多道程控人工耳蜗医学和工程的研究
作者：王正敏 迟放鲁 江晔 沈义虎 范宝华 李留英
单位：200031 王正敏、迟放鲁、江晔 海医科大学眼耳鼻喉科医院耳鼻喉科 王正敏、沈义虎、范宝华、李留英 卫生部听觉医学重点实验室
关键词：耳蜗植入；植入术；可程控言语处理；耳聋；治疗
上海医学990910 【摘要】 目的 观察语后聋患者植入多道程控人工耳蜗(SPCI型)的疗效，使双耳全聋患者部分恢复听力和提高语音识别能力。方法 检测植入多道程控人工耳蜗语后聋的听阈和语音识别力。结果 3例植入SPCI的患者随访1～2年余，能正确分辨各种环境声，能分清元音、辅音，对音调(四声)有分辨能力。能完全分辨闭组词、句，开放组词为30%～34%，开放组句为45%～56%。结论 SPCI型多道程控人工耳蜗能部分恢复全聋患者的听力和言语交流能力。
Medical and engineering research of multiple channel programmed cochlea
, 百拇医药
WANG Zhengmin, CHI Fanglu, JIANG Yi, et al.
Dept. of Otolaryngology, EENT Hospital, Shanghai Medical University, Shanghai 200031
【Abstract】 Objective To evaluate the efficacy of implantation of multiple-channel programmed cochlea (SPCI) in postlingual deafness patients, and also to detect the partially recovered hearing acuity and ameliorated phonation identification capability of bilateral profound deafness patients. Methods Measuring hearing thresholds and speech identification capability of postlingual deafness patients after implantation of multiple channel programmed cochlea.Results 3 patients implanted with SPCI were followed-up for 1～2years, and they could distinguish various ambient sounds correctly and were capable of differentiating vowels, consonants and four Chinese tones as well as closed words. Open words and phrases could be identified in 30%～40%, and open sentences in 45%～56%. Conclusion SPCI multiple-channel programmed cochlea can partially recover hearing acuity and speech communicative ability for those profound deafness patients.(Shanghai Med J,1999,22:543-545)
, 百拇医药
【Key words】 Cochlear implantation Implantation Programmable speech treatment Hearing loss Therapy
听力受损一般根据原因不同分为两大类型：一类为传导性听力损失，表现为由外耳道至耳蜗毛细胞处的途径受阻，可通过使用助听装置和手术解决。另一类为神经性听力损失，表现为耳蜗听毛细胞或突触受损，这类疾病是由于转换声能产生神经冲动的机制遭破坏，故助听装置对其无作用，只有通过直接刺激听觉神经才能使其功能部分恢复。对于全耳聋患者来说，尽管他们的耳蜗的正常生理功能已经丧失，但大多数患者的听神经没有完全损伤。人工耳蜗就是模仿听觉外周神经机制，对残留听觉神经进行电刺激，使患者恢复听觉，并在一定程度上具备语音识别能力。
