DE3854097T2 - Signalprozessor für und Hörgerät mit Spektrum-/Zeit-Transformation. - Google Patents

Description

Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Hörgeräte und Signalprozessoren für Hörgeräte. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung solche Signalprozessoren, die eine Vielzahl von Bandfiltern verwenden.
Stand der Technik
• Im Stand der Technik gibt es verschiedene Typen von mehrkanaligen Hörgeräten.
• Ein Beispiel eines mehrkanaligen Hörgeräts ist im US-Patent Nr. 4,400,590 von Michelson beschrieben. Michelson offenbart ein System, das die Theorie nutzt, daß unterschiedliche Punkte entlang des Schneckengangs dem Gehirn mit unterschiedlichen Freuqenzen antworten. Demgemäß teilen Bandfilter das ankommende Hörsignal in eine Vielzahl von Frequenzbändern auf. Diese Signale werden anschließend unmittelbar an Elektrodenpositionen entlang des Schneckengangs angelegt. In der Theorie an diejenigen Positionen, die dem jeweils zugehörigen Frequenzband entsprechen.
• Ein anderes Beispiel eines mehrkanaligen Hörgeräts ist im US-Patent Nr. 4,289,935 von Zollner et al. und im US-Patent Nr. 4,403,118 von Zollner et al. beschrieben. Das in den Patenten von Zollner et al. beschriebene System benutzt einen Satz von Bandfiltern, um Frequenzbänder zu erzeugen, die Oszillatoren (Tongeneratoren) ein- bzw. ausschalten oder modulieren, deren Ausgänge anschließend summiert und an eine Hörhilfe übertragen werden.
• Die mehrkanaligen Hörgeräte sowohl von Michelson als auch von Zollner et al. waren jedoch ohne Verwendung von Hörbrillen kein vollständiger Erfolg hinsichtlich der Erzielung uneingeschränkter Sprachverständlichkeit.
• Young und Sachs vermerken in einem 1979 veröffentlichten Artikel "Representation of Steady-State Vowels in the Temporal Aspects of the Discharge Patterns of Auditory Nerve Fibers", Journal of the Acoustic Society of America, 66, Seiten 1381 - 1403, daß die spektrale Information durch die zeitlichen Muster der Ströme der Gehörnerven repräsentiert wird. Sie bestimmten die Energie bei einer gegebenen Frequenz durch Untersuchung der zeitlichen Antworten ausschließlich für solche Neuronen, deren Mittenfrequenzen nahe bei dieser Frequenz lagen.
• Die US-A-4,357,497 offenbart einen Signalprozessor für ein Hörgerät, umfassend eine Vielzahl von Filtern, von denen jedes eine unterschiedliche Mittenfrequenz passieren läßt, und die funktional gekoppelt sind, um ein elektrisches Eingangssignal zu empfangen, welches so gestaltet ist, daß Schall an eine Person übermittelt wird. Die Offenbarung dieses Dokuments ist der neueste bekannte Stand der Technik.
Offenbarung der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung arbeitet nach dem Prinzip, daß einzelne Nervenzellen innerhalb des zentralen Hörnervensystems nur auf ihnen zugehörige Periodizitäten, d.h. nur auf solche Periodizitäten reagieren, die nahe beim Inversen der Mittenfrequenz für jeden einzelnen Gehörnerv liegen.
• Gemaß der vorliegenden Erfindung wird ein Signalprozessor für ein elektrisches Eingangssignal bereitgestellt, der so ausgeführt ist, daß er Schall an eine Person übermittelt und für die Verwendung in Verbindung mit einem Hörgerät geeignet ist, wobei der Prozessor ein elektrisches Ausgangssignal bereitstellt, das in dem Hörgerät verwendet werden kann, und eine Vielzahl von Filtern (14, 16, 18; 88A - 88J) enthält, von denen jedes eine unterschiedliche Mittenfrequenz passieren läßt und funktional gekoppelt ist, um das elektrische Eingangssignal zu empfangen, wobei jedes aus dieser Vielzahl von Filtern (14, 16, 18) unterkritisch bedämpft ist und eine oszillierende Impulsantwort hat und ein Q(10 dB) etwa gleich dem gemessenen Q(10 dB) der Gehörnerven bei der gleichen Frequenz wie der Mittenfrequenz eines jeden der Vielzahl von Filtern aufweist.
• Der Ausgang eines jeden einzelnen Bandfilters kann optional über eine nichtlineare Einrichtung geführt werden, die vorzugsweise das Signal komprimiert, und anschließend entweder individuell an ein Mehrfachelektroden-Stimulationssystem oder ganz oder teilweise aufsummiert und an ein Stimulationssystem mit einem einzigen Elektrodenpaar oder an ein Stimulationssystem mit einer Vielzahl von Elektrodenpaaren übertragen werden, welches weniger Elektrodenpaare aufweist als Filter vorhanden sind.
• Gemäß einem ersten Merkmal der Erfindung wird ein Hörgerät bereitgestellt, welches ein Schallsignal empfangen kann, das Schallsignal in ein Signal wandeln kann, welches den Schall für eine Person wahrnehmbar macht und dieses Signal an diese Person übertragen kann, umfassend einen Signalprozessor gemäß der Erfindung, und des weiteren folgendes umfassend:
• eine Wandlereinrichtung, die das Schallsignal übernimmt, um das Schallsignal in das elektrische Eingangssignal zu wandeln;
• eine Vielzahl von Komprimierern, die wahlweise auf die elektrischen Ausgangssignale der Vielzahl von Filtern aufgeschaltet werden, um die Amplitude eines jeden der elektrischen Ausgangssignale individuell als Funktion der Amplitude des jeweiligen elektrischen Ausgangssignals zu komprimieren;
