声波转介质跨神经传导技术研究与产业开发研究报告

声波转介质跨神经传导技术与产业开发研究报告汪勇一、国内听障人士基本状况我国目前有大约2780万听障人士，居各类残疾第二，受听障影响最大的首先是聋哑儿童，听障严重影响了他们对社会的认知和学习；成年后的听障人士则面临就业与婚姻的双重压力；同时随着中国进入老龄化社会，大量的老龄人口出现听力开始衰减，最终必须依赖听障辅助设备以获得足够的听觉补偿。

听障给学龄儿童带来的最大困难就是很难加入普通学校接受教育，最后不得不进入特殊教育学校接受教育，这样的教育经历会使听障儿童难以融入社会，难以适应未来的社会生活，会给听障儿童造成心理障碍，从而加剧社会疏离感，最终导致听障儿童只在极有限的同类听障人群中寻求沟通与认同，无法获得广泛的社会信息。

听障给成年人带来的首要问题是就业难。

在目前经济模式下，企业对员工的要求都比较苛刻，要求能够适应瞬息万变的信息社会，良好的言语沟通能力，而听障人由于自身所存在的障碍，使得在就业方面无法完全满足企业的需求。

国家鼓励企业吸收一定比例的听障人士，并给予安置残疾人就业的企业各种优惠，但这只能使企业被动吸收听障人士。

给予听障人一定的帮扶是必要的，但是听障人士更需要的是能够向正常人一样拥有双向选择权，听障人人士对自尊、自信、自强和平等的渴求远远大于对社会福利的渴求。

成年听障人士面临的第二个问题是婚姻问题，听障人士由于缺乏正常人的口头言语沟通能力，只能在听障人群中去寻找配偶，从而导致他们的下一代具有很高的先天听障风险。

听障给老龄人口带来的首要问题是社会适应力随听力的衰退而迅速衰退。

由于听力的衰退，老龄人口的人际沟通开始变得困难，对社会的敏锐度开始下降，社会生活逐渐压缩到家庭内部，晚年生活质量明显下降。

老龄听障人士面临的第二个主要问题是人生安全问题，由于机体反应下降，户外的老龄听障人士或独居的老龄听障人士在面临突发事件时往往来不及做出必要的反应，从而导致不幸事件的发生。

二、听障辅助设备历史沿革在目前的医学领域中，听觉系统中传音、感音及其听觉传导通路中的听神经和各级中枢发生病变，引起听功能障碍，产生不同程度的听力减退，统称为耳聋。

根据病变部位的不同主要分为三类：传导性耳聋、神经性耳聋和混合性耳聋。

生于外耳道、中耳的传导声音部分的耳聋是传导性耳聋;发生于内耳、听神经和听觉中枢的感音和神经部分的耳聋是感音性耳聋；在传导部分和感觉神经部分都有异常的耳聋是混合性聋。

在实际生活中，大多数的耳聋患者根据其病因采用药物、手术等治疗方法或者通过佩戴助听器，植入式听觉装置等都能够取得一定的康复效果，其中重度以上感音神经性耳聋的患者一般只能采用植入式听觉装置的方法获得听力。

植入式听觉装置包括振动声桥、骨锚式助听器、人工耳蜗和听觉脑干植入。

振动声桥是把声音转化为机械振动，并传送到中耳结构（如听骨链）或直接传送到内耳，从而产生听觉。

振动声桥包括体外部分和植入部分，体外部分叫做音频处理器，包括麦克风、电池和电子装置，植入部分包括内部线圈、磁体、导体连线和浮动式传感器（FMT）。

电子装置把声音转换为信号，信号穿过皮肤传递至内部线圈，线圈将信号通过导线传至FMT，与中耳砧骨连接的FMT把信号转化为振动直接驱动砧骨并放大其自然运动，听骨振动，产生听觉。