可以把耳蜗看作一堆滤波器，每个滤波器代表基膜一个位置的音位，各有其特定的带通，通过的频率称特征频率，即滤去高于或低于此带通的频率域。言语信息实际上是由听滤波器集合活动所组成。所以，耳蜗具有位置编码的频率分析机制。
, http://www.100md.com
强度是以各滤波器内有多少被激起神经单位来编码。时信息量以各滤波器输出的峰点连接成的波动线，为耳蜗的时间编码。为了高效地提取语谱信息，需要足够数目的滤波器，而且这许多滤波器的输出要组合好。
至于感音神经性听力丧失不仅是听阈提高，还减少听滤波器数量和带宽。利用多道人工耳蜗可补充失去的听滤波器。通道数过多会减少配给每一通道刺激数，通道数过少会使位置数不足，故都将降低区分语频能力。单道人工耳蜗不能分域刺激神经元，也难以形成波动线，不能重现耳蜗音位性。所以单道人工耳蜗不具备达到言语认知水平的功能。
为此，我们自行研制多道并能实施信息程序控制的人工耳蜗，定型为 SPCI16通道为SPCI(A)，24通道为 SPCI(B)。
材料和方法
一、SPCI型多道程控人工耳蜗工程
, 百拇医药
多道程控人工耳蜗是一种小型化的能量和数据传递，无需经皮转接，通过耦合感应分设内、外二部的装置。内装置经生物相容性处理可植入体内。植入本多道程控人工耳蜗的目的是提高听力损失患者的识别语音和语言沟通能力。
依据耳蜗螺旋神经节不同部位神经元对声音频率响应不同的特点，采用共振峰和高频信息刺激的形式，向耳蜗内的各道电极一遍一遍地发送，不断重复，如扫描一般，使每个电极只在每个瞬间出现一个位置的刺激，而在一足够短的时间段可视为多个位置同时受刺激。从而使各道电极所响应频率能覆盖整个语音频带，而又不发生两个电场的相互干扰。
本设计的多道人工耳蜗，由接收话筒、语音处理器、耦合器、接收刺激器与电极束极阵构成。其中接收话筒、语音处理器为外部装置；接收刺激器和电极束为内部装置埋于耳蜗内。语音处理器由AGC的前置放大器、高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器、F/V转换器、比较器等部分经电路连接组成。语音处理器一端连接话筒，一端与耦合器中的发射线圈连接，其功能是通过话筒接收外界语音信号，经过语音处理器的处理，将语音信号特征发送到发射线圈。
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耦合器由发射线圈和接收线圈通过磁场形式进行固定，发射线圈后部连接N端磁铁耦合固定架，接收线圈连接S端磁铁。外部装置发射的信号通过磁场耦合的方式传入内装置，载波频率为2MHz。与刺激器连接的接收线圈具有两个功能：1.通过耦合能接收发射线圈发出的高频脉冲信号，并使其具有22～30V的脉冲幅度；2、将接收器的高频脉冲信号经整流后产生9～11V的直流电压，作为内装置中电路的供电电压和刺激电极的能源。
接收刺激器由检波电路、整流电路、解码电路、驱动电路连接而成，与16～24个电极相对应，采用16～24道通用的结构形式，元器件及集成电路块设置在陶瓷基板上，并封装于钛合金盒内，盒外留有多股铂金丝绕制成环形接收线圈。
16～24道铂金丝制成的电极束作为内装置的一部分，即输出部分，其均匀分布在耳蜗内，每根电极由铂金丝和铂金电极环构成。铂金丝直径为50～60μm，一端与铂金电极环相连，另一端与内装置中接收刺激器的集成电路的一个输出脚相连，其表面镀上2～5μm的具有良好生物相容性的PVD干涂料绝缘层。
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16～24道铂金丝及16～24只电极环制成一股电缆，外层镀上生物硅橡胶，其直径小于0.7mm，其前端呈纺锤形，电极环的直径是从顶部的0.4mm到底部的0.7mm逐渐增大，呈光滑细长圆锥体。
本设计经技术测量，证实刺激电流在安全范围内(1.5mA以下，编程时限制在0.5～0.8mA)，电流刺激的强度可自动调节，对患者听阈和最大舒适阈可进行程序编码控制。
二、植入手术
(一) 皮肤切口在耳后区，切口避开接收刺激器植入区。切口呈弧线，切开后皮瓣血循环不受影响，不会有血供不足导致的皮瓣坏死。
(二) 取乳突后鼓室联合入路，经圆窗前缘鼓岬壁作直径为1.0mm小窗将电极串送入鼓阶。
(三) 用自身筋膜一小片封闭岬壁微窗，阻断外淋巴漏，防止迷路感染。
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(四) 细心操作，严禁面神经、鼓膜、脑膜和静脉窦等重要结构和组织的损伤，防止各种可能发生的并发症。
(五) 接收刺激器必须纳入井样颅骨骨槽，井底可浮动，以便接收刺激器深植，并用钛板压住，使其表皮面外观基本平复。
