CN102640435B - 光学耦合的耳蜗植入系统及方法 - Google Patents

光学耦合的耳蜗植入系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种输出组件的尺寸被定制成布置在中耳和内耳中，从而可以减少骨头的移除。该输出组件可以包括：尺寸被定制成穿过耳膜中切口的至少一个光电探测器、多路分用器和电极阵列。输入换能器组件被配置成将多路复用光学信号传输至输出组件。输入组件可以被配置成通过耳膜传输多路复用光学信号，从而例如可以减少组织移除并且可以在不移除骨头的情况下布置该装置。多路复用光学信号可以包括脉冲宽度调制信号以便减小光源和光探测器的非线性效应并且向使用者提供优质声音。

Description

光学耦合的耳蜗植入系统及方法
相关申请的交叉引用
本非临时申请要求2009年6月18日提交的、名称为“Optically Coupled CochlearImplant Systems and Methods”的美国专利申请序列号61/218,377(律师签号026166-002900US)以及2009年6月24日提交的名称为“Transdermal Photonic EnergyTransmission Device and Methods”的美国专利申请序列号61/220,124(律师签号026166-003300US)的优先权；以上申请的全部内容通过引用并入于此。
技术领域
本发明大体上涉及利用电极的组织刺激，并且更具体而言涉及用于听力的耳蜗刺激。尽管对耳蜗植入进行了具体参考，但是本发明的实施例可以用于其中组织受到刺激的应用中，例如对肌肉、神经和神经组织的刺激，例如帕金森症的治疗。
背景技术
用于刺激组织的现有装置至少在某些情况下可能多少是侵入性的。用于刺激组织的装置的一个示例是耳蜗植入(cochlea implant)，其可以用于刺激耳蜗的神经组织。用于耳蜗植入的至少某些现有装置太过侵入性，而显得不够理想。例如，在至少某些情况下，耳蜗植入依赖于骨头的切割而被切的骨头至少需要一段时间才可以愈合，从而外科手术太过侵入性，而显得不够理想。此外，骨头的切割至少在某些情况下可能导致骨头的弱化。此外，至少在某些情况下，至少某些现有的耳蜗植入可能被移除而被切割的骨头可能在骨头中留下至少部分空洞。此外，与耳蜗植入相连的电路可能比理想的稍大。
耳蜗植入与外部驱动器的耦合可能是稍微笨重的并且至少在某些情况下可能不够理想。例如，现有的耳蜗植入可以通过发射器和接收器RF线圈配对来传输能量，但至少在某些情况下这些线圈的使用可能是稍嫌笨拙的而不够理想。例如，线圈可能需要对准，并且尽管可以使用磁铁配对来使RF线圈对准，但两个磁铁之一可能半永久地植入颞骨中，至少在某些情况下这样可能多少是侵入性的。因为对于MRI机器而言，身体植入磁铁是禁忌的，并且至少在某些情况下可能要在成像之前通过外科手术移除磁铁。因为可以在18个月大的儿童以及成人中植入耳蜗植入，所以至少存在合理的可能性，即，至少在某些情况下，可能需要在MRI之前移除通过外科手术植入的磁铁，并且在MRI之后重新植入耳蜗植入的第二工序。
至少在某些情况下，现有的耳蜗植入中的至少某些可能产生较比理想情况差的感知声音质量。例如，声音定位提示信息允许人在嘈杂环境中定位声音并且聆听，而至少在某些情况下，现有的耳蜗植入装置可能不提供自然听力具有的声音定位提示信息。此外，至少在某些情况下，利用至少某些耳蜗植入装置产生的声音可能听起来至少稍有些失真。
以以克服现有耳蜗植入装置的至少某些现有缺点的方式利用电流来刺激组织将是有益的。理想地，这些装置将具有较少侵入性并且提供具有声音定位提示信息和较少失真以及在植入之后较少手术的改进的听力。
发明内容
本发明大体上涉及采用电极的组织刺激，并且更具体而言涉及用于听力的耳蜗刺激。尽管对耳蜗植入进行了具体参考，但是本发明的实施例可以用于其中组织受到刺激的许多应用，例如对肌肉、神经和神经组织的刺激，例如帕金森症治疗。
本发明的实施例提供了采用电流刺激组织的装置、系统和方法，这些装置、系统和方法克服了与现有装置相关联的至少某些问题。例如，输出组件的尺寸可以被定制成布置在中耳和内耳中，从而可以减少骨头的移除。此外，输出组件可以包括实质上非磁性材料，从而当植入了输出组件时人可以经历MRI成像。该输出组件可以包括尺寸被定制成穿过耳膜中的切口的至少一个光探测器、多路分用器(demultiplexer)以及电极阵列。输入换能器组件可以被配置成将多路复用光学信号传输至输出组件。例如，输入组件可以被配置成通过耳膜传输多路复用光学信号，从而可以减少组织移除并且可以在不移除骨头的情况下植入装置。多路复用光信号可以包括脉冲宽度调制信号，以便减少光源和光探测器的非线性效应并且为使用者提供优质的声音。例如，脉冲宽度调制信号可以包括频率在听力频率之上(例如在至少约20kHZ之上)的光学脉冲，从而耳蜗对脉冲进行解调并且传输至使用者的声音信号的相位实质上得以维持。声音可以包括对应于多个信道的多个频率，并且可以针对每个信道确定一系列宽度调制脉冲。每个信道的宽度调制脉冲可以通过鼓膜以高频率光学输送，从而耳蜗将高频脉冲解调为具有振幅和相位得以维持的、使用者可感知的声音。
在第一方面，本发明的实施例提供了一种刺激组织的方法。传输多路复用光学信号以便刺激该组织。
在另一方面，本发明的实施例提供了一种将声音传输至使用者的耳蜗的方法，使用者具有组织，该方法包括：通过使用者的组织传输多路复用光学信号，从而使得使用者响应于通过组织传输的多路复用光学信号而听到声音。
在许多实施例中，组织包括耳膜的组织。
在许多实施例中，将多路复用光学信号传输至由中耳支撑的光学结构，该光学结构被配置成分离多路复用信号的波长以刺激耳蜗。
在许多实施例中，该光学结构固定至中耳。该光学结构的尺寸可以被定制成穿过耳膜中的切口以便布置在中耳的腔中。
在许多实施例中，该光学结构包括以下各项中的至少一个：光学滤波器、光纤、光栅、标准具、多个光纤、波导、多个波导、反射镜或棱镜。
在许多实施例中，多路复用光学信号包括多个信道，多个信道的每一个信道对应于声音的至少一个频率。
在许多实施例中，多个信道对应于至少约十六个信道并且至少一个频率对应于至少约十六个频率。
在许多实施例中，多路复用光学信号利用多个光源传输通过耳膜，每个光源被配置成传输对应于多个信道的信道的光信号，从而光源对应于声音的至少一个频率。多个光源可以包括至少三个光源，并且至少三个光源的每一个光源被配置成发射分离的光波长。
在许多实施例中，多个信道的每一个信道对应于电极配对，并且第一电流响应于第一宽度调制光脉冲而在该电极配对之间传播，以及第二电流响应于第二宽度调制光脉冲而在该电极配对之间传播。第一电流与第二电流相反。第一电流具有对应于第一脉冲的第一宽度的第一量，并且第二电流具有对应于第二脉冲的第二宽度的第二量。第一脉冲的宽度对应于第二脉冲的宽度，以便抑制整流并且平衡在第一电极和第二电极之间的电荷转移。
在许多实施例中，第一光脉冲包括耦合至第一探测器的第一光波长，并且第二光脉冲包括耦合至第二探测器的第二光波长。
在许多实施例中，多路复用光学信号通过使用者的耳膜传输至至少一个光电探测器，并且至少一个光电探测器固定至中耳并且耦合至至少部分地位于耳蜗内的电极阵列。至少一个光电探测器和至少一个电极阵列的尺寸可以被定制成穿过耳膜中的切口。
在许多实施例中，多路复用光学信号包括波长多路复用光学信号，该波长多路复用光学信号包括多个波长，从而使得每个波长对应于阵列的电极。多个波长的每一个波长可以对应于阵列的电极。
在许多实施例中，至少一个光电探测器包括多个光电探测器，并且多个光电探测器的每一个光电探测器耦合至阵列的对应电极和多个波长的对应波长，从而组织刺激电流响应于组织刺激波长而流过电极。
在许多实施例中，光学结构位于使用者的中耳中以分离对应于每个探测器的波长，并且从而对应于每个探测器的每个经分离的波长基于波长而传输至所述每个探测器。
