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1、人工听觉现状与展望文熙韬一、自然听觉系统回顾人的自然听觉系统分为接受声音的耳，传导神经信号的神经通路和处理听觉 信息的皮层听觉。其中，耳又分为外耳、中耳和内耳。环境中的声音通过外耳和 中耳的传导，到达内耳的耳蜗，在这儿被转换成神经冲动信号。 耳蜗是位于内耳 的一个蜗牛状器官，它通过由三块听小骨驱动的内组织液震动引起基底膜上相应 位置共振，从而引发相应的毛细胞相对运动产生神经冲动。神经冲动通过神经通路上行至皮层听觉中枢，在初级听觉皮层和听觉联合皮层的共同作用下转化为听 知觉，被意识所感知。人类的自然听觉系统十分灵敏，不仅能够感知到频率范围宽达20Hz20kHz的声音，而且频率分辨率也十分优秀，在
2、 100Hz的频率下辨差阈仅为12Hz。 自然听觉的响度感受范围也相当的宽， 从0db到120db都能被正常感知。不仅如 此，人耳还能对声音的很多高级特征做出精确感知。比如音色感知，我们能够轻易的在嘈杂环境中辨别出不同的人声、乐器声、环境声等等。再比如声音定位， 人耳能够利用双耳时间差线索(ITD)与双耳响度差线索(ILD)知觉到声源的方 向角，再加上耳廓产生的频谱性质和声音的绝对响度线索，我们能定位出声源的大概位置1。人类听觉之所以能够这么灵敏，很大程度上在于听觉神经系统特殊的编码策略。我们已知的听觉神经的频率编码方式大概有以下三种：频率拓扑结构(tonotopics )，同步跟随方式(ph
3、ase-locking )，发放率编码方式(firing-rate monotonic) 2。频率拓扑结构是指不同频率声音引发不同位置神经元的发放， 而相邻的神经元编码相似的频率信息。同步跟随是指一些神经元的发放有这样的 特征，它们总在锁定在声音特定的相位发放，从而它们的发放频率和声音的频率相同。这些神经元的发放频率正好就编码了声音的频率信息。发放率编码方式最近才被科学家所发现，这种方式广泛存在于高级中枢如大脑皮层。发放率编码指的是这些神经元，它们的发放频率同声音刺激的频率呈稳定的单调相关关系，通过发放率就能知道声音刺激的频率。 在这些编码方式中，频率拓扑结构编码方式 的研究已经被应用于人工耳
4、蜗的设计之中，而另外两种编码方式的奥秘还没有被 完全揭开。研究和认识听觉系统的编码方式对开发新的耳聋治疗装置与技术有着 十分重要的意义。二、人工听觉装置中国有2004万不同程度的听力残障人士，听力的障碍让他们不能准确感知 声音，不能有效地与正常人进行言语交流。听觉系统疾病很难治愈，这是听觉神经系统的复杂性所致。人工听力装置为他们提供了一个重获听觉的机会。人工听觉装置主要分为两大类：电子放大助听装置与人工听神经刺激装置。电子放大助听装置的代表产品是助听器，其基本思想是通过放大所接受到的 声音信号使耳聋病人更好地听到声音。现在市场上的助听器主要分为耳内型（ I TE、耳道型（ITC）、迷你耳道型（
5、MITQ、隐形深耳道型（CIC）。但无论哪 一种类型的助听器都不能适宜受损的听觉系统恢复正常。它只是把声音扩大，使耳聋病人易于听取。在近10年里，又有许多新型的电子放大助听装置问世3，如骨锚式助听器 （BAHA与人工中耳（ME）。骨锚式助听器利用植入乳突骨内的钛螺钉，将声 音直接由骨导进入内耳4。它适应于双侧先天耳道闭锁和慢性化脓性中耳炎患 者。人工中耳装置则将振动器定位在听小骨之一的砧骨上，直接通过耳蜗窗向内耳传递能量。这两项技术尚处于临床试验阶段，技术手段尚不成熟。人工听神经刺激装置以人工耳蜗（Cochlear Impla nt, CI ）为代表。它的主 要功能在于替代失去功能的耳蜗，通过
6、电子装置直接刺激听神经，从而产生听觉。 在CI装置中，一系列刺激电极成阵列状镶嵌在硅胶芯上，随硅胶芯一起插入到 耳蜗里。外部的麦克风接收到声音后，首先经过言语处理器的分析处理，变成个频段的调制信号。这些信号被发送到电极阵列，这些电极利用基底膜的频率拓扑 结构关系，产生电脉冲刺激相应的频率区域，使人产生听觉知觉。目前，人工耳 蜗已经成为比较成熟的人工听觉技术。在人工耳蜗的工作路径上，言语处理器的信号编码对植入患者的言语理解起 着至关重要的作用。目前普遍采用的人工耳蜗语音处理策略是CIS（continuousin terleaved sampli ng）算法。但是，CIS核心的编码策略是针对印欧语
7、系特别是英语母语患者研究开发的，并不完全适应汉语母语的患者。已有研究报告表 明，母语为汉语的人工耳蜗植入者的言语识别率不及英语和德语国家的人工耳蜗植入者。而且人工耳蜗植入者对汉语声调的识别普遍较差。我校信息科学中 心听觉组的吴玺宏教授、迟惠生教授和心理系的李量教授尝试了在 CIS算法中引 入声音精细结构信息，提出了“准锁相刺激” （ simulated phase-locki ng sti mulation，SPLS 人工耳蜗语音处理策略 。与CIS算法相比，SPLS算法进 行了三点改进：在分带滤波阶段，运用零相位失真滤波器以保持原始语音的相位 信息不失真；在提取语音包络信息的同时，通过过零检
