所述方法包括：处理输入声音信号以产生多个带通信号，每个带通信号表示给定的音频频带并与一组相应的听觉神经元相关联，其中，每个带通信号具有特征时间精细结构特征；基于所述特征时间精细结构特征，为每个带通信号产生用于所述相应听觉神经元的刺激定时信号，其中，所述刺激定时信号包括：i.一个或多个通道打开信号，被适配来打开所述相应听觉神经元的所述离子通道以激活神经激发，以及ii.一个或多个通道关闭信号，被适配来关闭所述相应离子通道的所述离子通道以抑制神经激发；以及基于所述刺激定时信号产生用于所述光学刺激源的光学刺激信号。2.根据权利要求1所述的方法，其中，对于每个离子通道，所述通道打开信号和所述通道关闭信号被适配来在空间上相对于彼此分布。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光学刺激源被配置成产生在多个不同波长的光学刺激信号。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述通道打开信号使用具有与打开所述离子通道相关联的第一波长的光学刺激信号，并且所述通道关闭信号使用具有与所述第一波长不同的并且与关闭所述离子通道相关联的第二波长的光学刺激信号。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述光学刺激源沿着所述耳蜗内阵列配置，以便在所述第一波长和所述第二波长之间交替。6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述时间精细结构特征包括精细结构过零点，并且其中，对于每个离子通道，所述通道打开信号和所述通道关闭信号基于所述精细结构过零点交替。7.根据权利要求1所述的方法，其中，每个光学刺激信号具有固定的强度。8.根据权利要求1所述的方法，其中，每个光学刺激信号具有跟随相应精细结构特征的斜率的可变强度。9.根据权利要求1所述的方法，其中，在将通道打开信号施加到给定离子通道同时或就在此之前，将通道关闭信号施加到一个或多个相邻离子通道。10.一种用于具有植入患者的多个光学刺激源的耳蜗内阵列的听觉假体的光遗传学信号处理的系统，所述患者具有用光敏离子通道遗传修饰的听觉神经元，所述系统包括：预处理器滤波器组，被配置为产生多个带通信号，每个带通信号表示给定的音频频带并与一组相应的听觉神经元相关联，其中，每个带通信号具有特征时间精细结构特征；刺激定时器，被配置为基于所述特征时间精细结构特...

【专利技术属性】
技术研发人员：迪尔克·梅斯特，达尔尚·沙阿，
申请(专利权)人：MEDEL电气医疗器械有限公司，
类型：发明
国别省市：奥地利,AT