三、植后人体电脑信息编程
由于患者存在个体差异，植入多道程控耳蜗后需根据实际情况用作用分析系统对语音处理器进行信息处理。
(一) 由于麦克风和语音处理器中各个电子元器件的制造公差规格不同，因而患者在使用前需进行灵敏度校准。
(二) 采用主客观相结合的方法来设定患者耳蜗内各电极的阈值和舒适阈。
(三) 视患者的年龄和所需刺激电流大小来确定电极极阵的刺激模式。
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(四) 为了给患者以舒适的刺激，提高音质和逼真度，在各作用电极的阈值和舒适阈确定后需行极间响度平衡。
(五) 通过改变基数电平和Q值的大小使得患者能充分适应不同背景噪声下的工作和生活环境。
结果
现报告已观察1～2年的3例报告。
(一) 男性，28岁。幼时患“脑膜炎”致双耳听力消失，雷鸣、鞭炮均不能听到，并有间断发作的双耳耳鸣。能言语，部分语音失真。局部和影象学检查无异常发现。电测听各频率100dB声强不能测出听阈，听性脑干反应120dB消失。助听器最大功率输出不能听到声音。鼓岬电刺激试验各频率(50、100、200、400、800、1600Hz)均能测出听阈和最大可受阈。于1996年11月全身麻醉下，用SPCI(B)向鼓阶内送入24只电极，术后切口愈合佳，术后2周作电脑编程16只电极有听觉反应。
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术后10天用分析系统选定作用图型(定位谱，Mapping)。于半年内选设4次，每次都示植入蜗内的电极极阵能正常稳定工作。与言语处理器发射线圈耦合，患者感有明显声音感觉，能正确分辨各种环境声，能分清元音、辅音，对语调(四声)有分辨能力。言语跟踪试验起始尚不能，经4次选设，结合唇读，有明显提高。术后无任何并发症。随访2年余情况良好。
(二) 女，62岁。右耳听力逐渐减退35年，10年前左耳突聋，现已不能听到大声。电测听示双耳100dB无听反应。无耳毒药物、耳外伤或感染病史，能言语，略有失真。术前局部及影象学无异常发现，用高功率助听器仅能勉强听到。术前电鼓岬刺激检验有听反应。于1998年作右耳SPCI(A)多道程控人工耳蜗植入手术，可插入全部电极，术后切口愈合佳。术后电脑编程，有听反应电极为16只。经5次调试及多次听觉康复指导，能完全分辨闭组词、句，开放组词为30%，开放组句为45%，能明确辨别环境声。
(三) 男，22岁，双耳听力减退15年，后12年几乎已不能听到大声，称3岁时得过‘脑膜炎’，但不能明确肯定。术前耳局部及影象学检查无异常。电测听示双耳100dB无听觉反应。助听器不能听到大声。术前电鼓岬刺激试验有听反应。于1998年6月右耳植入SPCI(A)型多道程控人工耳蜗，手术顺利，术中可植入全部电极。术后切口愈合佳。编程时有14只电极有听反应。经2次调试及数次听觉康复指导，能完全辨别闭组词、句，开放组词为34%，开放组句为56%，能明确分辨环境声。
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讨论
一、SPCI型人工耳蜗的电路设计满足输入蜗内信号可程控和自由配置蜗内音位的要求，极大程度地复制耳蜗的时间编码和位置编码原理(简称时空编码)，启动螺旋神经节诸神经元的活动，再现听系脑干诸核至皮层的生理活动。
二、SPCI型人工耳蜗的接收刺激器采用精密的微件工程、工艺水平能保证人体安全植入和信号的高效传送。它的高生物相容性和能按预期实施原理为3例人体植入的临床效果所验证。在长达1～2年观察期，它保持正常运转。表明安全、长效和可靠等指标的目的已经达到。
三、SPCI型人工耳蜗植入手术的技术与笔者先前研制的“感应式”和“脉冲式”单道人工耳蜗植入的技术基本相同。在考虑到SPCI结构复杂、植后的防护要求高，在手术植入方面发明容纳接收刺激器槽底浮动再造术，取得深植、隐匿、稳定和美容的效果。
四、SPCI型人工耳蜗是高科技听觉医学和工程学相结合的产物。在设计和工艺方面得到国内多方面的帮助，在研究基金和科研条件方面部、市、校领导给予很大的支持。说明这是一项国家重视多学科的系列医学工程。
五、SPCI型人工耳蜗植入成功，表明我国许多残废级听力言语障碍患者可进入言语信息社会，以人类最简捷、最具体而又最抽象的信息交流手段(听觉和言语)复原他们的生活和工作功能。听觉和言语康复是综合学科，我国自行研制和生产的多道程控耳蜗将为我国听觉医学和言语医学的发展起推动作用。