振动声桥适用于中度到重度的感音神经性耳聋。

骨锚式助听器是通过增强骨传导将外界的声音传入内耳，绕过了外耳道和中耳。

骨锚式助听器包括三部分：钛合金植入体、外部桥接装置和声音处理器。

通过手术将钛合金植入体植入后与颅骨融合，声音处理器将声音振动通过外部桥接装置传导到钛合金植入体，振动装置产生的振动通过颅骨传入内耳，最终刺激听神经，产生听觉。

骨锚式助听器适用于中重度感音神经性耳聋。

人工耳蜗是将声音转换为一定编码形式的电信号，通过植入体内的电极系统直接刺激听神经来恢复、提高及重建聋人的听觉功能。

人工耳蜗包括体外装置和体内植入装置两部分，体外装置采集语音信号并转换为电信号，电信号经过特殊的数字化处理，按照特定的语音处理策略编码，通过载在耳后的无线发射线圈传送到体内植入装置，体内植入装置的接收线圈接收到信号后，经过解码芯片解码，使植入耳蜗的电极阵列产生具有声音特征的电流，直接刺激听神经产生听觉。

人工耳蜗适用于有听神经残留的重度到极重度的感音神经性耳聋。

听觉脑干植入是将刺激电极放于患者的脑干（耳蜗核），越过耳蜗和听神经直接刺激脑干的听神经核团而产生听觉。

听觉脑干植入装置包括体内和体外两部分：体内部分与人工耳蜗装置相似，包括植入电极、刺激／接收器，只是电极的形状和数量不同。

体外部分与人工耳蜗装置一样，包括磁力线圈、方向性麦克风、言语处理器。

听觉脑干植入适用于由于听神经病变、缺失或损伤导致的极重度儿聋。

从以上描述可以看出，针对重度以上的感音神经性耳聋，无论采用上述哪种治疗方法，都必须通过手术植入，有创伤，风险大，费用高，由于体内装置需要长期植入人体内，必然对体内装置的性能有特殊要求，使得整个听声设备的成本增高，售卖价格昂贵。

为解决以上技术问题，现有技术中出现了一些听声装置，中国专利公开号为1593361的发明公开了一种变压式皮肤听声器，包括麦克风以及与麦克风的信号输出端相连接的音频放大器，还包括与音频放大器相连接的电源，音频放大器的输出端与升压装置的输入端相连接，升压装置的输出端又与平面电极的输入端相连接，升压装置将音频放大器输出的声音电流信号转化为交流电压的声音电流信号，并升压至5V以上。

使用时，麦克风把外部的声音信号转化为电流信号，升压装置将普通的电流信号升压，然后通过平面电极刺激皮肤，将电流的振荡信号通过皮肤传给大脑。

根据该发明所述的技术方案，进行具体实施，实施对象无论是双耳耳聋患者还是单耳极重度感音神经性耳聋患者，患者都不能通过该技术方案获得听觉，达不到该发明所述的技术效果，而且该方案与人类早期研究方案高度相似，没有根本性的突破。

早在1790年，意大利人Volt用两根金属小棒插入自己双侧外耳道，在两根金属小棒间接通约50V电压的电流。

当接通的一瞬间有头部受打击感，随之听到一种类似沸煮的声音。

1930年，韦弗（E.G.Wever）和布雷（C.W.Bray）发现，来自猫听神经区域的电反应具有与自然声音相似的性质。

与此同时，俄国科学家研究了交流电刺激对听觉的作用。

他们发现，交流电可以产生听觉，也可以听懂语言，但是他们的结果仅限于听觉正常或有一些残余听力的人。

三、声波转介质跨神经传导神经原理推测声波转介质跨神经传导研究在总结了前人研究的基础上提出了信号皮层间传递的假设。

基本方式是将声波的震动能转化为同频同振幅的电脉冲信号，脉冲发生端在人体外耳道上的表皮摩擦（或振动），通过这样的摩擦，局部的末梢神经能够产生与脉冲发生端相同频率的神经冲动，经耳大神经将这种脉冲信号传递至咽喉神经，咽喉神经又将同频神经冲动信号投射到大脑皮层的咽喉区及味觉区，咽喉区和味觉区紧邻听觉区。

试验中笔者利用对外耳道的皮肤进行脉冲状态下的摩擦，诱发神经冲动，经耳大神经生物传导，由于单纯的电刺激无法在所有神经元之间进行信号传导，这种摩擦电传导过程能够使仅依赖化学传导的神经元之间实现信号传导，并且能够保留前神经元的频率特征，使由电脉冲信号诱发并放大振幅的相同频率的生物脉冲信号经由皮下的耳大神经传递至大脑皮层的咽喉与味觉区。

