KR101833073B1 - 광학적으로 결합된 달팽이관 임플란트 시스템 및 방법 - Google Patents
광학적으로 결합된 달팽이관 임플란트 시스템 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
출력 어셈블리가 중이 및 내이 내에 배치를 위해 크기 정해짐으로써, 뼈의 제거를 줄일 수가 있다. 출력 어셈블리는 고막 내 절개부를 통과하도록 적어도 하나의 광검출기, 디멀티플렉서, 및 전극 어레이를 포함할 수 있다. 입력 변환기 어셈블리는 다중화된 광신호를 출력 어셈블리에 전송하도록 구성된다. 입력 어셈블리는 다중화된 광신호를 고막을 통해 전송하도록 구성 가능함으로써 조직의 제거를 줄일 수가 있고, 예컨대 뼈의 제거없이 장치를 배치할 수가 있다. 다중화된 광신호는 광신호의 비선형성의 영향을 줄이고 사용자에게 양질의 음향을 제공하기 위해 펄스 폭 변조된 신호를 포함할 수가 있다.
Description
관련 출원에 대한 교차 참조
본 가출원은 발명의 명칭이 "광학적으로 결합된 달팽이관 임플란트 시스템 및 방법"이고 2009년 6월 18일자로 출원된 미국 특허 출원 제61/218,377호(변리사 사건 번호 026166-002900US)와, 발명의 명칭이 "경피 광 에너지 전달 디바이스 및 방법"이고 2009년 6월 24일자로 출원된 미국 특허 출원 제61/220,124호(변리사 사건 번호 026166-003300US)를 우선권 주장하며, 이들 출원의 전체 개시는 본 명세서에 참조로 합체된다.
본 발명은 전반적으로 전극에 의한 조직 자극에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 청취를 위한 달팽이관의 자극에 관한 것이다. 달팽이관 임플란트를 구체적으로 참조하고 있지만, 본 발명의 실시예는 예컨대, 근육, 신경 및 신경 조직의 자극에 의해 조직이 자극되는 많은 용례, 예컨대 파킨슨병의 치료에 사용될 수 있다.
본 가출원은 발명의 명칭이 "광학적으로 결합된 달팽이관 임플란트 시스템 및 방법"이고 2009년 6월 18일자로 출원된 미국 특허 출원 제61/218,377호(변리사 사건 번호 026166-002900US)와, 발명의 명칭이 "경피 광 에너지 전달 디바이스 및 방법"이고 2009년 6월 24일자로 출원된 미국 특허 출원 제61/220,124호(변리사 사건 번호 026166-003300US)를 우선권 주장하며, 이들 출원의 전체 개시는 본 명세서에 참조로 합체된다.
본 발명은 전반적으로 전극에 의한 조직 자극에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 청취를 위한 달팽이관의 자극에 관한 것이다. 달팽이관 임플란트를 구체적으로 참조하고 있지만, 본 발명의 실시예는 예컨대, 근육, 신경 및 신경 조직의 자극에 의해 조직이 자극되는 많은 용례, 예컨대 파킨슨병의 치료에 사용될 수 있다.
조직을 자극하도록 사용되는 종래의 디바이스들은 적어도 몇몇 경우에 다소 침습적(invasive)이다. 조직을 자극하도록 사용되는 디바이스의 일례는 달팽이관의 신경 조직을 자극하도록 사용될 수 있는 달팽이관 임플란트이다. 달팽이관 임플란트와 함께 사용되는 종래의 디바이스들의 적어도 일부는 이상적인 것보다는 더 침습적일 수 있다. 예컨대, 적어도 몇몇의 경우에, 달팽이관 임플란트는 뼈의 컷팅에 의존하고 컷팅된 뼈는 회복하는 데에 적어도 얼마간의 시간이 걸려서 수술은 이상적인 것보다 더 침습적일 수 있다. 또한, 뼈의 컷팅은 적어도 몇몇의 경우에 뼈의 약화를 유발할 수 있다. 또한, 종래의 달팽이관 임플란트들 중 적어도 일부가 제거될 수 있고 컷팅된 뼈는 적어도 몇몇의 경우에 뼈에 적어도 부분적인 공극을 남겨둘 수 있다. 또한, 달팽이관 임플란트와 관련된 회로는 이상적인 것보다는 다소 클 수 있다.
외부 구동 장치에 대한 달팽이관 임플란트의 결합은 적어도 몇몇의 경우에 다소 번거로울 수 있고 덜 이상적일 수 있다. 예컨대, 종래의 달팽이관 임플란트는 한쌍의 송신기 및 수신기 RF 코일들을 통해 에너지를 전달할 수 있고, 그러한 코일들의 사용은 적어도 몇몇의 경우에 다소 다루기 힘들 수 있어 덜 이상적일 수 있다. 예컨대, 코일들은 정렬을 필요로 할 수 있고 한쌍의 자석들이 RF 코일들을 정렬시키도록 사용될 수 있지만, 2개의 자석들 중 하나는 적어도 몇몇의 경우에 다소 침습적일 수 있는 측두골(temporal bone)에 반영구적으로 이식될 수 있다. 신체에 이식된 자석은 MRI 장치에 금기이기 때문에, 자석은 적어도 몇몇의 경우에 촬영 전에 외과적으로 제거될지도 모른다. 달팽이관 임플란트는 18개월 만큼 어린 유아와 성인에게 이식될 수 있기 때문에, 외과적으로 이식된 자석이 MRI 전에 제거를 필요로 할 지도 모르는 적어도 합당한 가능성 및 적어도 몇몇의 경우에 MRI 후에 재이식을 위한 제2 시술이 존재한다.
종래의 달팽이관 임플란트의 적어도 일부는 적어도 몇몇의 경우에 사운드 품질이 덜 이상적으로 지각되게 할 수 있다. 예컨대, 음향 국부화 큐(sound localization cue)는 사람이 음향을 국부화하여 시끄러운 환경에서 청취하게 하고, 적어도 몇몇의 경우에, 종래의 달팽이관 임플란트 디바이스는 자연적인 청취에 의해 나타내는 음향 국부화 큐를 제공할 수 없다. 또한, 적어도 몇몇의 달팽이관 임플란트 디바이스에 의해 생성되는 음향은 적어도 몇몇의 경우에 적어도 다소 왜곡된 음향일 수 있다.
외부 구동 장치에 대한 달팽이관 임플란트의 결합은 적어도 몇몇의 경우에 다소 번거로울 수 있고 덜 이상적일 수 있다. 예컨대, 종래의 달팽이관 임플란트는 한쌍의 송신기 및 수신기 RF 코일들을 통해 에너지를 전달할 수 있고, 그러한 코일들의 사용은 적어도 몇몇의 경우에 다소 다루기 힘들 수 있어 덜 이상적일 수 있다. 예컨대, 코일들은 정렬을 필요로 할 수 있고 한쌍의 자석들이 RF 코일들을 정렬시키도록 사용될 수 있지만, 2개의 자석들 중 하나는 적어도 몇몇의 경우에 다소 침습적일 수 있는 측두골(temporal bone)에 반영구적으로 이식될 수 있다. 신체에 이식된 자석은 MRI 장치에 금기이기 때문에, 자석은 적어도 몇몇의 경우에 촬영 전에 외과적으로 제거될지도 모른다. 달팽이관 임플란트는 18개월 만큼 어린 유아와 성인에게 이식될 수 있기 때문에, 외과적으로 이식된 자석이 MRI 전에 제거를 필요로 할 지도 모르는 적어도 합당한 가능성 및 적어도 몇몇의 경우에 MRI 후에 재이식을 위한 제2 시술이 존재한다.
종래의 달팽이관 임플란트의 적어도 일부는 적어도 몇몇의 경우에 사운드 품질이 덜 이상적으로 지각되게 할 수 있다. 예컨대, 음향 국부화 큐(sound localization cue)는 사람이 음향을 국부화하여 시끄러운 환경에서 청취하게 하고, 적어도 몇몇의 경우에, 종래의 달팽이관 임플란트 디바이스는 자연적인 청취에 의해 나타내는 음향 국부화 큐를 제공할 수 없다. 또한, 적어도 몇몇의 달팽이관 임플란트 디바이스에 의해 생성되는 음향은 적어도 몇몇의 경우에 적어도 다소 왜곡된 음향일 수 있다.
종래의 달팽이관 임플란트 디바이스의 단점들 중 적어도 몇몇을 극복하는 방식으로 전류에 의해 조직을 자극하는 것이 유익할 것이다. 이상적으로는, 그러한 디바이스는 덜 침습적이고 음향 국부화 큐 및 이식 후에 왜곡 영역이 보다 적은 수술에 의해 개선된 청취를 제공할 것이다.
본 발명은 전반적으로 전극에 의한 조직 자극에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 청취를 위한 달팽이관의 자극에 관한 것이다. 달팽이관 임플란트를 구체적으로 참조하고 있지만, 본 발명의 실시예는 예컨대, 근육, 신경 및 신경 조직의 자극에 의해 조직이 자극되는 많은 용례, 예컨대 파킨슨병의 치료에 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예는 종래 디바이스에 관련된 문제점들 중 적어도 일부를 극복하는, 전류에 의한 조직 자극 디바이스, 시스템 및 방법을 제공한다. 예컨대, 출력 조립체는 중이와 내이 내에 배치를 위한 크기를 가질 수 있어, 뼈의 제거가 감소될 수 있다. 또한, 출력 조립체는 이 출력 조립체가 이식된 경우에 사람이 MRI 촬영을 받을 수 있도록 실질적으로 비자성 재료를 포함할 수 있다. 출력 조립체는 적어도 하나의 광검출기, 디멀티플렉서(demultiplexer) 및 고막의 절개부를 통과하는 크기를 갖는 전극 어레이를 포함할 수 있다. 입력 변환기 조립체는 다중화된 광신호를 출력 조립체에 전송하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 입력 조립체는 조직 제거가 감소될 수 있고 디바이스가 뼈의 제거 없이 이식될 수 있도록 다중화된 광신호를 고막을 통해 전송하도록 구성될 수 있다. 다중화된 광신호는 광원과 광검출기의 비선형성 효과를 감소시키고 유저에게 상질의 음향을 제공하도록 펄스 폭 변조된 신호를 포함할 수 있다. 예컨대, 펄스 폭 변조된 신호는 달팽이관이 펄스를 복조하고 유저에게 전송된 음향 신호의 위상이 실질적으로 유지되도록 가청 주파수를 넘는 주파수, 예컨대 적어도 약 20 kHz를 넘는 주파수를 갖는 광펄스를 포함할 수 있다. 음향은 복수 개의 채널에 대응하는 복수 개의 주파수를 포함할 수 있고, 일련의 폭 변조된 펄스는 각각의 채널에 대해 결정될 수 있다. 각 채널의 폭 변조된 펄스는 고주파수를 갖는 고막을 통해 광학적으로 전송되어, 달팽이관은 고주파수 펄스를 진폭과 위상이 유지되는 유저 지각 가능한 음향으로 복조시킬 수 있다.
제1 양태에서, 본 발명의 실시예는 조직을 자극하는 방법을 제공한다. 조직을 자극하도록 다중화된 광신호가 전송된다.
다른 양태에서, 본 발명의 실시예는 조직을 갖고 있는 유저의 달팽이관에 음향을 전송하는 방법을 제공하는 것으로서, 이 방법은 유저가 조직을 통해 전송되는 다중화된 광신호에 응답하여 음향을 청취하도록 유저의 조직을 통해 다중화된 광신호를 전송하는 것을 포함한다.
많은 실시예에서, 조직은 고막 조직을 포함한다.
많은 실시예에서, 다중화된 광신호는 중이에 의해 지지되는 광 구조로 전송되고, 광 구조는 다중 신호의 파장을 분리시켜 달팽이관을 자극하도록 전송된다.
많은 실시예에서, 광 구조는 중이에 고정된다. 광 구조는 중이의 공동 내에 배치를 위해 고막의 절개부를 통과하는 크기를 가질 수 있다.
많은 실시예에서, 광 구조는 광 필터, 광 섬유, 그래이팅, 에탈론, 복수 개의 광 섬유, 도파관, 복수 개의 도파관, 미러 또는 프리즘 중 적어도 하나를 포함한다.
많은 실시예에서, 다중화된 광신호는 복수 개의 채널을 포함하고, 각각의 복수 개의 채널은 음향의 적어도 하나의 주파수에 대응한다.
많은 실시예에서, 복수 개의 채널은 적어도 약 16개의 채널에 대응하고 적어도 하나의 주파수는 적어도 약 16개의 주파수에 대응한다.
많은 실시예에서, 다중화된 광신호는 복수 개의 광원에 의해 고막을 통해 전송되고, 각 광원은 복수 개의 채널에 대응하는 광신호를 전송하도록 구성되어 광원은 음향의 적어도 하나의 주파수에 대응한다. 복수 개의 광원은 적어도 3개의 광원을 포함할 수 있고, 적어도 3개의 광원은 각각 별개의 파장의 광을 발산하도록 구성된다.
많은 실시예에서, 복수 개의 채널은 한쌍의 전극에 각각 대응하고, 제1 전류는 제1 폭 변조된 광펄스에 응답하여 상기 한쌍의 전극 사이에서 흐르며, 제2 전류는 제2 폭 변조된 광펄스에 응답하여 상기 한쌍의 전극 사이에서 흐른다. 제1 전류는 제2 전류에 대향한다. 제1 전류는 제1 펄스의 제1 폭에 대응하는 제1 전류량을 갖고, 제2 전류는 제2 펄스의 제2 폭에 대응하는 제2 전류량을 갖는다. 제1 펄스의 폭은 제2 펄스의 폭에 대응하여, 제1 전극과 제2 전극 사이에서 정류 및 균형 전하 이동을 억제한다.
많은 실시예에서, 제1 광펄스는 제1 전극에 결합되는 제1 파장의 광을 포함하고, 제2 광펄스는 제2 검출기에 결합되는 제2 파장의 광을 포함한다.
많은 실시예에서, 다중화된 광신호는 유저의 고막을 통해 적어도 하나의 광검출기로 전송되고, 적어도 하나의 광검출기는 중이에 고정되며 달팽이관 내에 적어도 부분적으로 위치 설정되는 전극 어레이에 결합된다. 적어도 하나의 광검출기와 적어도 하나의 전극 어레이는 고막의 절개부를 통과하는 크기를 가질 수 있다.
많은 실시예에서, 다중화된 광신호는 파장 다중화된 광신호를 포함하고, 파장 다중화된 광신호는 각 파장이 어레이의 전극에 대응하도록 복수 개의 파장을 포함한다. 복수의 파장 각각은 전극 어레이의 전극에 대응할 수 있다.
다수의 실시예에서, 적어도 하나의 광검출기는 복수의 광검출기를 포함하며, 이들 복수의 광검출기 각각은 전극 어레이의 대응 전극 및 복수의 파장의 대응 파장에 결합되어, 조직 자극 전류가 조직 자극 파장에 응답하여 전극을 통과하도록 된 한다.
다수의 실시예에서, 광학 구조체가 사용자의 중이(middle ear) 내에 배치되어, 파장들을 각각의 광검출기에 대응하게 분리시키고 각각의 광검출기에 대응하는 각각의 분리된 파장이 그 파장에 기초하여 각각의 광검출기로 전송되도록 된다.
다수의 실시예에서, 복수의 광학 필터가 사용자의 중이 내에 배치되고 파장들이 광학 필터에 의해 분리되며, 각각의 광학 필터는 하나의 광검출기 위에 배치되어, 하나의 광검출기에 결합된 전극에 대응하는 파장들을 통과시키도록 구성된다.
다수의 실시예에서, 회절 격자가 각각의 전극에 대응하게 각각의 광검출기의 파장을 선택하도록 구성된다.
다수의 실시예에서, 다중화된 광신호는 시분할 다중 신호를 포함한다. 이 시분할 다중 신호는 복수의 시간 슬롯을 포함할 수 있고, 이들 복수의 시간 슬롯 각각은 전극 어레이의 전극에 대응한다. 시분활 다중 신호는 복수의 시간 슬롯 및 클록 신호를 포함할 수 있고, 회로는 적어도 하나의 광검출기 및 전극 어레이에 결합되어 클록 신호를 수신하고 전극 어레이의 전극 중에서 시분할 다중 신호를 분할하여, 각각의 시간 슬롯이 전극 어레이의 적어도 하나의 전극에 대응하도록 할 수 있다.
다수의 실시예에서, 각각의 시간 슬롯은 사운드의 적어도 하나의 주파수에 대응하여, 전류가 시간 슬롯에 대응하는 시분할 다중 신호의 일부분에 응답하여 각각의 전극을 통과하도록 된다. 시분할 다중 신호는 펄스폭 변조되어, 복수의 시간 슬롯 각각이 이 시간 슬롯에 대응한 전극을 통과하는 전류에 대응하는 지속 시간을 갖는 광펄스를 포함하도록 될 수 있다.
다수의 실시예에서, 다중화된 광신호는 와우(cochlea) 내로 연장하는 적어도 하나의 광섬유로 전송된다. 적어도 하나의 광섬유는 중이의 절개부를 통과하는 크기로 될 수 있다. 적어도 하나의 광섬유는 와우 내로 연장하는 복수의 광섬유를 포함하며, 각각의 광섬유는 사운드의 적어도 하나의 주파수에 대응한다. 각각의 광섬유는 사운드의 적어도 하나의 주파수에 응답하여 주파수의 대응 범위에 대응하는 와우의 미리 정해진 위치에서 와우를 자극하도록 구성된다.
다수의 실시예에서, 다중화된 광신호는 고막의 적어도 하나의 개구 또는 윈도우를 통해 전송된다.
다수의 실시예에서, 전극 어레이, 적어도 하나의 광검출기, 및 디멀티플렉서는 실질적으로 사용자에게 이식된 경우에 MRI 촬영을 위해 구성된 비자성 재료를 포함한다.
다수의 실시예에서, 사운드는 위상을 포함하며, 광신호는 적어도 약 10 ㎑의 주파수로 전송되는 폭 변조 광펄스를 포함한다. 각각의 광펄스는 와우 내에서 전류를 생성하여, 와우가 광펄스를 복조하고 사운드의 위상이 되도록 된다.
다수의 실시예에서, 폭 변조 광펄스는 각 채널에 대해 일련의 폭 변조 펄스를 포함하며, 각각의 채널의 일련의 폭 변조 펄스는 사용자가 사운드를 들을 시에 그 사운드의 위상을 유지하도록 적어도 약 10 ㎑의 주파수를 포함한다. 각각의 일련의 폭 변조 펄스의 주파수는 사용자가 사운드를 들을 시에 사운드의 위상을 유지하도록 적어도 약 20 ㎑를 포함할 수 있다. 복수의 채널은 적어도 약 8개의 채널을 포함하고, 폭 변조 광펄스의 주파수는 적어도 약 160 ㎑를 포함한다.
다수의 실시예에서, 각각의 채널의 일련의 폭 변조 펄스의 펄스들은 펄스의 패킷의 시퀀스를 형성하도록 조합되며, 그 패킷은 각각의 일련의 폭 변조 펄스로부터의 하나의 펄스를 포함한다.
다수의 실시예에서, 적어도 하나의 광검출기는 중이의 캐비티 내에 배치되어, 고막의 후방부를 통해 다중화된 광신호를 수신하도록 된다.
다른 양태에서, 본 발명의 실시예들은 조직을 자극하는 시스템을 제공한다. 복수의 전극이 적어도 부분적으로 조직 내에 배치되도록 구성된다. 회로가 소스로부터 신호를 수신하도록 구성된다. 적어도 하나의 광 소스가 회로에 결합되어, 복수의 광펄스를 포함한 다중화된 광신호를 방출하도록 구성된다. 적어도 하나의 광검출기가 다중화된 광신호를 수신하고 광펄스에 응답하여 전극을 통해 전류를 보내어 조직을 자극하도록 구성된다.
다른 양태에서, 본 발명의 실시예는 사용자에게 오디오 신호를 전송하는 시스템을 제공한다. 전극 어레이가 적어도 부분적으로 사용자의 와우 내에 배치되도록 구성된 복수의 전극을 포함한다. 회로는 사운드 소스로부터 오디오 신호를 수신하도록 구성된다. 적어도 하나의 광 소스가 회로에 결합되어, 복수의 광펄스를 포함한 다중화된 광신호를 방출하도록 구성된다. 적어도 하나의 검출기가 다중화된 광신호를 수신하고 광펄스에 응답하여 전극을 통해 전류를 보내도록 구성된다.
다수의 실시예에서, 회로는 복수의 광펄스의 폭을 결정하도록 구성되며, 각각의 광펄스는 전극 어레이의 전극에 대응하고, 각각의 광펄스의 폭은 전극 어레이의 대응 전극을 지나는 전류의 양에 대응한다.
다수의 실시예에서, 회로는 오디오 신호의 주파수를 결정하도록 구성되며, 주파수는 전극 어레이의 전극에 대응하며, 회로는 주파수들 중 하나 이상에 응답하여 각각의 펄스의 폭을 결정하도록 구성된다.
다수의 실시예에서, 적어도 하나의 광 소스는 복수의 광 소스를 포함하며, 각각의 광 소스는 전극 어레이의 하나의 전극에 대응한다. 복수의 광 소스 각각은 복수의 광 소스 중 다른 광 소스로부터의 파장으로부터 실질적으로 분리된 파장을 포함하는 광을 방출하도록 구성될 수 있다.
다수의 실시예에서, 복수의 광 소스는 적어도 3개의 광 소스를 포함하며, 전극 어레이는 적어도 3개의 전극을 포함하며, 적어도 3개의 광 소스 각각은 전극 어레이의 적어도 3개의 전극 중 하나의 전극에 대응한다. 적어도 3개의 광 소스 각각은 적어도 3개의 광 소스 중 다른 광 소스로부터 실질적으로 분리된 파장을 포함하는 광을 방출하도록 구성되고, 각각의 광 소스의 파장은 적어도 3개의 전극 중 하나의 전극에 대응한다.
다수의 실시예에서, 적어도 하나의 검출기는 복수의 검출기를 포함하고, 복수의 검출기 각각은 전극 어레이의 하나의 전극에 대응한다.
다수의 실시예에서, 복수의 광검출기는 적어도 3개의 광검출기를 포함하며, 전극 어레이는 적어도 3개의 전극 어레이를 포함하며, 적어도 3개의 광검출기 각각은 전극 어레이의 적어도 3개의 전극 중 하나의 전극에 대응한다.
다수의 실시예에서, 광학 구조체가 다중화된 광신호를 수신하도록 구성되며, 이 광학 구조체는 중이 내에 배치되도록 구성되는 한편, 다중화된 광신호의 파장을 선택하도록 구성된다. 이러한 광학 구조체는 중이 내에 배치하도록 고막의 절개부를 통과하는 크기로 될 수 있고, 전극 어레이는 와우의 둥근 윈도우를 통해 적어도 부분적으로 와우 내부에 배치되는 크기로 된다.
다수의 실시예에서, 광학 구조체는 광학 필터, 회절 격자, 에탈론(etalon), 복수의 광섬유, 또는 프리즘 중 적어도 하나를 포함한다.
다수의 실시예에서, 다중화된 광신호는 복수의 광 채널을 포함하며, 복수의 광 채널 각각은 사운드의 적어도 하나의 주파수에 대응한다. 복수의 광 채널은 적어도 약 16개의 채널에 상응할 수 있고, 적어도 하나의 주파수는 적어도 약 16개의 주파수에 상응할 수 있다.
