人工耳蜗的发展趋势

Trends in Cochlear Implant(CN)

人工耳蜗的发展趋势

Fan-Gang Zeng, John-Yuhan Bai

Hearing and Speech Research Lab

Department of Otolaryngology, Department of Biomedical Engineering

University of California, Irvine

摘要

当今世界上有超过6万人在使用人工耳蜗来恢复功能性听力。虽然它们在不同个体上的性能差异依然很大，但平均来说，大部分使用者都可以通过人工耳蜗在安静环境下进行顺畅的电话交谈。使用人数和科技文献的数量的指数性增长，证实了人工耳蜗已经发展成为一个成熟的领域。本文着重从心理物理学，语音，音乐和认知表达这几个角度，来阐述现今与人工耳蜗相关的声学、临床医学、工程学、解剖学和生理学方面的发展概况。本文也报告了一些在人工耳蜗的术前评估、调试协议、信号处理和术后康复方面的临床和实验发展趋势。最后向读者描绘了一幅人工耳蜗未来不断扩大的发展蓝图，它将综合助听器，中耳装置和人工耳蜗这三个独立而又相互补充的部分来实现一个完整的听力损失解决方案。

关键词：人工耳蜗，信号处理

目录

人工耳蜗信号处理方法的研究 (1)

1 简介： (3)

1.1人工耳蜗的历史 (3)

1.2现状 (4)

2 工程问题 (6)

2.1系统设计 (6)

2.2语音信号处理器 (7)

2.3电极 (10)

2.4遥测采集技术 (11)

2.5调试系统 (12)

3 解剖学和生理学问题 (12)

3.1耳蜗和听觉神经 (13)

3.2声学刺激和电刺激的不同 (13)

3.3电刺激的中枢神经响应 (13)

4 心理物理学性能 (13)

4.1强度、响度和动态范围 (14)

4.2频率，音调和音调构成 (14)

4.3时域处理 (14)

5 语音处理的性能 (15)

5.1希尔波特包络和微细结构 (15)

5.2时域和频域处理 (16)

5.3语音识别 (19)

5.4双边人工耳蜗及联合声电刺激 (20)

5.5说话人和音色的识别 (22)

6 音乐欣赏性能 (22)

6.1节拍和节奏 (23)

6.2音调、间隔和旋律 (23)

6.3音品和乐器 (24)

7 感知性能 (25)

8 发展趋势 (25)

8.1临床问题 (25)

8.2下一代人工耳蜗 (26)

8.3前景 (26)

1简介：

人工耳蜗是唯一能够使完全耳聋者通过电信号来刺激残留的听觉神经以恢复部分听力的医学手段。 从20年前的一种主要用于让患者加强唇读和感知声音的存在的单电极装置到今天，人工耳蜗已经发展成一种能支持其全球6万用户中的大多数人进行顺利电话交谈的复杂多电极装置。 近年来，人工耳蜗的适用者范围也已经被大大扩展，包括小到3个月的婴幼儿童，和有明显的功能性残余听力的成人，特别是低频率域内残余。

下面将介绍什么是人工耳蜗和它的工作原理，以及它的过去、今天和未来。2-8节将着重讨论人工耳蜗在听觉矫治学、临床问题、工程问题、解剖学和生理学方面的问题，也将讨论它在基础心理物理学，语音，音乐和感知学中的应用表现。 最后我们将从临床医学，实验室研究和系统的观点分别对人工耳蜗的未来发展趋势展开一些讨论。

1.1人工耳蜗的历史

人工耳蜗的历史可以追溯到至少200年以前的意大利科学家Alessandro V olta，他发明了电池，电压单位伏特（V olt）就是以他的名字命名的。他利用电池为研究工具证实了电激励可以直接激起人体的听、视、嗅和触觉感知（V olta, 1800）。当他将一个50伏电池的正负极分别贴近双耳时，它感觉到：“……当电路接通的那一刻，我觉得我的头被震了一下，过了一会我开始听见一种声音，或者说是一种噪音，我无法确切描述：那是一种带着电火花的噼啪声，好像有什么粘稠的东西被煮沸了……这种可怕的感觉让我不敢再继续重复这个实验，因为我觉得对大脑的电击很危险……”

在此后的150年里，没有出现关于听觉系统的电刺激效果的安全而系统的研究的相关报道，直至现代电子技术的出现。 1937年，S.S.Stevens和他的同事运用真空管振荡器和放大器，证实了至少三个与“电声感知”有关的机制（Stevens, 1937; Stevens and Jones, 1939; Jones et al., 1940）。第一个机制是“电动机械效应”，具体指电刺激使耳蜗中的纤毛细胞振动，从而使人在与电刺激相对应的声刺激信号的频率点上感觉到一个音调信息。第二个机制是鼓膜将电信号转换成声学信号，从而使人在２倍信号频率点上感觉到另一个音调信息。 Stevens等人之所以能将第二个机制从第一个中分离出来是因为他们发现鼓膜破损或缺失的病人只能感觉到原始频率的音调信号。第三个机制与听觉神经的直接电兴奋有关，因为有一些病人称他们在正弦电激励信号中感到有类似噪声的声音，随着电流变化有着剧烈的响度增加，并且时常会引起面部神经兴奋。然而，最早证明听觉神经的电刺激效应的却是一组俄罗斯科学家，他们声称观察到了一个中耳和内耳耳聋的病人在电刺激下的听力感知（Andreev et al., 1935）。

在1957年，法国医生Djourno等人成功的运用电刺激使两个完全耳聋的患者产生了听力感知（Djourno and Eyries, 1957; Djourno, 1957 et al., 1957a; Djourno et al., 1957b）。他们的成功刺激了20世纪60-70年代美国西岸一系列恢复耳聋