• eine Kopplungseinrichtung, die funktional mit der Vielzahl von Komprimierern verbunden ist, um alle komprimierten elektrischen Ausgangssignale zu übernehmen und diese komprimierten elektrischen Ausgangssignale in einer Form weiterzugeben, die so adaptiert ist, daß sie an die Person übermittelt werden kann.
• Gemäß einem zweiten Merkmal der Erfindung wird ein Hörgerät bereitgestellt, welches ein den Schall darstellendes Hörsignal erfaßt und ein elektrisches Signal liefert, das die Gehörnerven einer Person stimulieren kann, umfassend einen Signalprozessor gemäß der Erfindung und des weiteren folgendes umfassend:
• eine Wandlereinrichtung, die das Hörsignal übernehmen kann, um das Hörsignal in das elektrische Eingangssignal zu wandeln;
• eine Stimulationseinrichtung, die funktional mit der Vielzahl von elektrischen Ausgangssignalen des Signalprozessors verbunden ist, um ausgewählte Gehörnervenbereiche innerhalb des Schneckenganges zu stimulieren, wobei die Vielzahl elektrischer Ausgangssignale wahlweise das Muster der Nervenempfindung im Schläfenbein durch individuelle Gehörnervenfasern innerhalb des Schneckenganges der Person nachbildet.
• Die scharf abgestimmten Bandfilter gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugen Ausgangssignale an jedem einzelnen Bandfilter, die die Periodizitäten entsprechend der Frequenzkomponente im Eingangssignal, die der Mittenfrequenz des Bandfilters entspricht, enthalten. Auf diese Weise veranlaßt ein Stimulationssignal mit der entsprechenden Periodizität einer bestimmten Mittenfrequenz das zentrale Gehörnervensystem, mit einem Signal zu antworten, das für die Person ein Signal mit dieser Mittenfrequenz darstellt, auch wenn das Signal an viele Punkte entlang des Schneckenganges geliefert wird, vorausgesetzt, das Signal wird an einen Punkt entlang des Schneckenganges geliefert, dessen Neuronen normalerweise auf dieser Mittenfrequenz liegen.
• Damit erhalten die Hörhilfe und der Signalprozessor gemäß der vorliegenden Erfindung verschiedene Eigenschaften der normalen Funktion des Schneckenganges. Erstens simuliert das Zeitverhalten eines jeden Bandfilters dasjenige eines einzelnen Neurons, das auf der gleichen Frequenz wie das Bandfilter liegt. Zweitens ist das Einschwingverhalten des Bandfilters um so schneller, je höher seine Mittenfrequenz liegt. Damit wird eine transiente Stimulation zunächst eine Antwort vom Bandfilter mit der höchsten Frequenz bewirken, dann vom zweithöchsten usw., bis eine Antwort vom Bandfilter mit der niedrigsten Frequenz erfolgt. Durch diese Eigenart wird das Fortschreiten der Antwort über die Basilarmembran von der Basis bis zum Scheitel simuliert, wodurch die normale Verzögerung des Fortschreitens im Schneckengang nachgebildet wird. Drittens kann die Phasenantwort eines jeden Bandfilters so justiert werden, daß sie der Phasenantwort eines Neurons am entsprechenden Punkt entlang des Schneckengangs entspricht. Damit wird ein Phasen/Ort-Profil erzeugt, welches dasjenige eines normalen Schneckengangs nachbildet. Auf diese Weise wird die normale Geschwindigkeits/Orts-Stimulation mit einer Verlangsamung in der Nähe der besten Frequenz erhalten. Viertens wird die Hüllkurve der Bekesy-Wanderwelle entlang der Basilarmembran durch die Ausgänge der Bandfilter angenähert, wobei jedes die Bewegung der Basilarmembran an einem Ort entsprechend seiner Mittenfrequenz repräsentiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Die obengenannten Vorteile sowie Funktion und Bauweise der vorliegenden Erfindung werden aus den folgenden Figuren besser ersichtlich; es zeigen:
• Fig. 1 ein vereinfachtes Blockdiagramin des Signalprozessors gemäß der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 2 eine Wiedergabe des Frequenzspektrums des Vokals "eh";
• Fig. 3 eine Übertragungsfunktion der Bandfilter;
• Fig. 4 die zeitlichen Verläufe der Ausgänge der Bandfilter bei einer Anregung entsprechend Fig. 2;
• Fig. 5 die Amplitudencharakteristik eines bevorzugten Bandfilters;
• Fig. 6 die Phasencharakteristik eines bevorzugten Bandfilters;
• Fig. 7 die tatsächlichen Q-Werte von Neuronen für verschiedene Frequenzen, aufgetragen als Funktion der Mittenfrequenz;
• Fig. 8 ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der Hörgeräts gemäß der vorliegenden Erfindüng;
• Fig. 9 eine beispielhafte Eingangs-/Ausgangsfunktion einer Nichtlinearität;
• Fig 10 ein Flußdiagramm zur Definition der Nichtlinearität von Fig. 9; und
• Fig. 11 ein Blockdiagramm einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführliche Beschreibung
• Arbeiten von Young und Sachs haben gezeigt, daß die spektrale Information in den zeitlichen Mustern der Gehörnervenströme deutlich repräsentiert ist. In ihrer Analyse haben sie die Energie bei einer bestimmten Frequenz durch Untersuchung zeitlicher Antworten nur für solche Neuronen bestimmt, deren Mittenfrequenz nahe bei dieser Frequenz lag.
