人工聽覺：新視野 曾凡剛 ；平利川 科學齣版社 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

　　第1章　聽覺神經假體的發展
　　曾凡鋼
　　1　引　　言
　　20世紀六七十年代是人工聽覺假體發展的黃金時代。在那令人振奮的20年間，各種競爭的想法和創新的實驗推動人工聽覺取得瞭巨大的進展。這20年（1960～1979年），總讓作者聯想到中國的戰國時代（Zeng et al.，2008）。此間，House（1974）推齣的單通道人工耳蝸和Clark等（1977）推齣的多通道人工耳蝸之間的競爭被推到瞭風口浪尖：前者在1984年成為早的商用人工耳蝸産品；而後者卻成為成功的神經假體。多通道人工耳蝸已經幫助全世界超過20萬聾人在一定程度上重建瞭聽覺功能。我們評價人工耳蝸所取得的成就之非凡，一方麵，作為産品，它需要和傳統助聽器及觸覺助聽器等同類産品展開競爭；另一方麵，作為新事物，它需要打破傳統主流思想和聾人群體的疑問（Levitt，2008）。20世紀八九十年代，一係列人工耳蝸的技術進步，尤其是信號處理策略的突破，大大提高瞭人工耳蝸植入者的聽聲效果（Loizou，2006；Wilson and Dorman，2007）。
　　圖1.1　3傢人工耳蝸製造商，不同年代係列産品在句子識彆得分。包括Cochlear公司的Nucleus係列，AB公司的Clarion係列，以及Med-El公司産品（改編自（Zeng et al.，2008），圖3）
　　圖1.1中顯示瞭3傢主要人工耳蝸廠商不同時代産品的語句識彆得分。所有廠傢的當代人工耳蝸産品均采用類似的信號處理策略——在有限數量的頻段內提取時域包絡信息，並通過植入耳蝸內的12～22個電極的非同時刺激來錶達這些信息。人工耳蝸植入者普遍錶現齣較好的言語識彆效果（安靜環境下的言語識彆率可達到70%～80%），半數的植入者都可以進行電話交流。
　　盡管在安靜環境下的言語識彆效果良好，人工耳蝸植入者和正常聽力者的聽覺能力之間依然存在鴻溝。舉例來說，植入者在噪聲環境下的聽聲效果很糟糕，穩態噪聲背景下，有接近15dB的損失；競爭語音環境中，有近30dB的聽力損失（Zeng et al.，2005）。植入者對音樂的感知也同樣有限：如果說對節奏的識彆還差強人意，那麼對鏇律和音色的感知隻能說微乎其微（McDermott，2004）。後，對於使用聲調語言（漢語普通話、泰語、越南語）的植入者（Peng et al.，2008），聲調的感知和發聲的能力與正常聽力者相去甚遠（圖1.2）。
　　圖1.2　正常聽力（NH）人群和人工耳蝸（CI）植入者在噪聲下言語識彆能力（a）、音樂和聲調識彆能力（b）的比較。噪聲下言語識彆能力，通過剛好能達到50%言語識彆率時的信噪比來體現，音樂識彆能力通過鏇律識彆的正確率來體現，聲調識彆率通過漢語普通話聲調識彆的正確率來體現（改編自（Zeng et al.，2008），圖21）
　　為瞭讓人工耳蝸植入者的康復效果更接近正常聽力者，亟待引入新的概念和手段。人工耳蝸也的確在不斷創新，與21世紀的前5年相比，近5年（2006～2010），關於人工耳蝸的文獻已經從1196篇增長到1792篇（圖1.3）。這些增長主要來源於雙側人工耳蝸，相關主題的文獻幾乎增長瞭一倍；另外，助聽器與人工耳蝸聯閤使用的研究文獻增長瞭4倍之多。而中腦刺激及光學人工耳蝸這些新的手段也開始湧現。
　　圖1.3　自1972年到2010年12月，每年從PubMed檢索的關於人工耳蝸的文獻數量
　　（：// href='#'>.ncbi.nlm.nih.gov）
　　在2004年，Springer齣版的“聽覺研究手冊”裏包含瞭人工耳蝸一捲，著重介紹電刺激聽覺的基礎科學與技術。而本捲將傳統人工耳蝸的內容，關注新的技術進展，內容包括從雙側植入到中腦刺激器；同時也介紹新的評估手段，內容包括從聽覺訓練到跨模態處理。
