Trends in Cochlear Implant(CN)人工耳蜗的发展趋势Fan-Gang Zeng, John-Yuhan BaiHearing and Speech Research LabDepartment of Otolaryngology, Department of Biomedical EngineeringUniversity 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。

1.2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。

3MHouse1980Nucleus WSP 1982Nucleus WSP II 1985Nucleus MSP 1989Nucleus Spectra 1994Ineraid MIT 1992Ineraid RTI 1993Clarion C-I 1996Med-El Tempo 2002Med-El Combi 1996Nucleus 242002Clarion C-II 2001S e n t e n c e R e c o g n i t i o n (% c o r r e c t )0102030405060708090100图1 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。

图2 人工耳蜗的学术文献的增长2工程问题借着高科技发展之迅猛势头，尤其是近二十年来微电子领域的迅速发展，人工耳蜗已经经历了一个从模拟到数字，从单电极到多电极，从经皮穿插到通皮传输，从单一调制到复杂特征提取处理的技术演化过程。

下面将首先从系统层面来描述人工耳蜗的硬件，然后介绍各个组成部分，最后介绍对人工耳蜗性能有着至关重要作用的配套软件部分。

2.1系统设计在一个正常的听觉过程中，声波从外耳经由中耳到达耳蜗，在那里声信号被转换成电脉冲并传向大脑。

大多数的严重听力损伤病例都有耳蜗声电转换功能损坏这一问题存在。

人工耳蜗恰恰是跨越了这一个自然转换过程，而直接用电脉冲来刺激听觉神经。

所以，人工耳蜗起到了模拟和替代从外耳到内耳的整体听觉功能的作用。

图3 人工耳蜗的工程设计模型图3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。