• Die vorliegende Erfindung berücksichtigt, daß das zentrale Gehörnervensystem eine ähnliche Analyse durchführen kann, wobei unrichtige Periodizitäten ignoriert werden, indem nur auf richtige, d.h. solche, die nahe beim Inversen der Mittenfrequenz jeder einzelnen Nervenfaser liegen, reagiert wird. Diese Fähigkeit, eine unrichtige Periodizität in einer Nervenfaser zu ignorieren, kann die sehr gute Spracherkennung erklären, die mit Einzelelektroden-Implantaten im Schneckengang erzielt werden kann. In einem Wellenverlauf zur Stimulation mittels einer Einzelelektrode können periodische Vorgänge entsprechend sowohl der Grund- als auch der Formantfrequenzen vorliegen. Bei geeignetem Abgleich kann jede dieser Periodizitäten in den zeitlichen Mustern der Ströme der Neuronen innerhalb des gesamten Schneckengangs bewirkt werden. Sie werden jedoch vom Zentralnervensystem ignoriert, außer wenn sie an den entsprechenden Positionen entlang des Schneckengangs auftreten. Zum Beispiel enthält ein komplexes Stimulationssignal mit Anteilen von sowohl 500 Hz als auch 200 Hz Ereignisse, die in zeitlichen Intervallen von 2 Millisekunden auftreten, und Ereignisse, die in Intervallen von 5 Millisekunden auftreten. Ein solches Stimulationssignal, das auf elektrischem Weg in den Schneckengang übertragen wird, würde neuronale Impulse in Intervallen von sowohl 2 Millisekunden als auch 5 Millisekunden hervorrufen. Diese Impulse würden überall entlang des Schneckengangs hervorgerufen, jedoch würden Intervalle von 2 Millisekunden mit Ausnahme der 500 Hz-Neuronen ignoriert. In ähnlicher Weise würden die Intervalle von 5 Millisekunden mit Ausnahme der 200 Hz-Neuronen ignoriert. Dies zeigt, daß eine Einzelelektrode für die Stimulation, die viele Neuronen stimuliert, trotzdem Informationen über mehr als eine Frequenz liefern kann.
• Es versteht sich jedoch, daß die Anzahl unterschiedlicher Periodizitäten für eine Einzelelektrode begrenzt sein können. Wenn z.B. eine Einzelelektrode eine große Anzahl unterschiedlicher Periodizitäten überträgt, so kann die Kombination zusätzliche Periodizitäten erzeugen, die im ursprünglichen Signal nicht enthalten sind und das zentrale Gehörnervensystem irritieren könnten. Würden z.B. 50 unterschiedliche Periodizitäten an einem bestimmten Neuron auftreten, so würden die richtigen hieraus, z.B. 0,5 Millisekunden für eine 2 kHz-Nervenfaser, möglicherweise zu selten auftreten, um noch von der Nervenfaser erkannt zu werden. Diese Begrenzung kann durch die Verwendung einer Vielzahl von Elektroden überwunden werden, von denen jede eine räumlich verschieden angeordnete Gruppe von Neuronen stimuliert. Es wäre damit nicht mehr nötig, daß eine Elektrode oder ein Elektrodenpaar sämtliche Periodizitäten überträgt, die im ankommenden Signal enthalten sind. Vielmehr würde jede Elektrode bzw. jedes Elektrodenpaar nur Intervalle entsprechend der Mittenfrequenzen der Nervenfasern in seiner Nähe bzw. in seinem räumlichen Anregungsbereich übermitteln. Dieses System bietet die Möglichkeit einer drastischen Erhöhung der Frequenzauflösung von Hörgeräten mit einer Vielzahl von Elektroden, die auf einer räumlichen Selektion zur Frequenzunterscheidung basieren.
• Ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Signalprozessors zur Erzielung der oben behandelten richtigen Periodizitäten ist in Fig. 1 dargestellt. Der Signalprozessor 10 erhält ein elektrisches Eingangssignal 12. Das elektrische Eingangssignal 12 wird an eine Vielzahl von scharf abgestimmten Bandfiltern 14, 16 und 18 übertragen. Diese Bandfilter 14, 16 und 18 sind unterkritisch bedämpft und liefern elektrische Ausgangssignale 20, 22 und 24. Diese Bandfilter 14, 16 und 18 liefern eine oszillierende Impulsantwort. In einer bevorzugten Ausführungsform hat jedes dieser Bandfilter 14, 16 und 18 ein Q(3 dB) von mehr als 0,5. Die scharf abgestimmten Bandfilter 14, 16 und 18 fungieren als Resonatoren, so daß die Ausgangssignale 20, 22 bzw. 24 Periodizitäten enthalten, die der Energie des elektrischen Eingangssignals 12 bei den jeweiligen Mittenfrequenzen, auf die die Bandfilter 14, 16 und 18 abgestimmt sind, entsprechen. Die Ausgangssignale 20, 22 und 24 können optional durch Nichtlinearitäten 26, 28 bzw. 30 geschickt werden. Die Nichtlinearitäten 26, 28 und 30 können eine Komprimierung der Ausgangssignale 20, 22 und 24 bewirken, so daß der Dynamikbereich des vorliegenden Signals dem verbliebenen Dynamikbereich der zu stimulierenden Person angepaßt werden kann. In einer Ausführungsform werden die Ausgänge der Nichtlinearitäten 26, 28 und 30 anschließend im Summierer 32 summiert, und es wird ein einzelnes Ausgangssignal 34 bereitgestellt, das die im elektrischen Eingangssignal 12 vorliegenden Periodizitäten enthält. Das Ausgangssignal 34 kann dann an ein Hörgerät weitergegeben werden, um an eine Elektrode übertragen zu werden, die die Person auf elektrischem Weg stimuliert, oder an einen elektroakustischen Wandler, um eine Person akustisch zu stimulieren. Während das Blockdiagramm des Signalprozessors in Fig. 1 drei getrennte Bandfilter bzw. Resonatoren 14, 16 und 18 zeigt, ist es bekannt und selbstverständlich, daß mehr Resonatoren oder weniger Resonatoren bei einem bestimmten Signalprozessor wünschenswert sein können, und daß die Darstellung von dreien nur zum Zweck der Veranschaulichung gewählt wurde.