가늘고 긴 광 전송 구조체가 적어도 부분적으로 사용자의 이도(ear canal) 내에 배치되도록 구성되며, 이 가늘고 긴 광 전송 구조체는 고막을 통해 다중화된 광신호를 전송하도록 구성된다.
다수의 실시예에서, 다중화된 광신호는 사용자의 고막을 통해 적어도 하나의 광검출기에 전송되며, 이 적어도 하나의 광검출기는 중이에 부착되어 적어도 부분적으로 와우 내에 배치된 전극 어레이에 결합된다.
다수의 실시예에서, 적어도 하나의 광검출기 및 전극 어레이는 고막의 절개부를 통과하는 크기로 된다.
다수의 실시예에서, 다중화된 광신호는 파장 다중화된 광신호를 포함하며, 이 파장 다중화된 광신호는 각각의 파장이 전극 어레이의 전극에 대응하도록 복수의 파장을 포함한다. 복수의 파장 각각이 전극 어레이의 전극에 대응할 수 있다. 복수의 파장은 적어도 3개의 파장을 포함하며, 복수의 전극은 적어도 3개의 전극을 포함하며, 복수의 파장 각각은 적어도 3개의 전극 중 하나의 전극에 대응한다.
많은 실시예에서, 회로는 어레이의 전극에 대응하기 위해 일련의 광펄스를 전송하도록 구성된다.
많은 실시예에서, 일련의 광펄스는 복수의 펄스를 포함하고, 복수의 펄스의 각각의 펄스는 복수의 전극 중 하나의 전극에 대응한다.
많은 실시예에서, 복수의 전극은 적어도 3개의 전극을 포함하고, 일련의 광펄스는 적어도 3개의 펄스를 포함하며, 적어도 3개의 펄스의 각각의 펄스는 적어도 3개의 전극 중 하나의 전극에 대응한다.
많은 실시예에서, 일련의 광펄스는 타이핑 펄스를 포함한다. 타이밍 펄스는 사실상 고정된 폭을 포함할 수도 있으며, 타이밍 펄스는 복수의 전극에 결합되는 전력 회로를 포함한다. 스위칭 회로는 일련의 광펄스의 각각의 펄스가 복수의 전극 중 하나의 전극에 대응하도록 타이밍 펄스에 응답하여 복수의 전극의 각각의 전극을 적어도 하나의 검출기에 연속적으로 결합시키기 위해 적어도 하나의 검출기에 결합될 수 있다. 일련의 펄스는 펄스의 소정의 차수 및 타이밍을 포함할 수도 있고, 스위칭 회로는 일련의 펄스와 대응하도록 스위치를 개방하고 폐쇄하도록 스위치에 결합되는 타이머를 포함할 수도 있다.
많은 실시예에서, 일련의 광펄스는 적어도 3개의 펄스를 포함하고, 스위칭 회로는 일련의 광펄스의 각각의 펄스가 복수의 전극 중 하나의 전극에 대응하도록 적어도 하나의 검출기에 결합되고 연속적으로 적어도 3개의 전극의 각각의 전극에 결합되도록 구성된다.
많은 실시예에서, 전극 어레이, 적어도 하나의 광검출기 및 디멀티플렉서는 사용자에게 이식될 때 MRI 이미징을 위해 구성되는 사실상 비자성인 재료를 포함한다.
많은 실시예에서, 복수의 채널의 각각의 채널은 한 쌍의 전극에 대응하고, 제1 전류는 제1 폭 변조된 광펄스에 응답하여 상기 한 쌍의 전극 사이에서 흐르고 제2 전류는 제2 폭 변조된 광펄스에 응답하여 상기 한 쌍의 전극 사이에서 흐르며, 제1 전류는 제2 전류에 대향하고, 제1 전류는 제1 펄스의 제1 폭에 대응하는 제1 전류량을 갖고 제2 전류는 제2 펄스의 제2 폭에 대응하는 제2 전류량을 가지며, 제1 펄스의 폭은 제1 전극과 제2 전극 사이의 정류를 금지하고 전하 이동의 균형을 유지하기 위해 제2 펄스의 폭에 대응한다.
많은 실시예에서, 제1 광펄스는 상기 한 쌍의 전극에 결합된 제1 검출기에 결합되는 제1 파장의 광을 포함하고, 제2 광펄스는 상기 한 쌍의 전극에 결합된 제2 검출기에 결합되는 제2 파장의 광을 포함한다. 제1 검출기는 제2 검출기에 대향하는 상기 한 쌍의 전극에 결합된다. 각각의 채널은 제2 검출기에 대향하는 한 쌍의 전극에 결합된 제1 검출기 및 한 쌍의 전극에 대응할 수도 있으며, 예컨대 적어도 약 8개의 채널은 16개의 검출기에 결합된 8쌍의 전극에 대응한다.
많은 실시예에서, 음향은 위상을 포함하고, 광신호는 적어도 약 10 kHz의 주파수로 전송된 폭 변조된 광펄스를 포함하고, 각각의 광펄스는 달팽이관이 광펄스를 복조하고 음향의 위상이 유지되도록 달팽이관 내에 전류를 생성한다. 폭 변조된 광펄스는 각각의 채널을 위해 일련의 폭 변조된 펄스를 포함할 수도 있으며, 상기 각각의 채널의 일련의 폭 변조된 펄스는 사용자가 음향을 청취할 때 음향의 위상을 유지하기 위해 적어도 약 10 kHz의 주파수를 포함한다.
많은 실시예에서, 상기 각각의 일련의 폭 변조된 펄스의 주파수는 사용자가 음향을 청취할 때 음향의 위상을 유지하기 위해 적어도 약 20 kHz를 포함한다.
많은 실시예에서, 복수의 채널은 적어도 약 8개의 채널을 포함하고, 폭 변조된 광펄스의 주파수는 적어도 약 160 kHz를 포함한다.
많은 실시예에서, 각각의 채널의 일련의 폭 변조된 펄스의 펄스는 일련의 펄스의 패킷을 형성하도록 조합되고, 각각의 패킷은 각각의 일련의 폭 변조된 펄스로부터의 하나의 펄스를 포함한다.
다른 양태에서, 본 발명의 실시예는 사용자를 위한 청각 보철물을 제공하는 방법을 제공한다. 절개부가 사용자의 고막 내에 형성되고, 고막은 애뉼러스를 포함한다. 전극 어레이, 적어도 하나의 광검출기 및 디멀티플렉서는 절개부를 통해 전달된다. 예컨대, 출력 조립체는 전극 어레이, 적어도 하나의 광검출기 및 디멀티플렉서를 포함할 수도 있으며, 출력 조립체는 절개부를 통해 전달될 수 있다.
많은 실시예에서, 절개부는 애뉼러스를 통해 적어도 부분적으로 연장된다.
많은 실시예에서, 고막은 전극 어레이, 디멀티플렉서 및 적어도 하나의 광검출기를 절개부를 통해 전달하기 위해 이도의 측부에 위치설정된다.
많은 실시예에서, 적어도 하나의 검출기 및 디멀티플렉서는 사용자의 중이에 고정된다.
많은 실시예에서, 전극 어레이는 내창을 통해 적어도 부분적으로 위치설정되고, 적어도 하나의 검출기 및 디멀티플렉서는 사용자의 중이 내에 위치설정된다.
많은 실시예에서, 적어도 하나의 검출기 및 디멀티플렉서는 사용자의 중이에 고정된다.
많은 실시예에서, 적어도 하나의 광검출기는 적어도 3개의 광검출기를 포함한다.
많은 실시예에서, 디멀티플렉서는 광학 디멀티플렉서를 포함한다. 광학 디멀티플렉서는 광의 적어도 3개의 파장을 분리시키기 위해 적어도 3개의 필터를 포함할 수도 있다.
많은 실시예에서, 디멀티플렉서는 스위칭 회로 및 타이머를 포함한다.
많은 실시예에서, 절개부를 통해 전달되는 전극 어레이, 적어도 하나의 광검출기 및 디멀티플렉서는 MRI 이미징을 위해 구성되는 사실상 비자성인 재료를 포함한다.
많은 실시예에서, 적어도 하나의 광검출기는 고막의 후방부를 통해 전송되는 광 에너지를 수신하기 위해 중이 공도 내에 위치설정된다.
다른 양태에서, 본 발명의 실시예는 조직을 자극하기 위한 장치를 제공한다. 장치는 다중화된 광신호를 생성하기 위한 수단과, 광신호에 응답하여 조직을 자극하기 위한 수단을 포함한다. 광신호를 생성하기 위한 수단은 본 명세서에 기술된 바와 같이 다중화된 광신호를 생성하기 위해 입력 조립체의 하나 이상의 구조체를 포함하고, 조직을 자극하기 위한 수단은 본 명세서에 기술된 바와 같이 대응 기능을 갖는 출력 조립체의 하나 이상의 구조체를 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시예는 종래 디바이스에 관련된 문제점들 중 적어도 일부를 극복하는, 전류에 의한 조직 자극 디바이스, 시스템 및 방법을 제공한다. 예컨대, 출력 조립체는 중이와 내이 내에 배치를 위한 크기를 가질 수 있어, 뼈의 제거가 감소될 수 있다. 또한, 출력 조립체는 이 출력 조립체가 이식된 경우에 사람이 MRI 촬영을 받을 수 있도록 실질적으로 비자성 재료를 포함할 수 있다. 출력 조립체는 적어도 하나의 광검출기, 디멀티플렉서(demultiplexer) 및 고막의 절개부를 통과하는 크기를 갖는 전극 어레이를 포함할 수 있다. 입력 변환기 조립체는 다중화된 광신호를 출력 조립체에 전송하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 입력 조립체는 조직 제거가 감소될 수 있고 디바이스가 뼈의 제거 없이 이식될 수 있도록 다중화된 광신호를 고막을 통해 전송하도록 구성될 수 있다. 다중화된 광신호는 광원과 광검출기의 비선형성 효과를 감소시키고 유저에게 상질의 음향을 제공하도록 펄스 폭 변조된 신호를 포함할 수 있다. 예컨대, 펄스 폭 변조된 신호는 달팽이관이 펄스를 복조하고 유저에게 전송된 음향 신호의 위상이 실질적으로 유지되도록 가청 주파수를 넘는 주파수, 예컨대 적어도 약 20 kHz를 넘는 주파수를 갖는 광펄스를 포함할 수 있다. 음향은 복수 개의 채널에 대응하는 복수 개의 주파수를 포함할 수 있고, 일련의 폭 변조된 펄스는 각각의 채널에 대해 결정될 수 있다. 각 채널의 폭 변조된 펄스는 고주파수를 갖는 고막을 통해 광학적으로 전송되어, 달팽이관은 고주파수 펄스를 진폭과 위상이 유지되는 유저 지각 가능한 음향으로 복조시킬 수 있다.
제1 양태에서, 본 발명의 실시예는 조직을 자극하는 방법을 제공한다. 조직을 자극하도록 다중화된 광신호가 전송된다.
다른 양태에서, 본 발명의 실시예는 조직을 갖고 있는 유저의 달팽이관에 음향을 전송하는 방법을 제공하는 것으로서, 이 방법은 유저가 조직을 통해 전송되는 다중화된 광신호에 응답하여 음향을 청취하도록 유저의 조직을 통해 다중화된 광신호를 전송하는 것을 포함한다.
많은 실시예에서, 조직은 고막 조직을 포함한다.
많은 실시예에서, 다중화된 광신호는 중이에 의해 지지되는 광 구조로 전송되고, 광 구조는 다중 신호의 파장을 분리시켜 달팽이관을 자극하도록 전송된다.
많은 실시예에서, 광 구조는 중이에 고정된다. 광 구조는 중이의 공동 내에 배치를 위해 고막의 절개부를 통과하는 크기를 가질 수 있다.
많은 실시예에서, 광 구조는 광 필터, 광 섬유, 그래이팅, 에탈론, 복수 개의 광 섬유, 도파관, 복수 개의 도파관, 미러 또는 프리즘 중 적어도 하나를 포함한다.
많은 실시예에서, 다중화된 광신호는 복수 개의 채널을 포함하고, 각각의 복수 개의 채널은 음향의 적어도 하나의 주파수에 대응한다.
많은 실시예에서, 복수 개의 채널은 적어도 약 16개의 채널에 대응하고 적어도 하나의 주파수는 적어도 약 16개의 주파수에 대응한다.
많은 실시예에서, 다중화된 광신호는 복수 개의 광원에 의해 고막을 통해 전송되고, 각 광원은 복수 개의 채널에 대응하는 광신호를 전송하도록 구성되어 광원은 음향의 적어도 하나의 주파수에 대응한다. 복수 개의 광원은 적어도 3개의 광원을 포함할 수 있고, 적어도 3개의 광원은 각각 별개의 파장의 광을 발산하도록 구성된다.
많은 실시예에서, 복수 개의 채널은 한쌍의 전극에 각각 대응하고, 제1 전류는 제1 폭 변조된 광펄스에 응답하여 상기 한쌍의 전극 사이에서 흐르며, 제2 전류는 제2 폭 변조된 광펄스에 응답하여 상기 한쌍의 전극 사이에서 흐른다. 제1 전류는 제2 전류에 대향한다. 제1 전류는 제1 펄스의 제1 폭에 대응하는 제1 전류량을 갖고, 제2 전류는 제2 펄스의 제2 폭에 대응하는 제2 전류량을 갖는다. 제1 펄스의 폭은 제2 펄스의 폭에 대응하여, 제1 전극과 제2 전극 사이에서 정류 및 균형 전하 이동을 억제한다.
많은 실시예에서, 제1 광펄스는 제1 전극에 결합되는 제1 파장의 광을 포함하고, 제2 광펄스는 제2 검출기에 결합되는 제2 파장의 광을 포함한다.
많은 실시예에서, 다중화된 광신호는 유저의 고막을 통해 적어도 하나의 광검출기로 전송되고, 적어도 하나의 광검출기는 중이에 고정되며 달팽이관 내에 적어도 부분적으로 위치 설정되는 전극 어레이에 결합된다. 적어도 하나의 광검출기와 적어도 하나의 전극 어레이는 고막의 절개부를 통과하는 크기를 가질 수 있다.
많은 실시예에서, 다중화된 광신호는 파장 다중화된 광신호를 포함하고, 파장 다중화된 광신호는 각 파장이 어레이의 전극에 대응하도록 복수 개의 파장을 포함한다. 복수의 파장 각각은 전극 어레이의 전극에 대응할 수 있다.
다수의 실시예에서, 적어도 하나의 광검출기는 복수의 광검출기를 포함하며, 이들 복수의 광검출기 각각은 전극 어레이의 대응 전극 및 복수의 파장의 대응 파장에 결합되어, 조직 자극 전류가 조직 자극 파장에 응답하여 전극을 통과하도록 된 한다.
다수의 실시예에서, 광학 구조체가 사용자의 중이(middle ear) 내에 배치되어, 파장들을 각각의 광검출기에 대응하게 분리시키고 각각의 광검출기에 대응하는 각각의 분리된 파장이 그 파장에 기초하여 각각의 광검출기로 전송되도록 된다.
다수의 실시예에서, 복수의 광학 필터가 사용자의 중이 내에 배치되고 파장들이 광학 필터에 의해 분리되며, 각각의 광학 필터는 하나의 광검출기 위에 배치되어, 하나의 광검출기에 결합된 전극에 대응하는 파장들을 통과시키도록 구성된다.
다수의 실시예에서, 회절 격자가 각각의 전극에 대응하게 각각의 광검출기의 파장을 선택하도록 구성된다.
다수의 실시예에서, 다중화된 광신호는 시분할 다중 신호를 포함한다. 이 시분할 다중 신호는 복수의 시간 슬롯을 포함할 수 있고, 이들 복수의 시간 슬롯 각각은 전극 어레이의 전극에 대응한다. 시분활 다중 신호는 복수의 시간 슬롯 및 클록 신호를 포함할 수 있고, 회로는 적어도 하나의 광검출기 및 전극 어레이에 결합되어 클록 신호를 수신하고 전극 어레이의 전극 중에서 시분할 다중 신호를 분할하여, 각각의 시간 슬롯이 전극 어레이의 적어도 하나의 전극에 대응하도록 할 수 있다.
다수의 실시예에서, 각각의 시간 슬롯은 사운드의 적어도 하나의 주파수에 대응하여, 전류가 시간 슬롯에 대응하는 시분할 다중 신호의 일부분에 응답하여 각각의 전극을 통과하도록 된다. 시분할 다중 신호는 펄스폭 변조되어, 복수의 시간 슬롯 각각이 이 시간 슬롯에 대응한 전극을 통과하는 전류에 대응하는 지속 시간을 갖는 광펄스를 포함하도록 될 수 있다.
다수의 실시예에서, 다중화된 광신호는 와우(cochlea) 내로 연장하는 적어도 하나의 광섬유로 전송된다. 적어도 하나의 광섬유는 중이의 절개부를 통과하는 크기로 될 수 있다. 적어도 하나의 광섬유는 와우 내로 연장하는 복수의 광섬유를 포함하며, 각각의 광섬유는 사운드의 적어도 하나의 주파수에 대응한다. 각각의 광섬유는 사운드의 적어도 하나의 주파수에 응답하여 주파수의 대응 범위에 대응하는 와우의 미리 정해진 위치에서 와우를 자극하도록 구성된다.
다수의 실시예에서, 다중화된 광신호는 고막의 적어도 하나의 개구 또는 윈도우를 통해 전송된다.
다수의 실시예에서, 전극 어레이, 적어도 하나의 광검출기, 및 디멀티플렉서는 실질적으로 사용자에게 이식된 경우에 MRI 촬영을 위해 구성된 비자성 재료를 포함한다.
다수의 실시예에서, 사운드는 위상을 포함하며, 광신호는 적어도 약 10 ㎑의 주파수로 전송되는 폭 변조 광펄스를 포함한다. 각각의 광펄스는 와우 내에서 전류를 생성하여, 와우가 광펄스를 복조하고 사운드의 위상이 되도록 된다.
다수의 실시예에서, 폭 변조 광펄스는 각 채널에 대해 일련의 폭 변조 펄스를 포함하며, 각각의 채널의 일련의 폭 변조 펄스는 사용자가 사운드를 들을 시에 그 사운드의 위상을 유지하도록 적어도 약 10 ㎑의 주파수를 포함한다. 각각의 일련의 폭 변조 펄스의 주파수는 사용자가 사운드를 들을 시에 사운드의 위상을 유지하도록 적어도 약 20 ㎑를 포함할 수 있다. 복수의 채널은 적어도 약 8개의 채널을 포함하고, 폭 변조 광펄스의 주파수는 적어도 약 160 ㎑를 포함한다.
다수의 실시예에서, 각각의 채널의 일련의 폭 변조 펄스의 펄스들은 펄스의 패킷의 시퀀스를 형성하도록 조합되며, 그 패킷은 각각의 일련의 폭 변조 펄스로부터의 하나의 펄스를 포함한다.
다수의 실시예에서, 적어도 하나의 광검출기는 중이의 캐비티 내에 배치되어, 고막의 후방부를 통해 다중화된 광신호를 수신하도록 된다.
다른 양태에서, 본 발명의 실시예들은 조직을 자극하는 시스템을 제공한다. 복수의 전극이 적어도 부분적으로 조직 내에 배치되도록 구성된다. 회로가 소스로부터 신호를 수신하도록 구성된다. 적어도 하나의 광 소스가 회로에 결합되어, 복수의 광펄스를 포함한 다중화된 광신호를 방출하도록 구성된다. 적어도 하나의 광검출기가 다중화된 광신호를 수신하고 광펄스에 응답하여 전극을 통해 전류를 보내어 조직을 자극하도록 구성된다.
다른 양태에서, 본 발명의 실시예는 사용자에게 오디오 신호를 전송하는 시스템을 제공한다. 전극 어레이가 적어도 부분적으로 사용자의 와우 내에 배치되도록 구성된 복수의 전극을 포함한다. 회로는 사운드 소스로부터 오디오 신호를 수신하도록 구성된다. 적어도 하나의 광 소스가 회로에 결합되어, 복수의 광펄스를 포함한 다중화된 광신호를 방출하도록 구성된다. 적어도 하나의 검출기가 다중화된 광신호를 수신하고 광펄스에 응답하여 전극을 통해 전류를 보내도록 구성된다.
다수의 실시예에서, 회로는 복수의 광펄스의 폭을 결정하도록 구성되며, 각각의 광펄스는 전극 어레이의 전극에 대응하고, 각각의 광펄스의 폭은 전극 어레이의 대응 전극을 지나는 전류의 양에 대응한다.
다수의 실시예에서, 회로는 오디오 신호의 주파수를 결정하도록 구성되며, 주파수는 전극 어레이의 전극에 대응하며, 회로는 주파수들 중 하나 이상에 응답하여 각각의 펄스의 폭을 결정하도록 구성된다.
다수의 실시예에서, 적어도 하나의 광 소스는 복수의 광 소스를 포함하며, 각각의 광 소스는 전극 어레이의 하나의 전극에 대응한다. 복수의 광 소스 각각은 복수의 광 소스 중 다른 광 소스로부터의 파장으로부터 실질적으로 분리된 파장을 포함하는 광을 방출하도록 구성될 수 있다.
다수의 실시예에서, 복수의 광 소스는 적어도 3개의 광 소스를 포함하며, 전극 어레이는 적어도 3개의 전극을 포함하며, 적어도 3개의 광 소스 각각은 전극 어레이의 적어도 3개의 전극 중 하나의 전극에 대응한다. 적어도 3개의 광 소스 각각은 적어도 3개의 광 소스 중 다른 광 소스로부터 실질적으로 분리된 파장을 포함하는 광을 방출하도록 구성되고, 각각의 광 소스의 파장은 적어도 3개의 전극 중 하나의 전극에 대응한다.
다수의 실시예에서, 적어도 하나의 검출기는 복수의 검출기를 포함하고, 복수의 검출기 각각은 전극 어레이의 하나의 전극에 대응한다.
다수의 실시예에서, 복수의 광검출기는 적어도 3개의 광검출기를 포함하며, 전극 어레이는 적어도 3개의 전극 어레이를 포함하며, 적어도 3개의 광검출기 각각은 전극 어레이의 적어도 3개의 전극 중 하나의 전극에 대응한다.
다수의 실시예에서, 광학 구조체가 다중화된 광신호를 수신하도록 구성되며, 이 광학 구조체는 중이 내에 배치되도록 구성되는 한편, 다중화된 광신호의 파장을 선택하도록 구성된다. 이러한 광학 구조체는 중이 내에 배치하도록 고막의 절개부를 통과하는 크기로 될 수 있고, 전극 어레이는 와우의 둥근 윈도우를 통해 적어도 부분적으로 와우 내부에 배치되는 크기로 된다.
다수의 실시예에서, 광학 구조체는 광학 필터, 회절 격자, 에탈론(etalon), 복수의 광섬유, 또는 프리즘 중 적어도 하나를 포함한다.
다수의 실시예에서, 다중화된 광신호는 복수의 광 채널을 포함하며, 복수의 광 채널 각각은 사운드의 적어도 하나의 주파수에 대응한다. 복수의 광 채널은 적어도 약 16개의 채널에 상응할 수 있고, 적어도 하나의 주파수는 적어도 약 16개의 주파수에 상응할 수 있다.