在许多实施例中，多个光滤波器位于使用者的中耳中，并且波长利用光学滤波器来分离，其中每个光学滤波器位于一个探测器上方并且被配置成使对应于耦合至所述一个探测器的电极波长通过。
在许多实施例中，光栅被配置成选择每个探测器的波长以对应于每个电极。
在许多实施例中，多路复用光学信号包括时分多路复用信号。时分多路复用信号可以包括多个时隙，其中多个时隙的每一个时隙对应于阵列的电极。时分多路复用信号可以包括多个时隙和时钟信号，并且电路可以耦合至至少一个光电探测器和电极阵列以便接收时钟信号并且在阵列的电极之中划分时分多路复用信号，从而使得每个时隙对应于阵列的至少一个电极。
在许多实施例中，每个时隙对应于声音的至少一个频率，从而电流响应于多路复用信号的对应于时隙的部分而流过每个电极。时分多路复用信号可以是脉冲宽度调制的，从而使得多个时隙的每一个时隙包括光脉冲，该光脉冲具有对应于流经对应于所述时隙的电极的电流的持续时间。
在许多实施例中，多路复用光学信号传输至延伸进耳蜗的至少一个光纤。至少一个光纤的尺寸可以被定制成穿过中耳中的切口。该至少一个光纤可以包括延伸进耳蜗的多个光纤，每个光纤对应于声音的至少一个频率。每个光纤可以被配置成响应于声音的至少一个频率，在对应于对应频率范围的、耳蜗预定位置处刺激耳蜗。
在许多实施例中，多路复用光学信号通过耳膜中的开口或窗口中的至少一个来传输。
在许多实施例中，电极阵列、至少一个光电探测器以及多路分用器包括被配置成当植入使用者中时用于MRI成像的实质上非磁性材料。
在许多实施例中，声音包括相位，并且光学信号包括以至少约10kHz频率传输的宽度调制光脉冲。每个光脉冲在耳蜗内产生电流，从而耳蜗对光脉冲进行解调并且声音的相位得以维持。
在许多实施例中，宽度调制光脉冲包括针对每个信道的一系列宽度调制脉冲，并且其中所述每个信道的一系列宽度调制脉冲包括至少约10kHz的频率以便当使用者听到声音时维持声音的相位。所述每个一系列宽度调制脉冲的频率可以包括至少约20kHz以便当使用者听到声音时维持声音的相位。多个信道可以包括至少约八个信道并且宽度调制光脉冲的频率包括至少约160kHz。
在许多实施例中，每个信道的一系列宽度调制脉冲的脉冲被组合以形成脉冲分组的序列，每个脉冲分组包括来自每个一系列宽度调制脉冲的一个脉冲。
在许多实施例中，至少一个光电探测器位于中耳腔中，以便通过耳膜的后端部分接收多路复用光学信号。
在另一方面，本发明的实施例提供了一种刺激组织的系统。多个电极被配置成至少部分地布置在组织内。电路被配置成从源接收信号。至少一个光源耦合至电路并且被配置成发射包括多个光脉冲的多路复用光学信号。至少一个光电探测器被配置成接收多路复用光学信号并且响应于光脉冲使电流传递通过电极以刺激组织。
在另一方面，本发明的实施例提供了一种将音频信号传输至使用者的系统。电极阵列包括被配置成至少部分地布置在使用者耳蜗内的多个电极。电路被配置成从声音源接收音频信号。至少一个光源耦合至电路并且被配置成发射包括多个光脉冲的多路复用光学信号。至少一个探测器被配置成接收多路复用光学信号并且响应于光脉冲使使电流传递通过电极。
在许多实施例中，电路被配置成确定多个光脉冲的宽度，并且其中每个光脉冲对应于阵列的电极并且所述每个光脉冲的宽度对应于流经阵列的对应电极的电流量。
在许多实施例中，电路被配置成确定音频信号的频率，并且其中，频率对应于阵列的电极并且其中电路被配置成响应于频率的一个或多个确定每个脉冲的宽度。
在许多实施例中，至少一个光源包括多个光源，并且其中每个光源对应于阵列的一个电极。多个光源的每一个光源可以被配置成发射包括基本上与多个光源的其他光源的波长分离的波长的光。
在许多实施例中，多个光源包括至少三个光源并且电极阵列包括至少三个电极，并且至少三个光源的每一个光源对应于阵列的至少三个电极的一个电极。至少三个光源的每一个光源可以被配置成发射包括基本上与至少三个光源的其他光源分离的波长的光，并且每个光源的波长对应于至少三个电极的一个电极。
在许多实施例中，至少一个探测器包括多个探测器，并且多个探测器的每一个探测器对应于阵列的一个电极。
在许多实施例中，多个光探测器包括至少三个光探测器，并且电极阵列包括至少三个电极，并且至少三个光探测器的每一个光探测器对应于阵列的至少三个电极的一个电极。
在许多实施例中，光学结构被配置成接收多路复用光学信号，该光学结构被配置成布置在中耳中，该光学结构被配置成选择多路复用信号的波长。所述光学结构的尺寸可以被定制成穿过耳膜中的切口以便布置在中耳中，并且电极阵列的尺寸被定制成穿过耳蜗的圆窗至少部分地布置在耳蜗内。
在许多实施例中，光学结构包括以下各项中的至少一个：光纤、光栅、标准具、多个光纤或棱镜。
在许多实施例中，多路复用光学信号包括多个光学信道，多个光学信道的每一个光学信道对应于声音的至少一个频率。多个光学信道可以对应于至少约十六个信道并且所述至少一个频率对应于至少约十六个频率。
伸长的光学传输结构被配置成至少部分地布置在使用者的耳道内，并且该伸长的光学传输结构被配置成通过耳膜传输多路复用光学信号。
在许多实施例中，多路复用光学信号通过使用者的耳膜传输至至少一个光电探测器，其中至少一个光电探测器固定至中耳并且耦合至至少部分地位于耳蜗内的电极阵列。
在许多实施例中，至少一个光电探测器和电极阵列的尺寸被定制成穿过耳膜中的切口。
在许多实施例中，多路复用光学信号包括波长多路复用光学信号，该波长多路复用光学信号包括多个波长，从而每个波长对应于阵列的电极。多个波长的每一个波长可以对应于阵列的电极。多个波长可以包括至少三个波长，并且其中多个电极包括至少三个电极，并且其中多个波长的每一个波长对应于至少三个电极的一个电极。
在许多实施例中，电路被配置成传输一系列光脉冲以与阵列的电极相对应。
在许多实施例中，一系列光脉冲包括多个脉冲，并且其中多个脉冲的每一个脉冲对应于多个电极的一个电极。
在许多实施例中，多个电极包括至少三个电极，并且其中一系列光脉冲包括至少三个脉冲，并且其中至少三个脉冲的每一个脉冲对应于至少三个电极的一个电极。
在许多实施例中，一系列光脉冲包括定时脉冲。定时脉冲可以包括基本固定的宽度，并且其中定时脉冲包括向耦合至多个电极的电路供电的能量。开关电路可以耦合至至少一个探测器以响应于定时脉冲将多个电极的每一个电极顺序地耦合至至少一个探测器，从而一系列脉冲的每一个脉冲对应于多个电极的一个电极。一系列脉冲可以包括脉冲的预定顺序和定时，并且开关电路可以包括耦合至开关的定时器以与一系列脉冲一致地使开关断开和闭合。
在许多实施例中，一系列脉冲包括至少三个脉冲，并且其中开关电路被配置成将至少一个探测器顺序地耦合至至少三个电极的每一个电极，从而一系列脉冲的每一个脉冲对应于多个电极的一个电极。
在许多实施例中，电极阵列、至少一个光电探测器以及多路分用器包括当植入使用者中时配置用于MRI成像的实质上非磁性材料。
在许多实施例中，多个信道的每一个信道对应于电极配对，并且其中第一电流响应于第一宽度调制光脉冲而在所述电极配对之间传播，以及第二电流响应于第二宽度调制光脉冲而在所述电极配对之间传播，第一电流与第二电流相反，第一电流具有对应于第一脉冲的第一宽度的第一量并且第二电流具有对应于第二脉冲的第二宽度的第二量，并且第一脉冲的宽度对应于第二脉冲的宽度以便抑制整流并且平衡在第一电极和第二电极之间的电荷转移。
在许多实施例中，第一光脉冲包括耦合至第一探测器的第一光波长，该第一探测器耦合至所述电极配对，并且第二光脉冲包括耦合至第二探测器的第二光波长，该第二探测器耦合至所述电极配对。第一探测器与第二探测器相对地耦合至所述电极配对。每个信道可以对应于电极配对，并且与第二探测器相对地耦合至电极配对的第一探测器，例如至少约8个信道对应于耦合了16个探测器的8个电极配对。
在许多实施例中，声音包括相位，并且其中光学信号包括以至少约10kHz频率传输的宽度调制光脉冲，并且其中每个光脉冲在耳蜗内产生电流，从而耳蜗对光脉冲进行解调并且声音的相位得以维持。宽度调制光脉冲可以包括针对每个信道的一系列宽度调制脉冲，并且所述每个信道的一系列宽度调制脉冲包括至少约10kHz的频率以当使用者听到声音时维持声音的相位。
