听力植入物系统中的最佳能量和数据传送的制作方法
【专利摘要】描述一种用于听力植入物系统的外部设备和具有外部设备的听力植入物系统。外部发射器生成到被植入接收器的射频感应链路信号，其包括将数据传输到被植入接收器的数据字段的序列、以及在各个数据字段之间的将没有数据的能量传输到被植入接收器的数据字暂停段的序列。数据字暂停控制器根据能量管理规则，在数据字暂停段期间控制感应链路信号。
【专利说明】听力植入物系统中的最佳能量和数据传送
[0001]本申请要求于2011年10月27日提交的美国临时专利申请61/552，036的优先权，其内容结合于此作为参考。
【技术领域】
[0002]本发明涉及耳蜗植入物系统，并且更特别地，涉及这样的系统中的功率管理。
【背景技术】[0003]如图1中所示，正常耳朵通过外耳101将声音发送至鼓膜(耳膜)102，其使中耳103的骨头移动，其依次使耳蜗104的卵圆窗和圆窗孔振动。耳蜗104是在其轴周围螺旋地卷绕约两圈半的细长管。耳蜗104包括已知为前庭阶的上通道和已知为鼓阶的下通道，它们通过耳蜗管连接。鼓阶与被称为蜗轴的中心形成直立螺旋锥，听神经113的螺旋神经节细胞位于其中。响应于所接收的由中耳103发出的声音，充满液体的耳蜗104用作转换器，以生成将被发送到蜗神经113并且最终到脑的电脉冲。当将外部声音沿着耳蜗104的神经基质转换为有意义的动作电势的能力存在问题时，听力被损害。
[0004]在一些情况下，听力损害可以通过耳蜗植入物来解决，耳蜗植入物通过由沿着植入物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示出典型耳蜗植入物系统的一些部件，其中，外部扩音器提供输入到外部信号处理器111的音频信号，外部信号处理器111实现多种已知信号处理方案之一。处理后的信号由外部信号处理器111转换为数字数据格式，诸如，数据帧的序列，用于到刺激器处理器108中的接收器处理器的发送。除了提取音频信息之外，刺激器处理器108中的接收器处理器可以执行附加信号处理，诸如，误差校正、脉冲形成等，并且产生刺激图案(基于所提取的音频信息)，其通过连线109被发送至植入物电极110。通常，植入物电极110包括在其表面上的多个电极，其提供耳蜗104的选择性刺激。
[0005]刺激器处理器108通常不具有内部电池，所以来自外部信号处理器111的射频感应链路信号被用于传送数据(例如，用于刺激的)并且还提供能量用于给被植入部件供电。这产生很多技术挑战。能量到被植入部件的传输应该是能量有效的，并且独立于数据传输，而不损害整个系统性能。另外，植入物电源电压受多种因素影响，诸如，电极负载阻抗、感应链路线圈耦合距离、被刺激通道的数量、刺激幅度、刺激持续时间。虽然存在这些多个因素，但是植入物电源电压应该尽可能稳定，以生成可再生刺激脉冲。植入物电源电压还需要在一些最小定义初始化周期内，超过预定义最小电源电压VTHK。刺激器处理器108还必须扫描用于数据字的感应链路信号并且正确地解码那些信号。由于当没有刺激产生并且能量损失随着电源电压增加(至少线性地)时，不需要植入物电源电压，这些考虑与用于低功率消耗的需求竞争。
[0006]通常，稳定电压源通过电压调节来实现，其可以通过来自植入物内的反馈(具有内部反馈的调节器)或者通过从外部调节内部电源电压的外部部件的电源电压状态的遥测技术(具有外部反馈的调节器)来实现。参见例如Mark van PaemeI,High-EfficiencyTransmission for Medical Implants, IEEE Solid-State Circuits Magazine, DigitalObject Identifierl0.1109/MSSC.2010.939572 ;其结合于此作为参考。这些调节方案的一个缺点是降低总电路可靠性并且其本身消耗能量的附加电路。例如，最简单但是非常耗能的调节器是齐纳二极管。
[0007]如上述，刺激器处理器108通常不配备有电池，而是使用负载电容器用于能量存储。这意味着植入物不能存储大量能量，并且因此任何过多传递的能量都将被浪费。通常，感应链路信号使用曼彻斯特编码ASK(幅移键控)信号，只要数据需要被传递，其就确保数据和能量连续地被传送到刺激器处理器108。当没有声音信息需要被传送时，冗余曼彻斯特编码数据可以被发送。例如，逻辑I或O分别被表示在[RFJRFJ或[RFJRFJ的序列中。发送冗余曼彻斯特编码数据相对容易实现，但是带来即使由于没有数据被传送而需要较少能量并且因此消耗较少功率，相同量的能量也被传送到刺激器处理器108和周围组织的缺点。