가늘고 긴 광 전송 구조체가 적어도 부분적으로 사용자의 이도(ear canal) 내에 배치되도록 구성되며, 이 가늘고 긴 광 전송 구조체는 고막을 통해 다중화된 광신호를 전송하도록 구성된다.
다수의 실시예에서, 다중화된 광신호는 사용자의 고막을 통해 적어도 하나의 광검출기에 전송되며, 이 적어도 하나의 광검출기는 중이에 부착되어 적어도 부분적으로 와우 내에 배치된 전극 어레이에 결합된다.
다수의 실시예에서, 적어도 하나의 광검출기 및 전극 어레이는 고막의 절개부를 통과하는 크기로 된다.
다수의 실시예에서, 다중화된 광신호는 파장 다중화된 광신호를 포함하며, 이 파장 다중화된 광신호는 각각의 파장이 전극 어레이의 전극에 대응하도록 복수의 파장을 포함한다. 복수의 파장 각각이 전극 어레이의 전극에 대응할 수 있다. 복수의 파장은 적어도 3개의 파장을 포함하며, 복수의 전극은 적어도 3개의 전극을 포함하며, 복수의 파장 각각은 적어도 3개의 전극 중 하나의 전극에 대응한다.
많은 실시예에서, 회로는 어레이의 전극에 대응하기 위해 일련의 광펄스를 전송하도록 구성된다.
많은 실시예에서, 일련의 광펄스는 복수의 펄스를 포함하고, 복수의 펄스의 각각의 펄스는 복수의 전극 중 하나의 전극에 대응한다.
많은 실시예에서, 복수의 전극은 적어도 3개의 전극을 포함하고, 일련의 광펄스는 적어도 3개의 펄스를 포함하며, 적어도 3개의 펄스의 각각의 펄스는 적어도 3개의 전극 중 하나의 전극에 대응한다.
많은 실시예에서, 일련의 광펄스는 타이핑 펄스를 포함한다. 타이밍 펄스는 사실상 고정된 폭을 포함할 수도 있으며, 타이밍 펄스는 복수의 전극에 결합되는 전력 회로를 포함한다. 스위칭 회로는 일련의 광펄스의 각각의 펄스가 복수의 전극 중 하나의 전극에 대응하도록 타이밍 펄스에 응답하여 복수의 전극의 각각의 전극을 적어도 하나의 검출기에 연속적으로 결합시키기 위해 적어도 하나의 검출기에 결합될 수 있다. 일련의 펄스는 펄스의 소정의 차수 및 타이밍을 포함할 수도 있고, 스위칭 회로는 일련의 펄스와 대응하도록 스위치를 개방하고 폐쇄하도록 스위치에 결합되는 타이머를 포함할 수도 있다.
많은 실시예에서, 일련의 광펄스는 적어도 3개의 펄스를 포함하고, 스위칭 회로는 일련의 광펄스의 각각의 펄스가 복수의 전극 중 하나의 전극에 대응하도록 적어도 하나의 검출기에 결합되고 연속적으로 적어도 3개의 전극의 각각의 전극에 결합되도록 구성된다.
많은 실시예에서, 전극 어레이, 적어도 하나의 광검출기 및 디멀티플렉서는 사용자에게 이식될 때 MRI 이미징을 위해 구성되는 사실상 비자성인 재료를 포함한다.
많은 실시예에서, 복수의 채널의 각각의 채널은 한 쌍의 전극에 대응하고, 제1 전류는 제1 폭 변조된 광펄스에 응답하여 상기 한 쌍의 전극 사이에서 흐르고 제2 전류는 제2 폭 변조된 광펄스에 응답하여 상기 한 쌍의 전극 사이에서 흐르며, 제1 전류는 제2 전류에 대향하고, 제1 전류는 제1 펄스의 제1 폭에 대응하는 제1 전류량을 갖고 제2 전류는 제2 펄스의 제2 폭에 대응하는 제2 전류량을 가지며, 제1 펄스의 폭은 제1 전극과 제2 전극 사이의 정류를 금지하고 전하 이동의 균형을 유지하기 위해 제2 펄스의 폭에 대응한다.
많은 실시예에서, 제1 광펄스는 상기 한 쌍의 전극에 결합된 제1 검출기에 결합되는 제1 파장의 광을 포함하고, 제2 광펄스는 상기 한 쌍의 전극에 결합된 제2 검출기에 결합되는 제2 파장의 광을 포함한다. 제1 검출기는 제2 검출기에 대향하는 상기 한 쌍의 전극에 결합된다. 각각의 채널은 제2 검출기에 대향하는 한 쌍의 전극에 결합된 제1 검출기 및 한 쌍의 전극에 대응할 수도 있으며, 예컨대 적어도 약 8개의 채널은 16개의 검출기에 결합된 8쌍의 전극에 대응한다.
많은 실시예에서, 음향은 위상을 포함하고, 광신호는 적어도 약 10 kHz의 주파수로 전송된 폭 변조된 광펄스를 포함하고, 각각의 광펄스는 달팽이관이 광펄스를 복조하고 음향의 위상이 유지되도록 달팽이관 내에 전류를 생성한다. 폭 변조된 광펄스는 각각의 채널을 위해 일련의 폭 변조된 펄스를 포함할 수도 있으며, 상기 각각의 채널의 일련의 폭 변조된 펄스는 사용자가 음향을 청취할 때 음향의 위상을 유지하기 위해 적어도 약 10 kHz의 주파수를 포함한다.
많은 실시예에서, 상기 각각의 일련의 폭 변조된 펄스의 주파수는 사용자가 음향을 청취할 때 음향의 위상을 유지하기 위해 적어도 약 20 kHz를 포함한다.
많은 실시예에서, 복수의 채널은 적어도 약 8개의 채널을 포함하고, 폭 변조된 광펄스의 주파수는 적어도 약 160 kHz를 포함한다.
많은 실시예에서, 각각의 채널의 일련의 폭 변조된 펄스의 펄스는 일련의 펄스의 패킷을 형성하도록 조합되고, 각각의 패킷은 각각의 일련의 폭 변조된 펄스로부터의 하나의 펄스를 포함한다.
다른 양태에서, 본 발명의 실시예는 사용자를 위한 청각 보철물을 제공하는 방법을 제공한다. 절개부가 사용자의 고막 내에 형성되고, 고막은 애뉼러스를 포함한다. 전극 어레이, 적어도 하나의 광검출기 및 디멀티플렉서는 절개부를 통해 전달된다. 예컨대, 출력 조립체는 전극 어레이, 적어도 하나의 광검출기 및 디멀티플렉서를 포함할 수도 있으며, 출력 조립체는 절개부를 통해 전달될 수 있다.
많은 실시예에서, 절개부는 애뉼러스를 통해 적어도 부분적으로 연장된다.
많은 실시예에서, 고막은 전극 어레이, 디멀티플렉서 및 적어도 하나의 광검출기를 절개부를 통해 전달하기 위해 이도의 측부에 위치설정된다.
많은 실시예에서, 적어도 하나의 검출기 및 디멀티플렉서는 사용자의 중이에 고정된다.
많은 실시예에서, 전극 어레이는 내창을 통해 적어도 부분적으로 위치설정되고, 적어도 하나의 검출기 및 디멀티플렉서는 사용자의 중이 내에 위치설정된다.
많은 실시예에서, 적어도 하나의 검출기 및 디멀티플렉서는 사용자의 중이에 고정된다.
많은 실시예에서, 적어도 하나의 광검출기는 적어도 3개의 광검출기를 포함한다.
많은 실시예에서, 디멀티플렉서는 광학 디멀티플렉서를 포함한다. 광학 디멀티플렉서는 광의 적어도 3개의 파장을 분리시키기 위해 적어도 3개의 필터를 포함할 수도 있다.
많은 실시예에서, 디멀티플렉서는 스위칭 회로 및 타이머를 포함한다.
많은 실시예에서, 절개부를 통해 전달되는 전극 어레이, 적어도 하나의 광검출기 및 디멀티플렉서는 MRI 이미징을 위해 구성되는 사실상 비자성인 재료를 포함한다.
많은 실시예에서, 적어도 하나의 광검출기는 고막의 후방부를 통해 전송되는 광 에너지를 수신하기 위해 중이 공도 내에 위치설정된다.
다른 양태에서, 본 발명의 실시예는 조직을 자극하기 위한 장치를 제공한다. 장치는 다중화된 광신호를 생성하기 위한 수단과, 광신호에 응답하여 조직을 자극하기 위한 수단을 포함한다. 광신호를 생성하기 위한 수단은 본 명세서에 기술된 바와 같이 다중화된 광신호를 생성하기 위해 입력 조립체의 하나 이상의 구조체를 포함하고, 조직을 자극하기 위한 수단은 본 명세서에 기술된 바와 같이 대응 기능을 갖는 출력 조립체의 하나 이상의 구조체를 포함할 수도 있다.
본 발명의 출력 조립체는 중이와 내이 내에 배치를 위한 크기를 가질 수 있어, 뼈의 제거가 감소될 수 있는 효과를 제공한다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따라 후방 귀 유닛을 포함하는 광학 결합 달팽이관 이식 시스템을 도시한다.
도 1aa는 본 발명의 실시예에 따라 이도 모듈을 포함하는 광학 결합 달팽이관 이식 시스템을 도시한다.
도 1ab는, 달팽이관의 후방부를 통해 광학적으로 결합되도록 중이 공동 내에 위치설정되는 광검출기와, 내창을 통해 달팽이관 내로 연장되는 전극 어레이를 갖는, 내측 관점에서 중이 공동을 주시하는 이도로부터 바라본 바와 같은 본 발명에 따른 광학 결합 출력 변환기 조립체를 도시한다.
도 1b는 본 발명의 실시예에 따라 다중화된 광신호를 발산하도록 구성되는 입력 변환기 조립체를 도시한다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따라 파장 다중화된 광신호를 발산하도록 구성되는 입력 변환기 조립체를 도시한다.
도 2aa는 도 2a에 도시된 바와 같은 파장 다중화된 광신호의 개별 파장의 광을 포함하는 광펄스를 도시한다.
도 2ab는 도 2a에 도시된 바와 같이 개별 파장을 갖는 복수의 광원으로부터의 광을 파장 다중화하도록 구성되는 광 멀티플렉서를 도시한다.
도 2b는 도 2a에 도시된 바와 같은 입력 변환기 조립체와 결합되도록 구성된 광 디멀티플렉서를 포함하는 출력 변환기 조립체를 도시한다.
도 2c는 본 발명의 실시예에 따라 광 필터 및 검출기의 어레이를 포함하는 광 디멀티플렉서를 포함하는 출력 변환기 조립체를 도시한다.
도 2ca는 본 발명의 실시예에 따라 제1 파장을 포함하는 제1 광펄스 및 제2 파장을 포함하는 제2 광펄스에 응답하여 적어도 이상 펄스를 제공하기 위한 도 2c의 출력 변환기 조립체의 채널의 회로를 도시한다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따라 시간 다중화된 광신호를 발산하도록 구성되는 입력 변환기 조립체를 도시한다.
도 3aa는 도 3a에 도시된 바와 같은 시간 다중화된 광신호의 일련의 광펄스를 포함하는 광펄스를 도시한다.
도 3ab는 도 3a에 도시된 바와 같은 시간 다중화된 광신호의 일련의 광펄스의 클록 펄스를 도시한다.
도 3b는 도 3a에 도시된 바와 같은 입력 변환기 조립체와 함께 사용되도록 구성되는 출력 변환기 조립체를 도시한다.
도 4는 실시예에 따라, 3상형 펄스폭 변조된 펄스를 도시한다.
도 5a는 실시예에 따라, 달팽이관의 고주파 자극을 갖는 채널들 중에 오디오 신호의 위상을 실질적으로 유지하기 위해서 대역통과 필터링 및 펄스폭 변조를 이용하는 채널 변환에 대한 신호를 도시한다.
도 5b는 도 5a에서 도시된 오디오 신호의 위상을 유지하기 위해서 달팽이관의 고주파수 자극에 대한 채널의 위상을 도시한다.
도 6은 실시예에 따라, 고막을 통한 광학 전송을 결정하기 위한 실험적인 셋업을 도시한다.
도 1aa는 본 발명의 실시예에 따라 이도 모듈을 포함하는 광학 결합 달팽이관 이식 시스템을 도시한다.
도 1ab는, 달팽이관의 후방부를 통해 광학적으로 결합되도록 중이 공동 내에 위치설정되는 광검출기와, 내창을 통해 달팽이관 내로 연장되는 전극 어레이를 갖는, 내측 관점에서 중이 공동을 주시하는 이도로부터 바라본 바와 같은 본 발명에 따른 광학 결합 출력 변환기 조립체를 도시한다.
도 1b는 본 발명의 실시예에 따라 다중화된 광신호를 발산하도록 구성되는 입력 변환기 조립체를 도시한다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따라 파장 다중화된 광신호를 발산하도록 구성되는 입력 변환기 조립체를 도시한다.
도 2aa는 도 2a에 도시된 바와 같은 파장 다중화된 광신호의 개별 파장의 광을 포함하는 광펄스를 도시한다.
도 2ab는 도 2a에 도시된 바와 같이 개별 파장을 갖는 복수의 광원으로부터의 광을 파장 다중화하도록 구성되는 광 멀티플렉서를 도시한다.
도 2b는 도 2a에 도시된 바와 같은 입력 변환기 조립체와 결합되도록 구성된 광 디멀티플렉서를 포함하는 출력 변환기 조립체를 도시한다.
도 2c는 본 발명의 실시예에 따라 광 필터 및 검출기의 어레이를 포함하는 광 디멀티플렉서를 포함하는 출력 변환기 조립체를 도시한다.
도 2ca는 본 발명의 실시예에 따라 제1 파장을 포함하는 제1 광펄스 및 제2 파장을 포함하는 제2 광펄스에 응답하여 적어도 이상 펄스를 제공하기 위한 도 2c의 출력 변환기 조립체의 채널의 회로를 도시한다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따라 시간 다중화된 광신호를 발산하도록 구성되는 입력 변환기 조립체를 도시한다.
도 3aa는 도 3a에 도시된 바와 같은 시간 다중화된 광신호의 일련의 광펄스를 포함하는 광펄스를 도시한다.
도 3ab는 도 3a에 도시된 바와 같은 시간 다중화된 광신호의 일련의 광펄스의 클록 펄스를 도시한다.
도 3b는 도 3a에 도시된 바와 같은 입력 변환기 조립체와 함께 사용되도록 구성되는 출력 변환기 조립체를 도시한다.
도 4는 실시예에 따라, 3상형 펄스폭 변조된 펄스를 도시한다.
도 5a는 실시예에 따라, 달팽이관의 고주파 자극을 갖는 채널들 중에 오디오 신호의 위상을 실질적으로 유지하기 위해서 대역통과 필터링 및 펄스폭 변조를 이용하는 채널 변환에 대한 신호를 도시한다.
도 5b는 도 5a에서 도시된 오디오 신호의 위상을 유지하기 위해서 달팽이관의 고주파수 자극에 대한 채널의 위상을 도시한다.
도 6은 실시예에 따라, 고막을 통한 광학 전송을 결정하기 위한 실험적인 셋업을 도시한다.
본 발명은 일반적으로 전극을 이용한 조직 자극에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 청각을 위한 고막의 자극에 관한 것이다. 달팽이관 이식에 대해 특정하게 참조하였지만, 본 발명의 실시예들은 다수의 애플리케이션에서 이용될 수 있고, 여기서 조직은 예를 들어 근육, 신경 및 신경 조직의 자극(예를 들어 파킨슨병의 치료)으로 자극된다.
본 명세서에 이용되는 광은 적외선, 가시광선 및 자외선을 포함한다.
도 1a는 입력 변환기 어셈블리(20) 및 출력 어셈블리(30)를 포함하는 광학 결합된 달팽이관 이식 시스템(10)을 도시한다. 입력 변환기 어셈블리(20)는 귀걸이보청기(이하 "BTE") 유닛을 포함할 수 있다. BTE 유닛은 자신의 가시성을 줄이기 위해서, 사용자의 귓바퀴(P) 뒤에 위치설정될 수 있다. BTE 유닛은 신호를 입력하고 처리하기 위해 이용되는 전자 장치들을 하우징할 수 있다. 입력 변환기(예를 들어, 마이크로폰(22))는 BTE 유닛에 결합되어, 이 BTE 유닛에 오디오 신호를 전송할 수 있다. BTE는 입력 신호를 다중화된 광신호(
)로 변환할 수 있다. BTE 유닛은 다중화된 광신호(
)를 발산하기 위해 광 전송 구조(12)에 결합될 수 있는 광원을 하우징할 수 있다. 광 전송 구조(12)는 BTE로부터 이도(ear canal, EC)로 확장된다. 광 전송 구조(12)는 마이크로폰(22)을 지지할 수 있다. 마이크로폰(22)은 여러 위치에 위치설정될 수 있는데, 예를 들어, 이도 내에 또는 위치화 요소(sound localization cue)를 검출하기 위해서 이도 개구부 근처에 위치설정될 수 있다. 대안적으로, 마이크로폰은 이도 상에 위치설정될 수 있다. 입력 변환기는 잡음 제거를 위해 BTE 유닛 상에 위치설정된 제2 마이크로폰을 포함할 수 있다. 음향 입력은 블루투스 접속으로부터의 음향을 포함할 수 있고, BTE는 예를 들어 셀 폰과 결합하기 위한 회로를 포함할 수 있다.
출력 어셈블리(30)는 사용자의 중이 및 내이에 배치되도록 구성된다. 출력 어셈블리(30)는 다중화된 광신호(
)를 수신하도록 구성된 적어도 하나의 검출기(34)를 포함한다. 출력 어셈블리는 다중화된 광신호(
)에 응답하여 달팽이관을 자극하기 위해 적어도 하나의 검출기(34)에 결합된 전극 어레이(32)를 포함한다. 전극 어레이는 복수의 전극들(32E), 예를 들면 16쌍의 전극들을 포함한다. 출력 어셈블리(30)는 광신호를 역다중화하기 위해 적어도 하나의 검출기에 결합된 디멀티플렉서를 포함할 수 있다. 역다중화된 광신호는 예를 들어 시간 다중화된 광신호 또는 파장 다중화된 광신호를 포함할 수 있다. 디멀티플렉서는 달팽이관의 조직을 자극하고 광신호를 역다중화하기 위한 구조를 포함한다. 디멀티플렉서는 다중화된 광신호의 펄스가 전극 어레이에 대응하도록 전극 어레이와 다중화된 광신호의 펄스를 결합하도록 구성될 수 있다.
출력 어셈블리(30)는 다수의 공지된 생체에 적합하고 실질적으로 비자성 물질을 포함할 수 있어, 출력 어셈블리(30)는 환자에게 이식될 때 MRI 이미징을 이용하도록 구성된다. 예를 들어, 전극 어레이(32)는 백금, 티타늄, Ni, 또는 니티놀 중 적어도 하나와 같은, 실질적으로 비자성 전도성 물질을 포함할 수 있다. 전극 어레이는 생체에 적합하고 실질적으로 비자성 하우징 물질을 포함할 수 있는데, 이는 예를 들어 실리콘 고무, 생체 적합한 플라스틱, 또는 히드로겔 중 적어도 하나이다.
전극 어레이(32E) 및 적어도 하나의 광검출기(34)는 달팽이관을 자극하기 위해 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 전극은 단상의 펄스를 위해 광검출기에 결합될 수 있다. 전극 어레이는 제1 방향의 제1 전류에 대응하는 제1 펄스 및 제2 방향의 제2 펄스에 대응하는 제2 펄스를 갖는 이상(bi-phasic) 펄스를 포함할 수 있다. 제1 방향에 대응하는 제1 펄스의 광 에너지는 제1 양의 광 에너지를 포함하고, 제2 방향에 대응하는 제2 펄스는 제2 양의 광 에너지를 포함할 수 있으며, 제1 양의 광 에너지 및 제2 양의 광 에너지는 예를 들어 전극의 누적 전하를 줄이기 위해 및/또는 전극을 이용한 전하 전달 및 정류를 억제하기 위해 실질적으로 유사할 수 있다. 전극 어레이의 대응 회로는 오디오 신호를 송신하고, 예를 들어 3상의 펄스와 같은 다양한 종류의 펄스로 달팽이관을 자극하도록 구성될 수 있다. 각각의 채널의 광펄스는 전극 쌍의 제1 극성에 대응하는 제1 폭 변조된 광펄스 및 제1 광펄스와는 대향하는 전극 쌍의 제2 극성에 대응하는 제2 폭 변조된 광펄스를 갖는 한 쌍의 펄스 폭 변조된 광펄스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 폭 변조된 광펄스는 제1 파장을 갖고, 제2 폭 변조된 광펄스는 제2 파장을 가질 수 있다.
도 1aa는 이도 모듈(이하 "ECM")을 포함하는 광학 결합 달팽이관 이식 시스템을 도시한다. ECM은 BTE 유닛의 다수의 컴포넌트를 포함할 수 있고, 그 반대일 수도 있다. ECM은 사용자의 이도(EC)의 몰드로부터 형상화될 수 있다. 회로(CR)는 마이크로폰(22)에 결합될 수 있다. 회로는 사운드 프로세서를 포함할 수 있다. ECM은 전기 에너지를 저장하도록 구성된 에너지 저장 장치(PS)를 포함할 수 있다. 저장 장치는 배터리, 충전 가능한 배터리, 커패시터, 슈퍼 커패시터, 또는 전기화학적 이중 층 커패시터(electrochemical double layer capacitor, EDLC) 중 적어도 하나와 같은 다수의 공지된 저장 장치를 포함할 수 있다. ECM은 예를 들어 충전을 위해 또는 사용자가 잘 때에 제거될 수 있다. ECM은 폐쇄를 줄이기 위해서 공기를 통과시키는 채널(29)을 포함할 수 있다. 공기가 채널(29)을 통해 통과되더라도, 달팽이관의 전기적 및 비청각 자극으로 인해서 피드백은 실질적으로 존재하지 않는다.
에너지 저장 장치(PS)는 다양한 방식으로 충전될 수 있는 충전 가능한 에너지 저장 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 에너지 저장 장치는 고속 충전을 위해 슈퍼 커패시터에 결합된 커넥터의 플러그로 충전될 수 있다. 대안적으로, 에너지 저장 장치는 광검출기(PV)를 이용하거나 또는 유도성 코일을 이용하여 충전될 수 있다. 광검출기(PV)는 광검출기가 이도(EC)에 진입하는 광에 노출되도록 ECM의 포자반에 위치설정될 수 있다. 광검출기(PV)는 에너지 저장 장치(PS)를 충전하기 위해 에너지 저장 장치(PS)에 결합될 수 있다. 광검출기는 앞서 기술된 바와 같은 블랙 실리콘 등의 다수의 검출기를 포함할 수 있다. 충전 가능한 에너지 저장 장치가 단지 편의상 제공될 수 있는데, 에너지 저장 장치(PS)가 ECM이 이도로부터 제거될 때 사용자가 교체할 수 있는 배터리를 포함할 수 있기 때문이다.