在许多实施例中，所述每个一系列宽度调制脉冲的频率包括至少约20kHz以当使用者听到声音时维持声音的相位。
在许多实施例中，多个信道包括至少约八个信道并且宽度调制光脉冲的频率包括至少约160kHz。
在许多实施例中，每个信道的一系列宽度调制脉冲的脉冲被组合以形成脉冲分组的序列，每个脉冲分组包括来自每个一系列宽度调制脉冲的一个脉冲。
在另一方面，本发明的实施例提供了一种为使用者提供听力弥补的方法。在使用者的耳膜中形成切口，其中耳膜包括环带。使电极阵列、至少一个光电探测器以及多路分用器穿过该切口。例如，输出组件可以包括电极阵列、至少一个光电探测器和多路分用器，并且该输出组件可以穿过切口。
在许多实施例中，切口至少部分地延伸穿过环带。
在许多实施例中，耳膜位于耳道一侧以使电极阵列、多路分用器和至少一个光电探测器穿过切口。
在许多实施例中，至少一个探测器和多路分用器固定至使用者的中耳。
在许多实施例中，电极阵列被定位成至少部分地穿过圆窗，并且其中至少一个探测器和多路分用器位于使用者的中耳内。
在许多实施例中，至少一个探测器和多路分用器固定至使用者的中耳。
在许多实施例中，至少一个光电探测器包括至少三个光电探测器。
在许多实施例中，多路分用器包括光学多路分用器。光学多路分用器可以包括至少三个滤波器以分离至少三个光波长。
在许多实施例中，多路分用器包括开关电路和定时器。
在许多实施例中，穿过切口的电极阵列、至少一个光电探测器以及多路分用器包括被配置用于MRI成像的实质上非磁性材料。
在许多实施例中，至少一个光电探测器位于中耳腔中，以接收传输通过耳膜的后端部分的光能。
在另一方面，本发明的实施例提供了一种刺激组织的装置。该装置包括用于产生多路复用光学信号的装置，以及用于响应于该光学信号刺激组织的装置。用于产生光学信号的装置可以包括用于产生如本文所述的多路复用光学信号的输入组件的一个或多个结构，并且用于刺激组织的装置可以包括具有如本文所述的相应功能的输出组件的一个或多个结构。
附图说明
图1A显示了依照本发明实施例的包括耳后单元的光学耦合耳蜗植入系统；
图1A1显示了依照本发明实施例的包括耳道模块的光学耦合耳蜗植入系统；
图1A2显示了依照实施例的光学耦合输出换能器组件，如利用内侧视图从耳道向中耳腔看去可见的，该光学耦合输出换能器组件具有位于中耳腔内以通过耳膜的后端部分光学地耦合的光电探测器以及穿过圆窗延伸进耳蜗的电极阵列；
图1B显示了依照本发明实施例的、被配置成发射多路复用光学信号的输入换能器组件；
图2A显示了依照本发明实施例的、被配置成发射波长多路复用光学信号的输入换能器组件；
图2A1显示了包括如图2A中的波长多路复用光学信号的分离光波长的光学脉冲；
图2A2显示了配置成波长多路复用如图2A所示的具有分离波长的多个光源的光的光学多路复用器；
图2B显示了包括配置成与如图2A中的输入换能器组件耦合的光学多路分用器的输出换能器组件；
图2C显示了依照实施例的、包括光学多路分用器的输出换能器组件，其中光学多路分用器包括光学滤波器和探测器阵列；
图2C1显示了依照实施例的、图2C的输出换能器组件的信道的电路，以便响应于包括第一波长的第一光脉冲和包括第二波长的第二光脉冲提供至少双相的脉冲；
图3A显示了依照本发明实施例的、被配置成发射时间多路复用光学信号的输入换能器组件；
图3A1显示了包括如图3A中的时间多路复用光学信号的一系列脉冲的光学脉冲；
图3A2显示了如图3A中的时间多路复用光学信号的一系列光学脉冲的时钟脉冲；
图3B显示了被配置成与如图3A中的输入换能器组件一起使用的输出换能器组件；
图4显示了依照实施例的三相脉冲宽度调制脉冲；
图5A显示了依照实施例的、具有带通滤波以及脉冲宽度调制的信号至信道转换，以便在具有耳蜗的高频刺激的信道之间基本上维持音频信号的相位；
图5B显示了用于高频刺激耳蜗的信道的脉冲，以便维持如图5A中音频信号的相位；以及
图6显示了依照实施例的、用于确定通过鼓膜的光学传输的实验设置。
具体实施方式
本发明大体上涉及利用电极的组织刺激，并且更具体而言涉及用于听力的耳蜗刺激。尽管对耳蜗植入进行了具体参考，但是本发明的实施例可以用于其中组织受到刺激的许多应用，例如对肌肉、神经和神经组织的刺激，例如帕金森症的治疗。
本文使用的光包括红外光、可见光和紫外光。
图1A显示了光学耦合耳蜗植入系统10，其包括输入换能器组件20和输出组件30。输入换能器组件20可以包括耳后单元(以下简称“BTE”)。BTE单元可以位于使用者的耳廓P的后方，以便减小BTE单元的可见度。BTE单元可以容纳用于处理和输入信号的电子装置。输入换能器，例如话筒22，耦合至BTE单元并且可以将音频信号传输至BTE单元。BTE可以将输入信号转换成多路复用光学信号λM。BTE单元可以容纳光源，该光源可以耦合至光学传输结构12以发射多路复用光学信号λM。光传输结构12可以从BTE延伸进入耳道EC。光传输结构12可以支撑话筒22。话筒22可以位于许多位置中，例如位于耳道内或者在耳道开口附近以探测声音定位提示信息。可选地，话筒可以位于耳道上。输入换能器可以包括位于BTE单元上的第二话筒以消除噪音。声音输入可以包括来自蓝牙连接的声音，并且BTE可以包括与例如手机耦合的电路。
输出组件30被配置成布置在使用者的中耳以及内耳中。输出组件30包括被配置成接收多路复用光学信号λM的至少一个探测器34。输出组件包括耦合至至少一个探测器34的电极阵列32，以便响应于多路复用光学信号λM刺激耳蜗。电极阵列包括多个电极32E，例如16个电极配对。输出组件30可以包括耦合至至少一个探测器的多路分用器，以多路分用光学信号。多路复用光学信号可以包括例如时间多路复用光学信号或波长多路复用光学信号。多路分用器包括用来多路分用光学信号并且刺激耳蜗组织的结构。多路分用器可以被配置成将多路复用光学信号的脉冲与阵列的电极耦合，从而多路复用光学信号的脉冲对应于阵列的电极。
输出组件30可以包括许多已知的生物相容的并且实质上非磁性材料，从而输出组件30被配置成以当植入患者体内时用于与MRI成像一起使用。例如，电极阵列32可以包括实质非磁性导电材料，例如铂、钛、Ni或镍钛诺(NiTinol)的至少一个。电极阵列可以包括生物相容的实质上非磁性外壳材料，例如硅树脂高弹体(elastomer)、生物相容的塑料或水凝胶(hydrogel)的至少一个。
可以以许多方式配置电极阵列32E和至少一个光电探测器34以刺激耳蜗。例如，电极可以耦合至用于单相脉冲的光电探测器。电极阵列可以包括双相脉冲，其具有对应于沿第一方向的第一电流的第一脉冲，以及对应于沿第二方向的第二电流的第二脉冲。对应于第一方向的第一脉冲的光能可以包括第一光能量，并且对应于第二方向的第二光脉冲可以包括第二光能量，并且例如，第一光能量和第二光能量可以基本相似，以便减少电极的累积放电和/或以便抑制整流和电极间的电荷转移。电极阵列的相应电路可以被配置成传输音频信号并且以多种类型的脉冲刺激耳蜗，例如三相脉冲。每个信道的光脉冲可以包括脉冲宽度调制的光脉冲的配对，其具有对应于电极配对的第一极性的第一宽度调制光脉冲，以及与第一光脉冲极性相反的、对应于电极配对的第二极性的第二宽度调制光脉冲。例如，第一宽度调制光脉冲可以具有第一波长，并且第二宽度调制光脉冲可以具有第二波长。
图1A1显示了包括耳道模块(以下简称“ECM”)的光学耦合耳蜗植入系统。ECM可以包括BTE单元的许多部件，并且反之亦然。可以从使用者的耳道EC的模型来成型ECM。电路(CR)可以耦合至话筒22。该电路可以包括声音处理器。ECM可以包括被配置成存储电能的能量存储装置PS。该存储装置可以包括许多已知的存储装置，例如电池、可再充电电池、电容器、超级电容器或电化学双层电容器(EDLC)的至少一个。例如再充电或当使用者睡眠时，ECM可以被移除。ECM可以包括通道29以使空气通过以便减少闭塞(occlusion)。尽管空气穿过通道29，但是由于耳蜗的电和非声音刺激，基本上不存在反馈。
