电子耳如何重现听力的世界?人工耳蜗的设计原理

Sep25

电子耳如何重现听力的世界?人工耳蜗的设计原理  以下文字资料是由(历史新知网www.lishixinzhi.com)小编为大家搜集整理后发布的内容,让我们赶快一起来看一下吧!

电子耳如何重现听力的世界?人工耳蜗的设计原理

电子耳就是人工耳蜗,属于第三级医疗器材,那什么样的族群会需要人工耳蜗呢?它究竟弥补了我们耳朵缺失的哪一项功能呢?一个人造的仪器,可以重现听损患者失去的世界?透过这篇文章,让我们简单的来了解人工耳蜗的基本设计。

人工耳蜗 — 透视图。 wikipedia

听力损伤最常见的种类

苏轼〈石钟山记〉提到:「事不目见耳闻而臆断其有焦,可乎?」我们在认识这个世界时,眼睛与耳朵几乎是同等的重要。

根据今年 3 月的 WHO 报告指出,目前全世界有 4 亿 6 千万的人口属于听力损伤(disabling hearing loss)患者,而到了 2050 年,听损人口的数字将来到 9 亿,这代表什么意思呢?代表你未来在生活周遭的人群中,每 10 个人里就有 1 个人是重听。

pixabay

但是听损的患者里,只有极小的比例是属于小耳症,也就是我们上一篇提到的骨导式助听器的主要适用族群。

绝大多数的患者,都是属于感音神经性听损的范畴,这些人主要配戴气导式助听器(一般市面上常见的助听器)即可。不过大家有没有想过,重度的感音神经性听损患者,也是配戴一般助听器就好了吗?答案可能跟你想的不一样,也是我们今天要来讨论的主题。

「感音神经性听损」是什么?

在谈到我们今天的主角之前,我们先来简单了解一下前述的感音神经性听损是什么?

造成听损、听障的原因有很多,长期处在噪音的环境下,或是经由疾病、药物,甚到老化、基因遗传……等等都有可能引发。如果从耳朵病变位置的角度切入,听损可以分成传导性听损(Conductive hearing loss)、感音神经性听损(Sensorineural Hearing Loss, SNHL)与混合型听损(Mixed Hearing Loss)三个方向。[参考资料:1, 2, 3]

听损类别 — 依病变位置分成 3 类。 转载自原文章。

其中,感音神经性听损又占最大的比例,成因是我们内耳里耳蜗的毛细胞受损,或是我们的听神经纤维功能异常,造成声音从内耳传递至大脑的路径受到影响。这样的患者,病情如果轻微戴上传统助听器就可以了,而如果病情严重的话,就可能会需要用到我们今天文章想要讨论的主题──人工耳蜗 (Cochlear Implant) ,才有办法听见声音。

人工耳蜗怎么运作?

人工耳蜗到底是什么?这里的「人工」是什么意思?跟我们常听到的人工皮、人工心脏、人工泪液的「人工」是一样的吗?── 其实是类似的,人工都是有一种辅助增强、或是取代我们身体原功能的意思。

人工耳蜗主要就是利用一条长长的电极,进到我们耳朵的最深处的──内耳,绕过毛细胞,施予电讯号直接 *** 听神经,来达到「帮助我们恢复听力的目的」。

耳蜗内植入电极示意图。图嵌入自/Advanced Bionics

生物+工程,人工耳蜗的设计原理

人工耳蜗 (Cochlear Implant) 的设计与改良,有很大一部分取决于电极与耳蜗听神经之间的 *** 关系,想要来探讨其中的奥秘,我们可以分别从「生物面」「工程面」的角度去切入。

1. 生物面:运用共振分辨频率的「内耳」

我们人听到声音这件事,其实机制是极其复杂的。内耳如何去处理声音里复杂的频率,扮演了很大的角色。试想,我们在一场音乐会里,为什么有办法同时听到不同的乐器,所发出的不同声调的声音呢?