광검출기(PV)는 결정 실리콘, 비정질 실리콘, 마이크로모르퍼스 실리콘, 블랙 실리콘, 텔루르화 카드뮴, 구리 인듐갈륨 셀레나이드 등과 같은 적어도 하나의 광전지 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광검출기(PV)는 예를 들어 미국 매사추세츠주, 버클리의 SiOnyx 주식회사로부터 입수 가능하며 미국 특허 번호 제7,354,792호 및 제7,390,689호에 기술된 바와 같은 블랙 실리콘을 포함할 수 있다. 블랙 실리콘은 백만분의 일 중 억분 일 초처럼 짧게 고출력 펄스로 목표 반도체를 노출하는 펨토 세컨 레이저와 같은 고출력 레이저에 의해 조사되는 물질에서 발생하는 원자 레벨 변화를 이용하는 반도체 공정으로 제조된 얕은 접합 포토닉스를 포함할 수 있다. 결정질 물질은 변화시키는 변형을 겪을 수 있는 이러한 강렬한 국부 에너지 이벤트의 영향을 받을 수 있어서, 원자 구조는 순간적으로 무질서하게 될 수 있고, 기판이 재결정체를 이룰 때 새로운 화합물은 "고정된다". 실리콘에 적용될 때, 종래의 반도체 물질보다 광에 더욱 민감한 고 도핑, 광학적 불투명한, 얕은 접합 인터페이스가 결과물이 될 수 있다. 또한, 장치를 청취하기 위한 광전지 변환기가 발명의 명칭이 "Optical Electro-Mechanical Hearing Devices With Combined Power and Signal Architectures" (대리인 사건 번호 제026166-001800US)인 미국 특허출원 번호 제61/073,271호; 및 발명의 명칭이 "Optical Electro- Mechanical Hearing Devices with Separate Power and Signal" (대리인 사건 번호 제026166-001900US호)인 미국 특허출원 번호 제61/073,281호에 상세하게 기술되어 있고, 이들의 전체 내용은 본 명세서에 참조용으로 앞서 통합되었으며, 앞서 기술된 바와 같이 일부 실시예들에 따른 조합에 적합할 수 있다.
BTE는 예를 들어 앞서 기술된 바와 같이 광검출기(PV), 에너지 저장 장치(PS), 프로세서 및 회로 등의 ECM의 다수의 컴포넌트를 포함할 수 있다.
도 1ab는 광학 결합 출력 변환기 어셈블리(30)를 도시하고, 이 출력 변환기 어셈블리(30)는 고막(TM)의 뒤 부분을 통해 광학적으로 결합될 수 있는 중이 구멍에 위치설정되는 적어도 하나의 광검출기(34) 및 원창(RW)을 통해 달팽이관 내로 확장되는 전극 어레이(32E)를 구비하며, 이도로부터 볼 수 있는 안쪽 보기는 고막(TM)을 통한 중이 구멍 내로 볼 수 있다. 예를 들어, 출력 어셈블리(30)는 부착 구조(36)를 이용하여 갑각(PR) 상에 위치설정되어, 적어도 하나의 광검출기(34)는 고막(TM)의 뒤의 부분을 통해 전송되는 광 에너지를 수신하도록 지향된다. 적어도 하나의 광검출기(34)의 위치 및 방향은 전극 어레이(32E)를 이용하여 달팽이관을 자극하기 위해서 광 에너지가 고막을 통해 전송될 때 실질적으로 고정된 상태로 남아있을 수 있다. 그 결과, 적어도 하나의 광검출기(34) 상의 광 에너지 전달의 효율성, 광학 결합은 실질적으로 일정한 상태로 남아있고, 적어도 하나의 광검출기의 움직임으로 인한 음향 왜곡은 실질적으로 억제된다. 예를 들어, 적어도 하나의 광검출기는 앞서 기술된 바와 같은 적어도 하나의 광검출기(PV)를 포함할 수 있고, 이것은 광을 이용하여 고막(TM)을 통해 전력 및 신호를 전송하기 위해서 광이 고막(TM)을 통해 이도(EC)로부터 전송될 수 있도록 고막(TM)을 통해 볼 수 있다. 예를 들어, 광 에너지는 고막의 뒤 부분을 통해 전송될 수 있고, 예를 들어, 본 명세서에 이하에 기술되는 바와 같이 결합 효율성을 증가시키기 위해, 뒤 부분/아래 부분을 통해 전송될 수도 있다.
도 1b는 다중화된 광신호를 발산하도록 구성된 입력 변환기 어셈블리(20)를 도시한다. 입력 변환기 어셈블리의 컴포넌트는 BTE 유닛에 또는 ECM, 또는 이들의 조합에 하우징될 수 있다. 마이크로폰(22)은 음향 프로세서에 결합된다. 음향 프로세서는 하나 이상의 많은 상업적으로 입수가능한 음향 프로세서를 포함할 수 있다. 음향 프로세서는 그 안에 구현된 컴퓨터 프로그램의 명령어들을 저장하는 유형 매체를 포함한다. 음향 프로세서는 다중대역 주파수-채널 컨버터를 포함하거나 이에 결합될 수 있다. 주파수-채널 컨버터는 사용자가 오디오 신호의 음향을 인지하도록 오디오 신호의 주파수를 전기적 자극을 위한 달팽이관의 위치에 대응하는 필터링된 음향 채널로 변환할 수 있다. 각각의 채널에 대한 필터는 각각의 채널의 주파수가 달팽이관의 길이를 따른 영역을 자극할 주파수 범위에 대응하도록 대역 통과 필터를 포함할 수 있다. 입력 어셈블리에서의 회로는 펄스 폭 변조(이하 "PWM(pulse width modulation)") 회로를 포함할 수 있다. PWM 회로는 어레이의 전극 중의 하나에 대응하는 각각의 광펄스의 폭을 결정하도록 구성될 수 있다. 광펄스의 폭은 광펄스에 결합되어 있는 전극에 대응하는 음향의 주파수에 응답하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 광펄스의 폭은 시그마-델타(Sigma-Delta) 펄스 폭 변조로써 각각의 채널에 대하여 결정될 수 있지만, 많은 펄스 폭 변조 실시예가 사용될 수 있다. 멀티플렉서(MUX) 및 방출기(emitter)는 PWM 회로에 결합될 수 있다.
방출기는 적어도 하나의 광원을 포함한다. 적어도 하나의 광원을 ㅖ쯔 회로에 의해 결정된 지속기간을 갖는 광의 펄스를 발산한다. 펄스의 폭은 펄스의 지속기간을 지칭한다. 연속 다중화를 이용해, 적어도 하나의 광원은 하나의 광원을 포함할 수 있고, 펄스의 타이핑은 멀티플렉서에 의해 결정된다. 광 다중화를 이용해, 적어도 하나의 광원을 복수의 광원, 예를 들어 적어도 3개의 광원을 포함한다. 복수의 광원은 광펄스를 실질적으로 동시에 발산하도록 구성될 수 있다. 대안으로서, 복수의 광원은 복수의 광원의 피크 전력 소모를 감소시키기 위해 광펄스를 연속적으로 발산하도록 구성될 수 있다.
방출기는 광 전달 구조(12)에 결합된다. 광 전달 구조는 광 섬유, 복수의 광 섬유, 윈도우, 또는 ECM의 개구를 포함할 수 있다. 다중화된 광은 광 전달 구조(12)로부터 조직, 예를 들어 고막 TM의 조직을 향하여 전달되지만, 광은 다른 조직을 통해 전달될 수 있으며, 예를 들어 광을 전달하도록 뼈에 형성된 개구의 뼈를 통해 전달될 수 있다.
도 2a는 파장 다중화된 광신호를 발산하도록 구성된 입력 변환기 어셈블리(20)를 도시한다. 음향 프로세서는 오디오 신호의 주파수를 결정할 수 있다. 다중대역 필터링된 오디오 신호는 주파수-파장 컨버터(Freq-λ)를 이용해 전극 어레이의 채널 및 대응하는 파장으로 변환될 수 있다. 각각의 파장에 대한 각 펄스의 폭은 복수의 파장, 예를 들어 적어도 3개의 파장에 대하여 결정된다. 16개의 파장이 도시되어 있지만, 더 많은 수의 채널, 예를 들어 최대 32개의 채널이 자극될 수 있다. 복수의 광원은 제1 파장 λ1을 발산하도록 구성된 제1 광원, 제2 파장 λ2을 발산하도록 구성된 제2 광원, 제3 파장 λ3을 발산하도록 구성된 제3 광원 및 ... 제16 파장 λ16을 발산하도록 구성된 제16 광원을 포함한다. 각각의 광원으로부터의 광은 광 멀티플렉서에 발산된다. 광 멀티플렉서는 많은 공지된 광 다중화 방법을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광 멀티플렉서는 그레이팅, 에탈론, 프리즘, 광섬유, 도파관, 나노구조, 또는 복수의 광섬유를 포함할 수 있다.
음향 프로세서는 수많은 방식으로, 예를 들어 상기 기재된 방식으로 구성될 수 있고, 각각의 채널의 오디오 채널을 결정하기 위해 복수의 대역 통과 필터(BPF)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 다중대역 필터링된 오디오 신호는 복수의 대역 통과 필터링된 오디오 신호를 포함할 수 있으며, 각각의 대역 통과 필터링된 오디오신호는 채널에 대해 전송된 신호가 대역 통과 필터링된 채널을 포함하도록 대응하는 채널을 갖는다. 각각의 채널에 대한 대역 통과 필터는 디지털 대역 통과 필터 또는 아날로그 대역 통과 필터의 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 음향 프로세서는 각각의 채널이 채널 주파수에 대응하는 주파수의 디지털 필터링된 대역을 포함하도록 각각의 채널에 대한 신호를 결정하기 위해 오디오 신호를 대역통과 필터링하도록 그 안에 컴퓨터 프로그램의 명령어가 구현되어 있는 유형 매체를 포함할 수 있다. 입력 변환기 어셈블리(20)의 복수의 대역 통과 필터(BPF)는 예를 들어 음향 프로세서의 서브프로세서 또는 서브루틴과 같은 음향 프로세서의 컴포넌트를 포함할 수 있다. 대안으로서 또는 조합으로, 복수의 대역통과 필터(BPF)는 전용 프로세서와 같은 별도의 회로를 포함할 수 있다.
도 2aa은 도 2a에서와 같이 파장 다중화된 광신호의 광의 개별 파장을 포함하는 광펄스를 도시한다. 제1 펄스 P1는 광의 제1 파장 및 제1 폭 W1을 포함한다. 제2 펄스 P2는 광의 제2 파장 및 제2 폭을 포함한다. 제3 펄스 P3은 광의 제3 파장 및 제3 폭을 포함한다. 제4 펄스 P4는 광의 제4 파장 및 제4 폭을 포함한다. 추가의 펄스, 예를 들어 총 16 이상의 펄스가 전달될 수 있다. 광펄스는 동시에 전달될 수 있지만, 광펄스는 예를 들어 아래에서의 도 3aa에 관련하여 기재되는 바와 같이 피크 전력 소모를 감소시키기 위해 연속적으로 전달될 수 있다.
펄스의 각각은 광의 실질적으로 분리된 펄스를 포함하며, 그리하여 펄스는 어레이의 하나의 전극 또는 어레이의 한 쌍의 전극과 대응하도록 디멀티플렉서와 분리될 수 있다. 각각의 광원의 파장은 레이저의 파장을 포함할 수 있으며, 레이저의 파장은 레이저 빔의 대역폭에 대응한다.
도 2ab는 도 2a 및 도 2aa에서와 같이 분리된 파장을 갖는 복수의 광원으로부터의 광을 다중화하도록 구성된 광 멀티플렉서를 도시한다. 광원으로부터의 광은 예를 들어 광 구조 그레이팅을 향하여 발산될 수 있고, 광 전달 구조(12)와 결합될 수 있다. 다중화된 신호는 광 전달 구조(12)를 따라 출력 어셈블리(30)를 향해 흐를 수 있다. 다중화된 광신호의 각각의 채널에 대한 광은 광원의 피크 전력 소모를 감소시키기 위해 각각의 광원으로부터 연속적으로 발산될 수 있다. 예를 들어, 제1 광원은 패킷의 제1 광펄스를 발산할 수 있고, 이어서 채널들 중의 하나에 대응하는 광원의 각각이 패킷의 대응하는 펄스 폭 변조된 광신호를 발산할 때까지 제2 광원이 패킷의 제2 광원을 발산한다. 많은 실시예에서, 각각의 광원은 광 멀티플렉서의 다른 광원이 광을 발산하지 않을 때 레이저 광을 발산한다. 따라서, 광원의 연속 사용은 전력 저장 장치가 광원의 각각에 충분한 전기 에너지를 제공할 수 있음을 보장할 수 있다.
도 2b는 도 2a에서와 같이 입력 변환기 어셈블리와 결합하도록 구성된 출력 벼환기 어셈블리를 도시한다. 출력 변환기 어셈블리는 다중화된 광신호를 수신하도록 구성된 적어도 하나의 검출기(34)를 포함한다. 적어도 하나의 검출기는 제1 광검출기 PD1, 제2 광검출기 PD2, 제3 광검출기 PD3... 및 제16 광검출기 PD16과 같은 복수의 검출기를 포함할 수 있다. 추가의 또는 더 적은 수의 광검출기가 사용될 수 있고, 상기 기재한 많은 공지된 재료를 포함할 수 있다. 광 멀티플렉서는 다중화된 신호 빔을 수신하고 다중화된 광신호를 분리하도록 위치될 수 있다. 광 멀티플렉서는 상기 기재된 바와 같이 프리즘, 그레이팅, 미러, 광섬유, 도파관, 나노구조 등과 같은 많은 공지된 광 요소를 포함할 수 있다.
다중화된 광신호는 조직을 통해 전달될 수 있다. 예를 들어, 다중화된 광신호는 사용자의 고막 TM을 통해 전달될 수 있다. 대안으로서 또는 조합으로, 다중화된 광신호는 고막에 형성된 윈도우 W1, 또는 고막에 형성된 개구를 통해 전달될 수 있다. 윈도우는 다중화된 광신호의 코히런스 및 파면 특성을 유지하도록 도울 수 있다. 그러나, 많은 실시예가 고막에 이러한 구조를 포함하지 않는다.
도 2c는 검출기 어레이 및 광 필터를 포함하는 광 디멀티플렉서를 포함하는 출력 변환기 어셈블리(30)를 도시한다. 적어도 하나의 검출기(34)는 검출기 어레이를 포함할 수 있다. 검출기 어레이는 제1 검출기 PD1, 제2 검출기 PD2, 제3 검출기 PD3... 및 제16 검출기 PD16을 포함한다. 추가의 또는 더 적은 수의 검출기, 예를 들어 32개의 검출기가 어레이에 포함될 수 있다. 광 멀티플렉서는 각각의 검출기에 전달된 광을 필터링하도록 각각의 검출기의 앞에 위치된 광 필터를 포함할 수 있다. 광 멀티플렉서는 제1 광 필터 F1, 제2 광 필터 F2, 제3 광 필터 F3... 및 제16 광 필터 F16를 포함할 수 있다. 이 구성은 광을 각각의 검출기에 전달된 채널로 분리할 수 있다. 예를 들어, 각각의 필터는 다른 필터에 의해 전달된 광의 파장과 실질적으로 분리되는 광의 파장을 전달할 수 있다. 전극 어레이는 제1 전극 E1, 제2 전극 E2, 제3 전극 E3... 및 제16 전극 E16을 포함한다. 전극의 각각은 한 쌍의 전극, 예를 들어 16쌍의 전극을 포함할 수 있다.
검출기의 각각은 전극 어레이의 대응하는 전극에 결합된다. 제1 검출기 PD1는 제1 채널을 포함하도록 제1 전극 E1에 결합된다. 제2 검출기 PD2는 제2 채널을 포함하도록 제2 전극 E2에 결합된다. 제3 검출기 PD3는 제3 채널을 포함하도록 제3 전극 E3에 결합된다. 출력 어셈블리는 추가적인 채널을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제16 검출기 D16은 제16 채널을 포함하도록 제16 전극 E16에 결합된다. 추가의 또는 더 적은 수의 채널이 제공될 수 있다.
전극(32E)을 이용한 달팽이관의 전기적 자극으로 인한 음량 인지는 달팽이관 위치, 펄스 폭(지속기간) 및 펄스 높이(강도)를 포함한 많은 요인에 따라 달라질 수 있다. 50 us인 펄스의 경우, 예를 들어 전류는 매우 큰 음향에 대하여 200 uA만큼 높을 수 있다. 부드러운 음향의 경우, 10 uA 펄스만으로도 충분할 수 있다. 펄스 폭을 증가시키는 것은 필요한 전류 진폭을 감소시킬 수 있다.
광검출기는 4 mm2 검출기로써 1mA 이상의 전류를 발생시키도록 구성될 수 있다. 예로는 Si 검출기 및 InGaAs 검출기를 포함한다. 검출기 면적, 펄스 폭, 및 검출기 효율, 그리고 검출기 상의 광 빔의 강도에 기초하여 대응하는 검출기에 연결된 다수의 전극에 대하여 충분한 전류가 발생될 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 교시에 기초하여, 당업자는, 작은 소리부터 큰 소리까지 소리의 완전한 스펙트럼을 제공하기 위해 광검출기의 크기, 광펄스의 유지시간 및 강도를 경험적으로 결정할 수 있다.
청신경의 자극은, 각각의 펄스의 상승 시간이 중요하지 않게 되도록 로우패스 필터링될 수 있다. 각각의 전극의 인코딩은, 예컨대 클래스-D 증폭기 인코딩인 다수의 유형의 인코딩 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
전극 어레이(32E) 및 적어도 하나의 광검출기(34)는 단상 펄스 또는 2상 펄스로 달팽이관을 자극하기 위해 다수의 방식으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 2상 펄스를 위해 16개의 전극 쌍이 구성되면, 광검출기는 32개의 검출기에 대응하는 16쌍의 검출기를 포함할 수 있다. 예를 들면, 각각의 쌍의 전극은 2개의 광검출기에 커플링될 수 있는데, 상기 2개의 광검출기는 반대 극성으로 전극에 커플링되며, 이에 따라 제1 검출기에 대한 제1 광펄스는 제1 방향으로 전극들 사이에서 제1 전류를 발생시키고, 제2 검출기에 대한 제2 광펄스는 2개의 전극 사이에서 제1 전류에 대향하는 제2 전류를 발생시킨다. 전극 어레이의 회로는, 예컨대 3상 펄스를 전달하도록 구성될 수 있다. 3상 펄스는 제1 극성의 제1 전류 펄스와, 제1 극성의 제2 전류 펄스와, 제2 부정 극성(negative polarity)의 제3 전류 펄스를 포함할 수 있는데, 전류 펄스 및 제2 전류 펄스를 이용하여 전달되는 전하는 제3 전류 펄스의 전하와 근사하고, 이에 따라 3가지 펄스를 이용하여 전달되는 전체 전하는 근사적으로 균형을 이루게 된다. 광의 적어도 2상 펄스는, 전극의 각각의 쌍의 전하 축적을 감소시키기 위해 전달되는 전하의 양의 균형을 맞출 수 있다.
도 2ca은, 제1 파장을 포함하는 제1 광펄스 및 제2 파장을 포함하는 제2 광펄스에 응답하여 적어도 2상 펄스를 제공하기 위한 도 2c의 출력 트랜스듀서 조립체의 채널의 회로를 도시한 것이다. 제1 채널(C1)은, 제1 광검출기(PD1) 및 제2 광검출기(PD2), 그리고 제1 전극(E1) 및 제2 전극(E2)을 포함하는 전극의 제1 쌍을 포함하는 광검출기의 제1 쌍을 포함할 수 있고/있으며 상기 광검출기의 제1 쌍에 대응할 수 있다. 제1 광검출기(PD1)는 제1 극성으로 전극(E1 및 E2)에 커플링될 수 있으며, 제2 광검출기(PD2)는, 제1 전극 및 제2 전극의 2극 구성을 포함하도록 하기 위해 제1 극성과 반대되는 제2 극성으로 전극(E1 및 E2)에 커플링될 수 있다. 제1 파장(λ1)의 제1 광펄스(P1)는 제1 방향으로 전극(E1)과 전극(E2) 사이에서 전류를 발생시킬 수 있으며, 제2 파장(λ2)의 제2 광펄스(P2)는 제1 방향과 반대되는 제2 방향으로 전극(E1)과 전극(E2) 사이에서 전류를 발생시킬 수 있다. 광펄스의 폭은, 전극들 사이에서 전하의 균형을 이루도록 그리고 전하 전송, 예컨대 정류를 방해하도록 크기가 결정될 수 있다. 추가적인 채널에는 추가적인 전극이 마련될 수 있다. 예를 들면, 2극 구성으로 16개의 전극을 포함하는 8개의 쌍을 갖는 8개의 채널이 마련될 수 있으며, 전류는 예컨대 광의 16개 파장에 응답하여 발생될 수 있다. 예컨대, 추가적인 또는 보다 적은 수의 채널 및 대응하는 전극과 검출기가 마련될 수 있다.
광검출기 어레이는, 제1 어레이를 갖는 제1 층 및 제2 어레이를 갖는 제2 층을 포함할 수 있다. 제1 파장은 제1 어레이에 의해 흡수될 수 있고, 광의 제2 파장은 제1 어레이를 통해 전송되며 제2 어레이에 의해 흡수되고, 이에 따라 제1 어레이와 제2 어레이의 조합형 어레이는 감소될 수 있다. 적절한 물성을 갖는 검출기 재료의 예는, 발명의 명칭이 "조합된 파워 및 신호 아키텍쳐를 갖는 광 전자-기계식 청각 장치(Optical Electro-Mechanical Hearing Devices With Combined Power and Signal Architectures)"이며 2009년 6월 17일자로 출원된 공동 계류 중인 미국 출원 제12/486,100호에 설명되어 있으며, 이 출원의 전체 개시내용은 인용함으로써 본 명세서에 포함된다.
검출기 어레이의 적층식 배치는 출력 트랜스듀서 조립체 상에 위치하게 될 수 있으며, 검출되는 각각의 광 출력 신호에 대해 더 큰 표면적을 제공할 수 있다. 예를 들면, 검출기의 조합된 표면적은 이도(ear canal)의 단면적보다 클 수 있다. 제1 검출기 어레이는 약 1 ㎛의 파장을 포함하는 광에 감응할 수 있고, 제2 검출기 어레이는 약 1.5 ㎛의 파장을 포함하는 광에 감응할 수 있다. 제1 검출기 어레이는, 약 700 내지 약 1100 nm의 파장을 갖는 광을 실질적으로 흡수하도록 구성되고 약 1400 내지 약 1700 nm, 예컨대 약 1500 내지 약 1600 nm의 파장을 갖는 광을 실질적으로 전송하도록 구성되는, 실리콘(이하에서는 "Si") 검출기 어레이를 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 검출기 어레이는 900 nm에서 광을 실질적으로 흡수하도록 구성될 수 있다. 제2 검출기는, 제1 검출기를 통해 전송되고 약 1400 내지 약 1700 nm, 예컨대 약 1500 내지 1600 nm의 파장을 갖는 광을 흡수하도록 구성되는 인듐 갈륨 비화물 검출기(이하에서는 "InGaAs")를 포함할 수 있다. 검출기 어레이의 단면적은 약 4 제곱 밀리미터일 수 있으며, 예컨대 각각의 검출기 어레이에 대해 2 mm × 2 mm의 정사각형일 수 있고, 이에 따라 8 제곱 밀리미터의 전체 검출 면적은 중이강(middle ear cavity)에서 4 제곱 밀리미터인 검출 어레이의 단면적을 초과한다. 검출기 어레이는 원형 검출 영역, 예컨대 지름이 2 mm인 원형 검출기 영역을 포함할 수 있다. 중이강이 비원형 단면일 수 있기 때문에, 검출기 어레이는, 비원형이고 라운딩될 수 있으며, 예컨대 각각 단축 및 장축을 따라 크기가 2 mm 및 3 mm인 타원형일 수 있다. 전술한 검출기 어레이는 다수의 판매자, 예컨대 일본의 하마마츠(월드 와이드 웹 상에서 "hamamatsu.com"으로 이용 가능함) 및 NEP 코오포레이션에 의해 제작될 수 있다.