【发明内容】
[0008]本发明的实施例涉及包括可植入设备布置和外部设备布置的听力植入物系统、以及用于听力植入物系统的外部设备布置。外部发射器生成去往被植入接收器的射频感应链路信号，其包括:将数据传输至被植入接收器的数据字段的序列；以及，在各个数据字段之间的数据字暂停段的序列，其将没有数据的能量传输至被植入接收器。数据字暂停控制器根据能量管理规则，在数据字暂停段期间，控制感应链路信号。
[0009]能量管理规则可以包括:将被植入接收器内的电源电压保持在最小电源电压电平之上；在各个数据字段的开始之前，达到被植入接收器内的期望的电源电压电平；和/或，下一个数据字段出现 在非确定性数据处理系统中的概率。
[0010]数据字暂停控制器可以根据能量管理规则，控制用于感应链路信号的选通信号的占空比。例如，可以使用多个不同的选通信号占空比，其在数据字暂停段内稳定地增加。另外或可替换地，数据字暂停控制器可以控制感应链路信号使之在紧接在各个数据字段之后的周期内为关闭，并且在紧接在各个数据字段之前的周期内为开启。
[0011]本发明的这些目的通过由独立权利要求1和9要求的主题解决。本发明的多个实施例是从属权利要求的主题。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1示出具有耳蜗植入物系统的典型人耳的解剖特征。
[0013]图2示出听力植入物系统中的感应链路信号的两个阶段。
[0014]图3示出现有技术数据字和数据字暂停序列。
[0015]图4示出根据本发明的一个实施例的数据字暂停布置。
[0016]图5示出根据本发明的另一个实施例的数据字暂停布置。
[0017]图6示出根据本发明的另一个实施例的数据字暂停布置。
[0018]图7示出根据本发明的另一个实施例的数据字暂停布置。
【具体实施方式】[0019]更接近地查看听力植入物系统中的感应链路信号，图2中的顶部波形示出该信号的两个不同阶段，左侧包含数据字段，并且右侧包含数据字暂停段。数据字段由rf载波信号传递至被植入部件，并且包括关于刺激幅度和电极地址、刺激形式、刺激模式等的信息。在数据字暂停段期间，没有信息被传递，但是rf载波信号可用于将能量传递至被植入部件。
[0020]用于听力植入物的刺激策略在利用明确限定的周期图案重复刺激的意义上通常是确定性的，优选使用高刺激速率(例如，连续交错刺激，CIS)。这意味着数据字规则地和重复地发生，使得保证由数据字传送到植入物的连续能量。但是，数据字暂停段还是期望的，因为对于确定性刺激策略，刺激脉冲频率(以及数据字频率)与语音感知强相关。另外，数据字解码电路还必须能够处理不包含数据字的信号，不导致误差。
[0021]如果满足这些先决条件，则数据字暂停段可以被填充有rf载波信号而没有数据。从而，本发明的实施例控制在数据字暂停段期间到被植入部件的能量传递的定时。例如，图2中的第二行示出数据字暂停段期间的三个脉冲周期，在其期间，rf载波可以用于将能量传递到被植入部件。在实际系统操作期间，有效的数据字段和数据字暂停段被连结，如图2的第三行中所示，脉冲周期表示rf载波信号(图2的第四行)被选通的时间。然后，结果为如图2的第五行中所示的rf载波脉冲的不规则序列，其适合于由感应链路传输，并且其提供正确的刺激信息和用于植入物的能量，而不引起数据字解码误差。
[0022]图3是现有技术数据字和数据字暂停序列，其中，数据字暂停段期间的rf载波信号是具有50%占空比的脉冲串。这样的布置在数据字暂停段信号期间提供到植入物的某一水平的能量传送，但是不利用反映被植入接收器的当前能量需求的能量管理规则。相反，本发明的实施例使用能量管理规则，其反映被植入接收器的当前能量需求，以在数据字暂停段期间控制感应链路之上的rf载波和能量传送。
