DE69927358T2

DE69927358T2 - Audiosignalprozessor

Info

Publication number: DE69927358T2
Application number: DE69927358T
Authority: DE
Inventors: Graham O'neill; Walter Germanovix; Christofer Toumazou
Original assignee: Imperial College of Science Technology and Medicine
Current assignee: Toumaz Technology Ltd
Priority date: 1998-01-12
Filing date: 1999-01-08
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2019-01-09
Also published as: AU1977199A; DE69927358D1; US7286675B1; WO1999035882A1; CA2318407A1; AU754753B2; EP1051879B1; EP1051879A1; CA2318407C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Audiosignal-Prozessoren. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung betreffen Audiosignal-Prozessoren zur Verwendung in Hörprotheseeinrichtungen. Einige Ausführungsformen der Erfindung betreffen Audiosignal-Prozessoren zur Verwendung in Hörhilfen. Andere Ausführungsformen der Erfindung betreffen Audiosignal-Prozessoren zur Verwendung in Cochlea-Implantaten. Noch weitere Ausführungsformen betreffen Hörhilfen und Cochlea-Implantate.
Herkömmliche Hörhilfen stellen eine beträchtliche Hilfe für die meisten Personen mit einem leicht, moderaten oder schwerem Hörverlust bereit. Während moderne Hilfen klein sind und wenig Leistung verbrauchen gibt es einen Wunsch die Größe und den Energieverbrauch von Hörhilfen weiter zu verringern. Zusätzlich ist es wünschenswert eine einfache Schaltung mit verringerten Kosten für eine Hörhilfe bereitzustellen. Eine derartige einfache Schaltung würde auf andere Audiosignal-Verarbeitungsaufgaben anwendbar sein.
Ferner ist eine Grundvoraussetzung von sämtlichen modernen Hörhilfen ein Verfahren zum Einstellen des Intensitätsfrequenzinhalts des Ausgangs der Einrichtung, um in einer geeigneten Weise über dem Frequenzbereich ein Muster eines Gehörverlusts einer Person auszugleichen. Für irgendeine Frequenz oder ein Band von Frequenzen umfasst dies eine Einrichtungseinstellung sowohl für den „Schwellen" Pegel des Gehörs, als auch des „unangenehmen" Lautheitspegels; wobei die Differenz zwischen diesen zwei Werten als der „Dynamikbereich" bekannt ist. Tonsteuerungen sind für verschiedene Audioanwendungen bekannt: siehe [1], [2] und [3]. In herkömmlichen Hörhilfen wird eine Tonsteuerung durch eine über Potentiometer gesteuerte Tief- und Hochpass-Analogfilterung in Kombination mit einer „Ausgangskompression".
Gemäß eines Aspekts der Erfindung ist ein Analogsignal-Prozessor vorgesehen, umfassend einen Eingang zum Empfangen eines Audio-Eingangssignals, einen Ausgang zum Bereitstellen eines verarbeiteten Audio-Ausgangssignals, und eine Tonsteuerschaltung, die den Eingang mit dem Ausgang koppelt und erste und zweite Log-Domänen-Filter mit unterschiedlichen Tiefpassbändern und einer Subtraktionseinheit zum Subtrahieren der Ausgangsströme der Filter, um ein gefiltertes Signal zu erzeugen, umfasst, wobei jedes der Filter MOS Transistoren umfasst, die in einer schwachen Inversion zum Verarbeiten des Audiosignals arbeiten. Das Audiosignal ist vorzugsweise ein Stromsignal.
Die Erfindung stellt auch eine Hörhilfe bereit, die den Analogsignal-Prozessor des besagten einen Aspekts der Erfindung umfasst.
Somit stellt die Erfindung einen sehr geringen Energieverbrauch bereit, und zwar mit Hilfe der MOS Transistoren, die in einer schwachen Inversion arbeiten.
Hörhilfen sind von nur geringer Hilfe, wenn die Taubheit „ausgeprägt" ist, das heißt, der durchschnittliche Verlust größer als ungefähr 96 dB in beiden Ohren ist. In derartigen Fällen kann eine elektronische Einrichtung, die mit einem chirurgischen Eingriff in dem inneren Ohr implantiert ist, eine elektrische Stimulation an dem Hörnerv bereitstellen, was der Person einen Grad einer Hörempfindung gibt. In einigen Fällen ist eine offen-eingestellte Sprachunterscheidung möglich, z. B. wobei eine Telefonkonversion verstanden wird. Ein Cochlea-Implantat nimmt Umgebungsschall, einschließlich Sprache, auf und wandelt dies in ein elektrisches Signal um, welches beispielsweise mit Hilfe eines implantierten Drahtelektrodenfelds, diskrete Regionen der Innenohr-Cochlea stimuliert. Siehe zum Beispiel die Revisionen der Cochlea-Implantate, gegeben von George C. R. [10] und Hochmair Desoyer [11].
Von der Mitte der 1980-er bis ungefähr 1990 waren Patienten, die als für ein Cochlea-Implantat geeignet angesehen wurden, hauptsächlich Erwachsene, die vor deren Taubheit das Sprechen und Sprache gelernt hatten. Sie waren alt genug, um die Implikationen bezüglich der chirurgischen Eingriffe und der post-operativen Rehabilitation zu verstehen, und nachdem sie große Erfahrungen mit dem Sprechen und der Sprache hatten, bestand ein beträchtliches Potential für eine Rückkehr auf eine orale Kommunikationsumgebung. Als Ärzte überall in der Welt allmählich die Nutzen des Cochlea-Implantats erkannten, richtete sich die Aufmerksamkeit auf das ausgeprägt taube Kind. Von ungefähr dem Jahr 1990 an erhielten eine zunehmende Anzahl von Kindern ein Cochlea-Implantat und größtenteils waren die Ergebnisse ermutigend.
Wegen des Erfolgs von Cochlea-Implantaten wird erwartet, dass in der Zukunft diese Einrichtungen sogar für Patienten mit einem größeren Betrag eines Restgehörs in Erwägung gezogen werden.
Obwohl Vorschläge gemacht wurden, um analoge Schaltungen zur Verwendung in Cochlea-Implantaten bereitzustellen (siehe [6], [9], [12]), werden gemäß des gegenwärtigen Kenntnisstands der Anmeldungen gegenwärtig sämtliche Cochlea-Implantate tatsächlich mit Digitalsignalprozessoren (Digital Signal Processors) implementiert. Gegenwärtige Einrichtungen, unabhängig von dem Hersteller, sind auf eine digitale Technologie gestützt, zum Beispiel auf standardmäßige DSP Chips und ASCIs. Der Patient trägt einen externen „Sprachprozessor", ungefähr in der Größe einer großen Streichholzschachtel. Dieser nimmt Umgebungsschall auf und verarbeitet diesen und übergibt ein elektrisches Signal, über eine Funkfrequenzstrecke, an eine „empfangende" Einrichtung, die in das Ohr implantiert ist. Dieser interne Empfänger sendet ein elektrisches Signal durch ein langes dünnes Mehrelektrodenfeld (bis zu 22 getrennte Elektroden) innerhalb der inneren Windungen der Cochlea. Somit wird die Cochlea an diskreten Stellen elektrisch stimuliert und das Ergebnis ist eine Wahrnehmung von Schall. Die Stimulus-Intensität, die an jeden Kanal des Elektrodenfelds geliefert wird, muss „Kanal-für-Kanal" programmiert werden. Diese Technologie weist signifikante Vorteile einer Flexibilität auf, wobei Modifikationen durch eine Software und nicht durch eine Hardware erreichbar sind. Die Verwendung eines Digitalsignalprozessors (DSP) versieht den Hersteller mit der Leichtigkeit Software zu verwenden, um verschiedene Parameter zu verändern, die bei der Entwicklung von neuen Verarbeitungsstrategien als wichtig angesehen werden könnten.
Es ist wünschenswert, in Cochlea-Implantaten ein Verfahren zum Einstellen des Intensitäts-Frequenzinhalts des Ausgangs der Einrichtung bereitzustellen, um in einer geeigneten Weise über dem Frequenzbereich eine Kompensation für das Muster des Gehörverlusts der Person bereitzustellen. Für irgendeine Frequenz oder ein Band von Frequenzen umfasst dies eine Einrichtungseinstellung sowohl für den „Schwellen" Pegel des Hörens als auch den Pegel für die „unangenehme" Lautheit; wobei die Differenz zwischen diesen zwei Werten als der „Dynamikbereich" bekannt ist. Bei Cochlea-Implantaten ist diese Ausgangs-Formung bislang durch eine „Programmierung" Kanal-für-Kanal ausgeführt worden.