입력 조립체의 광 멀티플렉서 및 광원은 2개의 중첩되는 검출기 어레이와 함께 이용하기에 적절한 대역폭을 제공하기 위해 다수의 방식으로 구성될 수 있다. 광원 및 멀티플렉서는, MIT 마이크로광 센터의 EPIC 통합 채널라이저의 구성요소 및 인텔로부터 입수 가능한 광자 구성요소와 같이, 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 실시예에 따라 통합하기에 적합한 공지된 파장의 멀티플렉싱 시스템과 조합될 수 있다. 광원은, 레이저 광원 및 통합형 광자 칩을 포함하는 실리콘 상의 통합형 광학 RF 채널라이저를 포함할 수 있다. 제1 레이저 광원은 제1 어레이로 흡수하기에 적합한 파장을 갖는 광을 방출하도록 구성될 수 있으며, 제1 레이저 광원은 제1 어레이 검출기의 채널에 대응하도록 제1 광 비임을 변조하기 위해 제1 변조기와 커플링될 수 있다. 제2 레이저 광원은 제1 어레이를 통해 전송되고 제2 어레이로 흡수하기에 적합한 파장을 갖는 광을 방출하도록 구성될 수 있으며, 제2 레이저 광원은 제1 어레이 검출기의 채널에 대응하도록 광 비임을 변조하기 위해 제2 변조기와 커플링될 수 있다. 변조된 광신호는, 예컨대 전송된 광신호를 디멀티플렉스하기 위해 다중모드 간섭계 스플리터에 의해 수신될 수 있다. 고막의 구멍 또는 광학 윈도우를 통한 전송은 전송되는 광의 완전성을 유지할 수 있다. 도 3a는 시간 다중화된 광신호를 방출하도록 구성되는 입력 트랜스듀서 조립체를 도시한 것이다. 다중화된 광신호(λM)는 시간 다중화된 광신호, 예컨대 시리얼 다중화된 광신호를 포함할 수 있다. 오디오 신호(50), 예컨대 소리는 마이크로폰(22)에 의해 수신된다. 오디오 신호는 사운드 프로세서에 대한 입력을 포함한다. 오디오 신호의 주파수는, 예컨대 앞서 설명한 바와 같은 회로를 이용하여 결정될 수 있다. 오디오 신호의 주파수는, 각각의 전극이 채널에 대응하는 것인 어레이의 각각의 전극에 대한 자극의 양을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 각각의 광펄스의 폭은 PWM 회로를 이용하여 결정될 수 있다. PWM 회로는 각각의 전극에 대한 펄스를 멀티플렉스하기 위해 시리얼 멀티플렉서에 커플링된다. 시리얼 다중화된 펄스는 적어도 하나의 광원을 포함하는 방출기로부터 방출된다. 적어도 하나의 광원은, 적외선 레이저 다이오드와 같은 단일 광원을 포함할 수 있다.
도 3aa의 광펄스는 도 3a에서와 같은 시간 다중화된 광신호의 일련의 펄스를 포함한다. 다중화된 시리얼 펄스는 제1 펄스(P1), 제2 펄스(P2), 제3 펄스(P3), ... 및 제16 펄스(P16)를 포함한다. 각각의 펄스는 어레이의 하나의 전극에 대응한다. 전류의 양은 펄스의 폭에 의해 결정된다. 제1 펄스(P1)는 제1 폭(W1)을 나타낸다. 제2 펄스(P2)는 제2 폭을 나타낸다. 제3 펄스(P3)는 제3 폭을 나타낸다. 제16 펄스(P16)는 제16 폭을 나타낸다. 멀티플렉서는 펄스의 패킷을 방출하도록 구성될 수 있는데, 각각의 패킷은 어레이의 각각의 전극에 대한 펄스 정보를 포함한다. 예를 들면, 패킷은 어레이의 16개 전극에 대한 16개의 펄스를 포함할 수 있다. 시리얼 멀티플렉서는, 사전에 결정된 펄스의 타이밍 및 시퀀스와 대응하도록 하기 위해 각각의 패킷의 펄스를 방출하도록 구성될 수 있다.
도 3ab는 도 3a에서와 같은 시간 다중화된 광신호의 일련의 광펄스의 클럭 펄스를 도시한 것이다. 클럭 펄스는 디멀티플렉서와 패킷을 동기화시킬 수 있으며, 이에 따라 펄스는 적절한 전극과 대응하도록 역다중화된다. 예를 들면, 펄스(P1)는 전극(E1)과 대응할 수 있다. 클럭 펄스는 디멀티플렉서 회로에 전력을 제공한다.
도 3b는 도 3a에서와 같은 입력 트랜스듀서 조립체와 함께 사용하도록 구성되는 출력 트랜스듀서 조립체를 도시한 것이다. 시리얼 다중화된 광신호는 고막(TM)을 통해 전송된다. 다중화된 광신호는 광검출기(PD1)에 의해 수신된다. 광검출기(PD1)는 디멀티플렉서 회로(D-MUX)에 커플링된다. 디멀티플렉서 회로(D-MUX)는 타이머 및 스위치를 포함할 수 있는데, 이에 따라 멀티플렉서는 각각의 전극을 사전에 결정된 시퀀스에 따라 검출기에 순차적으로 커플링시켜, 전극에 대응하는 펄스가 검출기(PD1)에 입사할 때 검출기가 전극들 중 하나의 전극에 커플링되도록 한다. 예를 들면, 펄스 시퀀스는 앞서 설명한 바와 같은 펄스의 패킷을 포함할 수 있다. 패킷의 제1 펄스는 회로에 전력을 공급하기 위해 그리고 타이머를 리셋시키기 위해 클럭 펄스를 포함할 수 있다. 타이머는, 전극에 대응하는 광신호가 검출기에 도달할 때 하나의 전극에 대응하는 스위치가 닫히도록 멀티플렉서의 스위치에 커플링될 수 있다. 타이머 및 스위치는, 클럭 펄스로 타이머 및 스위치에 전력이 공급될 수 있도록 하기 위해 저전력 회로, 예컨대 CMOS 회로를 포함할 수 있다. 이는, 타이머 및 스위치 회로가 충분한 전력을 갖도록 오디오 신호가 약할 때 도움이 될 수 있다. 커패시터 및 슈퍼 커패시터와 같은 전력 저장 회로는 검출기(PD1)에 커플링될 수 있어서 전력 회로(전원)를 이용하여 클럭 펄스로부터의 에너지를 저장하게 된다. 전극에 대한 광펄스가 검출기(PD1)에 도달할 때 전력 저장용 커패시터가 검출기(PD1)로부터 디커플링되도록 전력 회로는 스위치 회로를 이용하여 스위치될 수 있다.
직렬 광원 및 검출기 컴포넌트들은 상술한 바와 같은, 인텔사로부터 상업적으로 입수가능한 광학 컴포넌트들과 MIT 마이크로포토닉스 센터의 실리콘 광학 컴포넌트들을 포함할 수 있다.
몇몇 실시형태들에서, 전력 회로는 분리된 검출기(PD2)에 결합될 수 있다. 분리된 전력 및 신호는 타이밍 및 스위칭 회로에 전력을 공급하는데 이용될 수 있다.
도 4는 전극 어레이의 채널에 대응하는 3상 펄스폭 변조된 전류 펄스들(400)을 도시한다. 채널들 각각은 전극들의 쌍을 포함할 수 있으며 전류 펄스들은 채널에 대응하는 전극들의 쌍사이에 전송될 수 있다. 3상 전류 펄스들(400)은 제1 양전류 펄스(412), 제2 양전류 펄스(414) 및 제3 음전류 펄스(416)를 포함할 수 있다. 전류를 주입하기 위한 양(positive)의 크기를 포함하는 제1 양전류 펄스(412)와 제2 양전류 펄스(414)는 제1 크기와 제2 크기를 포함할 수 있다. 대안적인 구성 또는 조합적인 구성으로, 제1 양전류 펄스(412)와 제2 양전류 펄스(414)는 실질적으로 유사한 크기를 갖되 실질적으로 상이한 폭들을 포함할 수 있다. 제3 음전류 펄스는 전류를 밸런싱시키고 전극들과 전극들 근처의 조직의 저하를 감소시키기 위해 음 극성(negative polarity)을 포함한다. 제1 양전류 펄스와 제2 양전류 펄스는 전류로 각각 제1의 전하량과 제2의 전하량을 운송할 수 있고, 제3 음전류 펄스는 제1 전극들의 전하를 밸런싱시키고 전극들의 전하 축적을 감소시키기 위해 제3의 전류량을 운송할 수 있다. 전류 펄스 아래의 영역은 전류 펄스의 전달된 전하에 대응되므로, 제1 양전류 펄스와 제2 양전류 펄스의 누적 영역은 제3 음전류 펄스의 누적 영역의 영역에 실질적으로 대응할 수 있다.
전극들간에 적어도 2상 전류를 통과시키도록 하기 위해 광검출기와 필터는 전극들에 결합될 수 있다. 복수의 채널들 각각은 전극들의 쌍에 대응될 수 있고, 예컨대 도 2c와 도 2ca을 참조하여 상술한 바와 같이, 양전류 펄스(412)에 대응하는 제1 폭 변조된 광펄스에 응답하여 제1 전류가 상기 쌍 전극들 사이로 흐를 수 있고, 제2 폭 변조된 광펄스에 응답하여 음펄스(416)에 대응하는 제2 전류가 상기 쌍 전극들 사이로 흐를 수 있다. 양전류 펄스(412)에 대응하는 제1 폭 변조된 광펄스는 제1 광파장을 포함할 수 있고, 음전류 펄스(416)에 대응하는 제2 폭 변조된 광펄스는 제2 광파장을 포함할 수 있다. 제2 전류 펄스(414)는 예컨대 제1 파장을 갖는 제2 광펄스에 대응할 수 있다. 제1 전류는 제2 전류와 상반된다. 제1 전류는 제1 광펄스의 제1 폭에 대응하는 제1 양을 가지며 제2 전류는 제2 광펄스의 제2 폭에 대응하는 제2 양을 갖는다. 제1 전극과 제2 전극 사이에서 정류를 금지시키고 전하 전송을 밸런싱시키기 위해 제1 광펄스의 폭은 제2 광펄스의 폭에 실질적으로 대응한다.
제1 광펄스는 제1 검출기에 결합된 제1 광 파장을 포함할 수 있고, 제 2 검출기는 상기 전극들의 쌍에 결합된다. 제2 광펄스는 제2 검출기에 결합된 제2 광 파장을 포함할 수 있고, 상기 제 2 검출기는 상기 전극들의 쌍에 결합된다. 제1 검출기는 제2 검출기와는 반대쪽의 상기 쌍 전극들에 결합된다. 각각의 채널은 전극들의 쌍 및 제2 검출기와는 반대쪽의 전극들의 쌍에 결합된 제 1 검출기에 대응할 수 있으며, 예컨대 적어도 약 8개의 채널들은 16개의 검출기들에 결합된 8개의 전극 쌍들에 대응한다.
도 5a는 달팽이관의 고주파수 자극으로 채널들 사이에서 오디오 신호의 위상을 실질적으로 보존하기 위해 대역통과 필터링과 펄스폭 변조를 갖는 신호 대 채널 변환을 도시한다. 여기서 설명된 실시형태들과 관련한 작업은 고주파수 자극을 저역통과 필터링하기 위해 달팽이관이 고주파수 전기적 자극에 응답할 수 있으며, 이로써 사람이 전기적 자극, 예컨대 환자의 청각 범위 이상의 주파수를 갖는 전기적 자극에 기초하여 음향을 인식할 수 있다는 것을 나타낸다. 예를 들어, 약 10 kHz 이상, 예컨대 약 20 kHz 이상의 고주파수들의 자극으로, 환자가 오디오 신호의 위상을 갖는 음향을 듣도록 달팽이관은 음향을 저역통과 필터링할 수 있다. 이러한 고주파수들이 오디오 신호의 위상 인코딩된 정보를 포함할 때, 사용자는 대응하는 위상을 갖는 오디오 신호를 들을 수 있다. 약 10 kHz 이상, 예컨대 40 kHz 또는 100 kHz와 같은, 20 kHz 이상의 고주파수 신호는 고주파수들로 크기 및 위상 인코딩된 펄스폭 변조된 신호를 포함할 수 있으며, 이러한 고주파수들에서 펄스폭 변조된 펄스들을 갖는 달팽이관의 자극은 고주파수 펄스폭 변조된 신호를 대역통과 필터링된 채널의 주파수들에 대응하는 오디오 대역 신호로의 복조를 야기시킬 수 있다. 이러한 고주파수 크기 및 위상 인코딩된 신호의 복조는 사용자에 의해 인식된 오디오 신호의 크기 및 위상 모두를 보존할 수 있다.
음향에 대응하는 오디오 신호(50)는 많은 주파수들을 포함할 수 있으며 대역통과 필터(BPF)에 입력될 수 있다. 대역통과 필터(BPF)는 제1 주파수들의 범위를 포함하는 제1 대역통과 오디오 신호(510A)를 포함한 제1 채널, 제2 주파수들의 범위를 포함하는 제2 대역통과 오디오 신호(510B)를 포함한 제2 채널, 및 N번째 주파수들의 범위를 포함하는 N번째 대역통과 오디오 신호(510A)를 포함한 N번째 채널을 출력으로서 제공할 수 있다. BPF 출력의 위상이 실질적으로 보존될 수 있도록 신호들 각각은 실질적으로 유사한 위상을 포함할 수 있다.
원래의 오디오 신호(50)의 위상이 채널들 간에 보존될 수 있도록 각 채널의 오디오 신호는 펄스폭 변조된 신호로 변환된다. 제1 대역통과 오디오 신호(510A)는 폭변조된 펄스들의 제1 시리즈(520A)에 대응한다. 제2 대역통과 오디오 신호(510B)는 폭변조된 펄스들의 제2 시리즈(520B)에 대응한다. N번째 대역통과 오디오 신호(510N)는 폭변조된 펄스들의 N번째 시리즈(520N)에 대응한다. 펄스들 각각은 실질적으로 동기 시간 베이스에 대응하도록 결정될 수 있으며, 이로써 원래 신호의 위상 및 크기 각각은 보존된다. 예를 들어, 상술한 바와 같이, 펄스들 각각은 대응하는 광원에 출력되어 대응하는 광검출기를 구동시킬 수 있다. N번째 채널은 예컨대 8개의 채널, 16개의 채널, 32개의 채널 또는 64개의 채널을 포함할 수 있다.
도 5b는 도 5a에서와 같은 오디오 신호의 위상을 보존하기 위해 달팽이관의 고주파수 자극에 대한 제1 채널의 제1 대역통과 오디오 신호(510A)의 폭변조된 펄스들(520A)의 제1 시리즈를 도시한다. 펄스들은 각 펄스의 선행 엣지간에 10㎲의 동기적 시간 기반에 대응할 수 있다. 펄스들의 폭은 제1 대역통과 필터링된 오디오 신호(510A)의 크기에 기초하여 달라질 수 있다. 펄스들의 대응 주파수는 약 100 kHz이며 펄스들은 달팽이관 저역통과 필터링으로 달팽이관에 의해 복조되어서 사용자는 보존된 음향의 위상으로 음향을 인식하며 사용자는 음향 국부적 큐(sound localization cue)들을 인식할 수 있다.
다른 채널들의 대역통과 필터링된 신호들은 고주파수 신호의 달팽이관 저역통과 필터링과 마찬가지로 프로세싱될 수 있어서 사용자는 채널들 각각에 대해 보존된 음향의 위상을 갖는 음향을 인식하며 사용자는 조합된 채널들로부터 음향 국부적 큐들을 인식할 수 있다.
펄스폭 변조된 광펄스들은 많은 방법들로 생성될 수 있지만, 예컨대 스피치 프로세서는 대역통과 필터링된 신호를 각 채널에 대한 어레이로서 출력하기 위해 디지털 대역통과 필터들을 포함할 수 있고, 펄스폭 변조 회로는 출력에 기초하여 각 채널의 각 펄스의 폭을 결정할 수 있다. 펄스폭 변조 회로의 출력은 디지털일 수 있고 프로세서의 랜덤 액세스 메모리에 저장될 수 있으므로, 출력 펄스 변조 신호의 크기 및 위상을 실질적으로 보존하기 위해 광원에 대한 펄스들이 전달될 수 있다. 예를 들어, 신호의 펄스들의 타이밍 및/또는 위상은 10 kHz 펄스폭 변조 신호의 경우 약 100㎲ 이내 까지, 그리고 100 kHz의 경우에서는 약 10㎲ 이내 까지 보존될 수 있다. 채널들간의 직렬 출력이 상술한 바와 같이 이용될 수 있고 채널들의 펄스들 각각의 타이밍 및/또는 위상은 서로에 대해 약간씩 쉬프팅될 수 있지만, 채널들간의 대응하는 펄스들의 타이밍 및/또는 위상은 실질적으로 직렬 출력으로 보존된다. 예를 들어, 채널들간의 직렬 출력의 대응하는 광펄스들은 약 100㎲ 이내 까지, 예컨대 약 50㎲ 이내 까지, 약 20㎲ 이내 까지, 또는 약 10㎲ 이내 까지 보존될 수 있다. 채널들의 갯수는 예컨대 2개 채널들, 4개 채널들, 8개 채널들, 16개 채널들, 32개 채널들 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 각 채널의 광펄스들의 주파수는 적어도 약 10kHz 이상, 예컨대 20kHz, 40kHz, 80kHz일 수 있다. 상술한 바와 같이 채널들은 각 채널의 광펄스들의 주파수를 갖도록 조합될 수 있으며, 이로써 고막에 걸쳐 전송된 다중화된 광신호의 폭변조된 펄스들의 주파수는 예컨대 40 kHz, 160 kHz, 640 kHz, 1280 kHz 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 여기서 설명된 교시들에 기초하여, 본 발명분야의 당업자는 달팽이관이 자극될 때 오디오 신호의 위상을 보존하기 위해, 예컨대 음향 국부화 큐들을 제공하고 왜곡을 방지하기 위해 펄스들의 위상 및/또는 타이밍과 채널들의 갯수를 결정할 수 있다.
인간 고막 투과 실험
아래에서 설명된 실험은 고막에 대한 적외선의 투과치를 측정하고 입력 어셈블리(20)와 출력 어셈블리(30)의 배열들을 결정하도록 수행되었다.
목적: 후방부, 하방부 및 전방부 위치들에서 인간 고막에 대한 광 투과 손실의 양을 결정하고 고막에 의한 확산양을 결정하고자 한다.
절차
도 6은 실시형태들에 따른, 고막에 대한 광학적 투과치를 결정하기 위한 실험적 셋업을 도시한다. 레이저 다이오드 광원에 결합된 광섬유를 광다이오드 광검출기와 정렬하였다. 고막을 일직선으로 배치하였고 광다이오드로부터의 광출력에서의 변화를 결정하였다. 빛이 진행해 나가는 고막의 여러 위치들에 대한 변경을 허용하는 x,y,z 이동 스테이지에 고막을 위치시켰다.
재료들:
광원 - 광섬유에 결합된 레이저 다이오드 1480㎚(직경 250㎛, 코어 80㎛);
포토다이오드 - 포토다이오드 1480㎚(5.5㎟);
부하 - 고막을 통한 전송을 결정하기에 적합할 수 있는, 진동판(diaphragm)에 결합된 밸런스드 아마추어 트랜스듀서의 등가의 RLC 전기 회로;
시준광학기 및 ND 필터(NE20B);
DC 전압계(Fluke 8060A);
트랜스레이션 스테이지(translation stage); 및
추골이 부착된 사람 시체의 고막(침골 및 다른 내측 구성부 제거됨)
결과
고막 없음
포토다이오드가 포화 영역에 있도록 전류를 설정하였다. ND(neutral density) 필터는 PD 응답을 감소시키도록 광 출력을 감쇠하는데 사용되었다. 측정은 ND 필터가 광원을 20.5㏈만큼 감쇠시켰다고 나타낸다. 보고된 모든 측정은 선형 영역으로부터 되도록 하였다.
고막없이 시준된 광빔에 응답하는 포토다이오드 전압은 측정의 시작과 실험의 종료에서 측정되었다. 차이는 1% 미만이었다.
TM와 ND 필터가 없을 때 출력은 349㎷였다. ND 필터는 있고 TM은 없을 때 이 출력은 0.095 및 -20.5㏈의 선형 변화에 대응하여 대략 32.9~33.1의 범위 내까지 감소되었다.
고막 있음
측정은 고막의 전방부, 하방부 및 후방부에서 이루어졌다. 고막은 포토다이오드에 대하여 다른 위치로 이동되어 그 거리 X(㎜)가 계산되었다. 표 1은 상이한 포지션과 상이한 고막 위치에 대응하는 측정 전압을 나타낸다.
고막으로부터의 전송 손실에 대응하는 측정 다이오드 전압
전방 배치는 모든 거리에 대하여 가장 높은 전압을 나타내고, 거리 0.1, 0.5, 1, 2 및 3㎜에 대하여 각각 28, 26.6, 25.4, 23.4 및 20.6의 값을 갖는다.
각 고막 포지션 및 위치에 대하여 광섬유는 PD 전압을 최소화하도록 조정된었다. 광 빔은 포토다이오드 표면 상에서 최대이고, 측정된 응답은 미스얼라인먼트(misalignment) 때문이 아닌 전송 손실 때문이었다.
계산
측정된 전압은 다음과 같이 백분율 전력 손실(이하, "TL")로 변환되었다:
%TL = ((VNoTM-VWithTM)/VNoTM)*100
여기서, VNoTM는 고막 없이 측정된 전압이고, VWithTM는 고막이 있는 상태에서 특정된 전압이다.
이하, 표 2는 상기 식을 이용하여 계산된 % 전송 손실을 나타낸다.
% 전력 손실
모든 위치에서 전방 배치는 가장 적은 전송 손실, 거리 0.1, 0.5, 1, 2 및 3㎜에서 각각 16, 20, 23, 29 및 38%의 값을 나타낸다.
PD가 고막에 매우 가까울 때(대략 0.1㎜ 이내) TL은 대략 16%이다. TL은 전방 포지션에 대해서만 측정될 수 있다.
고막의 3개의 포지션 중에 전방 포지션은 하방 위치보다 6~10%만큼 양호하고, 후방 포지션보다 7~12%만큼 양호하다.
고막은 PD로부터 떨어져 이동되므로 전송 손실은 3개의 포지션 모두에 대하여 선형으로 증가한다. 평균 전송 손실은 1, 2 및 3㎜ 위치에 대하여 각각 3개의 상이한 포지션에 걸쳐 평균화된 대략 29%, 35% 및 44%이다.