• Da zu viele vorhandene Periodizitäten im Ausgangssignal 34 die individuellen Neuronen des zentralen Gehörnervensystems irritieren können, können vorzugsweise nur diejenigen Ausgangssignale 20, 22 und 24 mit den größten Amplituden an das zentrale Gehörnervensystem weitergeleitet werden und sind damit im Ausgangssignal 34 enthalten. Bei dem Signalprozessor von Fig. 1 sind alle Bandfilter bzw. Resonatoren 14, 16 und 18 sehr schmalbandige Filter, die den Zweck haben, jeweils ein Ausgangssignal 20, 22 und 24 zu generieren, das periodisch ist, wenn das elektrische Eingangssignal 12 in der Nähe der jeweiligen Mittenfrequenz merkliche Energie enthält. Die Periode dieses Signals ist das Inverse der durch den Resonator 14, 16 bzw. 18 geschickten Frequenz. Die Nichtlinearitäten 26, 28 und 30 können ein "Totband" haben, das dazu dient, Signale mit niedrigem Pegel auszugrenzen. Nur an den Ausgängen derjenigen Nichtlinearitäten 26, 28 und 30, deren Eingangssignale 20, 22 und 24 die Totbandschwelle überschreiten, erscheinen Signale. Die Nichtlinearitäten 26, 28 und 30 ändern die in diesen Signalen enthaltenen Periodizitäten nicht. Die Nichtlinearitäten 26, 28 und 30 bestimmen ausschließlich, ob diese groß genug sind, um durchgelassen zu werden, und um sie bei zu großem Pegel zu begrenzen, d.h. zu komprimieren. Da die Signale von den Nichtlinearitäten 26, 28 und 30 im Summierer 32 summiert werden, wird ein zusammengesetztes Ausgangssignal 34 bereitgestellt. Es ist anzumerken, daß möglicherweise nur wenige der Signale 20, 22 und 24 tatsächlich im Ausgangssignal 34 enthalten sein können, da nur diejenigen der Signale 20, 22 und 24 mit einer hinreichend großen Amplitude, die das Totband der Nichtlinearitäten 26, 28 und 30 überschreitet, tatsächlich am Summierer 32 erscheinen. Das Ausgangssignal 34 kann daher mehr als eine Periodizität aufweisen, aber nicht so viele Periodizitäten, daß die Periodizitäten verloren gehen.
• Fig. 2 zeigt das Frequenzspektrum eines Vokals "eh" 36 vor der entsprechenden hochfrequenten Anhebung 38 mit 30 dB je Oktave. Das Spektrum des Vokals "eh" 36 zeigt formante Spitzen bei 0,5 kHz und 2,0 kHz. Das in Fig. 2 dargestellte Frequenzspektrum des Selbstlauts wird anschließend an jeden der zehn Resonatoren 40 gemäß Fig. 3 angelegt, die in Intervallen von einer halben Oktave zwischen 0,177 kHz und 4,0 kHz abgestimmt sind. Die Übertragungsfunktion der Resonatoren 40 entspricht den Resonatoren 14, 16 und 18 eines Signalprozessors gemäß' Fig. 1. Die zeitlichen Verläufe der Ausgangssignale dieser Resonatoren 40 sind in Fig. 4 mit den Bezugszeichen 42 - 60 dargestellt. Man beachte, daß im zeitlichen Verlauf die Ausgangssignale 54 und 46 die größten Amplituden aufweisen, wobei diese den formanten Spitzen bei 0,5 kHz und 2,0 kHz des Frequenzspektrums von Fig. 2 entsprechen. Die Resonatoren 40 haben daher Periodizitäten erzeugt, im wesentlichen die Signale 54 und 46, die den energiereichen Frequenzen entsprechen, die im Eingangssignal des Vokals 36 enthalten sind.
• Die Amplitudencharakteristik 62 eines bevorzugten Resonators ist in Fig. 5 dargestellt. Dementsprechend ist die Phasencharakteristik 64 eines bevorzugten Resonators in Fig. 6 dargestellt. Die Trennschärfe eines jeden Resonators oder Bandfilters wird durch den Q-Wert des Resonators gekennzeichnet. Der Q-Wert wird durch Division der Mittenfrequenz des Resonators durch die Bandbreite des Resonators erhalten, die durch die Frequenzen, die um einen bestimmten dB-Betrag unter dem Spitzenwert der Antwort bes Resonators liegen, bestimmt wird. Der Q-Wert muß daher in der Form eines Q-Wertes für einen bestimmten dB-Wert angegeben werden. Wenn die Bandbreite der Resonatorantwort bei 3 dB unter dem spitzenwert eine bestimmte Frequenzbreite ist und die Mittenfrequenz durch diese Bandbreite dividiert wird, wird Q(3 dB) erhalten. In entsprechender Weise kann ein Q(10 dB) erhalten werden, indem die Bandbreite bei um 10 dB tiefer liegenden Punkten auf dem Amplitudenverlauf 62 von Fig. 5 herangezogen wird. Man erkennt somit, daß jeder einzelne Resonator umso schärfer abgestimmt ist, je höher der Wert von Q liegt. Weiter ist zu erkennen, daß bei einem vorgegebenen Resonator ein Q(3 dB) einem größeren numerischen Wert entspricht als ein entsprechendes Q(10 dB). Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung muß die Resonatorantort unterbedämpft sein, d.h. das Q(3 dB) muß größer sein als 0,5. Der Resonator muß eine oszillierende Antwort auf eine Sprungfunktion oder einen Impuls liefern. Dies wird als oszillierende Impulsantwort bezeichnet. Wie in Fig. 6 dargestellt, ist die Phasencharakteristik des Resonators für Frequenzen unterhalb der Mittenfrequenz des Resonators positiv, weist einen steilen Nulldurchgang bei der Mittenfrequenz auf und ist für Frequenzen oberhalb der Mittenfrequenz des Resonators negativ. Dies ahmt die Phasencharakteristik der einzelnen Neuronen im zentralen Gehörnervensystem nach.
• Idealerweise sollte das Q eines jeden einzelnen Resonators mit dem tatsächlich für die Nervenfasern mit den entsprechenden Mittenfrequenzen gemessenen Q übereinstimmen. Solche Q-Werte wurden von Kiang et al. gemessen, "Discharge Patterns of Single Fibers in the Cat's Auditory Nerve", MIT Research Monograph 35, Library of Congress 6614345 (1965). Die Q-Werte 66, wie sie von Kiang et al. bestimmt wurden, sind in Fig. 7 graphisch dargestellt. Bei den dargestellten Q-Werten 66 handelt es sich um Werte von Q(10 dB).