8、测进行相位信息的提取； 在刺激发放阶段，电脉冲刺激只在过零时刻发放。实验结果表明与CIS算法相比，SPLS处理过的语音能够较好的保持汉语声调信息。对于部分重度聋患者，由于其听神经的缺失或损伤，通过人工耳蜗对内耳进 行电刺激是无效的。于是，一种听性脑干植入式（ABI）听力代偿装置孕育而生。 这种装置的工作原理与人工耳蜗相似，不过它将刺激点移到了脑干的听觉处理核 团。但由于脑干处神经传导的信号编码方式比耳蜗更加复杂，而我们的了解又相对有限，所以现有技术的ABI植入者对频率的分辨率还非常差。 不过，随着神经 编码策略研究的深入，脑干植入技术将会有很好的发展前景。三、进一步讨论至怕前为止，各种人工听觉
9、装置都有着各自的优势，又都有自己的局限。相 比之下，人工耳蜗是这些技术中较为成熟而又最为有效的方式。目前，人工耳蜗植入术在我国发展很快。接受耳蜗植入的聋人特别是儿童正快速增加。但由于人 工耳蜗不能很好还原低频音调信息，我国的耳蜗植入者恢复水平普遍低于英语国 家。与音调信息密切相关的低频声音信号（20Hz100HZ很难通过人工耳蜗传 递给患者，但我们可以通过其他感官将此信息送达。 我们都有经验，伴随着面部 表情和动作的语音更容易被理解， 这就是视觉听觉整合的例子。类似地，人的各 种感官信息在皮层都有整合作用。有研究表明，耳蜗植入者的多感官整合能力强 于正常听人7。那我们可否将音调信号通过触觉来传
10、递给大脑呢？信息科学中 心听觉研究室黄娟老师正在设计这样一个实验。她设想让植入者佩戴这样一个装 置，它同人工耳蜗同步工作，将人工耳蜗接受到的声音信号过滤掉高频部分后， 通过配戴在指尖刺激器同步“播放”给植入者。她预计，通过一段时间的训练后， 植入者将能够把指尖的刺激信号与听觉信号整合，从而获得更好的音调知觉。如 果能够获得成功，那这个装置将能改善音调语言国家耳蜗植入者的恢复水平。四、现状与展望人工听觉装置的确能在很大程度上帮助聋人获得对声音的感知。轻度听力残障人士在助听器的帮助下就能够获得和正常听觉人的言语交流能力。语后致聋患者在耳蜗植入之后，几乎立即就能获得正常听力。而语前致聋儿童在耳蜗植入
11、后 半年到一年之后，多数都能够进入普通学校正常学习。但聋人的听力恢复并不是一件纯技术的工作，它还需要来自聋人社群的支持 和配合。在美国，在聋人社群中存在着广泛的“聋人文化”。很多“聋人文化” 倡导者十分排斥人工耳蜗植入技术。他们认为耳聋并不是一种缺陷性疾病，而是上帝赋予的，是与生俱来的。Lane和Bahan( 1998)还宣称：人工耳蜗的发展和 应用破坏了 “聋人文化”的生存，其结果引起了聋人世界的不安。他们虽然承认， 通过外科手术为聋孩子植入人工耳蜗并没有破坏“聋人文化”的意图，但却假想 认为“通过合理的预见可以看出，在没有特殊动机的情况下，可以形成一个进行 种族灭绝的普遍动机。”从技术角度
12、讲，人工听觉装置的发展依赖于神经科学，特别是系统神经科学 的发展。只有在我们更清楚的了解听觉神经系统是如何传递、处理信息之后，我们才有可能设计出更好的听力代偿装置，来帮助聋人重获听力。不过在目前，我们还有很多可以做的工作。比如设计更好的人工耳蜗编码算法，帮助音调语言国 家的聋人更好的利用人工耳蜗。再比如设计更廉价的人工耳蜗，使得更多的聋人 能够有机会重获听觉。1 Bear M. F.(1996) Neuroscienee: Exploring the Brain, Williams & WiIki ns2 Bendor D., Wang X.(2007) Differential neural
13、 coding of acoustic flutter within pri mate auditory cortex, Nature Neuroscienee3 杨伟炎,郗昕,翼飞,韩东一 .(2003)人工听觉装置.中国听力语言康复科学杂志.200 3/14 张倩，高下.(2006)骨锚式助听器 中国临床康复.2006/10/375 Ze ng FG. Cochlear Impla nts in Chi na. Audiology, 1995, 34: 61-75.6 Wu Xi-hong, Li Liang, Chi Hui-sheng(2007). The auditory perce
14、ption differences between Chinese and English and a new coding strategy of cochlear implants for C hinese. Chinese Scientific Journal of Hearing and Speech Rehabilitation7 Doucet M. E., Bergeron F., Lassonde M., Ferron P., Lepore F.(2006). Cross-mod al Reorganization and Speech Perception in Cochlear Implant Users. Brain