실험적 결론
고막으로 인한 전송 손실은 전방 포지션에서 가장 낮다(16%). 고막에 의해 시준된 빔의 산란으로 인해 포토다이오드가 고막으로부터 떨어져 이동될수록 손실은 증가한다. 고막으로부터 3㎜에서 평균 손실은 44% 정도였다. 이러한 데이터는 고막을 통한 광 전송으로 인한 손실보다 고막에 의해 유도된 검출기 표면으로부터 떨어진 각도에서의 광 산란으로 인한 손실이 더 크고, 검출기 및 렌즈와 같은 결합기는 고막에 의해 산란된 전송 광을 집광하기 위해 적절하게 공유될 수 있다는 예상치 못한 결과를 나타낸다. 이 데이터는 또한 고막의 전방부에 거쳐서 광 전송이 더 높다는 예상치 못한 결과를 나타낸다.
고막이 이동할 수 있으므로 살아있는 사람에게서 검출기는 고막으로부터 적어도 대략 0.5㎜의 위치에 있어야 한다. 데이터는 검출기 및/또는 렌즈와 같은 구성품이 고막에 피팅되고 향상된 전송을 제공할 수 있도록, 예를 들면 하나 이상의 경사면, 곡면으로 형상화될 수 있고, 예를 들면 대략 0.5㎜~0.2㎜의 범위 내에서 위치결정될 수 있다는 것을 시사한다.
상기 데이터는 고막의 일부를 조명하고 조명된 부분 근방에 검출기를 위치시키는 것은 예를 들면 적어도 대략 50%(50% 손실에 대응), 예를 들면 적어도 대략 60%(40% 손실에 대응)의 검출기와 투사된 광 빔 사이에서 전송 결합 효율을 성취할 수 있다. 검출기의 전방 배치 및 고막의 전방 영역의 일부의 조명에 관하여 결합 효율은 적어도 대략 70%, 예를 들면 80% 이상일 수 있다. 이러한 결합 효율에 대한 예상치 못하게 높은 결과는 고막의 일부의 조명 및 조명된 부분에 사이즈화된 검출기가 적어도 대략 50%의 효율을 제공할 수 있다는 것을 나타낸다. 또한, 하방부 및 후방부 각각에 비교하여 고막의 전방부에 대한 예상치 못하게 실질적으로 낮은 전송 손실은 고막의 대부분이 조명되었을 때 전송이 전방 배치에 관하여 예상치 못하게 향상될 수 있다는 것을 나타낸다. 예를 들면, 광검출기로의 광섬유의 전송 결합 효율은 괌검출기가 중이 공동의 전방부, 예를 들면 중이 공동의 하방 전방부에서 위치결정될 때 실질적으로 향상될 수 있고, 광섬유는 광이 광섬유의 단부로부터 이도로 직접 방사되도록 시준광학기 없이 이도에서 위치결정된다. 또한, 고막을 통한 대량 광 전송은 광학적으로 다중화된 광이 고막을 통하여 전송될 수 있고, 고막을 통하여 전송된 광학적으로 다중화된 신호로 인코딩된 음향의 채널이 달팽이관의 채널을 시뮬레이팅할 수 있다는 것을 나타낸다.
이해의 명료함을 위해서 예로서 예시적인 실시형태가 일부 상세하게 설명되었지만, 당업자는 다양한 수정, 개조, 및 변경이 채용될 수 있다는 것을 인지할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 단지 첨부된 특허청구범위 및 그 동등물의 전체 범위에 의해서만 제한되어야 한다.
본 명세서에 이용되는 광은 적외선, 가시광선 및 자외선을 포함한다.
도 1a는 입력 변환기 어셈블리(20) 및 출력 어셈블리(30)를 포함하는 광학 결합된 달팽이관 이식 시스템(10)을 도시한다. 입력 변환기 어셈블리(20)는 귀걸이보청기(이하 "BTE") 유닛을 포함할 수 있다. BTE 유닛은 자신의 가시성을 줄이기 위해서, 사용자의 귓바퀴(P) 뒤에 위치설정될 수 있다. BTE 유닛은 신호를 입력하고 처리하기 위해 이용되는 전자 장치들을 하우징할 수 있다. 입력 변환기(예를 들어, 마이크로폰(22))는 BTE 유닛에 결합되어, 이 BTE 유닛에 오디오 신호를 전송할 수 있다. BTE는 입력 신호를 다중화된 광신호(
출력 어셈블리(30)는 사용자의 중이 및 내이에 배치되도록 구성된다. 출력 어셈블리(30)는 다중화된 광신호(
출력 어셈블리(30)는 다수의 공지된 생체에 적합하고 실질적으로 비자성 물질을 포함할 수 있어, 출력 어셈블리(30)는 환자에게 이식될 때 MRI 이미징을 이용하도록 구성된다. 예를 들어, 전극 어레이(32)는 백금, 티타늄, Ni, 또는 니티놀 중 적어도 하나와 같은, 실질적으로 비자성 전도성 물질을 포함할 수 있다. 전극 어레이는 생체에 적합하고 실질적으로 비자성 하우징 물질을 포함할 수 있는데, 이는 예를 들어 실리콘 고무, 생체 적합한 플라스틱, 또는 히드로겔 중 적어도 하나이다.
전극 어레이(32E) 및 적어도 하나의 광검출기(34)는 달팽이관을 자극하기 위해 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 전극은 단상의 펄스를 위해 광검출기에 결합될 수 있다. 전극 어레이는 제1 방향의 제1 전류에 대응하는 제1 펄스 및 제2 방향의 제2 펄스에 대응하는 제2 펄스를 갖는 이상(bi-phasic) 펄스를 포함할 수 있다. 제1 방향에 대응하는 제1 펄스의 광 에너지는 제1 양의 광 에너지를 포함하고, 제2 방향에 대응하는 제2 펄스는 제2 양의 광 에너지를 포함할 수 있으며, 제1 양의 광 에너지 및 제2 양의 광 에너지는 예를 들어 전극의 누적 전하를 줄이기 위해 및/또는 전극을 이용한 전하 전달 및 정류를 억제하기 위해 실질적으로 유사할 수 있다. 전극 어레이의 대응 회로는 오디오 신호를 송신하고, 예를 들어 3상의 펄스와 같은 다양한 종류의 펄스로 달팽이관을 자극하도록 구성될 수 있다. 각각의 채널의 광펄스는 전극 쌍의 제1 극성에 대응하는 제1 폭 변조된 광펄스 및 제1 광펄스와는 대향하는 전극 쌍의 제2 극성에 대응하는 제2 폭 변조된 광펄스를 갖는 한 쌍의 펄스 폭 변조된 광펄스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 폭 변조된 광펄스는 제1 파장을 갖고, 제2 폭 변조된 광펄스는 제2 파장을 가질 수 있다.
도 1aa는 이도 모듈(이하 "ECM")을 포함하는 광학 결합 달팽이관 이식 시스템을 도시한다. ECM은 BTE 유닛의 다수의 컴포넌트를 포함할 수 있고, 그 반대일 수도 있다. ECM은 사용자의 이도(EC)의 몰드로부터 형상화될 수 있다. 회로(CR)는 마이크로폰(22)에 결합될 수 있다. 회로는 사운드 프로세서를 포함할 수 있다. ECM은 전기 에너지를 저장하도록 구성된 에너지 저장 장치(PS)를 포함할 수 있다. 저장 장치는 배터리, 충전 가능한 배터리, 커패시터, 슈퍼 커패시터, 또는 전기화학적 이중 층 커패시터(electrochemical double layer capacitor, EDLC) 중 적어도 하나와 같은 다수의 공지된 저장 장치를 포함할 수 있다. ECM은 예를 들어 충전을 위해 또는 사용자가 잘 때에 제거될 수 있다. ECM은 폐쇄를 줄이기 위해서 공기를 통과시키는 채널(29)을 포함할 수 있다. 공기가 채널(29)을 통해 통과되더라도, 달팽이관의 전기적 및 비청각 자극으로 인해서 피드백은 실질적으로 존재하지 않는다.
에너지 저장 장치(PS)는 다양한 방식으로 충전될 수 있는 충전 가능한 에너지 저장 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 에너지 저장 장치는 고속 충전을 위해 슈퍼 커패시터에 결합된 커넥터의 플러그로 충전될 수 있다. 대안적으로, 에너지 저장 장치는 광검출기(PV)를 이용하거나 또는 유도성 코일을 이용하여 충전될 수 있다. 광검출기(PV)는 광검출기가 이도(EC)에 진입하는 광에 노출되도록 ECM의 포자반에 위치설정될 수 있다. 광검출기(PV)는 에너지 저장 장치(PS)를 충전하기 위해 에너지 저장 장치(PS)에 결합될 수 있다. 광검출기는 앞서 기술된 바와 같은 블랙 실리콘 등의 다수의 검출기를 포함할 수 있다. 충전 가능한 에너지 저장 장치가 단지 편의상 제공될 수 있는데, 에너지 저장 장치(PS)가 ECM이 이도로부터 제거될 때 사용자가 교체할 수 있는 배터리를 포함할 수 있기 때문이다.
광검출기(PV)는 결정 실리콘, 비정질 실리콘, 마이크로모르퍼스 실리콘, 블랙 실리콘, 텔루르화 카드뮴, 구리 인듐갈륨 셀레나이드 등과 같은 적어도 하나의 광전지 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광검출기(PV)는 예를 들어 미국 매사추세츠주, 버클리의 SiOnyx 주식회사로부터 입수 가능하며 미국 특허 번호 제7,354,792호 및 제7,390,689호에 기술된 바와 같은 블랙 실리콘을 포함할 수 있다. 블랙 실리콘은 백만분의 일 중 억분 일 초처럼 짧게 고출력 펄스로 목표 반도체를 노출하는 펨토 세컨 레이저와 같은 고출력 레이저에 의해 조사되는 물질에서 발생하는 원자 레벨 변화를 이용하는 반도체 공정으로 제조된 얕은 접합 포토닉스를 포함할 수 있다. 결정질 물질은 변화시키는 변형을 겪을 수 있는 이러한 강렬한 국부 에너지 이벤트의 영향을 받을 수 있어서, 원자 구조는 순간적으로 무질서하게 될 수 있고, 기판이 재결정체를 이룰 때 새로운 화합물은 "고정된다". 실리콘에 적용될 때, 종래의 반도체 물질보다 광에 더욱 민감한 고 도핑, 광학적 불투명한, 얕은 접합 인터페이스가 결과물이 될 수 있다. 또한, 장치를 청취하기 위한 광전지 변환기가 발명의 명칭이 "Optical Electro-Mechanical Hearing Devices With Combined Power and Signal Architectures" (대리인 사건 번호 제026166-001800US)인 미국 특허출원 번호 제61/073,271호; 및 발명의 명칭이 "Optical Electro- Mechanical Hearing Devices with Separate Power and Signal" (대리인 사건 번호 제026166-001900US호)인 미국 특허출원 번호 제61/073,281호에 상세하게 기술되어 있고, 이들의 전체 내용은 본 명세서에 참조용으로 앞서 통합되었으며, 앞서 기술된 바와 같이 일부 실시예들에 따른 조합에 적합할 수 있다.
BTE는 예를 들어 앞서 기술된 바와 같이 광검출기(PV), 에너지 저장 장치(PS), 프로세서 및 회로 등의 ECM의 다수의 컴포넌트를 포함할 수 있다.
도 1ab는 광학 결합 출력 변환기 어셈블리(30)를 도시하고, 이 출력 변환기 어셈블리(30)는 고막(TM)의 뒤 부분을 통해 광학적으로 결합될 수 있는 중이 구멍에 위치설정되는 적어도 하나의 광검출기(34) 및 원창(RW)을 통해 달팽이관 내로 확장되는 전극 어레이(32E)를 구비하며, 이도로부터 볼 수 있는 안쪽 보기는 고막(TM)을 통한 중이 구멍 내로 볼 수 있다. 예를 들어, 출력 어셈블리(30)는 부착 구조(36)를 이용하여 갑각(PR) 상에 위치설정되어, 적어도 하나의 광검출기(34)는 고막(TM)의 뒤의 부분을 통해 전송되는 광 에너지를 수신하도록 지향된다. 적어도 하나의 광검출기(34)의 위치 및 방향은 전극 어레이(32E)를 이용하여 달팽이관을 자극하기 위해서 광 에너지가 고막을 통해 전송될 때 실질적으로 고정된 상태로 남아있을 수 있다. 그 결과, 적어도 하나의 광검출기(34) 상의 광 에너지 전달의 효율성, 광학 결합은 실질적으로 일정한 상태로 남아있고, 적어도 하나의 광검출기의 움직임으로 인한 음향 왜곡은 실질적으로 억제된다. 예를 들어, 적어도 하나의 광검출기는 앞서 기술된 바와 같은 적어도 하나의 광검출기(PV)를 포함할 수 있고, 이것은 광을 이용하여 고막(TM)을 통해 전력 및 신호를 전송하기 위해서 광이 고막(TM)을 통해 이도(EC)로부터 전송될 수 있도록 고막(TM)을 통해 볼 수 있다. 예를 들어, 광 에너지는 고막의 뒤 부분을 통해 전송될 수 있고, 예를 들어, 본 명세서에 이하에 기술되는 바와 같이 결합 효율성을 증가시키기 위해, 뒤 부분/아래 부분을 통해 전송될 수도 있다.
도 1b는 다중화된 광신호를 발산하도록 구성된 입력 변환기 어셈블리(20)를 도시한다. 입력 변환기 어셈블리의 컴포넌트는 BTE 유닛에 또는 ECM, 또는 이들의 조합에 하우징될 수 있다. 마이크로폰(22)은 음향 프로세서에 결합된다. 음향 프로세서는 하나 이상의 많은 상업적으로 입수가능한 음향 프로세서를 포함할 수 있다. 음향 프로세서는 그 안에 구현된 컴퓨터 프로그램의 명령어들을 저장하는 유형 매체를 포함한다. 음향 프로세서는 다중대역 주파수-채널 컨버터를 포함하거나 이에 결합될 수 있다. 주파수-채널 컨버터는 사용자가 오디오 신호의 음향을 인지하도록 오디오 신호의 주파수를 전기적 자극을 위한 달팽이관의 위치에 대응하는 필터링된 음향 채널로 변환할 수 있다. 각각의 채널에 대한 필터는 각각의 채널의 주파수가 달팽이관의 길이를 따른 영역을 자극할 주파수 범위에 대응하도록 대역 통과 필터를 포함할 수 있다. 입력 어셈블리에서의 회로는 펄스 폭 변조(이하 "PWM(pulse width modulation)") 회로를 포함할 수 있다. PWM 회로는 어레이의 전극 중의 하나에 대응하는 각각의 광펄스의 폭을 결정하도록 구성될 수 있다. 광펄스의 폭은 광펄스에 결합되어 있는 전극에 대응하는 음향의 주파수에 응답하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 광펄스의 폭은 시그마-델타(Sigma-Delta) 펄스 폭 변조로써 각각의 채널에 대하여 결정될 수 있지만, 많은 펄스 폭 변조 실시예가 사용될 수 있다. 멀티플렉서(MUX) 및 방출기(emitter)는 PWM 회로에 결합될 수 있다.
방출기는 적어도 하나의 광원을 포함한다. 적어도 하나의 광원을 ㅖ쯔 회로에 의해 결정된 지속기간을 갖는 광의 펄스를 발산한다. 펄스의 폭은 펄스의 지속기간을 지칭한다. 연속 다중화를 이용해, 적어도 하나의 광원은 하나의 광원을 포함할 수 있고, 펄스의 타이핑은 멀티플렉서에 의해 결정된다. 광 다중화를 이용해, 적어도 하나의 광원을 복수의 광원, 예를 들어 적어도 3개의 광원을 포함한다. 복수의 광원은 광펄스를 실질적으로 동시에 발산하도록 구성될 수 있다. 대안으로서, 복수의 광원은 복수의 광원의 피크 전력 소모를 감소시키기 위해 광펄스를 연속적으로 발산하도록 구성될 수 있다.
방출기는 광 전달 구조(12)에 결합된다. 광 전달 구조는 광 섬유, 복수의 광 섬유, 윈도우, 또는 ECM의 개구를 포함할 수 있다. 다중화된 광은 광 전달 구조(12)로부터 조직, 예를 들어 고막 TM의 조직을 향하여 전달되지만, 광은 다른 조직을 통해 전달될 수 있으며, 예를 들어 광을 전달하도록 뼈에 형성된 개구의 뼈를 통해 전달될 수 있다.
도 2a는 파장 다중화된 광신호를 발산하도록 구성된 입력 변환기 어셈블리(20)를 도시한다. 음향 프로세서는 오디오 신호의 주파수를 결정할 수 있다. 다중대역 필터링된 오디오 신호는 주파수-파장 컨버터(Freq-λ)를 이용해 전극 어레이의 채널 및 대응하는 파장으로 변환될 수 있다. 각각의 파장에 대한 각 펄스의 폭은 복수의 파장, 예를 들어 적어도 3개의 파장에 대하여 결정된다. 16개의 파장이 도시되어 있지만, 더 많은 수의 채널, 예를 들어 최대 32개의 채널이 자극될 수 있다. 복수의 광원은 제1 파장 λ1을 발산하도록 구성된 제1 광원, 제2 파장 λ2을 발산하도록 구성된 제2 광원, 제3 파장 λ3을 발산하도록 구성된 제3 광원 및 ... 제16 파장 λ16을 발산하도록 구성된 제16 광원을 포함한다. 각각의 광원으로부터의 광은 광 멀티플렉서에 발산된다. 광 멀티플렉서는 많은 공지된 광 다중화 방법을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광 멀티플렉서는 그레이팅, 에탈론, 프리즘, 광섬유, 도파관, 나노구조, 또는 복수의 광섬유를 포함할 수 있다.
음향 프로세서는 수많은 방식으로, 예를 들어 상기 기재된 방식으로 구성될 수 있고, 각각의 채널의 오디오 채널을 결정하기 위해 복수의 대역 통과 필터(BPF)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 다중대역 필터링된 오디오 신호는 복수의 대역 통과 필터링된 오디오 신호를 포함할 수 있으며, 각각의 대역 통과 필터링된 오디오신호는 채널에 대해 전송된 신호가 대역 통과 필터링된 채널을 포함하도록 대응하는 채널을 갖는다. 각각의 채널에 대한 대역 통과 필터는 디지털 대역 통과 필터 또는 아날로그 대역 통과 필터의 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 음향 프로세서는 각각의 채널이 채널 주파수에 대응하는 주파수의 디지털 필터링된 대역을 포함하도록 각각의 채널에 대한 신호를 결정하기 위해 오디오 신호를 대역통과 필터링하도록 그 안에 컴퓨터 프로그램의 명령어가 구현되어 있는 유형 매체를 포함할 수 있다. 입력 변환기 어셈블리(20)의 복수의 대역 통과 필터(BPF)는 예를 들어 음향 프로세서의 서브프로세서 또는 서브루틴과 같은 음향 프로세서의 컴포넌트를 포함할 수 있다. 대안으로서 또는 조합으로, 복수의 대역통과 필터(BPF)는 전용 프로세서와 같은 별도의 회로를 포함할 수 있다.
도 2aa은 도 2a에서와 같이 파장 다중화된 광신호의 광의 개별 파장을 포함하는 광펄스를 도시한다. 제1 펄스 P1는 광의 제1 파장 및 제1 폭 W1을 포함한다. 제2 펄스 P2는 광의 제2 파장 및 제2 폭을 포함한다. 제3 펄스 P3은 광의 제3 파장 및 제3 폭을 포함한다. 제4 펄스 P4는 광의 제4 파장 및 제4 폭을 포함한다. 추가의 펄스, 예를 들어 총 16 이상의 펄스가 전달될 수 있다. 광펄스는 동시에 전달될 수 있지만, 광펄스는 예를 들어 아래에서의 도 3aa에 관련하여 기재되는 바와 같이 피크 전력 소모를 감소시키기 위해 연속적으로 전달될 수 있다.
펄스의 각각은 광의 실질적으로 분리된 펄스를 포함하며, 그리하여 펄스는 어레이의 하나의 전극 또는 어레이의 한 쌍의 전극과 대응하도록 디멀티플렉서와 분리될 수 있다. 각각의 광원의 파장은 레이저의 파장을 포함할 수 있으며, 레이저의 파장은 레이저 빔의 대역폭에 대응한다.
도 2ab는 도 2a 및 도 2aa에서와 같이 분리된 파장을 갖는 복수의 광원으로부터의 광을 다중화하도록 구성된 광 멀티플렉서를 도시한다. 광원으로부터의 광은 예를 들어 광 구조 그레이팅을 향하여 발산될 수 있고, 광 전달 구조(12)와 결합될 수 있다. 다중화된 신호는 광 전달 구조(12)를 따라 출력 어셈블리(30)를 향해 흐를 수 있다. 다중화된 광신호의 각각의 채널에 대한 광은 광원의 피크 전력 소모를 감소시키기 위해 각각의 광원으로부터 연속적으로 발산될 수 있다. 예를 들어, 제1 광원은 패킷의 제1 광펄스를 발산할 수 있고, 이어서 채널들 중의 하나에 대응하는 광원의 각각이 패킷의 대응하는 펄스 폭 변조된 광신호를 발산할 때까지 제2 광원이 패킷의 제2 광원을 발산한다. 많은 실시예에서, 각각의 광원은 광 멀티플렉서의 다른 광원이 광을 발산하지 않을 때 레이저 광을 발산한다. 따라서, 광원의 연속 사용은 전력 저장 장치가 광원의 각각에 충분한 전기 에너지를 제공할 수 있음을 보장할 수 있다.
도 2b는 도 2a에서와 같이 입력 변환기 어셈블리와 결합하도록 구성된 출력 벼환기 어셈블리를 도시한다. 출력 변환기 어셈블리는 다중화된 광신호를 수신하도록 구성된 적어도 하나의 검출기(34)를 포함한다. 적어도 하나의 검출기는 제1 광검출기 PD1, 제2 광검출기 PD2, 제3 광검출기 PD3... 및 제16 광검출기 PD16과 같은 복수의 검출기를 포함할 수 있다. 추가의 또는 더 적은 수의 광검출기가 사용될 수 있고, 상기 기재한 많은 공지된 재료를 포함할 수 있다. 광 멀티플렉서는 다중화된 신호 빔을 수신하고 다중화된 광신호를 분리하도록 위치될 수 있다. 광 멀티플렉서는 상기 기재된 바와 같이 프리즘, 그레이팅, 미러, 광섬유, 도파관, 나노구조 등과 같은 많은 공지된 광 요소를 포함할 수 있다.
다중화된 광신호는 조직을 통해 전달될 수 있다. 예를 들어, 다중화된 광신호는 사용자의 고막 TM을 통해 전달될 수 있다. 대안으로서 또는 조합으로, 다중화된 광신호는 고막에 형성된 윈도우 W1, 또는 고막에 형성된 개구를 통해 전달될 수 있다. 윈도우는 다중화된 광신호의 코히런스 및 파면 특성을 유지하도록 도울 수 있다. 그러나, 많은 실시예가 고막에 이러한 구조를 포함하지 않는다.
