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人工耳蜗

人工耳蜗

人工耳蜗（CI）是一种植入式电子装置，通过直接刺激耳蜗内电极上的听神经纤维，来替代听觉系统的机械部分。人工耳蜗的候选者是双耳严重至极度感音神经性听力损失且听觉神经系统功能正常的患者。它被失聪后失聪者用来恢复对言语和其他声音的一些理解能力，以及被失聪前失聪的儿童用来帮助他们获得口语技能。（新生儿和婴儿的听力损失诊断是使用耳声发射和/或记录听觉诱发电位。）最近的一个重要进展是使用双侧植入，使接受者能够进行基本的声源定位。

人工耳蜗的组成部分

植入物被手术放置在耳朵后面的皮肤下。该设备的基本组成部分包括

外部

• 麦克风，从环境中拾取声音
• 语音处理器，选择性地过滤声音以优先考虑可听见的语音，并将电声音号通过一根细线发送到发射器，
• 发射器，是一个由磁铁固定在耳后外部的线圈，通过电磁感应将处理后的声音信号传输到内部设备，

内部

人工耳蜗（左）、麦克风和信号处理器（中）、遥控器附件（右）

• 一个固定在皮肤下骨头上的接收器和刺激器，它将信号转换为电脉冲并通过一根内部电缆将它们发送到电极，
• 一个多达 24 个电极的阵列，绕着耳蜗，将脉冲发送到鼓阶中的神经，然后通过听觉神经系统直接发送到大脑

人工耳蜗的信号处理

在正常听力者中，语音信号的主要信息载体是包络，而对于音乐来说，它是精细结构。这对声调语言也很重要，比如普通话，其中词语的含义取决于它们的语调。研究还发现，编码在精细结构中的双耳时间延迟决定了声音来自哪里，而不是编码在包络中的双耳时间延迟，尽管仍然是编码在包络中的语音信号被感知。

人工耳蜗中的语音处理器将麦克风输入信号转换为一系列平行电极信号，这些信号最终到达耳蜗。这些信号之间最佳传递函数的算法仍然是活跃的研究领域。最早的人工耳蜗是单通道设备。原始声音经过带通滤波，只包含语音的频率范围，然后被调制到 16 kHz 的波形上，以允许电信号与神经进行电耦合。这种方法能够提供非常基础的听力，但非常有限，因为它完全无法利用耳蜗的频率位置图。

多通道植入物的出现为尝试多种不同的语音处理策略以促进听力打开了大门。这些策略可以粗略地分为波形策略和特征提取策略。

波形策略

这些策略通常涉及对声音应用非线性增益（因为具有约 30 dB 动态范围的输入音频信号必须被压缩成仅具有约 5 dB 动态范围的电信号），并将其通过并行滤波器组。第一个尝试的波形策略是压缩模拟方法。在这个系统中，原始音频首先用增益控制放大器进行滤波（增益控制降低了信号的动态范围）。然后信号通过并行带通滤波器，这些滤波器的输出继续在它们相应的位置刺激电极。

压缩模拟方法的一个问题是，相邻电极之间存在强烈的相互作用效应。如果两个滤波器驱动的电极恰好同时刺激，则叠加的刺激会导致来自这两个电极范围内的毛细胞的信号产生不必要的失真。解决这个问题的方法是连续交错采样方法 - 在这种方法中，相邻滤波器驱动的电极在略微不同的时间刺激。这消除了相邻电极之间的干扰效应，但引入了由于交错导致时间分辨率下降的问题。