能量存储装置PS可以包括可以以许多方式再充电的可再充电能量存储装置。例如，可以使用耦合至用于快速充电的超级电容器的连接器中的插头来使能量存储装置充电。可选地，可以利用感应线圈或光电探测器PV来使能量存储装置充电。光电探测器PV可以位于ECM的近端，从而光电探测器暴露于进入耳道EC的光。光电探测器PV可以耦合至能量存储装置PS以便使能量存储装置PS充电。光电探测器可以包括许多探测器，例如上面所述的黑色硅树脂。可以仅仅为了便利提供可再充电的能量存储装置，这是因为能量存储装置PS可以包括当ECM被从耳道移除时使用者可以替换的电池。
光电探测器PV可以包括至少一种光伏材料，例如晶体硅、非晶硅、微晶硅、黑硅、碲化镉、铜铟镓硒(copper indium gallium selenide)等等。在一些实施例中，光电探测器PV可以包括黑硅，例如在美国专利号7,354,792和7,390,689中描述过并且可以从马萨诸塞州的贝弗莉(Beverly)的SiOnyx公司获得。黑硅可以包括采用半导体工艺制造的浅结光电元件，其中该半导体工艺利用了在由高强度激光照射的材料中发生的原子层改变，该高强度激光例如是将目标半导体暴露于短至10-15秒的高强度脉冲的飞秒激光。经受这些剧烈局部能量事件的晶体材料可以发生形变，从而导致原子结构瞬间无序，并且当衬底重结晶时“锁定”了新的化合物。当施加至硅时，结果可以是高掺杂的、光学不透明的浅结界面，其对于光的灵敏度是传统半导体材料的数倍。用于听力装置的光伏换能器也在名称为“OpticalElectro-Mechanical Hearing Devices With Combined Power and SignalArchitectures”的美国申请61/073,271(律师签号026166-001800US)以及名称为“OpticalElectro-Mechanical Hearing Devices with Separate Power and Signal”的美国申请61/073,281(律师签号026166-001900US)中详细描述，以上申请的全部内容先前已通过引用并入于此，并且依照本文所述的一些实施例它们可能适用于组合。
BTE可以包括ECM的许多部件，例如如上所述的光电探测器PV、能量存储装置PS、处理器以及电路。
图1A2显示了光学耦合的输出换能器组件30，如当利用内侧视图从耳道穿过耳膜TM向中耳腔看去可见的，其具有位于中耳腔中以通过耳膜TM的后端部分光学耦合的至少一个光电探测器34，以及穿过圆窗RW延伸进入耳蜗的电极阵列32E。输出组件30例如利用附着结构36位于隆突PR上，从而至少一个光电探测器34被定向成接收传输通过耳膜TM的后端部分的光能。当光能传输通过耳膜并且利用电极阵列32E刺激耳蜗时，至少一个光电探测器34的位置和定向可以基本保持固定。因此，光学耦合，即入射在至少一个光电探测器34上的光能的传输效率基本保持为常数，从而基本上抑制了由于至少一个光电探测器的移动所导致的声学失真。例如，至少一个光电探测器可以包括至少一个光电探测器PV，如上所述，其穿过耳膜TM是可见的，从而光可以从耳道EC通过耳膜TM传输以便利用光通过耳膜TM来传输能量和信号。例如，光能可以通过耳膜的后端部分传输，例如通过后端/下端部分，以便增大耦合效率，例如下文所述。
图1B显示了被配置成发射多路复用光学信号的输入换能器组件20。输入换能器组件的部件可以容纳在BTE单元或ECM中，或者在它们的组合中。话筒22耦合至声音处理器。声音处理器可以包括许多商业可得的声音处理器的一个或多个。声音处理器包括有形介质，以存储包含在其中的计算机程序的指令。声音处理器可以包括或耦合至多频带频率到信道转换器。频率到信道转换器可以将音频信号的频率转换为对应于电刺激的耳蜗位置的经滤波的声音信道，从而使用者感知到音频信号的声音。对于每个信道的滤波器可以包括带通滤波器，从而每个信道的频率对应于一个频率范围以刺激沿着耳蜗长度方向的区域。输入组件的电路可以包括脉冲宽度调制(以下简称“PWM”)电路。PWM电路可以被配置成确定对应于阵列的电极的每个光学脉冲的宽度。可以响应于耦合至光学脉冲的电极的、声音的频率来确定光学脉冲的宽度。例如，可以利用∑-Δ(Sigma-Delta)脉冲宽度调制来确定针对每个信道的光学脉冲的宽度，尽管可以利用许多脉冲宽度调制实施例。多路复用器MUX和发射器可以耦合至PWM电路。
发射器包括至少一个光源。至少一个光源发射具有由PWM电路确定的持续时间的光脉冲。脉冲的宽度指脉冲的持续时间。利用串行多路复用技术，至少一个光源可以包括单个光源，并且通过多路复用器来确定脉冲的定时。利用光学多路复用技术，至少一个光源包括多个光源，例如至少三个光源。多个光源可以被配置成基本上同时发射光脉冲。可选地，多个光源可以被配置成顺序地发射光脉冲以便减小多个光源的峰值功耗。
发射器耦合至光学传输结构12。光学传输结构可以包括光纤、多个光纤、ECM中的窗口或开口。从光学传输结构12朝向组织传输多路复用光，组织例如为耳膜TM的组织，尽管可以通过其他组织传输光，其他组织例如为形成在骨头中以传输光的骨头开口。
图2A显示了被配置成发射波长多路复用光学信号的输入换能器组件20。声音处理器可以确定音频信号的频率。可以采用频率到波长(频率到λ)转换器将多频带经滤波的音频信号转换为电极阵列的信道和对应的波长。对于多个波长，例如至少三个波长，确定针对每个波长的每个脉冲的宽度。尽管显示了十六个波长，但是可以刺激更多个信道，例如达到32个。多个光源包括被配置成发射第一波长λ1的第一光源、被配置成发射第二波长λ2的第二光源、被配置成发射第三波长λ3的第三光源......被配置成发射第十六波长λ16的第十六光源。来自每个光源的光被发射至光学多路复用器。光学多路复用器可以包括许多已知的光学多路复用方法。例如，光学多路复用器可以包括以下各项中的至少一个：光栅、标准具、棱镜、光纤、波导、纳米结构或多个光纤。
可以以许多方式配置声音处理器，例如如上所述，并且声音处理器可以包括多个带通滤波器BPF以确定每个信道的音频信号。例如，多频带经滤波的音频信号可以包括多个经带通滤波的音频信号，其中每个经带通滤波的音频信号具有对应的信道，从而信道传输用的信号包括经带通滤波的信道。针对每个信道的带通滤波器可以包括一个或多个数字带通滤波器或模拟带通滤波器。例如，声音处理器可以包括具有包含在其上的计算机程序指令的有形介质，以便对声音信号进行带通滤波以确定针对每个信道的信号，从而每个信道包括对应于信道的频率的经数字滤波的频带。输入换能器组件20的多个带通滤波器BPF可以包括声音处理器的部件，例如音处理器的子处理器或声子例程。可选地或者组合的，多个带通滤波器BPF可以包括例如专用处理器的独立电路。
图2A1显示了包括如图2A中的波长多路复用光学信号的分离光波长的光学脉冲。第一脉冲P 1包括第一光波长和第一宽度W1。第二脉冲P2包括第二光波长和第二宽度。第三脉冲P3包括第三光波长和第三宽度。第四脉冲P4包括第四光波长和第四宽度。可以传输额外的脉冲，例如总数16个或更多。尽管可以同时传输光脉冲，但是可以顺序地传输光脉冲以便减小峰值功耗，例如参照下文的图3A1所述的。
每个脉冲包括基本分离的光脉冲，从而可以利用多路分用器来分离脉冲以便对应于阵列的一个电极、或阵列的电极配对。每个光源的波长可能包括激光的波长，其中激光的波长对应于激光光束的带宽。
图2A2显示了光学多路复用器，其被配置成使如图2A和图2A1中的具有分离波长的多个光源的光多路复用。来自光源的光可以朝向例如光栅的光学结构发射，并且采用光学传输结构12来组合。多路复用信号可以沿着光学传输结构12朝向输出组件30传播。多路复用光学信号的针对每个信道的光可以从每个光源顺序地发射，以便减小光源的峰值功耗。例如，第一光源可以发射分组的第一光脉冲，随后通过第二光源发射分组的第二光脉冲，直至对应于一个信道的每个光源已发射了分组的对应的脉冲宽度调制光信号。在许多实施例中，当光学多路复用器的其他光源不发射光时，每个光源发射激光。因此光源的串行使用可以确保能量存储装置可以为每个光源提供足够的电能。
