本發(fā)明涉及神經(jīng)系統(tǒng)模擬，尤其涉及一種模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)的優(yōu)化方法及系統(tǒng)。

背景技術：

1、人工耳蝸是一種用于幫助聽力受損者恢復或改善聽覺的電子裝置。它通過將聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號，直接刺激聽覺神經(jīng)。然而，現(xiàn)有的人工耳蝸系統(tǒng)在處理復雜聲音信號時存在一定的局限性，包括信號失真、響應延遲和處理精度不足等問題。首先，信號失真是一個主要問題。在將外部聲波轉(zhuǎn)換為電信號的過程中，傳統(tǒng)人工耳蝸系統(tǒng)常常受到環(huán)境噪聲和復雜聲音信號的干擾，導致信號在傳輸過程中發(fā)生畸變，聽覺感知不夠清晰。其次，處理精度不足也是困擾人工耳蝸系統(tǒng)的一大問題。由于信號處理算法和硬件設計的局限性，現(xiàn)有系統(tǒng)對復雜聲音信號的處理精度不夠，導致聲音細節(jié)丟失，佩戴者難以清晰分辨不同的聲音，如言語和背景噪音，進而導致佩戴者使用體驗下降。

技術實現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術問題，本發(fā)明的目的是提供一種模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)的優(yōu)化方法及系統(tǒng)，能夠?qū)崟r優(yōu)化輸入信號的幅度和頻率，改善信號傳輸?shù)恼鎸嵭院蜏蚀_性，提高人工耳蝸佩戴者的聽覺效果。

2、本發(fā)明所采用的第一技術方案是：一種模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)的優(yōu)化方法，包括以下步驟：

3、構(gòu)建模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型，所述模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型包括壓電陶瓷單元與非線性神經(jīng)元電路；

4、對非線性神經(jīng)元電路進行動態(tài)行為分析，構(gòu)建模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型的動力學方程；

5、通過四階龍格庫塔法對模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型的動力學方程進行求解計算，得到模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型的位移響應；

6、根據(jù)模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型的位移響應，通過時域最小殘值法對模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型進行優(yōu)化處理，得到優(yōu)化后的模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型。

7、進一步，所述模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型包括壓電陶瓷單元、第一電阻、第二電阻、第三電阻、第一電容、第一電感和第一電源，其中，所述第一電阻、所述第二電阻、所述第三電阻、所述第一電容、所述第一電感和所述第一電源組成非線性神經(jīng)元電路，所述第一電感的第一端、所述第一電阻的第一端、所述第一電容的第一端和所述第三電阻的第一端連接，所述第一電感的第二端與所述第二電阻的第一端連接，所述第二電阻的第二端與所述第一電源的負極端連接，所述第一電源的正極端、所述第一電容的第二端、所述第三電阻的第二端與所述壓電陶瓷單元的負極端連接并接地，所述壓電陶瓷單元的正極端與所述第一電阻的第二端連接。

8、進一步，所述對非線性神經(jīng)元電路進行動態(tài)行為分析，構(gòu)建模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型的動力學方程這一步驟，其具體包括：

9、通過基爾霍夫定律對模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型的非線性神經(jīng)元電路進行動態(tài)行為分析，得到模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型的電路方程；

10、對模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型的電路方程進行尺度變換處理，將原始含有量綱的電路方程轉(zhuǎn)換成等效無量綱數(shù)學方程，得到模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型的動力學方程。

11、進一步，所述模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型的動力學方程的表達式具體如下所示：

12、

13、上式中，x表示狀態(tài)變量，表示狀態(tài)變量對無量綱時間的導數(shù)，c表示阻尼系數(shù)矩陣，k表示剛度系數(shù)矩陣，表示非線性項，f(t)表示外部激勵，t表示無量綱時間。

14、進一步，所述根據(jù)模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型的位移響應，通過時域最小殘值法對模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型進行優(yōu)化處理，得到優(yōu)化后的模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型這一步驟，其具體包括：

15、通過快速傅里葉變換對模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型的位移響應進行擬合處理，得到截斷級數(shù)；