　　2　技術的發展
　　隨著技術的進步，人工耳蝸的功效已經被極大地提升，被應用於更廣泛的聽覺相關疾病的治療。下麵將從兩個角度介紹這些技術：一方麵，聽覺感知可由多種形式的能量誘發（圖1.4）。正常的聽覺通路中，聲波能量被轉換為機械振動，並進一步轉換為電勢能。在有缺損的聽覺通路中，根據聽覺損失的種類和程度，可分為不同的治療方法。大多數耳蝸受損的患者，癥結在於聽覺通路中機械放大功能受損。助聽器可以對聲信號進行放大，通過佩戴助聽器可以在一定程度上彌補聲音傳導中的損失（圖1.4的條通路）。為瞭增大放大倍數和減少不良聲學反饋，聲音可以直接被轉換成機械振動來刺激中耳（圖1.4的第二條通路）。但對於重度耳聾患者，傳統的人工耳蝸跳過瞭聽覺通路的前端部分，將聲信號轉換為電脈衝，來直接刺激耳蝸內殘存的聽神經（圖1.4的第三條通路）。近，光學刺激也被發現可以直接激活神經組織（圖1.4的第四條通路）。這將很有可能取代傳統的電刺激，成為一種新的刺激手段，用於神經刺激器。
　　圖1.4　對聽覺係統聽力重建的不同刺激方法。助聽器圖片摘自 href='#'>.starkey.，中耳植入係統圖片摘自 href='#'>.medel.，人工耳蝸圖片來自 href='#'>.cochlear.，以及光學刺激圖片來自 href='#'>.optoiq.（後附彩圖）
　　另一方麵，刺激聽覺係統的不同部位，可以用來治療不同類型的聽覺受損疾病。助聽器可以將聲音放大來治療耳蝸損傷。對佩戴助聽器的人來說，放大的聲刺激通過耳道傳至鼓膜（聽力正常者的鼓膜接收的聲刺激直接來源於外耳道，沒有經過人為放大）。整個中耳聽骨鏈中從砧骨到蹬骨都可以進行機械式刺激，提供更大的放大倍數，用於治療與外耳道塌陷或慢性耳科疾病相關的傳導性聽力損失。用電脈衝或激光直接刺激聽神經，可以讓人産生聽覺感知。這種方法主要用於內毛細胞缺失的患者。通過刺激從耳蝸核到皮層的整個聽覺中樞係統，可以治療聽神經瘤及其他神經疾病。另外，電刺激已經被應用於治療聽神經病、耳鳴和多種其他疾病（Trimble et al.，2008；van de Heyning et al.，2008；Teagle et al.，2010），但這些方麵的內容本書沒有涉及。
　　單側人工耳蝸技術成熟後，很自然地擴展到雙耳植入。在過去十年（2000～2010年）裏，雙側植入的數量劇增，相關的科學理解也逐漸成熟。早在1993年，van Hoesel就開展瞭例雙側人工耳蝸研究（van Hoesel et al.，1993）。在第2章，他將係統地綜述雙側植入的原理、進展和現存問題。與單側植入相比，雙側植入可以確保“好耳”得到植入。雙側植入提高瞭噪聲下的雙側言語識彆效果和聲源定位能力，伹效果十分有限，且提升的原因幾乎都來源於利用瞭雙耳間聲級差的聲學頭影效應。目前（2010年）還沒有證據說明雙側植入者能夠有效地利用雙耳間時間差，來獲得功能型雙耳聽覺。一方麵可能源於植入者被剝奪雙耳聽覺的時間較長（Hancock et al.，2010）；另一方麵，當前的人工耳蝸沒有對低頻精細結構信息進行編碼。如果植入者在植入耳的對側耳仍有殘餘聽力，佩戴助聽器可以幫助植入者獲得低頻聲的精細結構信息。
　　在第3章，Turner和Gantz關注於聲電聯閤刺激（electro-acoustic stimulation，EAS）這個話題。與僅使用電刺激相比，聲電聯閤刺激可以大大提高植入者的使用效果。舉例來說，雙耳植入者的噪聲下的言語識彆效果通常比單側植入者提高1～2 dB；但使用聲電聯閤刺激的植入者可以提高10～15dB，視噪聲類型及聽力殘留情況而定。其中雙側植入與聲電聯閤刺激帶來性能提升的機理也完全不同。雙側植入依賴響度纍加，而EAS利用語音的音調信息，在信噪比較好的時間段內分離信號或捕捉瞬時信息。EAS以其當前的效果，加之手術技巧和信號處理手段的提高，很可能會擴展其適用人群，從而包括那些有顯著殘餘聽力的患者。未來，EAS甚至可能被用於老年性聾的治療。
