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人工耳蜗发展历史及现状

来源:      发布日期:2020-10-16       点击量:

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 Volta,他发明了电池,电压单位伏特(Volt)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(Volta, 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

患者听觉的深入研究。虽然早期研究的方法与现在的技术相比很原始,但是它们指出了许多关键问题和一些为了能成功实现听觉神经电刺激而必须考虑的限定条件。例如,他们发现,与原声听觉相比,听觉神经的电声听觉的动态范围小很多,且声音变化幅度剧烈,时域音调也仅限在几百赫兹范围。 Bilger对这些早期的实验进行了详细的说明和分析(Bilger, 1977b, 1977a;…)。

在商用方面,House-3M单电极耳蜗在1984年成为第一个通过FDA认证的耳蜗装置并拥有几百名使用者。 Utah大学亦开发了一套穿皮插销式的6电极耳蜗,并且也有几百名使用者。 Utah大学的这个装置在文献中被称作Ineraid或Symbion装置,它很好的适应了实验应用的需要。比利时的Antwerp大学开发的Laura系统可以传递8通道双极性或15通道单极性刺激信息。法国的MXM实验室也开发了一个15通道的单极性装置,Digisonic MX20。这些产品后来都逐渐被淘汰。现在世界上的三大主要的人工耳蜗生产商分别是美国的Advanced Bionics Corporation公司,代表产品为Clarion人工耳蜗;奥地利的MED-EL公司;澳大利亚的Cochlear公司,代表产品为Nucleus耳蜗。

现状 

如今,全球人工耳蜗的使用人数已经达到了6万人,其中包括2万名儿童,这个数字依然以指数函数增长着。功能方面,人工耳蜗已经从最初的用作唇读辅助设备或声音感觉器的单电极简单装置演进成为一种可供半数以上使用者顺利电话交谈的现代化多电极装置。图1反映了近20年来人工耳蜗在改善语音识别性能方面的进步历程,横坐标表示不同的设备厂商的不同处理器在不同年份进行的不同实验,而纵坐标则是每一种处理器在安静环境下进行句子识别的正确识别率。早期的单电极装置,除了一些个别的话题外,基本就不能实现自由的语音识别。在Nucleus装置中,语音识别率从1980年以来每5年稳定增长20个百分点的这一事实尤为显著。虽然现有的人工耳蜗在语音信号处理和电极设计方面都有很多差异,但是各种品牌产品的使用者在使用中却没有特别明显的性能差别。

现代人工耳蜗组成

下图给出了一个典型的现代人工耳蜗。首先,一个话筒(1)采集声音,并将声音通过电线(2)传送到语音信号处理器(3)上。信号处理器将根据个体耳聋的程度来将声音信号转变成不同的数字信号。处理后的信号被回送到一个耳机(4),此耳机中的线圈发射编码后的无线电频率信号穿过皮肤。耳机通过一块磁铁与皮下的人工耳蜗(5)吸附在一起。人工耳蜗中也有一个线圈用来接收该无线电频率信号,还有一个密闭的电子电路,这个电路将信号解码,并将它们转换成电信号,然后通过导线传送到耳蜗(6)中。在导线末端的一系列电极(7)刺激听觉神经(8),这些听觉神经与中枢神经系统相连,电脉冲在那里被解读为声音信号。

虽然人工耳蜗的各个组成部分的设计可能因厂家的不同而异,但是其整体工作原理却都是一样的。例如,话筒可以被勾在耳阔上部,也可以别在胸前。传输线圈的形状,颜色和无线电频率值可以不同,但是磁耦合结构却是完全相同的。下面的部分将逐一介绍现代人工耳蜗中的语音信号处理器,电极,遥测采集,以及调试系统。

人工耳蜗的发展

人工耳蜗研究现在已经发展成熟并逐渐形成一个新的科研领域。 图2分别展示了从MEDLINE数据库中可以搜索到的人工耳蜗和助听器这两个术语相关的年文章发表数目。在2004年1月27日,数据库中共找到2,699篇与人工耳蜗相关的文章。相比之下,“助听器”可以找到共2,740个条目,而“听觉的”则有58,551个条目。年论文数目的指数性上升趋势,侧面反映了人工耳蜗用户的增长态势,而且更反映了对研究人工耳蜗所投入的经费的增长情况。助听器的研究明显早起步于人工耳蜗,19世纪60年代初期到70年代中期之间,每年近10-20篇的论文发表证明了这一点。助听器类的文章数目在1970年代中期以后开始有了大的飞跃,一直增长到现今年100篇左右的水平。而相比之下,人工耳蜗的相关文章从1972年开始才出现在数据库中,最早的文章是关于内耳植入电极的动物体研究(Haowitz et al., 1972)。第一个人体研究则是由Dr. William House发表于1974年(House, 1974)。人工耳蜗类的文章从1990年开始呈现指数性上涨,并在90年代中期超过了助听器的文献数目,在2000年达到了年250篇文章的最高峰。在2000年之前的这个振荡态势恰巧与两年一次的可植入听力辅助系统大会的年次相吻合,这可能反映了研究者有意或无意地努力在权威会议上展示他们的工作成果。

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