Die Cochlea-Implantat Konstruktion, die hier diskutiert werden, sind auf lange Mehrkanal-Elektroden gestützt, die tief innerhalb der Cochlea eingefügt sind. Die Mehrkanal-Konstruktion kann verwendet werden, um tonmäßig verteilte Information von mehreren Verarbeitungsstrategien zu stellen, nämlich:

i. Kontinuierliche verschachtelte Abtastung – (Continuous Interleaved Sampling; CIS)
ii. Merkmals-Extraktion oder
iii. Analoge Kompression

Gute Ergebnisse sind im Hinblick auf eine offen-eingestellte Sprachunterscheidung (open-set speech discrimination) berichtet worden, insbesondere mit dem CIS und Merkmalsextraktions-Strategien.
Es gibt Nachteile im Zusammenhang mit Cochlea-Implantaten, insbesondere mit Mehrkanal-Implantaten:

i. Die tiefe Einfügung von langen Elektroden kann eine beträchtliche Beschädigung an dem lebenden neuronalen Gewebe in der erkrankten Cochlea verursachen. Das heißt, das Restgehör, obwohl es minimal ist, wird zerstört.
ii. Die Einpassung/Programmierung von gegenwärigen Mehrkanal-Einrichtungen erfordert eine Kanal-für-Kanal Einstellung von Stimulationspegeln sowohl für den Schwellenpegel als auch für den unangenehmen Pegel. Beträchtliche Erfahrung wird benötigt, um eine „MAP" zu programmieren, von der der Benutzer meint, dass sie die nützlichste ist. Mit gegenwärtigen Cochlea-Implantaten, die zwischen 12 und 22 getrennte Elektroden aufweisen, wird diese „Kanal-für-Kanal" Programmierung zeitaufwendig, insbesondere da das Implantat ungefähr 3–4 mal über die ersten 12 Monate nach der Operation neu programmiert werden muss. Einige Benutzer, sogar mit einer geeigneten Beratung, gehen regelmäßig für eine „Neuprogrammierung" über mehrere Jahre, in der Hoffnung, dass ein bestimmtes „Programm" zu dem fast perfekten Hören führen wird.
iii. Die DSP-gestützte Technologie weist wesentliche Nachteile eines hohen Energieverbrauchs und einer großen physikalischen Größe auf. Bei den gegenwärtigen digitalen Einrichtungen müssen Batterien bei einigen wenigen (z. B. 1–2) Tagen oder sogar häufiger ausgetauscht werden und viele Patienten sind unglücklich darüber, dass sie einen relativ großen Sprachprozessor tragen, obwohl kleinere „hinter-dem-Ohr" digitale Prozessoren eine relativ fortgeschrittene Entwicklungsstufe erreicht haben.
iv. Hardware-Kosten sind hoch (ungefähr £ 15.000).

Die Verwendung eines Einzelkanalsystems mit kurzer Elektrode ist von House [7] unterstützt worden. Er argumentiert, dass ein derartiges System Vorteile gegenüber einer Konstruktion mit „langen Elektroden" hat, und zwar dahingehend, dass –

i. eine kurze einzelne intra-Cochlea-Elektrode die Möglichkeit einer Beschädigung an dem Restgehör signifikant reduzieren wird.
ii. Die Systemkonstruktion ist einfach und relativ kostengünstig (ungefähr 1/3 der Kosten eines Mehrkanal-Systems).
iii. Ein Energieverbrauch ist niedrig, und ein am Kopf getragener Prozessor kann verwendet werden.
iv. Eine Anbringung/Programmierung ist einfacher und schneller als bei Mehrkanal-Einrichtungen.

Die Artikel [6] und [9] offenbaren ein analoges Log-Domän-Tiefpassfilter, welches in MOS Technologie implementiert ist und MOS Transistoren aufweist, die bei einer schwachen Inversion arbeiten. Die Artikel schlagen die Verwendung von derartigen Filtern in einer elektronischen Cochlea-Prothese vor.
Die Erfindung beinhaltet die Verwendung der analogen Elektronik in einer Weise, die eine Realisation eines extrem kleinen Prozessors mit einer sehr niedrigen Energieanforderung erlaubt. Eine schwache Inversion oder ein Unterschwellenmodus eines Betriebs von MOS Transistoren führt zu einer exponentiellen Charakteristik (oder einer natürlichen logarithmischen Charakteristik), die mit der exponentiellen Charakteristik der Cochlea kompatibel ist. Obwohl in Erwägung gezogen wird, dass der Prozessor extern (z. B. hinter-dem Ohr) gehalten wird, erlaubt die Erfindung theoretisch eine Erwägung einer vollständig implantierbaren Einrichtung. Dies trifft nicht zu für sogar die modernsten Entwicklungen in digital-gestützten Einrichtungen. Wenn die Tonsteuerung in der Cochlea implantiert ist, wird eine Einstellung der Frequenzantwort durch eine drahtlose Fernsteuerung ausgeführt. Die Tonsteuerung erlaubt dem Benutzer zum ersten Mal in Cochlea-Implantaten den Frequenz-Intensitäts-Inhalt des Audiosignals zu steuern.
Es wird hier angenommen, dass wenigstens für Erwachsene und mit der geeigneten professionellen Unterstützung, die dem Benutzer die Fähigkeit gibt, die tonale Qualität von deren Einrichtung einzustellen, ein wesentlicher Schritt in Richtung auf eine Vereinfachung einer Einrichtungs-Neuprogrammierung nach der anfänglichen Anbringung sein würde. Es wird auch angenommen, dass mit dieser Hilfe der Benutzer leichter die Beschränkungen des Implantats annehmen würde und nicht, so wie dies der Fall bei einigen ist, mit den Versuchen der Ärzte eine Neuprogrammierung durchzuführen, um eine Qualität einer Schallwahrnehmung zu erreichen, die vielleicht für diese nicht erreichbar ist, frustriert werden. Diesbezüglich beinhaltet die hier vorliegende Cochlea-Implantat-Konstruktion, im Gegensatz zu anderen gegenwärtigen Konstruktionen eine „Tonsteuerung", wobei eine einfache und schnelle Frequenzformung des Ausgangs bereitgestellt wird. Dies trägt zu einer neuen Innovation in Cochlea-Implantaten bei. Ferner erlaubt die Verwendung einer Tonsteuerung, die gemeinsam für sämtliche Kanäle des Mehrkanal-Cochlea-Implantats ist, die sofortige und gleichzeitige Einstellung von sämtlichen Kanälen.
Ausführungsformen der Erfindung stellen einen Mehrkanal-Audiosignalprozessor zur Verwendung in einer Cochlea-Prothese bereit, die eine kleine Größe und einen geringen Energieverbrauch aufweist.
Die Einstellung von jedem Filter erlaubt dem Patienten den Prozessor selbst einzustellen. Vorzugsweise ist die Einstelleinrichtung eine drahtlose Fernsteuerung. Vorzugsweise weist die Fernsteuerung Tasten zum Wählen von jeweiligen der Kanäle auf. Weiter vorzugsweise wählt der Patient die Verstärkung (die Lautstärke) des gewählten Kanals zwischen der Schwelle und den unangenehmen Pegeln der Schallintensität ein. Der Patient kann in der Lage sein die Filterfrequenz eines Kanals in einigen Ausführungsformen zu verändern. Der Patient kann die Unterstützung eines erfahrenen Technikers benötigen, um sie oder ihn bei der Einstellung zu führen.
Somit kann ein Patient den Prozessor selbst steuern (abgesehen von einer gewissen Führung von einem Techniker). Dies vereinfacht eine Neuprogrammierung nach einer anfänglichen Anbringung und der Patient kann einfacher die Beschränkungen des Cochlea-Implantats akzeptieren.
Andere Aspekte der Erfindung sind in den anhängigen Ansprüchen aufgeführt.
