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- 龚树生主任医师 教授
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医院:
首都医科大学附属北京友谊医院
科室:
耳鼻喉科
- 人工耳蜗的最新进展
- 作者:龚树生|发布时间:2012-09-26|浏览量:2868次
摘要:
关键词:人工耳蜗,声音处理策略,电声混合刺激,双侧植入
北京同仁医院耳鼻咽喉头颈外科龚树生
引言
人工耳蜗作为当今最成功的人体功能替代器件之一,通过将声音处理转换为电刺激信号,绕过内耳毛细胞之前的听觉通路,直接刺激听觉神经,并最终在大脑中产生声音的感知与理解。 人工耳蜗不同程度地恢复了聋人的听觉能力,并使得儿童患者逐步获得言语和语言的发展。当前人工耳蜗已经可以让大部分患者在安静条件下达到基本言语交流的能力,某些效果最佳的患者甚至可以接近正常人群的交流与学习能力。但是,我们仍然面临包括效果差异巨大等在内的许多困难,人工耳蜗所涉及的刺激-感知界面的诸多因素依然需要深入的研究与探讨。本文将就近几年人工耳蜗研究与开发方面的进展做一个简要回顾。
当前临床应用效果
平均效果
使用当前最新上市的人工耳蜗系统进行单侧植入,并采用常用声音处理策略的耳聋患者中,只依靠听觉可获得的平均听力效果可以大概总结为:1)在安静条件下,单音节词的识别率为50-60%;2)安静条件下,句子识别率可达到90%;3)言语识别效果的进展均表现出明显的学习效应,即随着使用时间增加,听力效果可逐步得到提高,但是会趋于饱和;4)在噪声条件下和多人交谈背景下的言语识别能力仍然较差;5)大部分患者可以使用电话进行交流;5)音乐识别和欣赏能力仍待提高。在所有患者中,个体差异仍然非常突出,在单音节词识别测试中,患者的结果从0%至100%都有分布。
在人工耳蜗植入的儿童中,除了言语识别外,越来越多的研究者开始进行言语发声能力,语言发展,认知学习能力以及音乐识别等方面的研究。
在美国纽约大学医学院开展的一项调查中,年龄在24个月之前接受人工耳蜗植入的儿童,在6岁时测试得出的言语可懂度(80%)高于24个月之后植入的儿童。。在25-36个月植入的儿童中虽然也有相当部分人获得较高的可懂度,但是比例要比24个月之前植入的年龄组低。正如Peter Flipsen Jr.的一篇有关言语可懂度的综述中分析的,早期植入的儿童在发声能力方面逐渐超出原先人们预想的水平,而且他们的言语可懂度可在植入后长达10年仍然获得逐步提高。
在此方面的研究中,仍然主要采用主观评估的方法,如SIR(Speech Intelligibility Rating,言语可懂度量表)或以词语识别率为基准的量化形式。虽然某些客观声学测量评估软件已经开始应用,但是适宜的算法和准确程度仍然有待提高。
在汉语普通话四声的发声研究中,
在欧洲,针对儿童听觉,言语和语言发展的综合评估,开始采用LittleEARS等全方位的评估材料。
。将各项评估材料进行综合整理,依据儿童整体发展进程展开系统,持续的跟踪监测,将为人工耳蜗植入工作提供更多临床依据。
由于人工耳蜗植入者在音乐识别方面普遍存在的困难,相关研究依然较少。音乐识别的听觉机制,听觉剥夺的影响,人工听觉对音乐信号的再现能力,以及音乐识别和欣赏水平评测方法的欠缺,也使研究者望而却步。
最佳效果
在衡量当前人工耳蜗所获得成就时,可以从那些已经获得最佳效果的患者中找出证据。Wilson和Dorman曾经详细介绍了患者HR4植入AB公司的CII人工耳蜗后所获得的惊人效果。
人工耳蜗各领域的发展现状
以下将就人工听觉的各个环节,简要介绍当前人工耳蜗系统设计和研究的现状
人工耳蜗的信息通路
外界声音通过人工耳蜗系统最终在大脑中引起感知的过程,是一个完整的信息通路。最初,声音经过麦克风的采集和前端处理;然后被声音处理器中的数字电路进行分析处理,压缩转换为电信号;信号经过无线射频传输至植入体电路中的刺激发声器,产生有序组织的双相脉冲;电脉冲由位于鼓阶的电极释放,同听神经构成一个界面,在此界面中完成刺激系统的工作;随后声音信息便通过听觉通路最终传达至大脑听觉中枢,产生听觉。
声音的采集和前端处理
在声音的输入端,人工耳蜗普遍借鉴助听器的设计。麦克风的位置是设计者需要考虑的因素之一,如AB和美系统采用的T-Mic麦克风,可以放置在外耳道口,利用耳廓的功能,提高一定的信噪比,使得使用电话和耳机更自然方便。采用多个麦克风实现声音的聚焦成束BEAM功能, 在不断出现的新型声音处理器上,数字化处理的参数(如AD数模转换的精度)等也不断提高。在声音前端处理中,声音输入动态范围(Input Dynamic Range)决定了患者收听外界声音的实际强度范围,近年来也在不同的人工耳蜗系统中得到扩充,并在调机系统里可以灵活配置,适应患者的不同听音环境需求。在前端声学原始信号降噪设计上,降噪程序已经开始临床应用,是初次采用针对噪声场景分析的降噪算法,主要提高固定水平噪声环境中的言语识别效果,对其它类型的噪声环境的聆听也有所改善。有的公司也已开始采用相似算法(NR, Noise Reduction 噪声衰减)进行临床试验。助听器和人工耳蜗在声学信号降噪处理上的进展和相互借鉴,可为解决人工耳蜗患者在噪声环境中聆听的面临的困难提供一个突破。但是,我们也必须清楚,解决此问题的更重要的环节仍然在于电刺激转换和接受能力,以及听觉系统的噪声环境分析能力。另外,人工耳蜗对信噪比的敏感性,也提示植入者在学习环境中佩戴诸如FM调频系统等辅助听力设备的必要性。正式基于这个原因,国内主要儿童听觉言语康复机构已经开始配备FM系统,以提高教学环境中的信噪比。
