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耳蜗有限公司的创新之声

作者:Jack Wilber, MathWorks


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当耳朵中负责将声音传递给听觉神经的部分受损时——就像重度耳聋患者经常发生的那样——仅能放大声音的助听器几乎没有帮助。如今,超过7万名聋哑人已经与声音的世界联系在一起,其中一些人是生平第一次与声音的世界联系在一起,他们使用的是“耳蜗有限公司”的人工耳蜗植入物。

人工耳蜗绕过耳朵受损部分,将声音信号直接传递到接受者的听觉神经。它是唯一一种广泛使用的旨在恢复人类感觉的医疗设备。

自20多年前推出第一个人工耳蜗系统以来,耳蜗已经生产了五代人工耳蜗,每一代都在更小的设备上融入了更多的功能。

Cochlear公司的工程师使用MathWorks工具进行基于模型的设计,以加速开发和原型,并测试新想法。

改善听力体验

工程师评估新设计效果的一种方法是在专门配备的研究实验室环境中收集人工耳蜗植入者的反馈——通常是多次测试。

开发新的人工耳蜗处理方法通常涉及在自定义数字信号处理器(信号处理)使用汇编程序代码。这个耗时的过程导致开发周期可能持续多年。

为了克服这些限制并测试更多的新想法,Cochlear决定开发几个快速原型系统。使用MathWorks工具,他们对Nucleus的外部语音处理器进行了建模和模拟®24和Freedom™植入物,用软件替换除植入物本身以外的所有系统部件。他们可以通过简单地改变软件中的处理步骤或参数来快速创建许多不同的测试用例,而不是为每个测试开发一个新的产品原型。

创建一个开发和测试平台

Brett Swanson, Cochlear公司的高级DSP研究员,使用MATLAB创建了Nucleus MATLAB工具箱(NMT),这是一个开发和测试平台,可以复制外部语音处理器内定制的特定应用集成电路(asic)通常产生的信号。NMT与与接受者植入体通信的硬件接口。它包括标准和专有的信号处理算法,使耳蜗工程师和研究人员能够快速尝试新的设计和算法改进。

世界各地的研究人员使用NMT为植入体接受者创造和播放刺激,他们将刺激视为声音。当研究人员调整输入时,接受者对音质的改善或恶化进行评论。研究人员还可以测量接受者在各种客观语言测试中的表现,以更客观地比较处理过程的变化。他们预先测试了一些设计上的改变,比如通过使用MATLAB检查和分析输出信号,在困难的听力环境中提高信噪比的降噪算法。这种方法通过首先消除明显的问题来帮助专注于收件人测试。然而,最终,植入体接受者本身对验证所有旨在提高听力性能的设计更改做出了重大贡献。

尽管NMT使植入技术得到了许多改进——例如,人工耳蜗的专有的SmartSound音频处理策略——但它的局限性在于,它只能播放预处理的录制声音。在测试过程中,接受者听到来自NMT的信号,但听不到研究人员的指令或房间里的其他声音。

移动到实时环境

为了解决NMT的局限性,Cochlear寻求了一种更先进的方法。“下一步是使NMT的所有研究友好特性实时可用,”Michael Goorevich说,他是Cochlear公司的首席DSP工程师。“那是我们开始使用的时候金宝app而且xPC目标”。

Goorevich和他的团队开发了一个用于开发声音处理和语音编码算法的实时研究平台。该团队使用S金宝appimulink设计了一个定制框架,并实现了来自Nucleus Freedom系统的商用算法的Simulink块。该框架包括标准化的信号级别和数据格式规范,可以方便地交换输入、输出和信号处理块。Simu金宝applink模型使用xPC Target连接到植入硬件。

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人工耳蜗的植入接口硬件。点击图片查看放大视图。

“通过Sim金宝appulink和xPC Target,一切都是实时运行的,所以我们可以与接收方进行交互。我们可以和他们交谈,他们可以听到我们的声音,更重要的是,他们可以听到自己的声音。”

与NMT相比,新平台有许多优点。工程师可以在与NMT类似的时间框架内实现语音编码算法,但不必编写满足实时性能所需的定制DSP汇编代码。不再需要对声音进行预处理,使研究人员能够动态地对输入测试材料做出决定,并在测试过程中改变模型参数以控制响度、压缩曲线和电极水平。该团队计划在MATLAB中创建一个图形用户界面(GUI),使接收者能够自己控制参数,进一步加快测试过程。

开发和测试产品改进

Cochlear工程师使用他们新的Simulink和xPC Tar金宝appget环境来开发和测试一系列的产品改进。其中有一种从快速傅里叶变换(FFT).在之前的设计中,Cochlear通过基于ffal的滤波器组在语音处理器中提取频域能量。新的设计支持滤波器之间的任意交金宝app叉频率和提取滤波器包络的新选项。在xPC Target接收器上成功测试后,该设计被实现在新的自由语音处理器上进行进一步的临床试验测试。

新的原型环境使测试想法变得容易——例如,它使工程师能够试验一种新方法,包括从每个滤波器的信号中提取不同的包络,以产生增强的时间信息。

“我们真的不知道这种新方法是否会带来任何好处,”古里维奇解释说。“我们做了一个小小的调整,并使用xPC Target实现了它,使收件人可以开关这个新功能。”研究小组发现,从参与者的主观报告和语音测试材料的客观测试来看,声音质量有了微小但显著的改善。

试验便携式系统

目前,所有使用NMT或xPC Target的收件人测试都是在实验室中进行的,分为几个阶段。Goorevich和他的团队正在研究开发一种可以让接受者带回家的系统是否可行。便携式系统将包括一个DSP,其信号处理代码由实时车间自动生成。这种方法将使他们能够在真实环境中测试产品改进,提高测试的有效性并减少测试时间。

心理物理测试

Cochlear继续探索先进的心理物理测试。工程师们正在使用MATLAB在一个系统中直接刺激电极阵列,绕过从语音处理器转换信号到刺激的植入硬件。在这些测试中,复杂的脉冲模式应用于阵列中的单个或多个电极。接受者报告每一个感知到的声音的相对响度或音高,使研究人员能够确定响度如何随振幅变化,以及不同电极对音高的影响。目标是找到改进的刺激方法,可以纳入未来的种植体设计。

“没有一个好的研究平台,就不可能有效地测试新方法,”Goorevich和Swanson总结道。“利用我们已经开发并将继续开发的平台,我们有机会快速尝试新想法、新功能和新算法,帮助人们更好地听力。”

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金宝appSimulink从Nucleus Freedom系统中拦截。这些块使用xPC Target连接到植入体硬件。点击图片查看放大视图。

人工耳蜗是如何工作的


与传统助听器不同,人工耳蜗不会放大声音。相反,它绕过耳朵中受损的毛细胞,直接刺激内耳或耳蜗的听觉神经。

  1. 外部语音处理器捕捉环境声音并将其转换为数字信号。
  2. 信号被传输到皮下的内部植入物。
  3. 植入物将信号转换为电脉冲,发送到插入耳蜗的电极阵列。
  4. 电极刺激听觉神经,大脑将信号感知为声音。

出版于2006 - 91421v00

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