(收稿：1999-03-08), http://www.100md.com
单位：200031 王正敏、迟放鲁、江晔 海医科大学眼耳鼻喉科医院耳鼻喉科 王正敏、沈义虎、范宝华、李留英 卫生部听觉医学重点实验室
关键词：耳蜗植入；植入术；可程控言语处理；耳聋；治疗
上海医学990910 【摘要】 目的 观察语后聋患者植入多道程控人工耳蜗(SPCI型)的疗效，使双耳全聋患者部分恢复听力和提高语音识别能力。方法 检测植入多道程控人工耳蜗语后聋的听阈和语音识别力。结果 3例植入SPCI的患者随访1～2年余，能正确分辨各种环境声，能分清元音、辅音，对音调(四声)有分辨能力。能完全分辨闭组词、句，开放组词为30%～34%，开放组句为45%～56%。结论 SPCI型多道程控人工耳蜗能部分恢复全聋患者的听力和言语交流能力。
Medical and engineering research of multiple channel programmed cochlea
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WANG Zhengmin, CHI Fanglu, JIANG Yi, et al.
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【Abstract】 Objective To evaluate the efficacy of implantation of multiple-channel programmed cochlea (SPCI) in postlingual deafness patients, and also to detect the partially recovered hearing acuity and ameliorated phonation identification capability of bilateral profound deafness patients. Methods Measuring hearing thresholds and speech identification capability of postlingual deafness patients after implantation of multiple channel programmed cochlea.Results 3 patients implanted with SPCI were followed-up for 1～2years, and they could distinguish various ambient sounds correctly and were capable of differentiating vowels, consonants and four Chinese tones as well as closed words. Open words and phrases could be identified in 30%～40%, and open sentences in 45%～56%. Conclusion SPCI multiple-channel programmed cochlea can partially recover hearing acuity and speech communicative ability for those profound deafness patients.(Shanghai Med J,1999,22:543-545)
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【Key words】 Cochlear implantation Implantation Programmable speech treatment Hearing loss Therapy
听力受损一般根据原因不同分为两大类型：一类为传导性听力损失，表现为由外耳道至耳蜗毛细胞处的途径受阻，可通过使用助听装置和手术解决。另一类为神经性听力损失，表现为耳蜗听毛细胞或突触受损，这类疾病是由于转换声能产生神经冲动的机制遭破坏，故助听装置对其无作用，只有通过直接刺激听觉神经才能使其功能部分恢复。对于全耳聋患者来说，尽管他们的耳蜗的正常生理功能已经丧失，但大多数患者的听神经没有完全损伤。人工耳蜗就是模仿听觉外周神经机制，对残留听觉神经进行电刺激，使患者恢复听觉，并在一定程度上具备语音识别能力。