도 2c는 검출기 어레이 및 광 필터를 포함하는 광 디멀티플렉서를 포함하는 출력 변환기 어셈블리(30)를 도시한다. 적어도 하나의 검출기(34)는 검출기 어레이를 포함할 수 있다. 검출기 어레이는 제1 검출기 PD1, 제2 검출기 PD2, 제3 검출기 PD3... 및 제16 검출기 PD16을 포함한다. 추가의 또는 더 적은 수의 검출기, 예를 들어 32개의 검출기가 어레이에 포함될 수 있다. 광 멀티플렉서는 각각의 검출기에 전달된 광을 필터링하도록 각각의 검출기의 앞에 위치된 광 필터를 포함할 수 있다. 광 멀티플렉서는 제1 광 필터 F1, 제2 광 필터 F2, 제3 광 필터 F3... 및 제16 광 필터 F16를 포함할 수 있다. 이 구성은 광을 각각의 검출기에 전달된 채널로 분리할 수 있다. 예를 들어, 각각의 필터는 다른 필터에 의해 전달된 광의 파장과 실질적으로 분리되는 광의 파장을 전달할 수 있다. 전극 어레이는 제1 전극 E1, 제2 전극 E2, 제3 전극 E3... 및 제16 전극 E16을 포함한다. 전극의 각각은 한 쌍의 전극, 예를 들어 16쌍의 전극을 포함할 수 있다.
검출기의 각각은 전극 어레이의 대응하는 전극에 결합된다. 제1 검출기 PD1는 제1 채널을 포함하도록 제1 전극 E1에 결합된다. 제2 검출기 PD2는 제2 채널을 포함하도록 제2 전극 E2에 결합된다. 제3 검출기 PD3는 제3 채널을 포함하도록 제3 전극 E3에 결합된다. 출력 어셈블리는 추가적인 채널을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제16 검출기 D16은 제16 채널을 포함하도록 제16 전극 E16에 결합된다. 추가의 또는 더 적은 수의 채널이 제공될 수 있다.
전극(32E)을 이용한 달팽이관의 전기적 자극으로 인한 음량 인지는 달팽이관 위치, 펄스 폭(지속기간) 및 펄스 높이(강도)를 포함한 많은 요인에 따라 달라질 수 있다. 50 us인 펄스의 경우, 예를 들어 전류는 매우 큰 음향에 대하여 200 uA만큼 높을 수 있다. 부드러운 음향의 경우, 10 uA 펄스만으로도 충분할 수 있다. 펄스 폭을 증가시키는 것은 필요한 전류 진폭을 감소시킬 수 있다.
광검출기는 4 mm2 검출기로써 1mA 이상의 전류를 발생시키도록 구성될 수 있다. 예로는 Si 검출기 및 InGaAs 검출기를 포함한다. 검출기 면적, 펄스 폭, 및 검출기 효율, 그리고 검출기 상의 광 빔의 강도에 기초하여 대응하는 검출기에 연결된 다수의 전극에 대하여 충분한 전류가 발생될 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 교시에 기초하여, 당업자는, 작은 소리부터 큰 소리까지 소리의 완전한 스펙트럼을 제공하기 위해 광검출기의 크기, 광펄스의 유지시간 및 강도를 경험적으로 결정할 수 있다.
청신경의 자극은, 각각의 펄스의 상승 시간이 중요하지 않게 되도록 로우패스 필터링될 수 있다. 각각의 전극의 인코딩은, 예컨대 클래스-D 증폭기 인코딩인 다수의 유형의 인코딩 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
전극 어레이(32E) 및 적어도 하나의 광검출기(34)는 단상 펄스 또는 2상 펄스로 달팽이관을 자극하기 위해 다수의 방식으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 2상 펄스를 위해 16개의 전극 쌍이 구성되면, 광검출기는 32개의 검출기에 대응하는 16쌍의 검출기를 포함할 수 있다. 예를 들면, 각각의 쌍의 전극은 2개의 광검출기에 커플링될 수 있는데, 상기 2개의 광검출기는 반대 극성으로 전극에 커플링되며, 이에 따라 제1 검출기에 대한 제1 광펄스는 제1 방향으로 전극들 사이에서 제1 전류를 발생시키고, 제2 검출기에 대한 제2 광펄스는 2개의 전극 사이에서 제1 전류에 대향하는 제2 전류를 발생시킨다. 전극 어레이의 회로는, 예컨대 3상 펄스를 전달하도록 구성될 수 있다. 3상 펄스는 제1 극성의 제1 전류 펄스와, 제1 극성의 제2 전류 펄스와, 제2 부정 극성(negative polarity)의 제3 전류 펄스를 포함할 수 있는데, 전류 펄스 및 제2 전류 펄스를 이용하여 전달되는 전하는 제3 전류 펄스의 전하와 근사하고, 이에 따라 3가지 펄스를 이용하여 전달되는 전체 전하는 근사적으로 균형을 이루게 된다. 광의 적어도 2상 펄스는, 전극의 각각의 쌍의 전하 축적을 감소시키기 위해 전달되는 전하의 양의 균형을 맞출 수 있다.
도 2ca은, 제1 파장을 포함하는 제1 광펄스 및 제2 파장을 포함하는 제2 광펄스에 응답하여 적어도 2상 펄스를 제공하기 위한 도 2c의 출력 트랜스듀서 조립체의 채널의 회로를 도시한 것이다. 제1 채널(C1)은, 제1 광검출기(PD1) 및 제2 광검출기(PD2), 그리고 제1 전극(E1) 및 제2 전극(E2)을 포함하는 전극의 제1 쌍을 포함하는 광검출기의 제1 쌍을 포함할 수 있고/있으며 상기 광검출기의 제1 쌍에 대응할 수 있다. 제1 광검출기(PD1)는 제1 극성으로 전극(E1 및 E2)에 커플링될 수 있으며, 제2 광검출기(PD2)는, 제1 전극 및 제2 전극의 2극 구성을 포함하도록 하기 위해 제1 극성과 반대되는 제2 극성으로 전극(E1 및 E2)에 커플링될 수 있다. 제1 파장(λ1)의 제1 광펄스(P1)는 제1 방향으로 전극(E1)과 전극(E2) 사이에서 전류를 발생시킬 수 있으며, 제2 파장(λ2)의 제2 광펄스(P2)는 제1 방향과 반대되는 제2 방향으로 전극(E1)과 전극(E2) 사이에서 전류를 발생시킬 수 있다. 광펄스의 폭은, 전극들 사이에서 전하의 균형을 이루도록 그리고 전하 전송, 예컨대 정류를 방해하도록 크기가 결정될 수 있다. 추가적인 채널에는 추가적인 전극이 마련될 수 있다. 예를 들면, 2극 구성으로 16개의 전극을 포함하는 8개의 쌍을 갖는 8개의 채널이 마련될 수 있으며, 전류는 예컨대 광의 16개 파장에 응답하여 발생될 수 있다. 예컨대, 추가적인 또는 보다 적은 수의 채널 및 대응하는 전극과 검출기가 마련될 수 있다.
광검출기 어레이는, 제1 어레이를 갖는 제1 층 및 제2 어레이를 갖는 제2 층을 포함할 수 있다. 제1 파장은 제1 어레이에 의해 흡수될 수 있고, 광의 제2 파장은 제1 어레이를 통해 전송되며 제2 어레이에 의해 흡수되고, 이에 따라 제1 어레이와 제2 어레이의 조합형 어레이는 감소될 수 있다. 적절한 물성을 갖는 검출기 재료의 예는, 발명의 명칭이 "조합된 파워 및 신호 아키텍쳐를 갖는 광 전자-기계식 청각 장치(Optical Electro-Mechanical Hearing Devices With Combined Power and Signal Architectures)"이며 2009년 6월 17일자로 출원된 공동 계류 중인 미국 출원 제12/486,100호에 설명되어 있으며, 이 출원의 전체 개시내용은 인용함으로써 본 명세서에 포함된다.
검출기 어레이의 적층식 배치는 출력 트랜스듀서 조립체 상에 위치하게 될 수 있으며, 검출되는 각각의 광 출력 신호에 대해 더 큰 표면적을 제공할 수 있다. 예를 들면, 검출기의 조합된 표면적은 이도(ear canal)의 단면적보다 클 수 있다. 제1 검출기 어레이는 약 1 ㎛의 파장을 포함하는 광에 감응할 수 있고, 제2 검출기 어레이는 약 1.5 ㎛의 파장을 포함하는 광에 감응할 수 있다. 제1 검출기 어레이는, 약 700 내지 약 1100 nm의 파장을 갖는 광을 실질적으로 흡수하도록 구성되고 약 1400 내지 약 1700 nm, 예컨대 약 1500 내지 약 1600 nm의 파장을 갖는 광을 실질적으로 전송하도록 구성되는, 실리콘(이하에서는 "Si") 검출기 어레이를 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 검출기 어레이는 900 nm에서 광을 실질적으로 흡수하도록 구성될 수 있다. 제2 검출기는, 제1 검출기를 통해 전송되고 약 1400 내지 약 1700 nm, 예컨대 약 1500 내지 1600 nm의 파장을 갖는 광을 흡수하도록 구성되는 인듐 갈륨 비화물 검출기(이하에서는 "InGaAs")를 포함할 수 있다. 검출기 어레이의 단면적은 약 4 제곱 밀리미터일 수 있으며, 예컨대 각각의 검출기 어레이에 대해 2 mm × 2 mm의 정사각형일 수 있고, 이에 따라 8 제곱 밀리미터의 전체 검출 면적은 중이강(middle ear cavity)에서 4 제곱 밀리미터인 검출 어레이의 단면적을 초과한다. 검출기 어레이는 원형 검출 영역, 예컨대 지름이 2 mm인 원형 검출기 영역을 포함할 수 있다. 중이강이 비원형 단면일 수 있기 때문에, 검출기 어레이는, 비원형이고 라운딩될 수 있으며, 예컨대 각각 단축 및 장축을 따라 크기가 2 mm 및 3 mm인 타원형일 수 있다. 전술한 검출기 어레이는 다수의 판매자, 예컨대 일본의 하마마츠(월드 와이드 웹 상에서 "hamamatsu.com"으로 이용 가능함) 및 NEP 코오포레이션에 의해 제작될 수 있다.
입력 조립체의 광 멀티플렉서 및 광원은 2개의 중첩되는 검출기 어레이와 함께 이용하기에 적절한 대역폭을 제공하기 위해 다수의 방식으로 구성될 수 있다. 광원 및 멀티플렉서는, MIT 마이크로광 센터의 EPIC 통합 채널라이저의 구성요소 및 인텔로부터 입수 가능한 광자 구성요소와 같이, 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 실시예에 따라 통합하기에 적합한 공지된 파장의 멀티플렉싱 시스템과 조합될 수 있다. 광원은, 레이저 광원 및 통합형 광자 칩을 포함하는 실리콘 상의 통합형 광학 RF 채널라이저를 포함할 수 있다. 제1 레이저 광원은 제1 어레이로 흡수하기에 적합한 파장을 갖는 광을 방출하도록 구성될 수 있으며, 제1 레이저 광원은 제1 어레이 검출기의 채널에 대응하도록 제1 광 비임을 변조하기 위해 제1 변조기와 커플링될 수 있다. 제2 레이저 광원은 제1 어레이를 통해 전송되고 제2 어레이로 흡수하기에 적합한 파장을 갖는 광을 방출하도록 구성될 수 있으며, 제2 레이저 광원은 제1 어레이 검출기의 채널에 대응하도록 광 비임을 변조하기 위해 제2 변조기와 커플링될 수 있다. 변조된 광신호는, 예컨대 전송된 광신호를 디멀티플렉스하기 위해 다중모드 간섭계 스플리터에 의해 수신될 수 있다. 고막의 구멍 또는 광학 윈도우를 통한 전송은 전송되는 광의 완전성을 유지할 수 있다. 도 3a는 시간 다중화된 광신호를 방출하도록 구성되는 입력 트랜스듀서 조립체를 도시한 것이다. 다중화된 광신호(λM)는 시간 다중화된 광신호, 예컨대 시리얼 다중화된 광신호를 포함할 수 있다. 오디오 신호(50), 예컨대 소리는 마이크로폰(22)에 의해 수신된다. 오디오 신호는 사운드 프로세서에 대한 입력을 포함한다. 오디오 신호의 주파수는, 예컨대 앞서 설명한 바와 같은 회로를 이용하여 결정될 수 있다. 오디오 신호의 주파수는, 각각의 전극이 채널에 대응하는 것인 어레이의 각각의 전극에 대한 자극의 양을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 각각의 광펄스의 폭은 PWM 회로를 이용하여 결정될 수 있다. PWM 회로는 각각의 전극에 대한 펄스를 멀티플렉스하기 위해 시리얼 멀티플렉서에 커플링된다. 시리얼 다중화된 펄스는 적어도 하나의 광원을 포함하는 방출기로부터 방출된다. 적어도 하나의 광원은, 적외선 레이저 다이오드와 같은 단일 광원을 포함할 수 있다.
도 3aa의 광펄스는 도 3a에서와 같은 시간 다중화된 광신호의 일련의 펄스를 포함한다. 다중화된 시리얼 펄스는 제1 펄스(P1), 제2 펄스(P2), 제3 펄스(P3), ... 및 제16 펄스(P16)를 포함한다. 각각의 펄스는 어레이의 하나의 전극에 대응한다. 전류의 양은 펄스의 폭에 의해 결정된다. 제1 펄스(P1)는 제1 폭(W1)을 나타낸다. 제2 펄스(P2)는 제2 폭을 나타낸다. 제3 펄스(P3)는 제3 폭을 나타낸다. 제16 펄스(P16)는 제16 폭을 나타낸다. 멀티플렉서는 펄스의 패킷을 방출하도록 구성될 수 있는데, 각각의 패킷은 어레이의 각각의 전극에 대한 펄스 정보를 포함한다. 예를 들면, 패킷은 어레이의 16개 전극에 대한 16개의 펄스를 포함할 수 있다. 시리얼 멀티플렉서는, 사전에 결정된 펄스의 타이밍 및 시퀀스와 대응하도록 하기 위해 각각의 패킷의 펄스를 방출하도록 구성될 수 있다.
도 3ab는 도 3a에서와 같은 시간 다중화된 광신호의 일련의 광펄스의 클럭 펄스를 도시한 것이다. 클럭 펄스는 디멀티플렉서와 패킷을 동기화시킬 수 있으며, 이에 따라 펄스는 적절한 전극과 대응하도록 역다중화된다. 예를 들면, 펄스(P1)는 전극(E1)과 대응할 수 있다. 클럭 펄스는 디멀티플렉서 회로에 전력을 제공한다.
도 3b는 도 3a에서와 같은 입력 트랜스듀서 조립체와 함께 사용하도록 구성되는 출력 트랜스듀서 조립체를 도시한 것이다. 시리얼 다중화된 광신호는 고막(TM)을 통해 전송된다. 다중화된 광신호는 광검출기(PD1)에 의해 수신된다. 광검출기(PD1)는 디멀티플렉서 회로(D-MUX)에 커플링된다. 디멀티플렉서 회로(D-MUX)는 타이머 및 스위치를 포함할 수 있는데, 이에 따라 멀티플렉서는 각각의 전극을 사전에 결정된 시퀀스에 따라 검출기에 순차적으로 커플링시켜, 전극에 대응하는 펄스가 검출기(PD1)에 입사할 때 검출기가 전극들 중 하나의 전극에 커플링되도록 한다. 예를 들면, 펄스 시퀀스는 앞서 설명한 바와 같은 펄스의 패킷을 포함할 수 있다. 패킷의 제1 펄스는 회로에 전력을 공급하기 위해 그리고 타이머를 리셋시키기 위해 클럭 펄스를 포함할 수 있다. 타이머는, 전극에 대응하는 광신호가 검출기에 도달할 때 하나의 전극에 대응하는 스위치가 닫히도록 멀티플렉서의 스위치에 커플링될 수 있다. 타이머 및 스위치는, 클럭 펄스로 타이머 및 스위치에 전력이 공급될 수 있도록 하기 위해 저전력 회로, 예컨대 CMOS 회로를 포함할 수 있다. 이는, 타이머 및 스위치 회로가 충분한 전력을 갖도록 오디오 신호가 약할 때 도움이 될 수 있다. 커패시터 및 슈퍼 커패시터와 같은 전력 저장 회로는 검출기(PD1)에 커플링될 수 있어서 전력 회로(전원)를 이용하여 클럭 펄스로부터의 에너지를 저장하게 된다. 전극에 대한 광펄스가 검출기(PD1)에 도달할 때 전력 저장용 커패시터가 검출기(PD1)로부터 디커플링되도록 전력 회로는 스위치 회로를 이용하여 스위치될 수 있다.
직렬 광원 및 검출기 컴포넌트들은 상술한 바와 같은, 인텔사로부터 상업적으로 입수가능한 광학 컴포넌트들과 MIT 마이크로포토닉스 센터의 실리콘 광학 컴포넌트들을 포함할 수 있다.
몇몇 실시형태들에서, 전력 회로는 분리된 검출기(PD2)에 결합될 수 있다. 분리된 전력 및 신호는 타이밍 및 스위칭 회로에 전력을 공급하는데 이용될 수 있다.
도 4는 전극 어레이의 채널에 대응하는 3상 펄스폭 변조된 전류 펄스들(400)을 도시한다. 채널들 각각은 전극들의 쌍을 포함할 수 있으며 전류 펄스들은 채널에 대응하는 전극들의 쌍사이에 전송될 수 있다. 3상 전류 펄스들(400)은 제1 양전류 펄스(412), 제2 양전류 펄스(414) 및 제3 음전류 펄스(416)를 포함할 수 있다. 전류를 주입하기 위한 양(positive)의 크기를 포함하는 제1 양전류 펄스(412)와 제2 양전류 펄스(414)는 제1 크기와 제2 크기를 포함할 수 있다. 대안적인 구성 또는 조합적인 구성으로, 제1 양전류 펄스(412)와 제2 양전류 펄스(414)는 실질적으로 유사한 크기를 갖되 실질적으로 상이한 폭들을 포함할 수 있다. 제3 음전류 펄스는 전류를 밸런싱시키고 전극들과 전극들 근처의 조직의 저하를 감소시키기 위해 음 극성(negative polarity)을 포함한다. 제1 양전류 펄스와 제2 양전류 펄스는 전류로 각각 제1의 전하량과 제2의 전하량을 운송할 수 있고, 제3 음전류 펄스는 제1 전극들의 전하를 밸런싱시키고 전극들의 전하 축적을 감소시키기 위해 제3의 전류량을 운송할 수 있다. 전류 펄스 아래의 영역은 전류 펄스의 전달된 전하에 대응되므로, 제1 양전류 펄스와 제2 양전류 펄스의 누적 영역은 제3 음전류 펄스의 누적 영역의 영역에 실질적으로 대응할 수 있다.
전극들간에 적어도 2상 전류를 통과시키도록 하기 위해 광검출기와 필터는 전극들에 결합될 수 있다. 복수의 채널들 각각은 전극들의 쌍에 대응될 수 있고, 예컨대 도 2c와 도 2ca을 참조하여 상술한 바와 같이, 양전류 펄스(412)에 대응하는 제1 폭 변조된 광펄스에 응답하여 제1 전류가 상기 쌍 전극들 사이로 흐를 수 있고, 제2 폭 변조된 광펄스에 응답하여 음펄스(416)에 대응하는 제2 전류가 상기 쌍 전극들 사이로 흐를 수 있다. 양전류 펄스(412)에 대응하는 제1 폭 변조된 광펄스는 제1 광파장을 포함할 수 있고, 음전류 펄스(416)에 대응하는 제2 폭 변조된 광펄스는 제2 광파장을 포함할 수 있다. 제2 전류 펄스(414)는 예컨대 제1 파장을 갖는 제2 광펄스에 대응할 수 있다. 제1 전류는 제2 전류와 상반된다. 제1 전류는 제1 광펄스의 제1 폭에 대응하는 제1 양을 가지며 제2 전류는 제2 광펄스의 제2 폭에 대응하는 제2 양을 갖는다. 제1 전극과 제2 전극 사이에서 정류를 금지시키고 전하 전송을 밸런싱시키기 위해 제1 광펄스의 폭은 제2 광펄스의 폭에 실질적으로 대응한다.
제1 광펄스는 제1 검출기에 결합된 제1 광 파장을 포함할 수 있고, 제 2 검출기는 상기 전극들의 쌍에 결합된다. 제2 광펄스는 제2 검출기에 결합된 제2 광 파장을 포함할 수 있고, 상기 제 2 검출기는 상기 전극들의 쌍에 결합된다. 제1 검출기는 제2 검출기와는 반대쪽의 상기 쌍 전극들에 결합된다. 각각의 채널은 전극들의 쌍 및 제2 검출기와는 반대쪽의 전극들의 쌍에 결합된 제 1 검출기에 대응할 수 있으며, 예컨대 적어도 약 8개의 채널들은 16개의 검출기들에 결합된 8개의 전극 쌍들에 대응한다.
도 5a는 달팽이관의 고주파수 자극으로 채널들 사이에서 오디오 신호의 위상을 실질적으로 보존하기 위해 대역통과 필터링과 펄스폭 변조를 갖는 신호 대 채널 변환을 도시한다. 여기서 설명된 실시형태들과 관련한 작업은 고주파수 자극을 저역통과 필터링하기 위해 달팽이관이 고주파수 전기적 자극에 응답할 수 있으며, 이로써 사람이 전기적 자극, 예컨대 환자의 청각 범위 이상의 주파수를 갖는 전기적 자극에 기초하여 음향을 인식할 수 있다는 것을 나타낸다. 예를 들어, 약 10 kHz 이상, 예컨대 약 20 kHz 이상의 고주파수들의 자극으로, 환자가 오디오 신호의 위상을 갖는 음향을 듣도록 달팽이관은 음향을 저역통과 필터링할 수 있다. 이러한 고주파수들이 오디오 신호의 위상 인코딩된 정보를 포함할 때, 사용자는 대응하는 위상을 갖는 오디오 신호를 들을 수 있다. 약 10 kHz 이상, 예컨대 40 kHz 또는 100 kHz와 같은, 20 kHz 이상의 고주파수 신호는 고주파수들로 크기 및 위상 인코딩된 펄스폭 변조된 신호를 포함할 수 있으며, 이러한 고주파수들에서 펄스폭 변조된 펄스들을 갖는 달팽이관의 자극은 고주파수 펄스폭 변조된 신호를 대역통과 필터링된 채널의 주파수들에 대응하는 오디오 대역 신호로의 복조를 야기시킬 수 있다. 이러한 고주파수 크기 및 위상 인코딩된 신호의 복조는 사용자에 의해 인식된 오디오 신호의 크기 및 위상 모두를 보존할 수 있다.
음향에 대응하는 오디오 신호(50)는 많은 주파수들을 포함할 수 있으며 대역통과 필터(BPF)에 입력될 수 있다. 대역통과 필터(BPF)는 제1 주파수들의 범위를 포함하는 제1 대역통과 오디오 신호(510A)를 포함한 제1 채널, 제2 주파수들의 범위를 포함하는 제2 대역통과 오디오 신호(510B)를 포함한 제2 채널, 및 N번째 주파수들의 범위를 포함하는 N번째 대역통과 오디오 신호(510A)를 포함한 N번째 채널을 출력으로서 제공할 수 있다. BPF 출력의 위상이 실질적으로 보존될 수 있도록 신호들 각각은 실질적으로 유사한 위상을 포함할 수 있다.