图2B显示了被配置成与如图2A中的输入换能器组件耦合的输出换能器组件。输出换能器组件包括被配置成接收多路复用光学信号的至少一个探测器34。至少一个探测器可以包括多个探测器，例如第一光电探测器PD1、第二光电探测器PD2、第三光电探测器PD3......以及第十六光电探测器P16。可以使用额外的或更少的光电探测器，并且可以包括如上所述的许多已知材料。可以布置光学多路复用器以接收多路复用信号束并且分离多路复用光学信号。光学多路分用器可以包括许多已知的光学元件，例如如上所述的棱镜、光栅、反射镜、光纤、波导、纳米结构等等。
多路复用光学信号可以通过组织传输。例如，可以通过使用者的耳膜TM传输多路复用光学信号。可选地或者组合的，多路复用光学信号可以通过形成在耳膜中的窗口W1或形成在耳膜中的开口来传输。窗口可以有助于维持多路复用光学信号的相干性和波阵面(wavefront)特性。但是，许多实施例未包括耳膜中的这些结构。
图2C显示了包括光学多路分用器的输出换能器组件30，光学多路分用器包括光纤和探测器阵列。至少一个探测器34可以包括探测器阵列。探测器阵列包括第一探测器PD1、第二探测器PD2、第三探测器PD3......以及第十六探测器PD16。阵列中可以包括额外的或更少的探测器，例如32个探测器。光学多路复用器可以包括光学滤波器，光学滤波器位于每个探测器前面以过滤传输至每个探测器的光。光学多路复用器可以包括第一光学滤波器F1、第二光学滤波器F2、第三光学滤波器F3......以及第十六光学滤波器F16。这种配置可以将光分离进传输至每个探测器的信道。例如，每个滤波器可以传输基本上与由其他滤波器传输的光波长分离的光波长。电极阵列包括第一电极E1、第二电极E2、第三电极E3......以及第十六电极E16。每个电极可以包括电极配对，例如16个电极配对。
每个探测器耦合至电极阵列的对应的电极。第一探测器PD1耦合至第一电极E1以便包括第一信道。第二探测器PD2耦合至第二电极E2以便包括第二信道。第三探测器PD3耦合至第三电极E3以便包括第三信道。输出组件可以包括额外的信道。例如，第十六探测器PD16耦合至第十六电极E16以便包括第十六信道。可以提供额外的或更少的信道。
由于利用电极32E电刺激耳蜗产生的音量的感知可以取决于许多因素，包括耳蜗位置、脉冲宽度(持续时间)以及脉冲高度(强度)。例如对于50us的脉冲而言，对于非常响亮的声音，电流可以高达200uA。对于轻柔的声音，仅10uA的脉冲就可以足够了。增大脉冲的宽度可以减小所需的电流振幅。
可以采用4mm2的探测器来配置光电探测器以产生超过1mA的电流。示例包括Si探测器和InGaAs探测器。对于连接至对应的探测器的多个电极，可以基于探测器面积、脉冲宽度、探测器效率以及探测器上光束强度来产生足够的电流。基于在此所述的教导，本领域技术人员可以经验地确定光电探测器的尺寸、光脉冲的强度和持续时间，以提供从轻柔到响亮的声音的全频谱。
可以对听觉神经的刺激进行低通滤波，从而每个脉冲的上升时间不太关键。每个电极的编码可以包括一种或多种编码类型，例如D类放大器编码。
可以以许多方式来配置电极阵列32E和至少一个光电探测器34，以采用单相脉冲或双相脉冲刺激耳蜗。例如，利用被配置用于双相脉冲的16个电极配对，探测器可以包括对应于32个探测器的16个电极配对。例如，每个电极配对可以耦合至两个光电探测器，其中这两个光电探测器以相反极性耦合至电极，从而至第一探测器的第一光脉冲在电极之间产生沿第一方向的第一电流，并且至第二探测器的第二光脉冲在两个电极之间产生沿与第一电流相反的方向的第二电流。电极阵列的电路可以被配置成输送例如三相脉冲。三相脉冲可以包括第一极性的第一电流脉冲、第一极性的第二电流脉冲以及第二负极性的第三电流脉冲，其中利用第一电流脉冲和第二电流脉冲输送的电荷接近于利用第三电流脉冲输送的电荷，从而利用三个脉冲输送的总电荷近似地平衡。至少双相光脉冲可以平衡传输的电荷量，以便减小每个电极配对的电荷积累。
图2C1显示了图2C的输出换能器组件的信道的电路，以便响应于包括第一波长的第一光脉冲和包括第二波长的第二光脉冲提供至少双相脉冲。第一信道C1可以包括和/或对应于第一光电探测器配对以及第一电极配对，其中第一光电探测器配对包括第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2，第一电极配对包括第一电极E1和第二电极E2。第一光电探测器PD1可以以第一极性耦合至电极E1和电极E2，并且第二光电探测器PD2可以以与第一极性相反的第二极性耦合至电极E1和电极E2，从而包括第一电极和第二电极的双极配置。第一波长λ1的第一光脉冲P1可以在电极E1和电极E2之间产生沿第一方向的电流，并且第二波长λ2的第二光脉冲P2可以在电极E1和电极E2之间产生沿与第一方向相反的第二方向的电流。光脉冲宽度的尺寸可以被定制以便平衡在电极之间的电荷并且抑制电荷转移(例如整流)。可以利用额外的电极提供额外的信道。例如，可以采用8个电极配对来提供8个信道，该8个电极配对包括双极配置的16个电极，并且例如可以响应于16个光波长产生电流。例如可以提供额外的或更少的信道以及对应的电极和探测器。
光电探测器阵列可以包括具有第一阵列的第一层和具有第二阵列的第二层。第一光波长可以由第一阵列吸收，并且第二光波长传输通过第一阵列并且由第二阵列吸收，从而可以减小第一阵列和第二阵列的组合阵列。具有合适特性的探测器材料的示例在2009年6月17日提交的题为“Optical Electro-Mechanical Hearing Devices With CombinedPower and Signal Architectures”的共同未决美国申请号12/486,100中描述，该申请的全部内容通过引用并入于此。
堆叠布置的探测器阵列可以位于输出换能器组件上，并且可以为探测到的每个光输出信号提供更大的表面积。例如，探测器的组合表面积可以比耳道的截面面积更大。第一探测器阵列可以对于包括约1um波长的光敏感，并且第二探测器阵列可以对于包括约1.5um波长的光敏感。第一探测器阵列可以包括硅(以下简称“Si”)探测器阵列，其被配置成基本上吸收具从约700nm至约1100nm波长的光，并且被配置成基本上传输具有从约1400nm至约1700nm波长的光，例如从约1500nm至约1600nm。例如，第一探测器阵列可以被配置成基本上吸收在900nm处的光。第二探测器阵列可以包括砷化铟镓探测器(以下简称“InGaAs”)，其被配置成吸收传输通过第一探测器的并且具有从约1400nm至1700nm波长的光，例如从约1500nm至1600nm。探测器阵列的截面面积可以约为4mm2，例如对于每个探测器阵列而言为2mm乘以2mm的正方形，因此8mm2的总探测面积超过了中耳腔中探测器阵列的4mm2的截面面积。探测器阵列可以包括圆形探测区域，例如直径2mm的圆形探测区域。因为中耳腔的截面可以是非圆形的，探测器阵列可以是非圆形的且圆润的，例如沿着次轴和主轴分别具有2mm和3mm尺寸的椭圆。可以由许多厂家制造上述探测器阵列，例如日本的滨松(在互联网可上以“Hamamatsu.com”获得)和NEP公司。
可以以许多方式配置输入组件的光源和光学多路复用器以提供适用于两个重叠的探测器阵列的带宽。依照本文所述实施例，光源和多路复用器可以与已知的波长多路复用系统组合，例如MIT微光子中心的信道EPIC集成的信道器(channelizer)部件以及从Intel可获得的光子部件。光源可以包括在包括集成光子芯片的硅上集成的光学RF信道器以及激光光源。第一激光光源可以被配置成发射具有适于利用第一阵列吸收的波长的光，并且第一光源可以与第一调制器耦合以调制第一光束以便对应于第一阵列探测器的信道。第二激光光源可以被配置成发射具有适于传输通过第一阵列并且利用第二阵列吸收的波长的光，并且第二光源可以与第二调制器耦合以调制光束以便对应于第一阵列探测器的信道。例如，调制的光信号可以由多模式干涉仪分束器接收以多路分用所传输的光信号。通过耳膜的光学窗口或开口的传输可以保持所传输的光的完整性。