简单来说,内耳分辨频率,是利用你我都耳熟能详的「共振」原理。初中曾学到,一个物体的自然频率如果与外力的频率接近或一致,那物体便会不由自主的摆动起来,且摆动的幅度非常大。最著名的案例有 Taa 吊桥倒塌事件,风的频率与吊桥的自然频率很不巧的达到一致;还有英国步兵过桥时由于步伐太过一致,造成的吊桥倒塌事件

而平常外界的声音从外耳传到中耳、内耳时,我们的镫骨(声音在中耳的终点)会开始不断敲击耳蜗的卵圆窗(声音在内耳的起点),并对耳蜗内的淋巴液产生扰动(行进波,Traveling Wave),从耳蜗的基部(Base)一路传递至耳蜗的顶部(Apex)。

然而,我们耳蜗不同部位的基底膜(Basilar membrane)对传递过来的行进波的反应都不太一样,高频的行进波,会引起耳蜗基部基底膜的共振;低频的行进波,会引起耳蜗顶部基底膜的共振。由此一来,我们可以理解,不同频率的声音,会引起耳蜗不同的地方产生大幅度的振动,这些振动,会再带动该部位的毛细胞摆动,进而 *** 听神经产生动作电位,传递至大脑。(更详细机制可参考此影片)

耳蜗内部基底膜对于不同音频的共振关系。 Jared E.〈Piezoelectric-Based, Self-Sustaining Artificial Cochlea〉

我们的耳蜗就是利用这样的方式,对不同频率的声音进行拆解,再借由听神经将拆解后的讯号传入大脑,使我们感受到了声音的高低起伏。

耳蜗不同部位的基底膜对不同的声音频率产生共振。

2. 工程面:以电 *** 器引发听神经作用

我们理解大脑是如何透过耳蜗感知到这么复杂的声音后,就可以开始从工程面去思考如何设计人工耳蜗的植入电极了。首先,因为重度感音神经性患者的耳蜗毛细胞受损,基底膜共振的时候就不能带动毛细胞摆动,引发该部位的听神经产生动作电位。

所以我们就需要有一根长长的电 *** 器取代毛细胞。它要能够根据不同声音的频率,去 *** 耳蜗不同部位的听神经,另外它也要是柔软的,能够沿着耳蜗的螺旋形状从基部一路延伸至顶部,而电 *** 器上的电极阵列也是一个重点,电极数越高,代表越高的频率解析度

电 *** 器放大图与在耳朵中的位置。 Paweł R.〈From cochlear implants to brain-puter interfaces〉

3. 讯号接收器:以麦克风接收外在声音转成神经讯号

讲完电 *** 器后,难道就讨论完人工耳蜗了吗?其实还是不够的,想让重度感音神经性患者恢复听力,人工耳蜗还需要其它物件。

除了电 *** 器外,我们还需要一个讯号接收器(Receiver),它的作用除了要可以接收来自体表的讯号发射器所发出的无线电波外,还要拥有基底膜的功能,可以从无线电波解码、分离出不同频率的声音讯息,之后再传给电 *** 器,进一步形成驱动电极的指令。

通常一个戴有人工耳蜗的听损患者,耳朵后方还会安装麦克风(Microphone)与语音处理器(Audio Processor)。麦克风就相当于人造的外耳,可以接收外界的声音,并经由语音处理器的滤波后,无线传递至皮下的讯号接收器,最后形成前述提到的 ──能够 *** 听神经的讯号。

图人工耳蜗系统示意图。 Centre for Hearing

以上就是我们对人工耳蜗简单的讨论,我们希望读者在阅读完这篇文章后,可以了解人工耳蜗几个重要的设计要点,与在人体中扮演的角色。

其实在设计每一项医材时,工程面与生物面的考虑都是十分重要的,如何让工程的装置符合我们人体构造的需求,同时借由仪器的 *** 让我们人体产生原有的知觉……等等,这些都是需要工程师与临床人员不断交流,细细去耕耘的。我们也希望可以借由这篇文章,让读者了解一项医材产品是如何因应临床需求而去设计,并且需要哪些水平知识的连结。

补充:若正在阅读文章的您正是电子耳使用者,或是您有认识配戴电子耳的亲朋好友,欢迎加入阳明大学神研所有关电子耳的研究,一同为了更优质的听知觉品质努力!详情可以参考:连结。

本文转载自 Unmet Needs 临床工程专栏《电子耳?人工耳蜗?助听器的世界可能远比你想像得还要复杂》。

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