• Fig. 8 zeigt ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines Hörgeräts 68 gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Mikrophon 70 wandelt ein gegebenes Hörsignal in ein elektrisches Eingangssignal 12. Das elektrische Eingangssignal 12 wird in das umschaltbare Niederfrequenzfilter 72 eingespeist, um wahlweise eine Rauschunterdrückung für niederfrequente Rauschanteile bereitzustellen. Eine automatische Verstärkungsregelung 74, die eine externe Empfindlichkeitsregelung haben kann, begrenzt den Dynamikbereich des elektrischen Eingangssignals 12. Ein Filter 76 zur Voranhebung verstärkt die üblicherweise in Sprachsignalen enthaltenen hochfrequenten Anteile. Ein Verstärkerelement, der Verstärker 78, kompensiert interne Signalverluste. Ein Pseudosignalfilter 80 verhindert die Verfälschung des Signals durch Frequenzen oberhalb der Nyquist-Frequenz von 5 kHz. Ein weiteres Verstärkerelement, der Verstärker 82, kompensiert wiederum interne Verluste. Ein Abtast- und Haltekreis 84 und ein Analog/Digitalwandler 86 wandeln das Signal in eine digitale Darstellung. Die Elemente 70, 72, 74, 76, 78, 80, 82, 84 und 86 sind herköinmlich und dem Fachmann bekannt. Die Elemente 72, 74, 76, 78, 80, 82 und 84 sind optional und hier als Teil der bevorzugten Ausführungsform des Hörgeräts 68 wiedergegeben.
• Ein digitaler Signalprozessor 10 entspricht dem in Fig. 1 dargestellten Signalprozessor 10. Der Signalprozessor 10 enthält eine Vielzahl, nämlich neun Bandfilter oder Resonatoren 88A - 88I, die jeweils einen unterschiedlichen Frequenzmittenwert passieren lassen. In einer bevorzugten Ausführungsform hat der Resonator 88A eine Mittenfrequenz von 0,35 kHz; der Resonator 88B 0,5 kHz; der Resonator 88C 0,71 kHz; der Resonator 88D 0,91 kHz; der Resonator 88E 1,17 kHz; der Resonator 88F 1,5 kHz; der Resonator 88G 1,94 kHz; der Resonator 88H 2,5 kHz; und der Resonator 88I 3,2 kHz. Die einzelnen Ausgänge der Resonatoren 88A - 88I werden an Nichtlinearitäten 90A - 90I übertragen. Die Ausgänge dieser neun Nichtlinearitäten 90A - 90I werden anschließend an den Summierer 32 übergeben, wo die Signale digital aufsummiert und durch den Digital/Analogwandler 92 in ein Analogsignal zurückgewandelt werden. Ein inverses Filter 94 ist bereitgestellt, um alle bekannten nachfolgenden Übertragungscharakteristiken des Hörgeräts zu kompensieren. Eine interne Lautstärkeregelung 96 ist vorgesehen, um eine geeignete Einstellung der Amplitude durch die Person zu ermöglichen, wonach das Signal an eine Elektrode oder ein Elektrodenpaar 98 geliefert wird. Die Elemente 92, 94, 96 und 98 sind herkömmlich und dem Fachmann bekannt. Die Elemente 94 und 96 sind optional. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Mikrophon 70 ein Typ Knowles EA1934 mit 3 dB Bedämpfung bei 250 Hz und 8 kHz. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Niederfrequenzfilter 72 ein Niederfrequenzfilter mit 6 dB je Oktave mit über Schalter wählbaren Eckfrequenzen, die vom Patienten entweder zu 250 Hz oder 500 Hz gewählt werden können. In einer bevorzugten Ausführungsform hat die automatische Verstärkungsregelung 74 eine Einregelzeit von ungefähr 1 Millisekunde und eine Auslösungszeit von ungefähr 2 Sekunden. Die Eingriffsschwelle wird durch eine Empfindlichkeitsregelung bestimmt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Anhebungsfilter 76 ein 6 dB-Hochpassfilter mit einer Eckfrequenz von 4 kHz. Das Anhebungsfilter 76 ist für die teilweise Kompensation der bei 10 - 12 dB je Oktave liegenden Hochfrequenzbedämpfung im Langzeit- Sprachspektrum vorgesehen, um somit den Verlust der Amplitudenauflösung in den hochfrequenten Anteilen der Sprache zu reduzieren. Das Verstärkerelement 78, das Pseudosignalfilter 80, das Verstärkerelement 82, der Abtast- und Haltekreis 84, das Analog/Digital-Wandlerelement 86, das Digital/Analog-Wandlerelement 92, das inverse Filter 94, die Lautstärkeregelung 96 und die Elektrode 98 sind herkömmliche Elemente und dem Fachmann bekannt. In der bevorzugten Ausführungsform des Hörgeräts 68 sind die Resonatoren 88A - 88I bei ihren angegebenen Mittenfrequenzen digital realisiert. In einer bevorzugten Ausführungsform haben der Resonator 88A und der Resonator 88B ein Q(10 dB) gleich 3, die Resonatoren 88C, 88D und 88E haben ein Q(10 dB) gleich 4, der Resonator 88F hat ein Q(10 dB) gleich 5, der Resonator 88G hat ein Q(10 dB) gleich 6, der Resonator 88H hat ein Q(10 dB) gleich 7 und der Resonator 88I hat ein Q(10 dB) gleich 8. Die digitale Realisierung aller Filter ist vorzugsweise von vierter Ordnung. Die digitale Realisierung solcher Filter ist herkömmlich und dem Fachmann bekannt, obwohl nicht für den vorliegenden Zweck bzw. die vorliegende Funktion verwendet.