　　近期（2000年之後），人工中耳技術圓滿地填補瞭助聽器和人工耳蝸之間的技術空白。Snik在第4章清楚地描述瞭這項復雜的技術，並給齣瞭其醫學的適應癥範圍。技術角度來說，人工中耳可以避免很多傳統助聽器因使用耳模導緻的麻煩。比如助聽器佩戴者聽到自言聲過大的堵耳效應，由於麥剋風和受話器同時使用導緻的嘯叫，以及令人不適的低頻聲堵塞。從醫學角度來說，人工中耳適用於有傳導性或混閤傳導性與感音神經性聾的患者，如外耳道塌陷或外耳道缺失、慢性耳道炎癥、重度或極重度聾。在這些條件下，助聽器不適用，並且人工耳蝸預期效果不如人工中耳。
　　眩暈和平衡失調癥是與耳科相關的主要疾病。這類癥狀也是可以通過電刺激治療的，直至近，這方麵的研究纔開展起來。Golub，Phillips和Rubinstein在第5章對前庭係統的病理學和功能紊亂機製進行瞭全麵的綜述。同時，也詳述瞭近期前庭植入刺激器的工程學和動物實驗進展。尤其值得一提的是前庭起搏器的概念和設計，這樣的設計相對易於製作和用於控製眩暈。在2010年10月，華盛頓大學的研究組成功實施瞭例人體試驗。與人工耳蝸相比，前庭刺激器的設計理念是更小且易取齣，方便臨床治療使用和動物實驗，且效仿人工耳蝸技術。基於傳感器的精密全植入前庭植入體，甚至前庭腦乾植入體可能在不久的將來都會問世，並進行重度平衡失調癥的人體試驗。
　　針對傳統人工耳蝸的新技術也不斷湧現：當前的人工耳蝸將電極插入鼓階中刺激聽神經，由於電極和神經被鼓階分離，人工耳蝸不僅需要較高的電流纔能引起神經響應，也使得空間選擇性極大受限，更無法覆蓋蝸頂部位的聽神經。采用光刺激的方式，較電刺激而言，應當顯著提高瞭刺激的空間選擇性。Richter和Maric在第6章探討瞭光刺激的機製並報告瞭他們初步的動物實驗數據，從而展示瞭光刺激人工耳蝸的光明前途。第7章，Middlebrooks和Snyder從傳統的電刺激著手，但通過使電極直接接觸神經組織，以獲得較好的選擇性。在貓的實驗中，這樣“緊貼神經的刺激”不僅如期達到瞭降低刺激閾值、獲得更好的空間選擇性的目的；更為重要且令人驚喜的是，電極可以接觸蝸頂神經。蝸頂神經比起蝸底神經可以更好地傳遞時域信息。光刺激或“緊貼神經”的電刺激方式（也稱為神經內刺激）都有潛力顛覆當前人工耳蝸的效果，但距離人體臨床實驗，可能還有很多年。它們都還麵臨很多技術挑戰，對光刺激來說，尺寸是一個很大的難題。另外，兩者都還要解決穩定性的問題。
　　對於缺失耳蝸功能或聽神經的患者，隻能通過刺激聽覺通路的更高層來恢復聽覺。與該領域的先驅Robert Shannon，Derald Brackmann和 William Hitselberger一道，在第8章，McCreery和Otto從一個獨特的親曆者的視角，專業地迴顧瞭耳蝸神經核聽覺假體或稱為聽覺腦乾植入係統（ABI）的研發。ABI的發展，經曆瞭從簡單的單個錶麵電極到精密的多個錶麵電極加刺入式電極的過程。其用途也從初治療雙側聽神經瘤患者擴展到耳蝸骨化和聽神經受損的非聽神經瘤患者。非聽神經瘤的ABI植入者取得瞭意想不到的好效果，這不僅可以幫助更多類似適應癥的患者，也提供瞭一個非常獨特的機會讓我們加深對聽覺結構和功能等基本科學問題的理解。
　　下丘是聽覺通路的重要組成部分，其輪廓分明的片層結構及容易手術到達，是聽覺通路上一個潛在的，可以通過電刺激使患者恢復聽覺的部位。在第9章，作為聽覺中腦植入係統（AMI）的發明人，Lim，M. Lenarz和T. Lenarz探討瞭這項技術的科學原理、工程設計及初步的臨床實驗結果。雖然這項技術還處於“嬰兒期”，但AMI對於相關技術，手術

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