Für ein besseres Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie diese in der Praxis umgesetzt werden kann, wird nun beispielhaft auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein schematisches Blockdiagramm einer illustrativen Hörhilfe in Übereinstellung mit der Erfindung;
2 ein schematisches Blockdiagramm einer illustrativen Einzelkanal-Cochleaimplantat-Prothese;
3 bis 5 Diagramme, die den Betrieb der Prothese der 2 darstellen;
6 ein schematisches Blockdiagramm einer illustrativen Mehrkanal-Cochleaimplantat-Prothese;
7 ein schematisches Diagramm, das den Betrieb einer beispielhaften Verschachtelungsschaltung der Prothese der 7 darstellt;
8A bis C Diagramme der erfindungsgemäßen Tonsteuerschaltung, geeignet zur Verwendung in der Hörhilfe der 1 oder der Prothese der 2 oder 6;
9A und 9B Frequenz-Amplituden-Diagramme für die Tonsteuerung der 8;
10 ein schematisches Blockdiagramm einer Hörhilfe oder eines Cochlea-Implantats gemäß der Erfindung und mit einer drahtlosen Fernsteuerung;
11 ein Diagramm des Spannung-zu-Strom-Wandlers der 1, 2 oder 6;
12 ein Diagramm, welches eine Steuerung der Empfindlichkeit darstellt;
13A bis D Diagramme eines Beispiels eines Bandpassfilters des Mehrkanal-Cochlea-Implantats der 6.
HÖRHILFE
Bezugnehmend auf 1 umfasst eine illustrative Hörhilfe gemäß der Erfindung ein Mikrofon 1, einen Spannung-zu-Strom Wandler, der auch ein Kompressor ist, 2, eine Tonsteuerung 3 gemäß der Erfindung, einen Stromverstärker 4 und einen Lautsprecher 5, vorzugsweise in der Form eines Ohrhörers. Die Hörhilfe arbeitet vollständig in der analogen Domäne. Das Mikrofon 1 erzeugt Audiosignale mit einem bestimmten Dynamikspannungsbereich, aber das Ohr erfordert einen anderen, kleineren Dynamikbereich. Der Kompressor 2 komprimiert den Dynamikbereich und wandelt die Spannung in einen Strom um. Der Kompressor 2 kann auch eine Empfindlichkeitssteuerung bereitstellen, die durch den Benutzer steuerbar ist. Die Tonsteuerung 3 ist durch den Benutzer steuerbar und erlaubt eine Einstellung der Tiefen, Höhen und der Lautstärke. Die Tonsteuerung 2 führt die komprimierte gegenwärtige Frequenz, die durch die Tonsteuerung eingestellt ist, an den Ohrhörer 5 über den Stromverstärker 4 mit hoher Verstärkung, die der eine Stromverstärkungssteuerung aufweisen kann.
Der Kompressor 2, der hier nachstehend unter Bezugnahme auf die 11 und 12 umschrieben wird, umfasst CMOS Transistoren, die in einer schwachen Inversion arbeiten. Der Kompressor weist vorzugsweise eine Empfindlichkeitssteuerung auf, die die Steigung (Verstärkung) der Transferfunktion des Kompressors steuert, wie in 12 gezeigt.
Ein Beispiel der Tonsteuerung 3 ist in 8 gezeigt und wird nachstehend beschrieben. Die Tonsteuerung ist eine analoge Schaltung, die Feldeffekttransistoren umfasst, die in einer schwachen Inversion arbeiten. Sie stellt, unter der Steuerung des Benutzers, eine Einstellung der Frequenzantwort der Hörhilfe und der Lautstärke dar.
Der Stromverstärker 4 umfasst auch Feldeffekttransistoren, die nicht in einem schwachen Inversionsmodus arbeiten, aber mit sehr kleinen Strömen. Der Verstärker 4 verstärkt den sehr kleinen Strom (z. B. Nano-Ampere), der durch die Tonsteuerung 3 ausgegeben wird, auf einen Strom (z. B. Mikro-Ampere), der ausreicht, um den Ohrhörer zu aktivieren.
Der Kompressor 2, die Tonsteuerung 3 und der Verstärker 4 können in eine einzelne analoge integrierte Schaltung integriert werden, die mit der Box 6 angezeigt ist.
Die Hörhilfe der 1 weist einen extrem niedrigen Energieverbrauch auf und erlaubt dem Benutzer wenigstens die Frequenzantwort und die Lautstärke zu steuern. Die Hörhilfe kann über eine Schnittstelle 7 durch eine drahtlose Fern-Befehlseinheit 8 gesteuert werden.
Der Audiosignal-Prozessor der 1 kann für eine Audiosignalverarbeitung bei anderen Anwendungen als Hörhilfe verwendet werden.
EINZELKANAL-COCHLEA-IMPLANTAT
2 zeigt eine illustratives Beispiel eines Einzelkanal-Cochlea-Implantats gemäß der Erfindung. Diese Einzelkanal-Ausführungsform der Erfindung arbeitet vollständig in der analogen Domäne.
Ein Mikrofon 21 erzeugt Audiospannungssignale, die an einen Kompressor 22 geführt werden, der die Spannungssignale in Audiostromsignale umwandelt. Die Kompressorschaltung 22 verarbeitet das Signal in einen bestimmten Dynamikbereich hinein, der für die spezifische Person geeignet ist. Der Dynamikbereich des Ausgangsstroms wird durch den Kompressor gesteuert. Der Dynamikbereich, der das größte Gebiet der Sprachschalle enthält, ist von ungefähr 40 dB bis 80 dB und der Dynamikbereich für eine elektrische Stimulation ist schmal, in dem Bereich zwischen 2 dB und 20 dB, wobei er sich von Person zu Person verändert. Um die elektrische Kompression des Signals auszuführen wandelt der Kompressor 22 die Spannung in Strom um. Das heißt, der Dynamikbereich der Spannung wird in den Dynamikbereich des Stroms umgewandelt. Hierbei steht der Dynamikbereich für den Bereich zwischen dem Schwellenpegel und dem unangenehmen Pegel des Hörens. Ein Beispiel eines Kompressors ist in 11 gezeigt. Vorzugsweise erlaubt der Prozessor die Einstellung des Dynamikstrombereichs mit Hilfe einer Stromsteuerung. In diesem Beispiel arbeitet der Spannung-auf-Strom-Wandler (VIC) als Empfindlichkeitssteuerung. Der Verstärker/Kompressor 22 ist mit einer MOS Schaltung implementiert, die in einem schwachen Inversionsmodus arbeitet. Weil der schwache Inversionsmodus exponentiell (oder natürlich logarithmisch) in der Charakteristik ist, beeinflusst er eine Kompression in einer Weise, die kompatibel mit der exponentiellen Charakteristik der Cochlea ist.
Eine Tonsteuerung 23 erlaubt dem Benutzer die Frequenzantwort des Systems einzustellen, während das System in Verwendung ist: – was bislang in einer Cochlea-Prothese nicht möglich gewesen ist. Eine Schaltung, die bei der Tonsteuerung nützlich ist, wird unter Bezugnahme auf die 8 und 9 beschrieben. Ein Stromverstärker 24, mit einer Stromverstärkungssteuerung, verstärkt den Stromausgang durch die Tonsteuerung 23 und stellt diesen an einem Biphasensignal-Generator 27 bereit, der einen Biphasenstrom an eine einzelne implantierbare Elektrode 28 anlegt.
Bezugnehmend auf 3 wird ein Biphasen-Signal ein abgetastetes Signal mit sukzessiven Abtastwerten, die jeweils unter Abtastwerte S1 und S2 etc. von entgegengesetzter Polarität aufweisen; das heißt, einen positiven Stromimpuls, gefolgt von einem negativen Stromimpuls.