[0023]图4示出在使用这样的能量管理规则的一个特定实施例中的感应链路信号，其中，数据字暂停段期间的能量传送基于在数据字暂停段内的一些给定时刻被接通的50%占空比的rf载波脉冲串，在该情况下，是在数据字暂停的中间。在此，管理规则可以是能量传送被控制到在下一个数据字段开始将`电源电压恢复到刺激所需的规定值的量。然而，如从图4中的下部波形看出，在标称电源电压VSUP402和阈值电压电平Vthk40 I之间将存在如所示的显著的电源电压纹波。由于当电源电压调节器在标称电源电压VSUP402操作时，在阈值电压电平VTHK401处的欠电压的危险和能量损失，所以这样的电源电压纹波是不期望的。
[0024]图5示出根据能量管理规则在数据字暂停期间传送能量的来自另一个实施例的感应链路信号，其通过在数据字暂停期间周期性地选通rf载波，更好地减小电源电压纹波。除了在数据字暂停段期间的rf载波的周期性选通之外，还可以通过增加数据字暂停期间的rf载波信号的占空比，改进电源电压纹波和能量传送。从而，图5中的感应链路信号还通过仅在数据字段开始之前提供100%的rf载波占空比(rf载波连续被接通)，推进能量和植入物内的电源电压。
[0025]图6示出另一种类型的能量管理规则，其在数据字暂停段期间稳定地增加rf载波的占空比。这样的布置还可以用于使用非确定性刺激策略的系统，其中，数据字段不重现在明确限定的规则重复周期图案中。对于这样的应用，能量管理规则可以基于最差情况估计选通rf载波信号，使得在长刺激间脉冲间隔内，在更长时间内，负载电容器保持被提供有能量。图7包括感应链路信号，直方图示出用于刺激间脉冲间隔(即，数据字暂停段)的持续时间的概率。
[0026]能量管理规则可以通过例如在外部信号处理器111中的暂停控制器实现，其控制在数据字暂停段期间通过感应链路的能量传送。在特定实施例中，暂停控制器可以被实现为外部信号处理器111内的计算器，其计算每脉冲的假定能量耗散并且经由感应链路信号(至少)将该能量等价物发送到被植入部件。可以使用具有预先计算的值的查找表，其将对应的数据字暂停信号能量传送值分配给所有刺激脉冲。这可以反映覆盖所有可能刺激脉冲的最差情况估计，使得在数据字暂停段期间由感应链路信号提供的能量至少覆盖在最多能量消耗适配设定(例如，在所有通道处为MCL(最舒适音量水平)选择的设定)处的、针对病人的可以由在该刺激设定内的被植入物部件消耗的能量的量。
[0027]另外或者可替换地，能量管理规则可以基于来自被植入部件的一个或多个遥测测量(telemetry measurement)。例如，当植入物首先被初始化以确定系统负载需求时,可以执行遥测测量。遥测测量可以读取用于至少一个负载条件的电源电压-例如，在由植入物内的电阻器加载的刺激电流源处-以在规定操作条件下提供用于植入物的能量消耗的校准数据。一个或多个能量消耗校准测量可以为处理能量管理规则的定时提供基础。
[0028]整个系统的总能量消耗可能急剧降低，这是因为在能量管理规则使rf载波信号无效的时间，抵消能量抵消。另外，被植入负载电容器可以被选择有较小的电容值，并且使得具有较小物理尺寸和/或在相同尺寸下具有较高额定电压，由此导致更好的长期可靠性。并且，不仅存在较少功率耗散，而且源自感应链路的特定吸收率(SAR)被最小化。(注意，即使当前不存在用于电磁场的相反指示，较低SAR就蜂窝电话标准而言仍然是期望的)。植入物内的较低功率耗散还降低加热作用，并且因此通常延长被植入部件的寿命。
[0029]本发明的实施例可以以任何传统计算机编程语言被整体或部分实现。例如，优选实施例可以以过程编程语言(例如，“C”)或面向对象的编程语言(例如，“C++”，Python)实现。本发明的可选实施例可以被实现为预编程硬件元件、其他相关部件、或者硬件和软件部件的结合。
[0030] 实施例还可以整体或部分地实现为用于计算机系统的计算程序产品。这样的实现方式可以包括固定在诸如计算机可读介质(例如，磁盘、CD-ROM、ROM、或固定磁盘)的有形介质上或者经由诸如跨过介质连接至网络的通信适配器的调制解调器或其他接口设备可发送至计算机系统的一系列计算机指令。介质可以是有形介质(例如，光学或模拟通信线路)或者利用无线技术(例如，微波、红外线或其他传输技术)实现的介质。该系列的计算机指令具体化在此先前关于系统描述的所有或部分功能。本领域技术人员将想到，这样的计算机指令可以以用于多个计算机架构或操作系统的多种编程语言编写。而且，这样的指令可以被存储在任何存储器设备中，诸如，半导体、磁性、光学或其他存储器设备，并且可以使用诸如，光学、红外线、微波或其他传输技术的任何通信技术被发送。期望这样的计算机程序产品可以被分配为具有随附打印或电子文件(例如，压缩打包软件)的可移动介质，预装载计算机系统(例如，系统上ROM或固定磁盘)，或者跨过网络(例如，互联网或万维网)从服务器或电子公告板被分配。当然，本发明的一些实施例可以被实现为软件(例如，计算机程序产品)和硬件两者的结合。本发明的还有的其他实施例被实现为完全硬件或完全软件(例如，计算机程序产品)。[0031]虽然公开了本发明的多种示例性实施例，但是作出多种改变和修改，对于本领域技术人员来说是显而易见的，这些改变和修改在不脱离本发明的真正范围的情况下将实现本发明的一些优点。`