• Die Realisierung der Nichtlinearitäten 90A - 90I ist eine Funktion der Eingangsanpassung und der Ausgangsanpassung. Jede Nichtlinearität bildet einen Bereich momentaner Eingangssignalpegel, wie sie von den jeweiligen Resonatoren 88A - 88I erzeugt werden, auf einen Bereich momentaner Ausgangssignalpegel ab. Die Abbildungsfunktion hat, wie in Fig. 9 dargestellt, einen linearen Bereich 100, eine Kaskadierung zweier Exponentialfunktionen 102 und 104 und eine Sättigungsfunktion 106. Durch Abbildung der Eingangspegel in den Sättigungsbereich 106 oder in einen der beiden Exponentialbereiche 102 und 104 kann jeder Bereich von Eingangspegeln in den gewünschten Ausgangsbereich komprimiert werden. Der Ausgangsbereich ist an den elektrischen Dynamikbereich des Patienten angepaßt. Der Eingangsbereich wird ebenfalls im Rahmen der Eingangsanpassung eingestellt, um einen gewünschten Bereich der Resonatorausgangspegel in den Komprimierungsbereich des Ausgangsbereichs und somit in den elektrischen Dynamikbereich des Patienten abzubilden.
• Der Ausgangsbereich wird durch drei nichtlineare Parameter Y(min) 108, Y(mid) 110 und Y(max) 112 an den Patienten angepaßt. Y(min) 108 definiert die Grenze zwischen der linearen Funktion 100 und der ersten Exponentialfunktion 102. Y(min) 108 wird entsprechend der Wahrnehmungsschwelle des Patienten eingestellt, d.h. dem Pegel, unterhalb dem der Patient keine akustische Wahrnehmungsfähigkeit mehr hat. Y(max) 112 definiert die Grenze zwischen der zweiten Exponentialfunktion 104 und der Sättigungsfunktion 106. Dadurch werden keine Ausgangssignalpegel größer als Y(max) 112 erzeugt. Das Y(max) 112 für einen individuellen Patienten wird in Verbindung mit dem Pegel der für den individuellen Patienten unangenehmen Lautstärke festgelegt. Y(mid) 110, das der Grenze zwischen der ersten Exponentialfunktion 102 und der zweiten Exponentialfunktion 104 entspricht, wird als der Wert von Y(min) 108 plus 0,66 mal dem Betrag von Y(max) 112 minus Y(min) 108 festgelegt.
• Der dynamische Eingangsbereich einer jeden der Nichtlinearitäten 90A - 90I wird der Verteilung des momentanen Signalpegels der Sprache angepaßt, der am Ausgang des jeweiligen Resonators 88A - 88I gemessen wird. Drei Parameter X(min) 114, X(mid) 116 und X(max) 118, die entsprechende Koordinatenpaare mit den Y-Werten 108, 110 und 112 definieren, werden zur Anpassung der Nichtlinearität verwendet. Zur Anpassung der X-Werte 114, 116 und 118 können zwei wahlweise Lösungen herangezogen werden.
• Für die erste Lösung, die sogenannte Standardlösung, wurden 95 Prozent der momentanen Ausgangspegelverteilung von jedem Resonator 88 für eine große Zahl von ausgewerteten Sprachsignalen berechnet. X(max) 118 wird auf diesen Wert gesetzt. Unter Verwendung dieses Wertes werden prozentual 5% des Resonatorausgangs für einen einzelnen Kanal in den Bereich der Sättigungsfunktion 106 abgebildet. X(min) 114 wird danach auf einen Wert von 20 dB unter X(max) 118 gesetzt, und X(mid) 116 wird auf die Mitte zwischen X(max) 118 und x(min) 114 gesetzt. Diese Parameter bilden etwa 40% - 50% der Eingangssprachpegel in den dynamischen Bereich des Patienten für jeden Kanal ab. Mit den übrigen 50% - 60%, die auf oder unterhalb der Wahrnehmungsschwelle in die lineare Funktion 100 fallen, mischt diese Lösung eine große Anzahl von Kanälen, die Anteile oberhalb der Wahrnehmungsschwelle enthalten. Somit kann das zusammengesetzte Signal vom Summierer 32 eine große Anzahl von Periodizitäten enthalten.
• In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Lösung mit "Kanaldominanz" verwendet, bei der nur die Ausgänge der Resonatoren 88A - 88I, deren Signale voraussichtlich am größten sind, in die Linearitäten 90A - 90I eingeblendet bzw. über diese geführt und somit auf den Summierer 32 aufgelegt werden, so daß nur die Periodizitäten solcher, die über der Wahrnehmungsschwelle des Patienten liegen, im Ausgangssignal enthalten sind. Auf diese Weise wird die Anzahl der im Summensignal vorhandenen Periodizitäten reduziert, und dementsprechend mögliche Interaktionen der Periodizitäten werden ebenfalls reduziert. Dies wird durch die Vergrößerung der Werte der X-Parameter 114, 116 und 118 erreicht, wodurch ein größerer Prozentsatz der Eingangssprachsignale auf die lineare Funktion 100 abgebildet wird und damit unterhalb der Wahrnehmungsschwelle des Patienten zu liegen kommt. Auf diese Weise liegen nur die Kanäle mit den größten Amplituden bzw. die dominanten Kanäle auf Pegeln oberhalb der Wahrnehmungsschwelle. Prozentual gesehen wurden 75 Prozent der momentanen Pegelverteilung für einen einzelnen Kanal ermittelt und als Wert X(min) 114 herangezogen. X(max) 118 wurde auf 20 dB über X(min) 114 gesetzt, und X(mid) 116 wurde auf 10 dB über X(min) 114 gesetzt.