Die Abtastwerte sind von dem Audiosignal, das durch die Tonsteuerung und dem Stromverstärker erzeugt wird. Ein Biphasen-Signal wird benötigt, um eine Elektrode zu erregen, die in eine Cochlea implantiert ist, weil die Anlegung nur von Impulsen einer Polarität die Nervenenden unempfindlicher macht. In dem Biphasensignal-Generator 27 erzeugt ein Oszillator 29 (der steuerbar sein kann) eine „Rechteckwellen" Spannung 301, die zwischen einer positiven Grenzen und einer negativen Grenze oszilliert. Der verstärkte Ausgangsstrom der Tonsteuerungsamplitude moduliert die Rechteckwelle 301, um das abgetastete Biphasenstromsignal 302 zu erzeugen. Es sei darauf hingewiesen, dass zur Vereinfachung 3 schematisch ist und eine Modulation durch eine Sinuswelle annimmt. Die Frequenz des Biphasenoszillators ist vorzugsweise durch den Patienten variabel. Die Abtastrate kann eine Rate sein, die in dem technischen Gebiet bekannt ist. Obwohl die Abtastrate mit den Nyquist Kriterium übereinstimmen könnte, ist sie in der Praxis viel niedriger und jeder Abtastwert ist ein Burst mit einem sich verändernden Audio, wie in 3 bei S1 und S2 gezeigt.
Bezugnehmend auf 4 ist das Signal, das die Rechteckwelle in der Amplitude moduliert, ein Vollwellen-gleichgerichtetes Signal 401, das durch die Tonsteuerung 23 erzeugt wird, so dass das Cochlea-Implantat in einer ruhigen Umgebung nicht stimuliert wird. Wenn der Effekt der Tonsteuerung ignoriert wird, wird eine Vollwellen-Gleichrichtung durch Erzeugen von zwei Audioströmen 402 und 403 mit einer entgegengesetzten Phase, einer Gleichrichtung von jedem (z. B. durch Verschieben der DC Pegel der Ströme), um Halbwellen-gleichgerichtete Ströme 404 und 405 zu erzeugen, und durch Addieren der Ströme 404 und 405 unter Verwendung eines Addierers 25 erreicht.
Bezugnehmend auf die 2, 4 und 5 werden die Ströme 402 und 403 mit entgegengesetzter Phase durch komplementäre Ausgänge des Kompressors 22 erzeugt und an die Tonsteuerung 22 geführt. Die Tonsteuerung umfasst zwei identische Schaltungen 3A und 3B (wobei ein Beispiel davon unter Bezugnahme auf 8 beschrieben werden wird). Die Schaltungen 3A und 3B verarbeiten die jeweiligen Signale 402 und 403. Jede Schaltung 3A und 3B umfasst ein Paar von Tiefpassfiltern 221 und 222 mit unterschiedlichen Durchlassbändern. Eine Subtraktionseinheit 223 subtrahiert die Ausgänge der zwei Schaltungen, um ein Bandpass-gefiltertes Signal zu erzeugen, wie in 5 gezeigt. Die Halbwellen-Gleichrichtung durch eine DC Pegelverschiebung kann in der Subtraktionseinheit 223 stattfinden.
Das System der 2 kann ein Gehäuse umfassen, dass das Mikrofon 21, den Verstärker/Kompressor 22, die Tonsteuerung 23, den Verstärker 24 und den Biphasensignal-Generator 27 enthält und das von dem Benutzer getragen wird. Der Kompressor 22, die Tonsteuerung 23, der Verstärker 24 und der Biphasensignal-Generator 27 sind vorzugsweise in eine integrierte Einzelchip-Analogschaltung 62 integriert. Wie unter Bezugnahme auf 10 beschrieben werden wird kann wenigstens die Tonsteuerung 23 über eine drahtlose Fernbefehlseinheit gesteuert werden.
MEHRKANAL-COCHLEA-IMPLANTAT
6 zeigt eine andere Ausführungsform des Cochlea-Implantats gemäß der Erfindung und arbeitet ebenfalls vollständig in der analogen Domäne. Die Ausführungsform ist eine Mehrkanal-Ausführungsform mit einem Feld von Elektroden 81 bis 84, die bei der Verwendung in dem Ohr implantiert sind. In dem Beispiel der 6 sind nur vier Kanäle gezeigt. In anderen Beispielen gibt es wenigstens zwei Kanäle und es können mehr als vier Kanäle vorhanden sein. Ein Mikrophone 61 und ein Kompressor 62, ähnlich wie diejenigen aus 2, erzeugen komprimierte Audiostromsignale. Der Kompressor 62 ist angeordnet, um Signale mit entgegengesetzten Phasen auf jeweiligen Ausgängen zu erzeugen. Die Signale mit den entgegengesetzten Phasen werden an Tonsteuerschaltungen 3A und 3B geführt, wie unter Bezugnahme auf die 8 und 9 beschrieben werden wird. Jede Schaltung 3A, 3B umfasst zwei Tiefpassfilter 221, 222, deren Ausgänge an jeweilige Subtraktionseinheiten 623 geführt werden. Im Gegensatz zu der Subtraktionseinheit 223 des Systems der 2, erzeugen die Subtraktionseinheiten 623 der 6 nicht gleichgerichtete Stromsignale mit entgegengesetzten Phasen. Das Paar von nicht gleichgerichteten Stromsignalen mit entgegengesetzten Phasen werden an jeweilige Felder (Array) von Bandpassfiltern 101A bis 104A und 101B bis 104B geführt. Bandpassfilter 101A und B weisen die gleiche Filtercharakteristik auf und erzeugen entsprechende gefilterte Signale mit entgegengesetzter Phase. Die anderen Bandpassfilter 102A bis 104A und 102B bis 104B erzeugen genauso entsprechend gefilterte Signale mit entgegengesetzter Phase. Die bandpassgefilterten Signale werden an Halbwellengleichrichter 11 geführt, zum Beispiel an DC Pegelverschiebeschaltungen. Entsprechende halbwellengleichgerichtete Signale mit entgegengesetzter Phase werden an den Addieren 91 bis 94 aufsummiert, um vollwellengleichgerichtete Signale zu erzeugen, die in jeweiligen Stromverstärkern 41 bis 44 verstärkt werden. Die vollwellengleichgerichteten Stromsignale, die durch die Verstärker 41 bis 44 erzeugt werden, entsprechen den verschiedenen Durchlassbändern, die durch die Filter 101 bis 104 definiert werden.
Eine Schaltung, die MOS Transistoren umfasst, wobei die Transistoren in einer schwachen Inversion arbeiten, wird vorzugsweise verwendet, um die Badpassfilter 101 bis 104 der 6 zu implementieren. Ein Beispiel einer geeigneten Schaltung wird unter Bezugnahme auf 13 beschrieben.
Die vollwellengleichgerichteten Stromsignale, die durch die Verstärker 41 bis 44 erzeugt werden, werden an eine Verschachtelungsschaltung 64 geführt, die die Signale abtastet und die Abtastwerte verschachtelt, um Kontinuierlich Verschachtelte Abtastwerte (Continuously Interleaved Samples) zu erzeugen, die biphasen-moduliert sind und werden an ein Feld von Cochlea-Implantat Elektroden 81 bis 84 angelegt. Ein Oszillator 69 erzeugt eine Biphasen-Rechteckwellen-Spannungswelle. Bezugnehmend auf die 6 und 7 gibt es im Endeffekt vier Kanäle (in diesem Beispiel, die zu jeweiligen Durchlassbändern gehören. Ein Kanal umfasst das Paar von Bandpassfiltern 101A und B, den Addierer 91 und die Elektrode 81. Die anderen Kanäle umfassen in ähnlicher Weise ein Paar con Bandpassfiltern 102A, B; 109A, B; und 104A, B, eine Addierer 92, 93, 94 und eine Elektrode 82, 83, 84. Somit gehört jede der Elektroden 81 bis 84 zu einem jeweiligen der Durchlassbänder. Die Verschachtelung der Abtastwerte wird durch die Verschachtelungsschaltung 12 gesteuert. Die Verschachtelungsschaltung aktiviert wiederum jeden Kanal: wenn ein Kanal aktiv ist, sind alle anderen Kanäle inaktiv. Bezugnehmend auf 7 verbindet die Schaltung 64: die Elektrode 81 mit dem Filter 101A; B; die Elektrode 82 mit dem Filter 102A, B; die Elektrode 831 mit dem Filter 103A, B; und die Elektrode 841 mit dem Filter 104A, B, etc. Jede Elektrode empfängt einen positiven und einen negativen Stromimpuls, die zusammen einen Abtastwert bilden.
Das System der 6, mit Ausnahme des Mikrophons, der Steuerungen und der Elektroden, kann in eine einzelne analoge integrierte Schaltung 65 integriert sein.