可以把耳蜗看作一堆滤波器，每个滤波器代表基膜一个位置的音位，各有其特定的带通，通过的频率称特征频率，即滤去高于或低于此带通的频率域。言语信息实际上是由听滤波器集合活动所组成。所以，耳蜗具有位置编码的频率分析机制。
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强度是以各滤波器内有多少被激起神经单位来编码。时信息量以各滤波器输出的峰点连接成的波动线，为耳蜗的时间编码。为了高效地提取语谱信息，需要足够数目的滤波器，而且这许多滤波器的输出要组合好。
至于感音神经性听力丧失不仅是听阈提高，还减少听滤波器数量和带宽。利用多道人工耳蜗可补充失去的听滤波器。通道数过多会减少配给每一通道刺激数，通道数过少会使位置数不足，故都将降低区分语频能力。单道人工耳蜗不能分域刺激神经元，也难以形成波动线，不能重现耳蜗音位性。所以单道人工耳蜗不具备达到言语认知水平的功能。
为此，我们自行研制多道并能实施信息程序控制的人工耳蜗，定型为 SPCI16通道为SPCI(A)，24通道为 SPCI(B)。
材料和方法
一、SPCI型多道程控人工耳蜗工程
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多道程控人工耳蜗是一种小型化的能量和数据传递，无需经皮转接，通过耦合感应分设内、外二部的装置。内装置经生物相容性处理可植入体内。植入本多道程控人工耳蜗的目的是提高听力损失患者的识别语音和语言沟通能力。
依据耳蜗螺旋神经节不同部位神经元对声音频率响应不同的特点，采用共振峰和高频信息刺激的形式，向耳蜗内的各道电极一遍一遍地发送，不断重复，如扫描一般，使每个电极只在每个瞬间出现一个位置的刺激，而在一足够短的时间段可视为多个位置同时受刺激。从而使各道电极所响应频率能覆盖整个语音频带，而又不发生两个电场的相互干扰。
本设计的多道人工耳蜗，由接收话筒、语音处理器、耦合器、接收刺激器与电极束极阵构成。其中接收话筒、语音处理器为外部装置；接收刺激器和电极束为内部装置埋于耳蜗内。语音处理器由AGC的前置放大器、高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器、F/V转换器、比较器等部分经电路连接组成。语音处理器一端连接话筒，一端与耦合器中的发射线圈连接，其功能是通过话筒接收外界语音信号，经过语音处理器的处理，将语音信号特征发送到发射线圈。
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耦合器由发射线圈和接收线圈通过磁场形式进行固定，发射线圈后部连接N端磁铁耦合固定架，接收线圈连接S端磁铁。外部装置发射的信号通过磁场耦合的方式传入内装置，载波频率为2MHz。与刺激器连接的接收线圈具有两个功能：1.通过耦合能接收发射线圈发出的高频脉冲信号，并使其具有22～30V的脉冲幅度；2、将接收器的高频脉冲信号经整流后产生9～11V的直流电压，作为内装置中电路的供电电压和刺激电极的能源。
接收刺激器由检波电路、整流电路、解码电路、驱动电路连接而成，与16～24个电极相对应，采用16～24道通用的结构形式，元器件及集成电路块设置在陶瓷基板上，并封装于钛合金盒内，盒外留有多股铂金丝绕制成环形接收线圈。
16～24道铂金丝制成的电极束作为内装置的一部分，即输出部分，其均匀分布在耳蜗内，每根电极由铂金丝和铂金电极环构成。铂金丝直径为50～60μm，一端与铂金电极环相连，另一端与内装置中接收刺激器的集成电路的一个输出脚相连，其表面镀上2～5μm的具有良好生物相容性的PVD干涂料绝缘层。
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16～24道铂金丝及16～24只电极环制成一股电缆，外层镀上生物硅橡胶，其直径小于0.7mm，其前端呈纺锤形，电极环的直径是从顶部的0.4mm到底部的0.7mm逐渐增大，呈光滑细长圆锥体。
本设计经技术测量，证实刺激电流在安全范围内(1.5mA以下，编程时限制在0.5～0.8mA)，电流刺激的强度可自动调节，对患者听阈和最大舒适阈可进行程序编码控制。
二、植入手术
(一) 皮肤切口在耳后区，切口避开接收刺激器植入区。切口呈弧线，切开后皮瓣血循环不受影响，不会有血供不足导致的皮瓣坏死。
(二) 取乳突后鼓室联合入路，经圆窗前缘鼓岬壁作直径为1.0mm小窗将电极串送入鼓阶。
(三) 用自身筋膜一小片封闭岬壁微窗，阻断外淋巴漏，防止迷路感染。