• Mit den wie oben beschrieben festgelegten X-Werten 114, 116 und 118 und den Y-Werten 108, 110 und 112 ist in Fig. 10 ein Flußdiagramm eines Programmes zur digitalen Realisierung der Funktion der Nichtlinearitäten 90 dargestellt. Das digitale Programm beginnt beim Block 210 und realisiert nacheinander jeden einzelnen Kanal A - I. Da jeder einzelne Kanal identisch dem anderen ist, wird nur die Realisierung eines Kanals, nämlich des Kanals A beschrieben. Ein digitales Filter bzw. ein Resonator wird in Block 202 realisiert, der dem Resonator 88A entspricht. Diese digitale Realisierung ist herkömmlich und dem Fachmann bekannt. Für den ersten Kanal übernimmt das Programm in Block 204 den Ausgang von Block 202 und realisiert die lineare Funktion 100 von Fig. 9, indem es feststellt, ob der X-Wert innerhalb des Bereichs der linearen Funktion 100 liegt. Wenn ja, legt das Programm die Ausgangsfunktion Y(t) fest, indem es die Konstantenwerte A1 und B1 übernimmt und in die Gleichung A1 x X(t) + B1 einsetzt. Liegt der Wert von X(t) nicht innerhalb des Bereichs der linearen Funktion 100, so stellt Block 206 fest, ob die X-Werte innerhalb des Bereichs der ersten Exponentialfunktion 102 liegen. Wenn ja, legt das Programm den Ausgangswert Y fest, indem es die Werte A2 und B2 in einer Tabelle nachschlägt und in die Gleichung Y(t) = A2 x X(t) + B2 einsetzt. Vorzugsweise kann dies durch eine Vielzahl aneinandergereihter linearer Segmente erfolgen, um die Kurve für den Algorithmus anzunähern. In entsprechender Weise wird gegebenenfalls in Block 208 die zweite Exponentialfunktion 104 realisiert, wobei die Werte A3 und B3 in der Tabelle nachgeschlagen werden. Vorzugsweise kann auch diese Kurve für den Algorithmus durch lineare Segmente angenähert werden. Letztendlich realisiert das Programm die Sättigungsfunktion 106 im Block 212, wenn der X-Wert X(t) innerhalb der Werte des Sättigungsabschnitts liegt, indem einfach eine bekannte Konstante ausgegeben wird, da die Kurve gesättigt ist. Anschließend wiederholt das Programm jeden der einzelnen Blöcke für jeden einzelnen Kanal des digitalen Signalprozessors 10.
• In der bevorzugten Ausführungsform ist das in Fig. 10 dargestellte Programm auf einem integrierten Schaltkreis untergebracht, der den Signalprozessor 10 bildet und als solcher fungiert. Dieser integrierte Schaltkreis ist ein IC vom Typ 320C10, der von der Texas Instruments Corporation, Dallas, Texas, hergestellt wird. Im Programm von Fig. 10 wird der von jedem einzelnen Kanal erhaltene Wert anschließend in Block 214 digital summiert, um das endgültige Y(t) zu erhalten, wonach das Programm in Block 216 endet und erneut wiederholt wird.
• Eine alternative Ausführungsform des Hörgeräts 120 ist in Fig. 11 dargestellt. Das Hörgerät 120 entspricht dem Hörgerät 68 von Fig. 8 insofern, als sie ein Mikrophon 70 und eine automatische Verstärkungsregelung 74, eine Voranhebung im Filter 76 und einen Signalprozessor 10 hat. Der Signalprozessor 10 enthält einen einzelnen A/D-Wandler 86, der das elektrische Eingangssignal an zehn Resonatoren 88A - 88J liefert. Die jeweiligen Mittenfrequenzen liegen bei 178 Hz, 250 Hz, 353 Hz, 500 Hz, 707 Hz, 1 kHz, 1,4 kHz, 2 kHz, 2,8 kHz und 4 kHz. Jeder Resonator 88 wird einzeln zu einer Nichtlinearität 90A - 90J weitergeführt. Die Resonatoren 88 und die Nichtlinearitäten 90 funktionieren in identischer Weise wie die Resonatoren 88 und die Nichtlinearitäten 90, die in Fig. 8 dargestellt sind. In der in Fig. 11 dargestellten Ausführungsform werden jedoch die Ausgänge der einzelnen Nichtlinearitäten nicht aufsummiert, sondern einzeln an Digital/Analogwandler 92A - 92J übergegeben. Alternativ könnte ein Digital/Analogwandler 92 mit allen Nichtlinearitäten 90A - 90J verbunden werden, der alle zehn Nichtlinearitäten durch Zeitmultiplexung abwickeln könnte. Der Ausgang eines jeden einzelnen Digital/Analogwandlers 92A - 92J wird an eine eigene Stromquelle 122A - 122J geliefert, welche individuell eine der Elektroden 124A - 124J versorgt. Folglich versorgt jeder einzelne Resonator 88A - 88J letzten Endes eine individuelle der Elektroden 124A - 124J. Damit liegen an einer einzelnen Elektrode, z.B. 124A, nur die Periodizitäten eines Resonators, in diesem Fall 88A, an. Die Leitungen zur Versorgung der Elektroden 124A - 124J sind so dargestellt, daß sie durch einen perkutanen Einsatz 126 geführt sind. Die Elektroden 124A - 124J, die in Fig. 11 jeweils als ein einzelner Draht dargestellt sind, liegen im Patienten als ein Elektrodenpaar vor, da sie Strom von einem individuellen Elektrodenelement zu einem zweiten individuellen Elektrodenelement übertragen müssen. Folglich repräsentiert die Elektrode 124A ein Drahtpaar, das für die Anordnung innerhalb des Schneckenganges vorgesehen ist. Alternativ können die Elektroden 124A - 124J Einzelelektrodenelemente repräsentieren, die Strom von den individuellen Elementen zu einer einzelnen gemeinsamen Rückführungselektrode (nicht dargestellt) übertragen.
• Während die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform als elektrische Stimulation einer Person durch ein Implantat im Schneckengang beschrieben ist, ist es bekannt und selbstverständlich, daß die vorliegende Erfindung auch für die akustische Stimulation wie in einer Hörhilfe anwendbar ist.
• Während die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform so formuliert ist, als seien die vorbestimmten Charakteristiken der Nichtlinearitäten und/oder der Filter endgültig festgelegt, ist es bekannt und selbstverständlich, daß diese vorbestimmten Werte gelegentlich, regelmäßig oder nach dem Auftreten eines bestimmten Ereignisses vorteilhafterweise neu berechnet werden können und in den dazwischenliegenden Intervallen weiterhin vorbestimmt sind.