图3A显示了被配置成发射时间多路复用光学信号的输入换能器组件。多路复用光学信号λM可以包括时间多路复用光学信号，例如串行多路复用光学信号。话筒22接收音频信号50，例如声音。音频信号包括至声音处理器的输入。例如可以利用如上所述的电路来确定音频信号的频率。音频信号的频率可以用于确定对于阵列的每个电极的刺激的量，其中每个电极配对应于一个信道。可以利用PWM电路确定每个光学脉冲的宽度。PWM电路耦合至串行多路复用器以为每个电极多路复用脉冲。从包括至少一个光源的发射器发射串行的多路复用脉冲。至少一个光源可以包括单个光源，例如红外激光二极管。
图3A1显示了包括如图3A中的时间多路复用光学信号的一系列脉冲的光学脉冲。多路复用串行脉冲包括第一脉冲P1、第二脉冲P2、第三脉冲P3......以及第十六脉冲P16。每个脉冲对应于阵列的一个电极。电流的量由脉冲的宽度确定。第一脉冲P1包括第一宽度W1。第二脉冲P2包括第二宽度。第三脉冲P3包括第三宽度。第十六脉冲P16包括第十六宽度。多路复用器可以被配置成发射脉冲分组，其中每个脉冲分组包括针对阵列的每个电极的脉冲信息。例如，分组可以包括针对阵列的十六个电极的十六个脉冲。串行多路复用器可以被配置成发射每个分组的脉冲以便与脉冲的预定定时和顺序一致。
图3A2显示了如图3A中的时间多路复用光学信号的一系列光学脉冲的时钟脉冲。时钟脉冲可以将分组与多路分用器同步，从而经多路分用的脉冲对应于合适的电极。例如，脉冲P1可以对应于电极E1。时钟脉冲向多路分用器电路供电。
图3B显示了被配置成与图3A中的输入换能器组件一起使用的输出换能器组件。串行的多路复用光学信号通过耳膜TM传输。光电探测器PD1接收多路复用光学信号。光电探测器PD1耦合至多路分用器电路D-MUX。电路D-MUX可以包括定时器和开关，从而多路分用器依照预定序列将每个电极顺序地耦合至探测器，从而当对应于电极的脉冲入射在探测器PD1上时，探测器耦合至一个电极。例如，脉冲序列可以包括如上所述的脉冲分组。第一脉冲分组可以包括时钟脉冲以向电路供电并且复位定时器。定时器可以耦合至多路复用器的开关，从而当对应于电极的光学脉冲到达探测器时，使对应于一个电极的开关闭合。定时器和开关可以包括低功耗电路，例如CMOS电路，从而可以利用时钟脉冲来为定时器和开关供电。当音频信号弱时这可以是有益的，从而定时器和开关电路具有足够电能。例如电容器和超级电容器的能量存储电路可以耦合至探测器PD1以采用电源电路(Power)来存储来自时钟脉冲的能量。可以采用开关电路来开关电源电路，从而当针对电极的光脉冲达到探测器PD1时，能量存储电容器从探测器PD1去耦合(decoupled)。
如上所述，串行光源和探测器元件可以包括MIT微光子中心的硅光子部件以及可商业地从Intel购得的光子部件。
在一些实施例中，供电电路可以耦合至分离的探测器PD2。分离的能量和信号可以用于向计时和开关电路供电。
图4显示了对应于电极阵列的信道的三相脉冲宽度调制电流脉冲400。每个信道可以包括电极配对，并且电流脉冲可以在对应于信道的电极配对之间传输。三相电流脉冲400可以包括第一正电流脉冲412、第二正电流脉冲414以及第三负电流脉冲416。第一正电流脉冲412和第二正电流脉冲414包括正振幅以注入可以包括第一振幅和第二振幅的电流。可选地或者组合的，第一正电流脉冲412和第二正电流脉冲414可能包括基本上相同的振幅且基本上不同的宽度。第三负电流脉冲包括负极性以平衡电流并且减小电极和电极附近组织的退化。第一正电流脉冲和第二正电流脉冲可以分别利用电流传输第一电荷量和第二电荷量，并且第三负电流脉冲可以传输第三电流量以便平衡第一脉冲的电荷并且减小电极上积累的电荷。因为电流脉冲下的面积对应于电流脉冲输送的电荷，第一正电流脉冲和第二正电流脉冲的累积面积可以基本上对应于第三负脉冲的累积面积。
光电探测器和滤波器可以耦合至电极以便在电极之间传递至少双相的电流。例如参照图2C和图2C1如上所述的，多个信道的每一个信道可以对应于电极配对，并且第一电流可以响应于对应于正电流脉冲412的第一宽度调制光脉冲在所述电极配对之间传播，以及对应于负脉冲416的第二电流可以响应于第二宽度调制光脉冲在所述电极配对之间传播。对应于正脉冲412的第一宽度调制光脉冲可以包括第一光波长，并且对应于负脉冲416的第二宽度调制光脉冲可以包括第二光波长。例如，第二电流脉冲414可以对应于具有第一波长的第二光脉冲。第一电流与第二电流相反。第一电流具有对应于第一光脉冲的第一宽度的第一量，并且第二电流具有对应于第二光脉冲的第二宽度的第二量。第一光脉冲的宽度基本上对应于第二光脉冲的宽度，以便抑制整流并且平衡在第一电极和第二电极之间的电荷转移。
第一光脉冲可以包括耦合至第一探测器的第一光波长，其中第二探测器耦合至所述电极配对。第二光脉冲可以包括耦合至第二探测器的第二光波长，其中所述第二探测器耦合至所述电极配对。第一探测器与第二探测器相反地耦合至所述电极配对。每个信道可以对应于电极配对以及与第二探测器相反地耦合至电极配对的第一探测器，例如至少约8个信道对应于耦合了16个探测器的8个电极配对。
图5A显示了利用带通滤波和脉冲宽度调制的信号到信道转换，以便在具有高频耳蜗刺激的信道之间基本上维持音频信号的相位。在此描述的关于实施例的工作显示，耳蜗可以响应于高频电刺激以便使高频刺激经历低通滤波，因此人可以基于电刺激感知到声音，例如具有在患者听力范围之上的频率的电刺激。例如，利用约10kHz以上(例如约20kHz以上)的高频率的刺激，耳蜗可以使声音经历低通滤波，从而患者听到了具有音频信号相位的声音。当这些高频率包括音频信号的相位编码信息时，使用者可以听到具有对应相位的音频信息。在约10kHz以上例如20kHz以上，例如40kHz或100kHz的高频信息可以包括具有采用高频编码的振幅和相位的脉冲宽度调制信号，并且利用在这些高频处的宽度调制脉冲的对耳蜗的刺激可以导致高频脉冲宽度调制信号解调回至对应于带通滤波的信道的频率的音频频带信号。高频振幅和相位编码信号的这种解调可以维持由使用者感知的音频信号的振幅和相位这两者。
对应于声音的音频信号50可以包括许多频率并且可以被输入至带通滤波器BPF。带通滤波器BPF可以提供第一信道、第二信道、第N信道作为输出，该第一信道包括包含了第一频率范围的第一带通音频信号510A，该第二信道包括包含了第二频率范围的第二带通音频信号510B，以及第N信道包括包含了第N频率范围的第N带通音频信号510N。每个信号可以包括基本上类似的相位，从而BPF输出的相位基本上得以维持。
将每个信道的音频信号转换为具有调制信号的脉冲，从而在信道之间维持了原始音频信号50的相位。第一带通音频信号510A对应于宽度调制脉冲的第一系列520A。第二带通音频信号510B对应于宽度调制脉冲的第二系列520B。第N带通音频信号510N对应于宽度调制脉冲的第N系列520N。可以确定每个脉冲以便对应于基本同步的时基(time base)，从而原始信息的每个相位和振幅得以维持。例如如上所述，可以将每个脉冲输出至对应的光源以驱动对应的光电探测器。第N信道例如可以包括八个信道、十六个信道、三十二个信道或六十四个信道。
图5B显示了用于耳蜗高频刺激的第一信道的第一带通音频信号510A的第一系列宽度调制脉冲520A，以便于维持如图5A中的音频信号的相位。脉冲可以对应于在每个脉冲的前沿之间的10us的同步时基。脉冲的宽度可以基于第一带通滤波的音频信号510A的振幅而改变。对应的脉冲频率约为100kHz并且脉冲由耳蜗采用耳蜗低通滤波来解调，从而使用者感知具有维持的声音相位的声音并且从而使用者可以感知声音定位提示信息。
其他信道的带通滤波信号可以与高频信号的耳蜗低通滤波类似地处理，从而使用者感知针对每个信道具有维持的声音相位的声音，并且从而使用者可以从组合的信道感知声音定位提示信息。