根据实验，笔者认为咽喉区与味觉区所获得的声波特征的脉冲信号极有可能横向传递至听觉区，从而使听障人士获得听觉感受。

如图：四、声波转介质跨神经传导电子设计方案基于上述神经通道的假设，本项目提供一种针对听神经受损的重度感音神经性耳聋患者，利用新的生物传导方式，将声音信号传导给大脑的听觉皮层，从而达到真正辨析语音的助听效果的皮肤听声装置及基于该装置的听声方法。

为实现以上技术目的,笔者的第一种技术方案是：设计一种皮肤听声装置，包括用于将声音信号转换为音频电信号的麦克风、用于将音频电信号转换为同频同振幅电脉冲信号的第一转换单元、用于输出电脉冲信号的脉冲输出端和电源，所述脉冲输出端包括正、负电极，所述麦克风、第一转换单元和脉冲输出端依次串接，所述电源为第一转换单元供电，还包括开关和用于驱动脉冲输出端的电极振动的振动摩擦单元，所述电源、开关和振动摩擦单元依次串接，所述脉冲输出端的至少一个电极与振动摩擦单元串接，所述脉冲输出端的电极在使用时接触皮下有耳大神经的皮肤表层。

（图一）使用时，声音信号经过麦克风、第一转换单元、脉冲输出端的依次传递转换为同频同振幅的电脉冲信号由电极输出，皮肤表层感受到电脉冲信号刺激，控制开关，导通电源和振动摩擦单元，振动摩擦单元驱动脉冲输出端的至少一个电极振动，振动的电极摩擦皮下有耳大神经的皮肤表层。

在电极刺激皮肤表层的作用下，耳大神经接收到脉冲输出端的电脉冲信号，然后释放相同频率的生物脉冲弱信号，在电极摩擦皮肤表层的作用下，耳大神经释放的相同频率的生物脉冲信号得到振幅放大，耳大神经将放大后的生物脉冲信号传递给咽喉神经，咽喉神经再将生物脉冲信号投射到大脑的咽喉与味觉皮层，咽喉与味觉皮层横向传递到听觉皮层，产生听觉。

该技术方案的优点是：结构简单，利用皮肤导电作用实现了声波电脉冲信号与神经生物脉冲信号的转换，并利用动能（电极摩擦皮肤表层）作用将转换的神经生物脉冲信号的振幅放大，听声效果佳；制作成本低廉，便于产业化应用；不需要手术植入人体，对患者无创伤，风险小，费用低，使用方便。

第一转换单元包括信号放大电路、功率放大电路、升压电路和CPU增益控制电路，所述信号放大电路、功率放大电路和升压电路依次串接，所述CPU增益控制电路与功率放大电路并接，所述信号放大电路、功率放大电路、升压电路和同频同振幅的电脉冲信号输出，并且增益可调。

为实现同样的技术目的，笔者还设计了第二种技术方案为：皮肤听声装置，包括用于将声音信号转换为音频电信号的麦克风、用于将音频电信号转换为同频同振幅电脉冲信号的第一转换单元、用于输出电脉冲信号的脉冲输出端和电源，所述脉冲输出端包括正、负电极，所述麦克风、第一转换单元和脉冲输出端依次串接，所述电源为第一转换单元供电，还包括用于驱动脉冲输出端的电极振动的振动摩擦单元和用于将音频电信号转换为驱动振动摩擦单元的电信号的第二转换单元，所述麦克风、第二转换单元和振动摩擦单元依次串接，所述电源为第二转换单元供电，所述脉冲输出端的至少一个电极与振动摩擦单元串接，所述脉冲输出端的电极在使用时接触皮下有耳大神经的皮肤表层。

使用时，声音信号经过麦克风、第一转换单元、脉冲输出端的依次传递转换为同频同振幅的电脉冲信号由电极输出，皮肤表层感受到电脉冲信号刺激，与此同时声音信号经过麦克风、第二转换单元的依次传递转换为电信号，作为振动摩擦单元的电源，振动摩擦单元工作，驱动脉冲输出端的至少一个电极振动，振动的电极摩擦皮下有耳大神经的皮肤表层。