Verschiedene Modifikationen können an den Cochlea-Implantaten der 2 und 6 durchgeführt werden. Zum Beispiel könne die Impulse, die durch den Oszillator 29, 69 erzeugt werden, durch eine Steuerung 291, 691 gesteuert werden. Die Impulswiederholungsrate und/oder die Impulsbreiten können verändert werden. Die Abtastrate für jede Elektrode kann eine Rate sein, die in dem technischen Gebiet für Kontinuierliche Verschachtelte Abtastwerte bekannt ist. Obwohl die Abtastrate mit dem Nyquist Kriterium in der Praxis überstimmen könnte, ist sie viel niedriger und jeder Abtastwert ist ein Burst mit veränderlichem Audio, wie in 3 bei S1 und S2 gezeigt.
Die Konstruktion der illustrativen Cochlea-Implantat-Prothese, die unter Bezugnahme auf die 2 und 6 beschrieben wurde, konzentriert sich auf zwei Gebiete:
i) eine Elektronik mit niedriger Leistung:
Das System fokussiert sich auf eine neue Konstruktion einer Architektur mit einer analogen Elektronik. Der Kern der Konstruktion, insbesondere der Tonsteuerung und der Bandpassfilter, verwendet CMOS Transistoren, die in einer schwachen Inversion arbeiten. Andere Teile des Systems arbeiten in einem Mikroleistungs-Regime und vorzugsweise in einer schwachen Inversion.
ii) „Tonsteuerung" für ein Einzelkanalsystem und für ein Mehrkanalsystem:
In dem Mehrkanalsystem ist die Tonsteuerung vorzugsweise gemeinsam für alle Kanäle, um die momentane Einstellung für alle Kanäle bereitzustellen. Die Tonsteuerung wird auf zwei Tiefpassfilter und eine Stromsubtraktionseinheit gestützt.
Wie unter Bezugnahme auf 8 beschrieben werden wird, umfasst die Tonsteuerung CMOS Transistoren die in einer schwachen Inversion (Unterschellen-Modus) in einem Strommodus arbeiten und der Schaltungsaufbau ist auf die „Log-Domäne" zum Bauen der Filter, die in dem Audio-Frequenzbereich abstimmbar sind, gestützt.
TONSTEUERUNG
Die 8A bis C zeigen zusammen eine Tonsteuerschaltung, die in der Hörhilfe nach 1 und in den Systemen der 2 und 6 nützlich ist. Die Tonsteuerung, wie in 8A gezeigt, umfasst zwei Log-Domänen-Filter 221 und 222 erster Ordnung und eine Subtraktionseinheit 223 und 623, die mit CMOS Transistoren aufgebaut sind, die in einer schwachen Inversion arbeiten. Der Toncontroller ist in der Lage eine Tiefen-Sperr/Boost- und Höhen-Sperr/Boost-Betrieb bereitzustellen, wie in den 9A und 9B gezeigt.
Die Rolle des Toncontrollers besteht darin die niedrigen/hohen Frequenzen des Audiobereichs zu boosten/zu sperren. Die wird durch die Implementierung einer flexiblen Frequenzformungsfunktion erreicht, die die selektive Platzierung von Polstellen und Nullstellen auf der komplexen Ebene erleichtert. In den Ausführungsformen der Erfindung, die in den 2 und 6 gezeigt sind, ist der Toncontroller ein Untersystem mit einer insgesamt analogen Implementierung der Cochlea-Implantat Einrichtung, bei der physikalische Randbedingungen, wie die Größe und der Energieverbrauch, die Notwendigkeit ihrer Implementierung in einer analogen Umgebung mit sehr niedriger Leistung diktieren., insbesondere ohne den Einbau von herkömmlichen aktiven (Operationsverstärkern) oder widerstandsbehafteten Elementen. Insbesondere, sogar für eine erkrankte Cochlea, hängt die Hörempfindung von der Frequenz des ankommenden Signals ab. Für eine erkrankte Cochlea mit einer größeren Empfindlichkeit bei niedrigeren Frequenzen als bei hohen Frequenzen (oder umgekehrt) wird die Tonsteuerung dazu dienen die Hörempfindung auf einen angenehmen Pegel auszugleichen. Die Konstruktion der Schaltung der 8 und 9 ist auf die Log-Domänen-Konstruktionstechnik [4–5] gestützt, die das eigentümliche nicht lineare (exponentielle) Verhalten eines Transistors ausnutzt und einen erweiterten Dynamikbereich bei niedrigen Energieversorgungspegeln bereitstellt. In [6] wurde gezeigt, dass diese Technik zur Verwendung zur Verwendung mit MOS Transistoren in einem schwachen Inversionsmodus (oder einem Unterschwellenmodus [8]) Betrieb geeignet ist. Zusätzlich zu dem breiten Dynamikbereich, der mit der Log-Domänen Technik möglich ist, erlaubt die Konstruktionsvielfalt, die durch die Implementierung angeboten wird, eine einfache und flexible Abstimmung. Zusätzlich stimmen die exponentielle Charakteristik der MOS Transistoren, die in einer schwachen Inversion arbeiten, und die Log-Domänen Technik Konstruktion mit der exponentiellen Antwort der Cochlea überein.
Für die spezifische Anwendung, für die der Toncontroller vorgesehen ist, ist ein Tiefen-Sperr Höhen-Sperr Betrieb von größter Wichtigkeit, da der Controller in Verbindung mit einem getrennten Lautstärke-Steuerabschnitt arbeitet, zum Beispiel mit dem Verstärker/Kompressor 2 oder dem Strommultiplizierer 24, 41–44. Somit ist ein Frequenzformungsnetz mit „zwei Polstellen – einer Nullstelle" geeignet. Dies wird durch ein Paar von Tiefpass-Log-Domänen-Filter 221 und 222 erster Ordnung erreicht, die mit Hilfe von MOS Transistoren aufgebaut sind, die in einer schwachen Inversion arbeiten und die in dem Audiofrequenzbereich abstimmbar sind. Das Ausgangssignal ist die Differenz, die von der Subtraktionseinheit 223, 623 erzeugt wird, der Ausgänge der zwei Filter.
Ein Beispiel von einem der Log-Domänen Filter ist in 8B gezeigt. Wie aus [4], [5] und [6] bekannt ist, umfasst ein Log-Domänen Filter eine Log-Kompressor 801, eine Filterzelle 802, eine DC Pegelverschiebung 803 und einen exponentiellen Expander 804.
Der Log-Kompressor 801 enthält eine Stromquelle 806 mit einem Eingang 805 zum Empfang eines Eingangsstroms Iin von dem Spannung-zu-Strom Wandler 2 oder 22. Iin ist das komprimierte Audiostromsignal. Die Stromquelle 806 erzeugt einen Strom Iin + Ib. Die Filterzelle 802 umfasst eine Stromquelle 807, die einen Strom Id erzeugt. Der DC Pegelverschieber 803 weist Stromquellen 808 und 809 auf, die Ströme Io erzeugen, die durch einen Steuereingang 810 steuerbar sind.
Durch eine Auswahl von Id und Io arbeitet das Filter als ein Tiefpassfilter. Durch Verändern von Io wird die Antwort des Filters verändert, wie in der 9A oder 9B gezeigt.
Wie in 8C gezeigt werden zwei Filter 221, 222 (jeweils in 8A gezeigt) mit Stromquellen vollständig in MOS Transistoren implementiert, die in einer schwachen Inversion arbeiten. Das Filter 222 ist mit der Subtraktionseinheit über einen Hochimpedanzpuffer 888 gekoppelt. Der Ausgangsstrom Iout(s) der Subtraktionseinheit 223, 623 wird gegeben mit Iout(s) =
GLEICHUNG 1
In der Gleichung 1 ist Vt die thermische Spannung kt/q der MOS Transistoren, n ist ein Prozessparameter und L^–1 ist die inverse Laplace-Transformation. Die Bedeutung der anderen Terme ist aus 8C ersichtlich.