【权利要求】
1.一种用于听力植入物系统的外部设备，包括: 外部发射器，用于生成去往被植入接收器的射频感应链路信号，所述感应链路信号包括: 1.将数据传输到所述被植入接收器的数据字段的序列，以及 ?.在各个数据字段之间的数据字暂停段的序列，其将没有数据的能量传输到所述被植入接收器；以及 数据字暂停控制器，用于根据反映所述被植入接收器的当前能量需求的能量管理规则，在所述数据字暂停段期间，控制所述感应链路信号。
2.根据权利要求1所述的外部设备，其中，所述能量管理规则包括:将所述被植入接收器内的电源电压保持在最小电源电压电平之上。
3.根据权利要求1所述的外部设备，其中，所述能量管理规则包括:在各个数据字段的开始之前，达到所述被植入接收器内的期望的电源电压电平。
4.根据权利要求1所述的外部设备，其中，所述能量管理规则反映下一个数据字段出现在非确定性数据处理系统中的概率。
5.根据权利要求1所述的外部设备，其中，所述数据字暂停控制器根据所述能量管理规则，控制用于所述感应链路信号的选通信号的占空比。
6.根据权利要求5所述的外部设备，其中，所述数据字暂停控制器使用多个不同的选通信号占空比。
7.根据权利要求6所述的外部设``备，其中，所述选通信号占空比在所述数据字暂停段期间稳定地增加。
8.根据权利要求1所述的外部设备，其中，所述数据字暂停控制器控制所述感应链路信号使之: 1.在紧接在各个数据字段之后的周期内为关闭，以及 ?.在紧接在各个数据字段之前的周期内为开启。
9.一种操作在听力植入物系统中的外部设备的方法，包括:生成去往被植入接收器的射频感应链路信号，所述感应链路信号包括: 1.将数据传输到所述被植入接收器的数据字段的序列，以及 ?.在各个数据字段之间的数据字暂停段的序列，其将没有数据的能量传输到所述被植入接收器；以及 根据能量管理规则，在所述数据字暂停段期间，控制所述感应链路信号。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述能量管理规则包括将所述被植入接收器内的电源电压保持在最小电源电压电平之上。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述能量管理规则包括:在各个数据字段的开始之前，达到所述被植入接收器内的期望的电源电压电平。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述能量管理规则反映下一个数据字段出现在非确定性数据处理系统中的概率。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，控制所述感应链路信号包括控制用于所述感应链路信号的选通信号的占空比。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，控制所述感应链路信号包括使用多个不同的选通信号占空比。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述选通信号占空比在所述数据字暂停段期间稳定地增加。
16.根据权利要求9所述的方法，其中，控制所述感应链路信号包括控制所述感应链路信号使之: i.在紧接在各个数据字段之后的周期内为关闭，以及 ?.在紧接在各个数据 字 段之前的周期内为开启。
【文档编号】A61N1/00GK103889501SQ201280052280
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年10月26日 优先权日:2011年10月27日
【发明者】马丁·斯托法纳勒, 彼得·施莱赫, 托马斯·施瓦曾贝克 申请人:Med-El电气医疗器械有限公司