声音处理与转换:
作为人工耳蜗系统信息处理的核心,声音处理策略也是几十年来植入者效果不断提高的主要贡献者。在当前人工耳蜗面临的诸多困难中,声音处理方法作为人-机界面中机器复制的前提,使人们首先设定的思路是“自下而上”(bottom up)的,即以正常听觉完整的信息接受端为基准,以最大可能实现信息的完整性。AB公司的高分辨率系统提供声音强度域,时域和频域信息的高精度表达方式。前述获得最佳效果的患者HR4,正是采用此种策略,极大发挥了自身的听觉潜能。这种“自下而上”的思路,也是近年来人工耳蜗领域着力研究和开发精细结构 (Fine Structure)的依据。精细结构主要体现在时域和频域两个方面。
在时域方面,涉及声学信号的分析和电刺激信号的释放两个过程。当前主要采用的声音处理策略都是基于包络提取来获得时间变化信息。近年来的新技术逐渐在分析过程中加入精细结构的处理。AB的高分辨率120通道策略通过对子频带的希尔伯特变换获得精细时间信息;MedEl的Pulsar系统开始采用精细结构(FineStructure)处理策略;Cocchlear的Freedom系统也开始试用一种称作HiACE的策略。分析得出的精细信息,需要更高输出采样率,即脉冲刺激率来传递给听神经。而人工耳蜗的刺激速率问题一直是业界争论和分歧较多的热点,焦点仍然在于人-机界面的匹配问题,即刺激率是否满足或者超出听神经的感受能力。但是我们仍然看到,随着新系统的不断推出上市,包括MedEl的Pulsar系统和Cochlear的Freedom系统在内的人工耳蜗的电刺激率也在呈上升趋势。不过,我们也要意识到,人工耳蜗所提供的丰富刺激,会受到人工耳蜗技术其它方面的限制,如电极设计。
在频域方面,电流定向技术(Current Steering),或者成为“虚拟通道(Virtual Channel)”,突破了物理电极数目的限制,为人工耳蜗系统提供了更多的通道,丰富了频域信息。另外,困扰人工耳蜗技术的另一个难题是低频信息(如F0)的分辨能力,它也是造成噪声环境中聆听,多人交谈,嗓音识别,声调语言识别(如汉语普通话的四声)和音乐欣赏方面诸多困难的主要原因之一。除了电流定向技术提供更多低频信息分辨率外,MedEl在Pulsar中开始采用的精细结构策略中,在低频段以可变刺激速率来提高低频区域的分辨能力;F. G. Zeng等人提出的FAME (频率幅度调制编码Frequency Amplitude Modulation Encoding )策略也是基于频域的速率编码原理来实现同样目的。作为改善低频分辨能力的更重要的进展,电声混合刺激(Combined Electro-Acoustic Stimulation, EAS)是近年来研究和开发的重点,它将为适用的耳聋患者提供自然的低频信息,在噪声环境中聆听和音乐欣赏方面的效果也逐渐为临床试验所验证。
同“自下而上”的思路相对应的是“自上而下”(Top down)的思路,即首先将耳聋患者的听觉系统受损程度考虑在内,在设计人工耳蜗的信息量和提供方式上,以满足受损系统的认知需求为准。在人工耳蜗整体信息提供量获得提高之后,峰值选区策略(如n of m,ACE策略)可考虑作为此种思路的选择。最近几年Cochlear公司开发研究的MP3000策略,作为信息压缩策略的代表,也体现了“自下而上”的原则。如果将两种思路同时提供给情况各异的植入者个体,我们将可以在调机编程时,针对患者自身的听觉系统状况,选择最优化的解决方案。
电极-神经界面
作为人工耳蜗声音处理的释放器件,处在刺激-接受界面的刺激端,是构成人-机耦合系统的关键部分,在外界声音环境和大脑皮层感知之间建立联系。但是同时我们需要意识到,电极-神经界面的耦合效率会直接影响信息通路的畅通,即有可能形成“瓶颈”(Bottle neck),使得精细处理的声音信息在传达到神经通路时出现质量损失或者缺失。而此问题是造成个体差异的主要环节之一。
当前鼓阶内电极的设计仍然延续刺激独立性的思路,需要解决的问题仍然是系统所提供的通道数目同患者实际感知通道数目之间的落差,主要原因来自于电刺激信号之间的电场叠加。 在电极放置位置方面所面临的问题,使一部分研究人员开始转向探讨电极刺激形式和组织方式,如采用三相脉冲波,三电极极耦合方式,通道间干扰补偿等新技术,但是应用到临床还需要更多时间,效果也有待验证。
由于对保护残余听力的要求近年来逐渐提高,尤其是电声混合听力技术的逐渐走向临床应用,新型电极的出现主要在此领域。
在鼓阶内放置的薄膜型电极,研究者们一直以来并未中断研究,但是由于受到材料和手术方法的限制,未能得到临床应用。
鼓阶内电极的种种局限,促使人们开始考虑其它位置。耳蜗轴内电极….