Die Gleichung 1 führt zu einem Breitband-Durchlassband-Frequenzformungsnetz, das für eine bestimmte Anwendung geeignet ist. Für den Fall, bei dem ein Toncontroller des Baxandall Typs, approximiert durch eine Funktion mit „zwei Polstelle und zwei Nullstellen", benötigt wird, kann dieser durch Führen des Eingangssignals an den Ausgang eines Log-Domänen Tiefpass „Biquads" und durch Ermitteln der Differenz als das Ausgangssignal implementiert werden. Ein „Biquad" ist ein Filter, welches durch eine biquadratische Gleichung beschrieben wird. Die Subtraktionseinheit umfasst die Transistoren M2 = M3 = M4 = M5 mit W = 2,4 μm und L = 2,0 μm, und dem Transistor M1 mit W = 10 μm und L = 2,0 μm, damit der geeignete DC Ausgangspegel realisiert werden kann.
Der Betrieb der vorgeschlagenen Schaltung wurde mit SPECTRE Modellen und AMS 2,0 um Prozessparametern simuliert. Die 9a und B zeigen den Effekt der Tonsteuerung bei niedrigen und hohen Frequenzen. Der Eingangsstrom ist von einer Klasse-A mit der Formel Iin(t) = Ibias, [1 + m sin/wt)], wobei m der Modulationsindex ist. Wenn Ibias = 10 nA ist und die Eckfrequenzen des Netzes ungefähr 100 Hz und 12000 Hz sind, dann zeigt eine Eingangston mit 1000 Hz, moduliert mit m = 20, 20 und 40% einen THD Pegel von –58,2 dB, –55 dB bzw. –56,2 dB auf. Für die gleichen Eckfrequenzen zeigten zwei sinusförmige Töne mit gleicher Amplitude und mit Frequenzen gleich zu 900 Hz und 1100 Hz und moduliert mit m = 40% einen Intermodulations-Verzerrungs-(IMD)-Pegel von –46,3 dB auf. (IMD ist verzerrungs-erzeugt, wenn zwei Signale gleichzeitig an das Filter angelegt werden).
Somit ist ein spezifischer Toncontroller, geeignet für eine Mikroleistungsumgebung, beispielhaft beschrieben worden. Die Schaltung umfasst zwei Log-Domänen verlustbehaftete Integratoren 221 und 22 und eine Subtraktionseinheit 223 und nutzt den Vorteil des exponentiellen Verhaltens des MOS Transistoren, wenn sie in einer schwachen Inversion betrieben werden, aus, um den Charakteristiken der Cochlea angepasst zu sein. Der gute Dynamikbereich, der durch die Log-Kompression angeboten wird, zusammen mit einer flexiblen Abstimmungs-Adaptionsfähigkeit, sind höchst vorteilhaft, wenn versucht wird eine implantierbare analoge Siliziumeinrichtung als eine biologische Hörprothese zu realisieren. Das System, welches hier voranstehend beschrieben wurde, fokussiert sich hauptsächlich auf einen neue Konstruktion der elektronischen Architektur, was zu einer kleiner Größe und einem niedrigeren Leistungsverbrauch führt. Die Konstruktion kann auf eine Mehrkanal-CIS-Strategie angewendet werden und hat auch die Möglichkeit einen komplexen pulsförmigen Stimulus an eines kurzen Einzelkanalelektrode bereitzustellen.
FERNSTEUERUNG
Bezugnehmend auf die 10, stellt der integrierte Schaltungsblock 62 und 65 die Teile der Ausführungsformen der 2 und 6 dar, die in einen einzelnen analogen Chip integrierbar sind. Der Chip weist Steuereingänge S, B, T, V und O für eine Empfindlichkeits-, Tiefen-, Höhen-, Lautstärke- und Oszillator-Steuerung auf. Eine Steuerschnittstelle 120 stellt Steuersignale bereit, um die Steuerungen S, B, T, V und O zu betreiben. Die Schnittstelle empfängt Signale, die an sie drahtlos von der Fern-Befehlseinheit 121 gesendet werden.
SPANNUNG-ZU-STROM WANDLER
11 ist ein vereinfachtes Schaltungsdiagramm eines Beispiels des Spannung-zu-Strom Wandlers 2, 22, 62, der den Dynamikbereich des Audiosignals komprimiert. Der Wandler ist eine Transkonduktanz-Operationsverstärker mit einer NMOS Verstärkungsstufe mit einem differentiellen Paar, wie in dem technischen Gebiet bekannt ist. Der Wandler weist Ausgänge Ido₁, Ido₂ mit entgegengesetzter Phase auf, an denen Ströme proportional zu den Ströme Id₁ und Id₂ erzeugt werden, wie von dem System der 6 benötigt wird. Wenn der Wandler in dem System der 2 verwendet wird, wird nur einer der Ausgänge verwendet. Der Wandler weist eine Stromquelle 111 auf. Der Strom Ic durch die Stromquelle 111 wird verändert, um die Verstärkung des Wandlers und somit die Empfindlichkeit zu steuern, wie in 12 gezeigt.
Die NMOS Transistoren arbeiten in einer schwachen Inversion.
wobei n ein Prozessparameter ist und Vt = kT/q ist.
Id₁ und Id₂ sind nicht linear mit einem quasi-linearen Bereich. Die Nicht-Linearität ist ungefähr gleich zu den Charakteristiken des Ohrs. Die Nicht-Linearität außerhalb des quasi-linearen Bereichs komprimiert große Stromamplituden, um eine Überstimulation der Cochlea zu verhindern.
BANDPASSFILTER
Die 13A bis 13D sind Diagramme, die die Konstruktion und den Betrieb von einem der Bandpassfilter 101 des Systems der 6 illustrieren. Das Bandpassfilter ist auf die Arbeiten von Frey gestützt, wie in [4] beschrieben, ist aber selbst neu.
Wie in den 13A und 13B gezeigt sind grundlegende Einheiten eine E+ Zelle und eine E– Zelle. Eine E+ Zelle arbeitet mit der positiven Energieversorgung und eine E– Zelle arbeitet mit der negativen Energieversorgung. Jede Zelle ist in CMOS implementiert.
Für beide E+ und E– Zellen bezieht sich der Ausgangsstrom Iout(t) auf den Eingangsstrom Iin(t) wie folgt:
wobei M1, M2, M3, M4 die Transistoren sind, die in den 13A und 13B angedeutet sind, W die Kanalbreite ist, L die Kanallänge ist, und Vt die thermische Spannung kT/q ist.
Die E+ und E– Zellen sind kombiniert, wie in 13C gezeigt, um ein Log-Domänen Bandpassfilter zu bilden. Das Filter wird mit näheren Einzelheiten in 13D gezeigt. In den 13C und 13DC gilt:

Iin: ist der Eingangstrom
Iout: ist der Ausgangsstrom, Idc₁ und Idc₂ sind Vorströme,
Io: ist ein Strom, der die Abstimmfrequenz des Filters definiert,
n: ist ein Prozessparameterbereich zwischen 1 und 1,5, und
Q: ist der Qualitätsfaktor des Filters.

Die Übertragungsfunktion des Filters ist:
wobei Vt die thermische Spannung kT/q ist und n der Prozessparameter ist.
Die Abstimmfrequenz ωo des Filter ist: ω0 = I0/C·n·Vt, Q = I0/Id1, Id = I0/Q V02 = 2·n·Vt, VtIn[Idc2/Idc1], Idc2 = I0[1 + 1/Q], Vo1, = 2·n·VtIn[(Iin + Idc1)/Id0]wobei Ido der Sättigungsstrom ist.