尽管可以以许多方式产生脉冲宽度调制光脉冲，例如，语音处理器可以包括数字带通滤波器以针对每个信道以阵列输出带通滤波信号，并且脉冲宽度调制电路可以基于输出确定每个信道的每个脉冲的宽度。因为脉冲宽度调制电路的输出可以是数字的并且可以存储在处理器的随机访问存储器中，至光源的脉冲可以被输送以便基本上维持输出脉冲调制信号的振幅和相位。例如，信号脉冲的定时和/或相位对于10kHz脉冲宽度调制信号而言可以维持在约100us内，并且对于100kHz而言可以维持在约10us内。尽管如上所述可以使用信道之间的串行输出并且信道的每个脉冲的定时和/或相位可能相互轻微偏移，但利用串行输出可基本上维持信道间对应的脉冲的定时和/或相位。例如，信道间的串行输出的对应的光脉冲可以维持在约100us内，例如约50us内，约20us内，或约10us内。信道的数目例如可以包括2个信道、4个信道、8个信道、16个信道、32个信道或更多。每个信道的光脉冲的频率例如可以在至少约10kHz以上，例如约20kHz、40kHz、80kHz。每个信道的光脉冲的频率如上所述的信道可以被组合，从而经过耳膜传输的多路复用光学信号的宽度调制脉冲的频率可以包括例如40kHz、160kHz、640kHz、1280kHz或更多。基于在此所述的教导，本领域技术人员可以确定信道的数目以及脉冲的定时和/或相位当耳蜗受到刺激时维持音频信号的相位，例如以便提供声音定位提示信息并且以便抑制失真。
人类耳膜传输实验
执行下述实验来测量红外光通过耳膜的传输并且确定输入组件20和输出组件30的布置。
目的：为了确定在后端、下端以及前端部分处通过人类耳膜的光传输的损失量以及耳膜的散射的量。
过程：
图6显示了依照实施例、确定通过鼓膜的光学传输的实验设置。耦合至激光二极管光源的光纤与光电二极管光学探测器对准。耳膜沿直线布置并且确定来自光电二极管的光学输出的改变。耳膜安装在x、y、z移动台上，移动台允许光穿过耳膜的不同位置的改变。
材料：
光源——耦合至光纤(直径250um，芯80um)的1480nm激光二极管；
光电二极管——1480nm光电二极管(5.5mm2)
负载——RLC电路，等效于耦合至膜片的平衡电枢换能器，其可以适用于确定通过耳膜的传输。
准直光学元件和中性密度滤光片(NE20B)；
直流电压计(Fluke 8060A)；
移动台；以及
具有附加锤骨(移除了砧骨以及其他中间部件)的人类尸体耳膜。
结果：
没有鼓膜时
设置电流使得光电二极管处于饱和区。中性密度(ND)滤光片用于使光输出衰减以便减少PD响应。测量显示ND滤光片使光源衰减了20.5dB。这确保了所有已报告的测量均来自线性区。
在测量开始时和实验结束时测量响应于经准直的光束在没有耳膜时的光电二极管电压。差别小于1％。没有TM和ND滤光片时，以mV计的输出电压为349。有ND滤光片而没有TM时，输出减小至从约32.9至33.1的范围内，这对应于为0.095和-20.5dB的线性改变。
有鼓膜时
在耳膜的前端、下端和后端部分做出测量。耳膜被移动到相对于光电二极管的不同位置处，并且其具有大约为X(以mm计)的距离。表1显示了对应于不同部分和不同耳膜位置所测得的电压。
表1对应于从耳膜的传输损耗的光电二极管电压
x(mm) 0.1 0.5 1 2 3
后端 28mV 26.6mV 25.4mV 23.4mV 20.6mV
下端 23.6mV 21.1mV 17.1mV
前端 21.4mV 20.2mV 18.2mV
后端布置分别显示了对于所有距离最高的电压，并且对于0.1m、0.5m、1m、2m和3mm的距离分别具有28、26.6、25.4、23.4和20.6的值。对于每个耳膜部分和位置，调整光纤以使PD电压最大化。这确保了光束在光电二极管表面上最大化并且确保了测量响应是由于传输损耗而不是由于未对准。
计算：
如下将测得的电压转换为传输损耗百分比(以下简称“TL”)：
TL％＝((VNoTM-VWithTM)/VNoTM)*100
其中VNoTM是没有鼓膜时测得的电压，而VWithTM是有鼓膜时测得的电压。
下表2显示了使用上述公式计算的传输损耗％。
表2传输损耗％
x(mm) 0.1 0.5 1 2 3
后端 16 20 23 29 38
下端 29 36 48
前端 35 39 45
平均 29 35 44
在所有位置处，后端布置显示了最少的传输损耗，并且在0.1mm、0.5mm、1mm、2mm和3mm距离处分别具有16％、20％、23％、29％和38％的值。
PD非常靠近(在约0.1mm内)耳膜时，TL约为16％。可仅测量对于后端部分的TL。
在耳膜的三个部分中，后端部分比下端部分好6％-10％，并且比前端部分好7％-12％。
随着将耳膜移动远离PD，对于所有三个部分而言，传输损耗线性增加。对于1mm、2mm和3mm位置而言，三个不同部分之间的平均的传输损耗分别约为29％、35％和44％。
实验结论：
在后端部分处，由于耳膜引起的传输损耗最低(16％)。由于耳膜对准直光束的散射，随着耳膜远离光电二极管，损耗增大。在距离耳膜3mm处，平均损耗多至约44％。这些数据显示了不期望的结果，即由于耳膜引起的以各个角度从探测器表面散射远离的光引起的损耗比由于光穿过耳膜传输引起的损耗更大，并且探测器和例如透镜的耦合器可以适当地成型以便收集由耳膜散射的传输光。这些数据也显示了意外的结果，通过耳膜的后端部分的光传输更高。
因为耳膜可以移动，在活体内的探测器应该至少离耳膜约0.5mm。数据建议探测器和/或例如透镜的部件可以被成型为适应耳膜并且提供改进的传输，例如被成型为具有一个或多个斜面、曲面，并且可以例如位于从约0.5mm至约2mm的范围内。
以上数据显示了照射耳膜的一部分并且在照射部分附近布置探测器，例如可以实现在投射光束和探测器之间至少约50％(对应于50％的损耗)的传输耦合效率，又例如至少约60％的耦合效率(对应于40％的损耗)。利用探测器的后端布置并且照射耳膜的后端区域的一部分时，耦合效率可以至少约70％，例如80％或更大。这些耦合效率意外高的结果显示了照射耳膜的一部分和尺寸被定制成适应被照射部分的探测器可以提供至少约50％的效率。此外，与下端部分和前端部分的每个相比，耳膜的后端部分意外的相当低的传输损耗显示了当大部分耳膜被照射时可以意外地改进利用后端布置的传输。例如，当光电探测器位于中耳腔的后端部分(例如中耳腔的下后端部分中)，并且在没有准直光学元件的情况下光纤位于耳道中，从而光从光纤的端部直接发射进入耳道时，光纤至光电探测器的传输耦合效率可以得到实质上的改善。此外，通过耳膜的高的光传输量显示了光学多路复用光可以通过耳膜传输，并且利用传输通过耳膜的光学多路复用信号来编码的声音的信道可以刺激耳蜗的信道。
尽管已经借由示例并且为了清楚理解而详细描述了示例性实施例，但是本领域技术人员将知晓可以采用多种修改、调整以及变化。因此，本发明的范围应该仅由所附权利要求及其等价物的全部范围来限定。

Claims (35)

1.一种用于将音频信号传输至具有鼓膜的使用者的系统，所述系统包括：
电极阵列，包括多个电极，所述多个电极被配置成至少部分地布置在所述使用者的耳蜗内；
电路，被配置成从声源接收所述音频信号；
至少一个光源，耦合至所述电路并且被配置成通过鼓膜传输包括多个光脉冲和包括所述音频信号的多路复用光学信号；
至少一个探测器，其尺寸被定制且成型为收集通过所述鼓膜传输的散射的多路复用光学信号并且响应于所述光脉冲通过电极传递电流；