当前人工耳蜗的刺激形式都是电脉冲,而电信号在人体介质中的扩散效应非常强。红外激光慢慢成为人们开始探索的新的刺激形式。
耦合界面的另一端,即神经接受端,是听觉通路的输入端。我们首先关心的是刺激目标 ? 螺旋神经节细胞的存活数量和功能。
手术方法,位置评估测量
最近关于人工耳蜗电极插入方法的简要而系统的描述。
自动插入辅助工具:
手术植入后的位置评估:显微CT的应用。
听觉神经通路和皮层感知
通路完整性的术前诊断
术前术后客观测试方法
可塑性,可逆性治疗手段
神经营养药物
听力言语训练方法,促进大脑皮层功能
总结
在最近几年的人工耳蜗领域,不断探索中的新技术和新方法仍然处在不断积累阶段,距离临床应用阶段尚需时日。最终目标仍然是解决人-机界面如何完美耦合,使人体组织和机能所具备的潜能进一步被最新的医学和工程技术激发。在人工耳蜗产品的发展过程中,我们期待出现更可靠更灵活的刺激系统,即在保证系统质量和安全性的前提下,使每一位患者的系统得到优化调整,更符合其自身听觉通路的潜在需求,并在进一步发展的各种评估工具的帮助下,持续监测效果进展,从而为每个个体实施长期的干预方案。
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参考文献:
[Blake S. Wilson, Michael F. Dorman, “Cochlear implants: A remarkable past and a brilliant future”, Hearing Research 242 3?21, 2008.]
[Mirette G. Habib, Susan B. Waltzman, Bobby Tajudeen, Mario A. Svirsky, “Speech production intelligibility of early implanted pediatric cochlear implant users”, International Journal of Pediatric Otorhinolaryngology 74 pp.855?859, 2010.]
[Peter Flipsen Jr., “Intelligibility of spontaneous conversational speech produced by children with cochlear implants: A review”, International Journal of Pediatric Otorhinolaryngology (2008) 72, 559?564.]
[Bianka Schramm , Andrea Bohnert, Annerose Keilmann,“Auditory, speech and language development in young children with cochlear implants compared with children with normal hearing”,International Journal of Pediatric Otorhinolaryngology 74 (2010) 812?819.]
[Birgit May-Mederake et al, “Evaluation of auditory development in infants and toddlers who received cochlear implants under the age of 24 months with the LittlEARS1 Auditory Questionnaire”,International Journal of Pediatric Otorhinolaryngology 74 (2010) 1149?1155]
[Kate Gfeller,et al., “Multivariate Predictors of Music Perception and Appraisal by Adult Cochlear Implant Users”,J Am Acad Audiol 19:120?134 (2008).]
[B. S. Wilson and M. F. Dorman, "The surprising performance of present-day cochlear implants", IEEE Trans. Biomed. Eng., Vol. 54, pp. 969-972, 2007.]
[Suhrud M. Rajguru, Optical cochlear implants: “Evaluation of surgical approach and laser parameters in cats”, Hearing Research 269 (2010) 102-111]
[Sharma, A., et al. Cortical development, plasticity and re-organization in children with cochlear implants. J Commun Disord (2009), doi:10.1016/j.jcomdis.2009.03.003]
[Jian Wang, “Auditory Plasticity Induced by Cochlear Implants in Early Life”, 听力学及言语疾病杂志2009年第17卷第1期.]
[Maura Cosetti, J. Thomas Roland Jr.,“Cochlear implant electrode insertion”, Operative Techniques in Otolaryngology (2010) 21, 223-232.]
[In Vivo Measurements of the Insertion Depth of Cochlear Implant Arrays Using Flat-Panel Volume Computed Tomography]
[Design of steerable electrode arrays and optimal insertion path planning for robot-assisted cochlear implant surgery]