원래의 오디오 신호(50)의 위상이 채널들 간에 보존될 수 있도록 각 채널의 오디오 신호는 펄스폭 변조된 신호로 변환된다. 제1 대역통과 오디오 신호(510A)는 폭변조된 펄스들의 제1 시리즈(520A)에 대응한다. 제2 대역통과 오디오 신호(510B)는 폭변조된 펄스들의 제2 시리즈(520B)에 대응한다. N번째 대역통과 오디오 신호(510N)는 폭변조된 펄스들의 N번째 시리즈(520N)에 대응한다. 펄스들 각각은 실질적으로 동기 시간 베이스에 대응하도록 결정될 수 있으며, 이로써 원래 신호의 위상 및 크기 각각은 보존된다. 예를 들어, 상술한 바와 같이, 펄스들 각각은 대응하는 광원에 출력되어 대응하는 광검출기를 구동시킬 수 있다. N번째 채널은 예컨대 8개의 채널, 16개의 채널, 32개의 채널 또는 64개의 채널을 포함할 수 있다.
도 5b는 도 5a에서와 같은 오디오 신호의 위상을 보존하기 위해 달팽이관의 고주파수 자극에 대한 제1 채널의 제1 대역통과 오디오 신호(510A)의 폭변조된 펄스들(520A)의 제1 시리즈를 도시한다. 펄스들은 각 펄스의 선행 엣지간에 10㎲의 동기적 시간 기반에 대응할 수 있다. 펄스들의 폭은 제1 대역통과 필터링된 오디오 신호(510A)의 크기에 기초하여 달라질 수 있다. 펄스들의 대응 주파수는 약 100 kHz이며 펄스들은 달팽이관 저역통과 필터링으로 달팽이관에 의해 복조되어서 사용자는 보존된 음향의 위상으로 음향을 인식하며 사용자는 음향 국부적 큐(sound localization cue)들을 인식할 수 있다.
다른 채널들의 대역통과 필터링된 신호들은 고주파수 신호의 달팽이관 저역통과 필터링과 마찬가지로 프로세싱될 수 있어서 사용자는 채널들 각각에 대해 보존된 음향의 위상을 갖는 음향을 인식하며 사용자는 조합된 채널들로부터 음향 국부적 큐들을 인식할 수 있다.
펄스폭 변조된 광펄스들은 많은 방법들로 생성될 수 있지만, 예컨대 스피치 프로세서는 대역통과 필터링된 신호를 각 채널에 대한 어레이로서 출력하기 위해 디지털 대역통과 필터들을 포함할 수 있고, 펄스폭 변조 회로는 출력에 기초하여 각 채널의 각 펄스의 폭을 결정할 수 있다. 펄스폭 변조 회로의 출력은 디지털일 수 있고 프로세서의 랜덤 액세스 메모리에 저장될 수 있으므로, 출력 펄스 변조 신호의 크기 및 위상을 실질적으로 보존하기 위해 광원에 대한 펄스들이 전달될 수 있다. 예를 들어, 신호의 펄스들의 타이밍 및/또는 위상은 10 kHz 펄스폭 변조 신호의 경우 약 100㎲ 이내 까지, 그리고 100 kHz의 경우에서는 약 10㎲ 이내 까지 보존될 수 있다. 채널들간의 직렬 출력이 상술한 바와 같이 이용될 수 있고 채널들의 펄스들 각각의 타이밍 및/또는 위상은 서로에 대해 약간씩 쉬프팅될 수 있지만, 채널들간의 대응하는 펄스들의 타이밍 및/또는 위상은 실질적으로 직렬 출력으로 보존된다. 예를 들어, 채널들간의 직렬 출력의 대응하는 광펄스들은 약 100㎲ 이내 까지, 예컨대 약 50㎲ 이내 까지, 약 20㎲ 이내 까지, 또는 약 10㎲ 이내 까지 보존될 수 있다. 채널들의 갯수는 예컨대 2개 채널들, 4개 채널들, 8개 채널들, 16개 채널들, 32개 채널들 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 각 채널의 광펄스들의 주파수는 적어도 약 10kHz 이상, 예컨대 20kHz, 40kHz, 80kHz일 수 있다. 상술한 바와 같이 채널들은 각 채널의 광펄스들의 주파수를 갖도록 조합될 수 있으며, 이로써 고막에 걸쳐 전송된 다중화된 광신호의 폭변조된 펄스들의 주파수는 예컨대 40 kHz, 160 kHz, 640 kHz, 1280 kHz 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 여기서 설명된 교시들에 기초하여, 본 발명분야의 당업자는 달팽이관이 자극될 때 오디오 신호의 위상을 보존하기 위해, 예컨대 음향 국부화 큐들을 제공하고 왜곡을 방지하기 위해 펄스들의 위상 및/또는 타이밍과 채널들의 갯수를 결정할 수 있다.
인간 고막 투과 실험
아래에서 설명된 실험은 고막에 대한 적외선의 투과치를 측정하고 입력 어셈블리(20)와 출력 어셈블리(30)의 배열들을 결정하도록 수행되었다.
목적: 후방부, 하방부 및 전방부 위치들에서 인간 고막에 대한 광 투과 손실의 양을 결정하고 고막에 의한 확산양을 결정하고자 한다.
절차
도 6은 실시형태들에 따른, 고막에 대한 광학적 투과치를 결정하기 위한 실험적 셋업을 도시한다. 레이저 다이오드 광원에 결합된 광섬유를 광다이오드 광검출기와 정렬하였다. 고막을 일직선으로 배치하였고 광다이오드로부터의 광출력에서의 변화를 결정하였다. 빛이 진행해 나가는 고막의 여러 위치들에 대한 변경을 허용하는 x,y,z 이동 스테이지에 고막을 위치시켰다.
재료들:
광원 - 광섬유에 결합된 레이저 다이오드 1480㎚(직경 250㎛, 코어 80㎛);
포토다이오드 - 포토다이오드 1480㎚(5.5㎟);
부하 - 고막을 통한 전송을 결정하기에 적합할 수 있는, 진동판(diaphragm)에 결합된 밸런스드 아마추어 트랜스듀서의 등가의 RLC 전기 회로;
시준광학기 및 ND 필터(NE20B);
DC 전압계(Fluke 8060A);
트랜스레이션 스테이지(translation stage); 및
추골이 부착된 사람 시체의 고막(침골 및 다른 내측 구성부 제거됨)
결과
고막 없음
포토다이오드가 포화 영역에 있도록 전류를 설정하였다. ND(neutral density) 필터는 PD 응답을 감소시키도록 광 출력을 감쇠하는데 사용되었다. 측정은 ND 필터가 광원을 20.5㏈만큼 감쇠시켰다고 나타낸다. 보고된 모든 측정은 선형 영역으로부터 되도록 하였다.
고막없이 시준된 광빔에 응답하는 포토다이오드 전압은 측정의 시작과 실험의 종료에서 측정되었다. 차이는 1% 미만이었다.
TM와 ND 필터가 없을 때 출력은 349㎷였다. ND 필터는 있고 TM은 없을 때 이 출력은 0.095 및 -20.5㏈의 선형 변화에 대응하여 대략 32.9~33.1의 범위 내까지 감소되었다.
고막 있음
측정은 고막의 전방부, 하방부 및 후방부에서 이루어졌다. 고막은 포토다이오드에 대하여 다른 위치로 이동되어 그 거리 X(㎜)가 계산되었다. 표 1은 상이한 포지션과 상이한 고막 위치에 대응하는 측정 전압을 나타낸다.
| X(㎜) | 0.1 | 0.5 | 1 | 2 | 3 |
| 전방 | 28㎷ | 26.6㎷ | 25.4㎷ | 23.4㎷ | 20.6㎷ |
| 하방 | 23.6㎷ | 21.1㎷ | 17.1㎷ | ||
| 후방 | 21.4㎷ | 20.2㎷ | 18.2㎷ |
전방 배치는 모든 거리에 대하여 가장 높은 전압을 나타내고, 거리 0.1, 0.5, 1, 2 및 3㎜에 대하여 각각 28, 26.6, 25.4, 23.4 및 20.6의 값을 갖는다.
각 고막 포지션 및 위치에 대하여 광섬유는 PD 전압을 최소화하도록 조정된었다. 광 빔은 포토다이오드 표면 상에서 최대이고, 측정된 응답은 미스얼라인먼트(misalignment) 때문이 아닌 전송 손실 때문이었다.
계산
측정된 전압은 다음과 같이 백분율 전력 손실(이하, "TL")로 변환되었다:
%TL = ((VNoTM-VWithTM)/VNoTM)*100
여기서, VNoTM는 고막 없이 측정된 전압이고, VWithTM는 고막이 있는 상태에서 특정된 전압이다.
이하, 표 2는 상기 식을 이용하여 계산된 % 전송 손실을 나타낸다.
| X(㎜) | 0.1 | 0.5 | 1 | 2 | 3 |
| 전방 | 16 | 20 | 23 | 29 | 38 |
| 하방 | 29 | 36 | 48 | ||
| 후방 | 35 | 39 | 45 | ||
| 평균 | 29 | 35 | 44 |
모든 위치에서 전방 배치는 가장 적은 전송 손실, 거리 0.1, 0.5, 1, 2 및 3㎜에서 각각 16, 20, 23, 29 및 38%의 값을 나타낸다.
PD가 고막에 매우 가까울 때(대략 0.1㎜ 이내) TL은 대략 16%이다. TL은 전방 포지션에 대해서만 측정될 수 있다.
고막의 3개의 포지션 중에 전방 포지션은 하방 위치보다 6~10%만큼 양호하고, 후방 포지션보다 7~12%만큼 양호하다.
고막은 PD로부터 떨어져 이동되므로 전송 손실은 3개의 포지션 모두에 대하여 선형으로 증가한다. 평균 전송 손실은 1, 2 및 3㎜ 위치에 대하여 각각 3개의 상이한 포지션에 걸쳐 평균화된 대략 29%, 35% 및 44%이다.
실험적 결론
고막으로 인한 전송 손실은 전방 포지션에서 가장 낮다(16%). 고막에 의해 시준된 빔의 산란으로 인해 포토다이오드가 고막으로부터 떨어져 이동될수록 손실은 증가한다. 고막으로부터 3㎜에서 평균 손실은 44% 정도였다. 이러한 데이터는 고막을 통한 광 전송으로 인한 손실보다 고막에 의해 유도된 검출기 표면으로부터 떨어진 각도에서의 광 산란으로 인한 손실이 더 크고, 검출기 및 렌즈와 같은 결합기는 고막에 의해 산란된 전송 광을 집광하기 위해 적절하게 공유될 수 있다는 예상치 못한 결과를 나타낸다. 이 데이터는 또한 고막의 전방부에 거쳐서 광 전송이 더 높다는 예상치 못한 결과를 나타낸다.
고막이 이동할 수 있으므로 살아있는 사람에게서 검출기는 고막으로부터 적어도 대략 0.5㎜의 위치에 있어야 한다. 데이터는 검출기 및/또는 렌즈와 같은 구성품이 고막에 피팅되고 향상된 전송을 제공할 수 있도록, 예를 들면 하나 이상의 경사면, 곡면으로 형상화될 수 있고, 예를 들면 대략 0.5㎜~0.2㎜의 범위 내에서 위치결정될 수 있다는 것을 시사한다.
상기 데이터는 고막의 일부를 조명하고 조명된 부분 근방에 검출기를 위치시키는 것은 예를 들면 적어도 대략 50%(50% 손실에 대응), 예를 들면 적어도 대략 60%(40% 손실에 대응)의 검출기와 투사된 광 빔 사이에서 전송 결합 효율을 성취할 수 있다. 검출기의 전방 배치 및 고막의 전방 영역의 일부의 조명에 관하여 결합 효율은 적어도 대략 70%, 예를 들면 80% 이상일 수 있다. 이러한 결합 효율에 대한 예상치 못하게 높은 결과는 고막의 일부의 조명 및 조명된 부분에 사이즈화된 검출기가 적어도 대략 50%의 효율을 제공할 수 있다는 것을 나타낸다. 또한, 하방부 및 후방부 각각에 비교하여 고막의 전방부에 대한 예상치 못하게 실질적으로 낮은 전송 손실은 고막의 대부분이 조명되었을 때 전송이 전방 배치에 관하여 예상치 못하게 향상될 수 있다는 것을 나타낸다. 예를 들면, 광검출기로의 광섬유의 전송 결합 효율은 괌검출기가 중이 공동의 전방부, 예를 들면 중이 공동의 하방 전방부에서 위치결정될 때 실질적으로 향상될 수 있고, 광섬유는 광이 광섬유의 단부로부터 이도로 직접 방사되도록 시준광학기 없이 이도에서 위치결정된다. 또한, 고막을 통한 대량 광 전송은 광학적으로 다중화된 광이 고막을 통하여 전송될 수 있고, 고막을 통하여 전송된 광학적으로 다중화된 신호로 인코딩된 음향의 채널이 달팽이관의 채널을 시뮬레이팅할 수 있다는 것을 나타낸다.
이해의 명료함을 위해서 예로서 예시적인 실시형태가 일부 상세하게 설명되었지만, 당업자는 다양한 수정, 개조, 및 변경이 채용될 수 있다는 것을 인지할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 단지 첨부된 특허청구범위 및 그 동등물의 전체 범위에 의해서만 제한되어야 한다.
Claims (88)
- 오디오 신호를 사용자에게 전송하기 위한 시스템에 있어서,
적어도 부분적으로 상기 사용자의 달팽이관 내에 배치되도록 구성된 복수의 전극들을 포함하는 전극 어레이;
음향 소스로부터 상기 오디오 신호를 수신하도록 구성된 회로;
상기 회로에 연결되고, 복수의 광 펄스들을 포함하는 다중화된 광신호를 방출하도록 구성된 적어도 하나의 광원; 및
상기 다중화된 광신호를 수신하고, 상기 광 펄스들에 응답해서 상기 전극들을 통해 전류를 전달하도록 구성된 적어도 하나의 검출기를
포함하고,
상기 다중화된 광신호는 복수의 광학 채널들을 포함하고, 상기 복수의 광학 채널들 중 각각의 광학 채널은 상기 음향의 적어도 하나의 주파수에 대응하며,
상기 다중화된 광신호는 상기 사용자의 고막을 통해 상기 적어도 하나의 검출기에 전송되고, 상기 적어도 하나의 검출기는 중이(middle ear)에 고정되며, 상기 달팽이관 내에 적어도 부분적으로 배치된 상기 전극 어레이에 연결되고,
상기 회로는 상기 어레이의 전극에 대응하도록 일련의 광펄스들을 전송하도록 구성되며, 상기 일련의 광펄스들은 타이밍 펄스를 포함하고,
상기 일련의 광펄스들 중 각각의 펄스가 상기 복수의 전극들 중 하나의 전극에 대응하도록, 상기 타이밍 펄스에 응답하여 상기 적어도 하나의 검출기에 상기 복수의 전극들 중 각각의 전극을 순차적으로 연결하도록 상기 적어도 하나의 검출기에 연결된 스위칭 회로를 더 포함하는, 오디오 신호를 사용자에게 전송하기 위한 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 회로는 복수의 광펄스들의 폭을 결정하도록 구성되고, 각각의 광펄스는 상기 어레이의 전극에 대응하며, 상기 각각의 광펄스의 폭은 상기 어레이의 상기 대응 전극을 통해 흐르는 전류량에 대응하는 것인, 오디오 신호를 사용자에게 전송하기 위한 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 회로는 상기 오디오 신호의 주파수들을 결정하도록 구성되고, 상기 주파수들은 상기 어레이의 전극들에 대응하며, 상기 회로는 상기 주파수들 중 하나 이상에 응답하여 각각의 펄스의 폭을 결정하도록 구성되는 것인, 오디오 신호를 사용자에게 전송하기 위한 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원은 복수의 광원들을 포함하고, 각각의 광원은 상기 어레이의 하나의 전극에 대응하는 것인, 오디오 신호를 사용자에게 전송하기 위한 시스템.
- 제4항에 있어서, 상기 복수의 광원들 각각은, 상기 복수의 광원들 중 다른 광원들의 파장들과는 분리된 파장들을 포함하는 광을 방출하도록 구성되는 것인, 오디오 신호를 사용자에게 전송하기 위한 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 검출기는 복수의 검출기들을 포함하고, 상기 복수의 검출기들 중 각각의 검출기는 상기 어레이의 하나의 전극에 대응하는 것인, 오디오 신호를 사용자에게 전송하기 위한 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 복수의 광검출기들은 적어도 3개의 광검출기들을 포함하고, 상기 전극 어레이는 적어도 3개의 전극들을 포함하며, 상기 적어도 3개의 광검출기들 각각은 상기 어레이의 적어도 3개의 전극들 중 하나의 전극에 대응하는 것인, 오디오 신호를 사용자에게 전송하기 위한 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 다중화된 광신호를 수신하도록 구성된 광학 구조를 더 포함하고, 상기 광학 구조는 중이 내에 배치되도록 구성되며, 상기 광학 구조는 상기 다중화된 광신호의 파장들을 선택하도록 구성되는 것인, 오디오 신호를 사용자에게 전송하기 위한 시스템.
- 제8항에 있어서, 상기 광학 구조는 상기 중이 내에 배치되도록 고막 내 절개부를 통과하도록 크기가 정해지고, 상기 전극 어레이는 달팽이관의 내창(round window)을 통해 적어도 부분적으로 달팽이관 내부에 배치되도록 크기가 정해지는 것인, 오디오 신호를 사용자에게 전송하기 위한 시스템.
- 제8항에 있어서, 상기 광학 구조는 광학 필터, 격자, 에탈론, 복수의 광섬유, 또는 프리즘 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 오디오 신호를 사용자에게 전송하기 위한 시스템.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 적어도 부분적으로 상기 사용자의 외이도(ear canal) 내에 배치되도록 구성된 광 전송 구조를 더 포함하고, 상기 광 전송 구조는 고막을 통해 다중화된 광신호를 전송하도록 구성되는 것인, 오디오 신호를 사용자에게 전송하기 위한 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광검출기와 상기 전극 어레이는 고막 내 절개부를 통과하도록 크기가 정해지는 것인, 오디오 신호를 사용자에게 전송하기 위한 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 다중화된 광신호는 파장 다중화된 광신호를 포함하고, 상기 파장 다중화된 광신호는, 각각의 파장이 상기 어레이의 전극에 대응하도록 복수의 파장들을 포함하는 것인, 오디오 신호를 사용자에게 전송하기 위한 시스템.
- 제14항에 있어서, 상기 복수의 파장들은 적어도 3개의 파장들을 포함하고, 상기 복수의 전극들은 적어도 3개의 전극들을 포함하며, 상기 복수의 파장들 중 각각의 파장은 적어도 3개의 전극들 중 하나의 전극에 대응하는 것인, 오디오 신호를 사용자에게 전송하기 위한 시스템.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 일련의 광펄스들은 상기 펄스들의 미리 결정된 순서와 타이밍을 포함하고, 상기 스위칭 회로는 스위치들에 연결된 타이머를 포함하여 상기 일련의 광펄스들의 펄스들에 대응하도록 상기 스위치들을 개폐시키는 것인, 오디오 신호를 사용자에게 전송하기 위한 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 전극 어레이, 상기 적어도 하나의 광원 및 상기 적어도 하나의 광검출기는 상기 사용자 내에 이식될 때 MRI 촬영을 위해 구성된 비자성 물질을 포함하는 것인, 오디오 신호를 사용자에게 전송하기 위한 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 음향은 위상을 포함하고, 상기 광신호는 적어도 10 KHz의 주파수로 전송된 폭 변조된 광펄스를 포함하며, 각각의 광펄스는, 달팽이관이 상기 광펄스를 복조하고 상기 음향의 위상이 유지되도록 상기 달팽이관 내에서 전류를 발생하는 것인, 오디오 신호를 사용자에게 전송하기 위한 시스템.
- 제21항에 있어서, 상기 폭 변조된 광펄스는 각각의 채널에 대해 폭 변조된 일련의 펄스들을 포함하고, 상기 각각의 채널의 폭 변조된 일련의 펄스들은, 상기 사용자가 상기 음향을 청취할 때 상기 음향의 위상을 유지하도록 적어도 10 KHz의 주파수를 포함하는 것인, 오디오 신호를 사용자에게 전송하기 위한 시스템.
- 제22항에 있어서, 상기 일련의 펄스들 각각의 주파수는, 상기 사용자가 상기 음향을 청취할 때 상기 음향의 위상을 유지하도록 적어도 20 KHz의 주파수를 포함하는 것인, 오디오 신호를 사용자에게 전송하기 위한 시스템.
- 제22항에 있어서, 각각의 채널의 폭 변조된 일련의 펄스들 중 펄스들은 펄스 패킷의 시퀀스를 형성하도록 결합되고, 각각의 패킷은 각각의 일련의 펄스들로부터의 하나의 펄스를 포함하는 것인, 오디오 신호를 사용자에게 전송하기 위한 시스템.
- 제24항에 있어서, 상기 복수의 채널들 각각은 한 쌍의 전극들에 대응하고, 상기 한 쌍의 전극들은 제1 전극 및 제2 전극을 포함하며, 제1 전류는 제1 폭 변조된 광펄스에 응답하여 상기 한 쌍의 전극들 사이에서 흐르고, 제2 전류는 제2 폭 변조된 광펄스에 응답하여 상기 한 쌍의 전극들 사이에서 흐르고, 상기 제1 전류는 상기 제2 전류와는 반대로 흐르고, 상기 제1 전류는 상기 제1 폭 변조된 광펄스의 제1 폭에 대응하는 제1 양을 가지고, 상기 제2 전류는 상기 제2 폭 변조된 광펄스의 제2 폭에 대응하는 제2 양을 가지며, 상기 제1 폭 변조된 광펄스의 제1 폭은, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 간의 정류를 금지하고 전하 이동의 균형을 유지하기 위해 상기 제2 폭 변조된 광펄스의 제2 폭에 대응하는 것인, 오디오 신호를 사용자에게 전송하기 위한 시스템.
- 제1항에 따른 오디오 신호를 사용자에게 전송하기 위한 시스템을 이용하여 오디오 신호를 사용자에게 전송하는 방법에 있어서,
다중화된 광신호를 적어도 하나의 광원으로부터 상기 사용자의 고막을 통해 적어도 하나의 검출기에 전송하는 단계; 및
상기 사용자로 하여금 상기 전송된 다중화된 광신호에 응답해서 음향을 들을 수 있게 하도록 조직을 자극하는 단계를
포함하고,
상기 다중화된 광신호는 복수의 광학 채널들을 포함하고, 상기 복수의 광학 채널들 중 각각의 광학 채널은 상기 음향의 적어도 하나의 주파수에 대응하며,
상기 적어도 하나의 검출기는 중이에 고정되며, 적어도 부분적으로 상기 사용자의 달팽이관 내에 배치된 복수의 전극들에 연결되는 것인, 오디오 신호를 사용자에게 전송하는 방법. - 제26항에 있어서, 상기 적어도 하나의 소스는 상기 오디오 신호를 수신하도록 구성된 회로에 연결되는 것인, 오디오 신호를 사용자에게 전송하는 방법.
- 제26항에 있어서, 상기 다중화된 광신호는 복수의 광 펄스들을 포함하고, 상기 방법은 상기 광 펄스들에 응답해서 상기 전극들을 통해 전류를 전달하는 단계를 포함하는 것인, 오디오 신호를 사용자에게 전송하는 방법.
- 제26항에 있어서, 상기 다중화된 광신호는 복수의 채널들을 포함하고, 상기 복수의 채널들 중 각각의 채널은 상기 음향의 적어도 하나의 주파수에 대응하는 것인, 오디오 신호를 사용자에게 전송하는 방법.
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