Claims (7)

1. Signalprozessor für ein elektrisches Eingangssignal zur Übermittlung von Schall an eine Person, der für die Verwendung in Verbindung mit einem Hörgerät geeignet ist, wobei der Prozessor ein elektrisches Ausgangssignal bereitstellt, das in dem Hörgerät verwendet werden kann, und eine Vielzahl von Filtern (14, 16, 18; 88A - 88J) enthält, von denen jedes eine unterschiedliche Mittenfrequenz passieren läßt und funktional gekoppelt ist, um das elektrische Eingangssignal zu empfangen, wobei jedes aus dieser Vielzahl von Filtern (14, 16, 18) unterkritisch bedämpft ist und eine oszillierende Impulsantwort mit einem Q (10dB) etwa gleich dem gemessenen Q (10dB) der Gehörnerven bei der gleichen Frequenz wie der Mittenfrequenz des betrachteten Filters aufweist.

2. Signalprozessor nach Anspruch 1, bei dem gemäß Fig. 7 der Wert für Q eines jeden der Vielzahl von Filtern (14, 16, 18; 88A - 88J) innerhalb des Bereichs der Werte für Q für jede der Mittenfrequenzen bleibt.

3. Signalprozessor nach Anspruch 1 oder 2, der weiterhin eine Vielzahl von nichtlinearen Einrichtungen (26 - 30; 90A - 90J) umfaßt, die jeweils wahlweise mit dem elektrischen Ausgangssignal eines aus der Vielzahl von Filtern gekoppelt werden, um ein justiertes Ausgangssignal nichtlinear als Funktion der Amplitude des elektrischen Ausgangssignals bereitzustellen.

4. Signalprozessor nach Anspruch 3, der weiterhin eine Additionseinrichtung (32) umfaßt, die mit allen justierten Ausgangssignalen der nichtlinearen Einrichtungen (26 - 30; 90A - 90J) funktional verbunden ist, um die Amplitudenwerte aller justierten Ausgangssignale aufzusummieren und ein einzelnes Prozessorausgangssignal (34) bereitzustellen.

5. Hörhilfe zur Erfassung eines Schallsignals, zur Wandlung des Schallsignals in ein Signal, das den Schall für eine Person erfaßbar macht und zur Übermittlung des Signals an die Person, umfassend einen Signalprozessor (10) nach Anspruch 1 oder 2 und des weiteren umfassend:

eine Wandlereinrichtung (70), die das Schallsignal übernimmt, um das Schallsignal in das elektrische Eingangssignal zu wandeln;

eine Vielzahl von Komprimierern (90A - 90J), die wahlweise auf die elektrischen Ausgangssignale der Vielzahl von Filtern (88A - 88J) aufgeschaltet werden, um die Amplitude eines jeden der elektrischen Ausgangssignale individuell als Funktion der Amplitude des jeweiligen elektrischen Ausgangssignals zu komprimieren;

eine Kopplungseinrichtung (32, 92), die funktional mit der Vielzahl von Komprimierern verbunden ist, um alle komprimierten elektrischen Ausgangssignale zu übernehmen und diese komprimierten elektrischen Ausgangssignale in einer Form weiterzugeben, die so adaptiert ist, daß sie an die Person übermittelt werden kann.

6. Hörgerät zur Erfassung eines den Schall darstellenden Hörsignals und zur Ausgabe eines elektrischen Signals, das die Gehörnerven einer Person stimulieren kann, umfassend einen Signalprozessor (10) nach Anspruch 1 oder 2 enthält und des weiteren umfassend:

eine Wandlereinrichtung (70), die das Hörsignal übernehmen kann, um das Hörsignal in das elektrische Eingangssignal zu wandeln;

eine Stimulationseinrichtung, die funktional mit der Vielzahl von elektrischen Ausgangssignalen des Signalprozessors verbunden ist, um ausgewählte Gehörnervenbereiche innerhalb des Schneckenganges zu stimulieren, wobei die Vielzahl elektrischer Ausgangssignale wahlweise das Muster der Nervenempfindung im Schläfenbein durch individuelle Gehörnervenfasern innerhalb des Schneckenganges der Person nachbildet.

7. Hörgerät nach Anspruch 6, bei dem der Signalprozessor (10) die Vielzahl elektrischer Ausgangssignale erzeugt, die jeweils periodische Oszillationen in einem bestimmten Frequenzband aufweisen, deren Amplitude der entsprechenden Energie im jeweiligen Frequenzband des elektrischen Eingangssignals entspricht.