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(四) 细心操作，严禁面神经、鼓膜、脑膜和静脉窦等重要结构和组织的损伤，防止各种可能发生的并发症。
(五) 接收刺激器必须纳入井样颅骨骨槽，井底可浮动，以便接收刺激器深植，并用钛板压住，使其表皮面外观基本平复。
三、植后人体电脑信息编程
由于患者存在个体差异，植入多道程控耳蜗后需根据实际情况用作用分析系统对语音处理器进行信息处理。
(一) 由于麦克风和语音处理器中各个电子元器件的制造公差规格不同，因而患者在使用前需进行灵敏度校准。
(二) 采用主客观相结合的方法来设定患者耳蜗内各电极的阈值和舒适阈。
(三) 视患者的年龄和所需刺激电流大小来确定电极极阵的刺激模式。
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(四) 为了给患者以舒适的刺激，提高音质和逼真度，在各作用电极的阈值和舒适阈确定后需行极间响度平衡。
(五) 通过改变基数电平和Q值的大小使得患者能充分适应不同背景噪声下的工作和生活环境。
结果
现报告已观察1～2年的3例报告。
(一) 男性，28岁。幼时患“脑膜炎”致双耳听力消失，雷鸣、鞭炮均不能听到，并有间断发作的双耳耳鸣。能言语，部分语音失真。局部和影象学检查无异常发现。电测听各频率100dB声强不能测出听阈，听性脑干反应120dB消失。助听器最大功率输出不能听到声音。鼓岬电刺激试验各频率(50、100、200、400、800、1600Hz)均能测出听阈和最大可受阈。于1996年11月全身麻醉下，用SPCI(B)向鼓阶内送入24只电极，术后切口愈合佳，术后2周作电脑编程16只电极有听觉反应。
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(二) 女，62岁。右耳听力逐渐减退35年，10年前左耳突聋，现已不能听到大声。电测听示双耳100dB无听反应。无耳毒药物、耳外伤或感染病史，能言语，略有失真。术前局部及影象学无异常发现，用高功率助听器仅能勉强听到。术前电鼓岬刺激检验有听反应。于1998年作右耳SPCI(A)多道程控人工耳蜗植入手术，可插入全部电极，术后切口愈合佳。术后电脑编程，有听反应电极为16只。经5次调试及多次听觉康复指导，能完全分辨闭组词、句，开放组词为30%，开放组句为45%，能明确辨别环境声。
(三) 男，22岁，双耳听力减退15年，后12年几乎已不能听到大声，称3岁时得过‘脑膜炎’，但不能明确肯定。术前耳局部及影象学检查无异常。电测听示双耳100dB无听觉反应。助听器不能听到大声。术前电鼓岬刺激试验有听反应。于1998年6月右耳植入SPCI(A)型多道程控人工耳蜗，手术顺利，术中可植入全部电极。术后切口愈合佳。编程时有14只电极有听反应。经2次调试及数次听觉康复指导，能完全辨别闭组词、句，开放组词为34%，开放组句为56%，能明确分辨环境声。
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讨论
一、SPCI型人工耳蜗的电路设计满足输入蜗内信号可程控和自由配置蜗内音位的要求，极大程度地复制耳蜗的时间编码和位置编码原理(简称时空编码)，启动螺旋神经节诸神经元的活动，再现听系脑干诸核至皮层的生理活动。
二、SPCI型人工耳蜗的接收刺激器采用精密的微件工程、工艺水平能保证人体安全植入和信号的高效传送。它的高生物相容性和能按预期实施原理为3例人体植入的临床效果所验证。在长达1～2年观察期，它保持正常运转。表明安全、长效和可靠等指标的目的已经达到。
三、SPCI型人工耳蜗植入手术的技术与笔者先前研制的“感应式”和“脉冲式”单道人工耳蜗植入的技术基本相同。在考虑到SPCI结构复杂、植后的防护要求高，在手术植入方面发明容纳接收刺激器槽底浮动再造术，取得深植、隐匿、稳定和美容的效果。
四、SPCI型人工耳蜗是高科技听觉医学和工程学相结合的产物。在设计和工艺方面得到国内多方面的帮助，在研究基金和科研条件方面部、市、校领导给予很大的支持。说明这是一项国家重视多学科的系列医学工程。
五、SPCI型人工耳蜗植入成功，表明我国许多残废级听力言语障碍患者可进入言语信息社会，以人类最简捷、最具体而又最抽象的信息交流手段(听觉和言语)复原他们的生活和工作功能。听觉和言语康复是综合学科，我国自行研制和生产的多道程控耳蜗将为我国听觉医学和言语医学的发展起推动作用。
(收稿：1999-03-08), http://www.100md.com