其中，所述多路复用光学信号通过所述使用者的鼓膜传输至所述至少一个探测器，所述至少一个探测器被配置成固定至中耳并且耦合至配置成至少部分地位于所述耳蜗内的所述电极阵列。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电路被配置成确定多个光脉冲的宽度，并且其中每个光脉冲对应于所述阵列的电极，并且所述每个光脉冲的宽度对应于流经阵列的对应电极的电流量。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电路被配置成确定音频信号的频率，并且其中所述频率对应于所述阵列的电极，并且其中所述电路被配置成响应于所述频率的一个或多个确定每个脉冲的宽度。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个光源包括多个光源，并且其中每个光源对应于所述阵列的一个电极。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述多个光源的每一个被配置成发射包括与所述多个光源的其他光源的波长基本上分离的波长的光。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述多个光源包括至少 三个光源，并且所述电极阵列包括至少三个电极，并且其中所述至少三个光源的每一个光源对应于所述阵列的至少三个电极的一个电极。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述至少三个光源的每一个被配置成发射包括与所述至少三个光源的其他光源的波长基本上分离的波长的光，并且其中所述每个光源的波长对应于所述至少三个电极的一个电极。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个探测器包括多个探测器，并且其中所述多个探测器的每一个探测器对应于所述阵列的一个电极。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述多个探测器包括至少三个探测器，并且电极阵列包括至少三个电极，并且其中所述至少三个探测器的每一个探测器对应于所述阵列的至少三个电极的一个电极。
10.根据权利要求1所述的系统，进一步包括光学结构，所述光学结构被配置成接收所述散射的多路复用光学信号，所述光学结构被配置成布置在所述中耳中，所述光学结构被配置成选择所述散射的多路复用光学信号的波长。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述光学结构的尺寸被定制成穿过所述鼓膜中的切口以布置在所述中耳中，并且其中所述电极阵列的尺寸被定制成通过所述耳蜗的圆窗至少部分地布置在所述耳蜗内部。
12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述光学结构包括以下各项中的至少一个：光学滤波器、光栅、标准具、多个光纤或棱镜。
13.根据权利要求10所述的系统，其中，所述多路复用光学信号包括多个光学信道，所述多个光学信道的每一个光学信道对应于所述声源的声音的至少一个频率。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述多个光学信道对应于至少约十六个信道并且所述至少一个频率对应于至少约十六个 频率。
15.根据权利要求13所述的系统，进一步包括伸长的光学传输结构，所述伸长的光学传输结构被配置成至少部分地布置在所述使用者的耳道内，并且其中所述伸长的光学传输结构被配置成通过所述鼓膜传输所述多路复用光学信号。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个探测器和所述电极阵列的尺寸被定制成穿过所述鼓膜中的切口。
17.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多路复用光学信号包括波长多路复用光学信号，所述波长多路复用光学信号包括多个波长，从而每个波长对应于所述阵列的电极。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述多个波长的每一个对应于所述阵列的电极。
19.根据权利要求17所述的系统，其中，所述多个波长包括至少三个波长，并且其中所述多个电极包括至少三个电极，并且其中所述多个波长的每一个对应于所述至少三个电极的一个电极。
20.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电路被配置成传输一系列光脉冲以对应于所述阵列的电极。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述一系列光脉冲包括多个脉冲，并且其中所述多个脉冲的每一个对应于所述多个电极的一个电极。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述多个电极包括至少三个电极，并且其中所述一系列光脉冲包括至少三个脉冲，并且其中所述至少三个脉冲的每一个脉冲对应于所述至少三个电极的一个电极。
23.根据权利要求20所述的系统，其中，所述一系列光脉冲包括定时脉冲。
24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述定时脉冲包括基本固定的宽度，并且其中所述定时脉冲包括能量以向耦合至所述多个 电极的电路供电。
25.根据权利要求23所述的系统，进一步包括开关电路，所述开关电路耦合至所述至少一个探测器以响应于所述定时脉冲将所述多个电极顺序地耦合至所述至少一个探测器，从而所述一系列光脉冲的每一个脉冲对应于所述多个电极的一个电极。
26.根据权利要求25所述的系统，其中，所述一系列光脉冲包括所述脉冲的预定顺序和定时，并且其中所述开关电路包括耦合至开关的定时器以与所述一系列光脉冲的脉冲一致地使开关断开和闭合。
27.根据权利要求25所述的系统，其中，所述多个电极包括至少三个电极，并且所述一系列光脉冲包括至少三个脉冲，并且所述开关电路被配置成将至少一个探测器顺序地耦合至所述至少三个电极的每一个电极，从而所述一系列光脉冲的每个脉冲对应于所述多个电极的一个电极。
28.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统还包括多路分用器，以及所述电极阵列、所述至少一个探测器以及所述多路分用器包括被配置成当植入所述使用者内时用于MRI成像的实质上非磁性材料。
29.根据权利要求13所述的系统，其中，所述声音包括相位，并且其中所述光学信号包括以至少约10kHz频率传输的宽度调制光脉冲，并且其中每个光脉冲在所述耳蜗内产生电流，从而所述耳蜗对所述光脉冲进行解调并且来自所述声源的声音的相位得以维持。
30.根据权利要求29所述的系统，其中，所述宽度调制光脉冲包括针对每个信道的一系列宽度调制脉冲，并且其中所述每个信道的一系列宽度调制脉冲包括至少约10kHz的频率以当所述使用者听到所述声音时维持所述声音的相位。
31.根据权利要求30所述的系统，其中，所述每个一系列脉冲的频率包括至少约20kHz以当所述使用者听到所述声音时维持所述声音的相位。
32.根据权利要求31所述的系统，其中，所述多个光学信道包括至少约八个信道并且所述宽度调制光脉冲的频率包括至少约160kHz。
33.根据权利要求30所述的系统，其中，每个光学信道的一系列宽度调制脉冲的脉冲被组合以形成脉冲分组的序列，每个所述脉冲分组包括来自每个一系列脉冲的一个脉冲。
34.根据权利要求33所述的系统，其中，所述多个光学信道的每一个对应于电极配对，并且其中第一电流响应于第一宽度调制光脉冲而在所述电极配对之间传播，并且第二电流响应于第二宽度调制光脉冲而在所述电极配对之间传播，所述第一电流与所述第二电流相反，所述第一电流具有对应于所述第一宽度调制光脉冲的第一宽度的第一量，并且所述第二电流具有对应于所述第二宽度调制光脉冲的第二宽度的第二量，并且其中所述第一宽度调制光脉冲的所述宽度对应于所述第二宽度调制光脉冲的所述宽度，以便抑制整流并且平衡在所述电极配对中的第一电极和第二电极之间的电荷转移。
35.根据权利要求34所述的系统，其中，所述第一宽度调制光脉冲包括耦合至第一探测器的第一光波长，所述第一探测器耦合至所述电极配对，并且其中所述第二宽度调制光脉冲包括耦合至第二探测器的第二光波长，所述第二探测器耦合至所述电极配对，并且其中所述第一探测器与所述第二探测器相反地耦合至所述电极配对。
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