ALTERNATIVES MEHRKANAL-COCHLEA-IMPLANTAT
14 zeigt einen andere Ausführungsform eines Cochlea-Implantats gemäß der Erfindung, die ebenfalls in vollständig in der analogen Domäne arbeitet. Die Ausführungsform ist eine Mehrkanal-Ausführungsform mit einem Feld von Elektroden 81 bis 84, die bei der Verwendung in dem Ohr implantiert sind. In dem Beispiel der 14 sind nur vier Kanäle gezeigt. In anderen Beispielen gibt es wenigstens zwei Kanäle und es können mehr als vier Kanäle vorhanden sein. Ein Mikrophone 61 und ein Kompressor 62, ähnlich wie diejenigen der 2, erzeugen komprimierte Audio-Stromsignale. Der Kompressor 62 ist angeordnet, um Signale mit entgegengesetzter Phase auf jeweiligen Ausgängen zu erzeugen. Das Paar von nicht gleichgerichteten Signalen mit entgegengesetzter Phase werden an jeweilige Felder von Bandpassfiltern 101A bis 104A und 101B bis 104B geführt. Bandpassfilter 101A und B weisen die gleiche Filtercharakteristik auf und erzeugen entsprechende gefilterte Signale mit entgegengesetzter Phase. Die anderen Bandpassfilter 102A bis 104A und 102B bis 104B erzeugen genauso entsprechend gefilterte Signale mit entgegengesetzter Phase. Die bandpassgefilterten Signale werden an Halbwellengleichrichter, zum Beispiel an DC Pegel-Verschiebeschaltungen geführt. Entsprechende halbwellengleichgerichtete mit entgegengesetzter Phase werden in den Addierern 91 bis 94 aufsummiert, um vollwellengleichgerichtete Signale zu erzeugen, die in jeweiligen Stromverstärkern 41 bis 44 verstärkt werden. Die vollwellengleichgerichteten Signale, die durch die Verstärker 41 bis 44 erzeugt werden, entsprechen unterschiedlichen Durchlassbändern, die durch die Filter 101 bis 104 definiert werden.
Eine Schaltung, die MOS Transistoren umfasst, wobei die Transistoren in einer schwachen Inversion arbeiten, wird vorzugsweise verwendet, um die Bandpassfilter 101 bis 104 der 14 zu implementieren. Ein Beispiel einer geeigneten Schaltung wird unter Bezugnahme auf 13 beschrieben.
Die vollwellengleichgerichteten Stromssignale, die durch die Verstärker 41 bis 44 erzeugt werden, werden an eine Verschachtelungsschaltung 64 geführt, die die Signale abtastet und die Abtastwerte verschachtelt, um Kontinuierlich Verschachtelte Abtastwerte zu erzeugen, die Biphasen-moduliert werden und an das Feld von Cochlea-Implantat-Elektroden 81 bis 84 angelegt werden. Ein Oszillator 69 erzeugt eine Biphasen-Rechteckwellen-Spannung. Bezugnehmend auf die 6 und 7 gibt es im Endeffekt vier Kanäle (in diesem Beispiel) in Verbindung mit jeweiligen Durchlassbändern. Ein Kanal umfasst das Paar von Bandpassfiltern 101A und B, den Addierer 91 und die Elektrode 81. Die anderen Kanäle umfassen genauso ein Paar von Bandpassfiltern 102A, B; 103A, B; und 104A, B, einen Addierer 92, 93, 94 und eine Elektrode 82, 83, 84. Somit gehört jede der Elektroden 81 bis 84 zu einem jeweiligen der Durchlassbänder. Die Verschachtelung der Abtastwerte wird durch die Verschachtelungsschaltung 64 gesteuert. Die Verschachtelungsschaltung aktiviert wiederum jeden Kanal: wenn ein Kanal aktiv ist, dann sind alle anderen Kanäle inaktiv. Bezugnehmend auf 7 verbindet die Schaltung 64 sequentiell: die Elektrode 81 mit dem Filter 101A, B; die Elektrode 82 mit dem Filter 104A, B; die Elektrode 831 mit dem Filter 193A, B; und die Elektrode 841 mit dem Filter 104A, B. Jede Elektrode empfängt einen positiven und einen negativen Stromimpuls, die zusammen einen Abtastwert bilden.
In Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform der Erfindung ist ein Tongenerator 141 mit dem Eingang des Kompressors 62 verbunden. Der Tongenerator 141 und die Stromverstärker 41 bis 44 werden durch ein Fernsteuersystem gesteuert, welches den Fern-Befehlseinheit 143, der durch den Patienten gesteuert werden kann, und eine Fernsteuerungsschnittstelle 142, die auf Steuersignale anspricht, die an sie von der Befehlseinheit 143 gesendet werden, um den Tongenerator 141 und die Verstärker 41 bis 44 zu steuern, umfasst.
Der Tongenerator 141 ist angeordnet, um jeweilige Töne bei den Grundfrequenzen der Filter 101 bis 104 zu erzeugen. Der Ton, der erzeugt wird, wird durch das Fernsteuersystem erzeugt. Das Fernsteuersystem erlaubt, dass die Lautstärke von jedem Kanal der Cochlea-Prothese eingestellt wird, und zwar durch Steuern der Verstärkung der Strommultiplizierer. Die Fernsteuerung 143 weist Kanalwähltasten CH1 bis CH4, eine Speichertaste und eine (oder in diesem Beispiel zwei) Lautstärke-Steuertasten auf. In diesem Beispiel gibt es eine Taste zu Vergrößerung der Lautstärke und eine andere für die Verkleinerung der Lautstärke. Der Patient wählt einen, z.B. CH1, der Kanäle unter Verwendung der Kanalwähltasten. Die Auswahl eines Kanals CH1 schaltet sämtliche anderen Kanäle CH2 bis 4 durch Verringern der Verstärkungen der Verstärker 42 bis 44 der anderen Kanäle auf Null stumm. Eine Auswahl eines Kanals CH1 bewirkt auch, dass der Tongenerator einen Ton mit einer voreingestellten Amplitude mit der Grundfrequenz des Filters 101 dieses Kanals erzeugt. Der Patient stellt dann die Verstärkung des Verstärkers 41 des gewählten Kanals CH1 auf einen bevorzugten Wert zwischen dem Schwellenpegel und dem unangenehmen Pegel zum Hören unter Verwendung der Lautstärke-Steuertasten auf der Fernsteuerung ein. Die Schnittstelle 142 speichert den gewählten Wert, zum Beispiel im Ansprechen auf eine Betätigung der Speichertaste hin, so dass die Einstellung nicht verloren geht, wenn ein anderer Kanal eingestellt wird. Somit hat der Patient die Steuerung über die Programmierung der Lautstärke der „MAP". Vorzugsweise wird der Patient durch den Einstellprozess durch einen gelernten Techniker geführt.
Die Grundfrequenzen der Filter sind in diesem Beispiel fest. Die Festlegung der Grundfrequenzen kann durch einen gelernten Techniker durchgeführt werden, wenn die Prothese zum ersten Mal an dem Patienten angebracht wird. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Filterfrequenzen durch den Benutzer unter Verwendung des Fernsteuerungssystems eingestellt werden, aber eine derartige Einstellung wird gegenwärtig für einen ungeübten Benutzer als zu schwierig angesehen.
REFERENZEN

[1] I. R. Sinclair, "Audio Electronics Reference Book", Seiten 373 bis 383 BSP Professional Books, 1989
[2] R. F. Graf & W. Sheets, "Encyclopaedia of Electronics Circuits", Band 6, Seite 653, McGraw Hill 1996
[3] J. Markus, "Modem Electronics Circuits Reference Manuals", Seite 61, McGraw Hill 1980
[4] D. R. Frey, "Log-domain filtering: an approach to current-mode filtering", IEE Proceedings-G, Band 140, Seiten 406 bis 416, 1993
[5] D. R. Frey, "Exponential State-Space Filters: A generic current-mode design strategy", IEEE CAS-1, Band 43, n°1, Seiten 24 bis 42, 1996
[6] C. Toumazou, J. Ngarmmil et T. S. Lande, "Micropower log-domain filter for electronic cochlea", Electronics Letters, Band 30, n°22, Seiten 1839 bis 1841, 1994
[7] W. F. House, Cochlear Implants: "My perspective" – Cochlear Implant Monographs
[8] Horowitz et Hill, The Art of Electronics 2^te Auflage Seite 122
[9] J. Ngarmmil, C. Tournazou, et T. S. Lande, "A fully tuneable micropower log-domain filter", 21st European solid State Circuits Conference ESSCIR'95 France. September 1995.
[10] George C. R., measurement + control, Band 26, n°9, November 1993
[11] Hochmair-Desoyer L, Biomedizinische Technik, Band 34, n°7/7, Seiten 168 bis 176, Juli/August 1989

Claims

Analoger Audiosignalprozessor, umfassend einen Eingang zum Empfangen eines Audioeingangssignals (23), einen Ausgang zum Bereitstellen eines verarbeiteten Audioausgangssignals, und eine Tonsteuerschaltung (23), die den Eingang mit dem Ausgang koppelt und ein erstes (221) und zweites (222) Log-Domainen-Filter mit unterschiedlichen Tiefpass- (221, 222) Bändern und einen Subtrahierer (223) zum Subtrahieren der Ausgangsströme der Filter, um ein gefilteres Signal zu erzeugen, umfasst, wobei jedes Filter (221, 222) MOS Transistoren umfasst, die in einer schwachen Inversion arbeiten.