16、基于增強響應靈敏度算法，構(gòu)建模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型的優(yōu)化目標函數(shù)；

17、將截斷級數(shù)作為時域最小殘值法的初始值，通過時域最小殘值法對模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型的優(yōu)化目標函數(shù)進行優(yōu)化處理，得到最優(yōu)截斷級數(shù)；

18、將最優(yōu)截斷級數(shù)嵌入至模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型，得到優(yōu)化后的模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型。

19、進一步，所述模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型的優(yōu)化目標函數(shù)的表達式具體如下所示：

20、

21、上式中，表示非線性目標函數(shù)，a表示未知系數(shù)，a表示未知系數(shù)的可行域，t表示離散時間點，r(a,t)表示系統(tǒng)的殘差向量，t表示求解時間域的最大值，a*表示優(yōu)化后的系數(shù)。

22、進一步，所述將截斷級數(shù)作為時域最小殘值法的初始值，通過時域最小殘值法對模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型的優(yōu)化目標函數(shù)進行優(yōu)化處理，得到最優(yōu)截斷級數(shù)這一步驟，其具體包括：

23、將截斷級數(shù)作為時域最小殘值法的初始值，對模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型的優(yōu)化目標函數(shù)進行線性轉(zhuǎn)換處理，得到近似線性目標函數(shù)；

24、通過引入tikhonov正則化對近似線性目標函數(shù)進行正則化求解，得到正則化后的線性目標函數(shù)；

25、通過l-curve曲線法確定正則化后的線性目標函數(shù)的正則化參數(shù)，并引入置信域限制，對正則化后的線性目標函數(shù)進行篩選處理，確定最優(yōu)截斷級數(shù)。

26、進一步，所述正則化后的線性目標函數(shù)的表達式具體如下所示：

27、

28、上式中，λ表示正則化參數(shù)，i表示單位矩陣，δaλ表示迭代更新量，表示殘差向量，表示一階響應靈敏度矩陣。

29、進一步，所述置信域限制的表達式具體如下所示：

30、

31、上式中，表示置信域限制，表示原非線性目標函數(shù)，表示線性化之后的目標函數(shù)，表示已知的參數(shù)，a表示未知系數(shù)，表示殘差向量。

32、本發(fā)明所采用的第二技術方案是：一種模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)的優(yōu)化系統(tǒng)，包括：

33、第一構(gòu)建模塊，用于構(gòu)建模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型，所述模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型包括壓電陶瓷單元與非線性神經(jīng)元電路；

34、第二構(gòu)建模塊，用于對非線性神經(jīng)元電路進行動態(tài)行為分析，構(gòu)建模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型的動力學方程；

35、求解模塊，用于通過四階龍格庫塔法對模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型的動力學方程進行求解計算，得到模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型的位移響應；

36、優(yōu)化模塊，用于根據(jù)模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型的位移響應，通過時域最小殘值法對模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型進行優(yōu)化處理，得到優(yōu)化后的模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型。

37、本發(fā)明方法及系統(tǒng)的有益效果是：本發(fā)明通過將壓電陶瓷單元與非線性神經(jīng)元電路進行結(jié)合構(gòu)建模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型，采用高性能的壓電陶瓷材料，能夠?qū)⑼獠柯暡ㄐ盘柛咝У剞D(zhuǎn)換為電信號，減少了信號轉(zhuǎn)換過程中的失真問題，進而對非線性神經(jīng)元電路進行動態(tài)行為分析，構(gòu)建模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型的動力學方程，通過四階龍格庫塔法對模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型的動力學方程進行求解計算并結(jié)合時域最小殘值法對模擬人工耳蝸神經(jīng)系統(tǒng)模型進行優(yōu)化處理，調(diào)整系統(tǒng)輸入信號的幅度和頻率，最小化系統(tǒng)的響應殘差，實時優(yōu)化輸入信號的幅度和頻率，確保系統(tǒng)在不同聲音環(huán)境中的響應精度，改善信號傳輸?shù)恼鎸嵭院蜏蚀_性，提高人工耳蝸佩戴者的聽覺效果。