Prozessor nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Kompressor (22), der den Eingang mit der Tonsteuerschaltung (23) zum Komprimieren des Dynamikbereichs des Eingangssignals koppelt.
Prozessor nach Anspruch 2, wobei der Kompressor (22) ein Spannungs-zu-Strom-Wandler (22) ist.
Prozessor nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Kompressor (22) MOS Transistoren umfasst, die in einer schwachen Inversion arbeiten.
Prozessor nach Anspruch 4, wobei der Kompressor (22) konfiguriert ist, um eine Steuerung der Empfindlichkeit bereitzustellen.
Prozessor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend einen Verstärker (24) zum Verstärken des gefilterten Ausgangssignals der Tonsteuerschaltung (23).
Prozessor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Eingangssignal ein Stromsignal ist.
Prozessor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, ferner umfassend einen Biphasen-Signalgenerator (27) zum Zuführen eines Biphasensignals, das durch das verarbeitete Audioausgangssignal moduliert wird, an den Ausgang.
Prozessor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, ferner umfassend eine Vollwellen-Gleichrichtungseinrichtung für eine Vollwellen-Gleichrichtung des verarbeiteten Audioausgangssignals.
Prozessor nach Anspruch 9, wobei die Tonsteuerschaltung (23) ferner ein drittes (221) und viertes (222) Filter mit Tiefpassbändern im Wesentlichen identisch zu dem ersten (221) bzw. zweiten (222) Filter und einen weiteren Subtrahierer (223) zum Subtrahieren der Ausgangsströme des dritten (221) und vierten (222) Filters, um ein weiteres gefiltertes Signal zu erzeugen, umfasst, und die Vollwellen-Gleichrichtungseinrichtung eine mit dem Eingang gekoppelte Einrichtung zum Erzeugen von gegenphasigen Audiosignalen aus dem Eingangssignal umfasst, wobei eines der gegenphasigen Audiosignale an das erste (221) und zweite (222) Filter und das andere der gegenphasigen Audiosignale an das dritte (221) und vierte (222) Filter geliefert wird, eine Halbwellen-Gleichrichtungseinrichtung für eine Halbwellen-Gleichrichtung der gefilterten Signale von dem zuerst erwähnten und dem weiteren Subtrahierer (223), und einen Kombinierer (25) zum Kombinieren der gleichgerichteten Halbwellen-Signale, um eine Vollwellen-Gleichrichtung zu bewirken.
Prozessor nach Anspruch 10, wobei das dritte (221) und vierte (222) Filter Log-Domainen-Filter sind, die MOS Transistoren umfassen, die in einer schwachen Inversion arbeiten.
Prozessor nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Halbwellen-Gleichrichtungseinrichtung eine Einrichtung zum Anlegen eines DC Versatzes an die gefilterten Signale umfasst.
Prozessor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend nur einen Ausgang.
Prozessor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend eine Vielzahl von Ausgängen zum Bereitstellen von verarbeiteten Audiosignalen, und wobei die Tonsteuerschaltung (23) für sämtliche Ausgänge gemeinsam ist, zum gleichzeitigen Einstellen der Intensität/Frequenz der verarbeiteten Audiosignale an den Ausgängen.
Prozessor nach Anspruch 14, ferner umfassend eine Frequenztrennungseinrichtung zum Trennen des in der Intensität/Frequenz eingestellten Audiosignals in eine Vielzahl von Frequenz-getrennten Signalen, die unterschiedliche Frequenzbänder aufweisen.
Prozessor nach Anspruch 15, wobei die Frequenztrennungseinrichtung eine Vielzahl von Bandpassfiltern umfasst.
Prozessor nach Anspruch 16, wobei die Bankpassfilter Log-Domainen-Filter sind, die MOS Transistoren umfassen, die in einer schwachen Inversion arbeiten.
Prozessor nach irgendeinem der Ansprüche 15 bis 17, ferner umfassend eine Vielzahl von Biphasen-Signalgeneratoren zum Zuführen von Biphasensignalen, die durch jeweilige der Frequenz-getrennten Signale moduliert werden, an jeweilige der Ausgänge.
Prozessor nach Anspruch 18, ferner umfassend eine Abtasteinrichtung (64) zum Anlegen von Abtastwerten der Frequenz-getrennten Signale an die jeweiligen Biphasen-Signalgeneratoren.
Prozessor nach Anspruch 19, wobei die Abtasteinrichtung (64) einen Generator (64) für kontinuierliche verschachtelte Abtastwerte umfasst.
Prozessor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 20, derart konfiguriert, dass die Intensitäts/Frequenz-Antwort der Tonsteuerschaltung (23) durch einen Benutzer steuerbar ist.
Prozessor nach Anspruch 21, umfassend eine Einrichtung, die durch den Benutzer steuerbar ist, zum Einstellen der Frequenzantwort der Tonsteuerschaltung.
Prozessor nach Anspruch 22, umfassend Benutzersteuerungen zum Steuern einer Bassabschaltung/Erhöhung und einer Höhenabschaltung/Erhöhung.
Prozessor nach irgendeinem der Ansprüche 21 bis 23, umfassend eine Benutzersteuerung zum Steuern einer Signalamplitude.
Prozessor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 24, wobei der oder jeder Subtrahierer (223) einen Steuereingang zum Steuern der Signalamplitude aufweist.
Prozessor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 25, wenn als analoge MOS integrierte Einzelchip-Schaltung implementiert.
Hörprotheseneinrichtung, umfassend den Prozessor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 26.
Hörhilfe, umfassend den Prozessor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 13.
Cochleaimplantatprothese, umfassend den Prozessor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 26.
Cochleaimplantatprothese nach Anspruch 29 und umfassend: eine Vielzahl von Ausgängen zur Verbindung mit jeweiligen von Cochleaimplantatelektroden; den analogen Prozessor, umfassend eine Vielzahl von analogen Signal-Verarbeitungskanälen, die mit dem Eingang gekoppelt sind, wobei jeder Kanal ein Log-Domainen-Filter umfasst, das MOS Transistoren umfasst, die in einer schwachen Inversion arbeiten und mit einem jeweiligen der Ausgänge gekoppelt sind; und eine Einstelleinrichtung zum Einstellen der Intensität/Frequenz-Antwort von jedem Kanal.
Cochleaimplantat nach Anspruch 30, wobei jeder Kanal ferner einen Verstärker mit einer steuerbaren Verstärkung umfasst, wobei die Verstärkung dieses Verstärkers durch die Einstelleinrichtung einstellbar ist.
Cochleaimplantat nach Anspruch 30 oder 31, wobei die Einstelleinrichtung eine Steuerschnittstelle einschließt, um Einstellungen der Verstärkung von jedem Kanal im Ansprechen auf Steuersignale, die durch eine drahtlose Fernsteuerung übertragen werden, zu ermöglichen.
Cochleaimplantat nach irgendeinem der Ansprüche 30 bis 32, ferner umfassend einen Tongenerator zum Erzeugen von Tönen einer voreingestellten Amplitude und Frequenz in Abhängigkeit von den Grundfrequenzen der Filter der Kanäle.
Cochleaimplantat nach Anspruch 33, ferner umfassend eine Tongenerator-Steuereinrichtung zum Steuern der Frequenz des Tons, der durch den Tongenerator erzeugt wird.
Cochleaimplantat nach Anspruch 34, wobei die Tongenerator-Steuereinrichtung eine drahtlose Fernsteuerung umfasst.
Cochleaimplantat nach irgendeinem der Ansprüche 30 bis 35, derart konfiguriert, dass jeder Kanal unabhängig von sämtlichen anderen Kanälen einstellbar ist.
Cochleaimplantat nach irgendeinem der Ansprüche 30 bis 35, ferner umfassend eine Abtasteinrichtung, die die Kanäle mit den Ausgängen koppelt.
Cochleaimplantat nach Anspruch 37, wobei die Abtasteinrichtung einen Generator für kontinuierlich verschachtelte Abtastwerte umfasst.