连续交错采样 (CIS) 的示意图。处理（“Proc”）包括包络检测、幅度压缩、数字化和脉冲调制。

特征提取策略

这些策略不太关注传输音频信号的滤波版本，更多地关注提取信号的更抽象特征并将它们传输到电极。最早的特征提取策略寻找语音中的共振峰（具有最大能量的频率）。为了做到这一点，他们会应用宽带滤波器（例如，270 Hz 低通滤波器用于 F0 - 基本共振峰，300 Hz-1 kHz 用于 F1，以及 1 kHz-4 kHz 用于 F2），然后根据每个滤波器输出的零交叉点计算共振峰频率，并根据每个滤波器信号的包络计算共振峰幅度。只有对应于这些共振峰频率的电极会被激活。这种方法的主要局限性在于，共振峰主要识别元音，而主要位于更高频率的辅音信息传输较差。MPEAK 系统后来通过结合高频滤波器对这种设计进行了改进，该滤波器可以通过刺激高频电极和共振峰频率电极来模拟无声音（辅音），并且以随机间隔进行。

当前发展

SPEAK 处理方案的框图

目前，领先的策略是 SPEAK 系统，它结合了波形和特征检测策略的特性。在这个系统中，信号通过一个由 20 个带通滤波器组成的并行阵列。从每个滤波器中提取包络，并选择几个最强大的频率（选择多少取决于频谱的形状），其余的频率被丢弃。这被称为“n-of-m”策略。然后对这些频率的幅度进行对数压缩，以使声音的机械信号范围适应毛细胞的更窄的电信号范围。

多个麦克风

在它最新的植入物上，科利耳公司使用了 3 个麦克风而不是 1 个。额外的信息用于波束形成，即从正前方提取更多声音信息。这可以将与他人交谈时的信噪比提高多达 15 dB，从而显着提高噪声环境中的语音感知。

人工耳蜗 - 助听器集成

通过精细的手术技巧和电极设计，可以保留低频听力，在植入人工耳蜗后仍然保持。对于仍然具有低频听力的患者，MedEl公司提供了一种结合了高频人工耳蜗和低频传统助听器的解决方案。这个名为EAS（电声刺激）的系统使用18毫米的导线，相比全人工耳蜗的31.5毫米短。 （耳蜗的长度约为36毫米。）这显著改善了音乐感知，并提高了音调语言的语音识别能力。

精细结构

图表展示了如何使用希尔伯特变换简单地推导出信号的包络（红色）和相位（黑色点，表示零交叉点）。

对于高频，人类听觉系统仅使用音调编码来获取信息。但是，对于低频，也使用时间信息：听觉神经与信号的相位同步放电。相比之下，最初的人工耳蜗仅使用传入信号的功率谱。在新的模型中，MedEl将低频的时序信息纳入刺激脉冲时序的确定中，称为精细结构。这改善了音乐感知，并提高了普通话等音调语言的语音感知。

在数学上，可以使用希尔伯特变换（见图）优雅地获得信号的包络和精细结构。相应的Python代码可在以下位置获得。

虚拟电极

可用电极的数量受到电极尺寸（以及由此产生的电荷和电流密度）以及内淋巴液沿电极末端的电流扩散的限制。为了提高频率特异性，可以刺激两个相邻电极。受试者报告说，他们感知到一个频率介于两个电极之间的单音。

人工耳蜗刺激强度的模拟

人工耳蜗的模拟

人工耳蜗中的声音处理仍然是许多研究的主题，也是制造商之间主要的产品差异之一。然而，基本的声音处理相当简单，可以通过模拟来了解使用人工耳蜗的患者感知到的声音质量。该过程的第一步是对某些声音进行采样并分析其频率。然后选择一个时间窗，在此时间窗内，我们希望找到人工耳蜗电极的刺激强度。有两种方法可以实现：i）通过使用线性滤波器（参见伽马音滤波器）；或 ii）通过计算功率谱（参见频谱分析）。

人工耳蜗和磁共振成像

随着全球超过150,000例植入，人工耳蜗（CI）现已成为治疗重度至极重度听力损失的标准方法。由于人工耳蜗的益处越来越明显，支付者也更加愿意支持人工耳蜗，而且由于大多数工业化国家新生儿的筛查计划，许多患者在婴儿期就植入人工耳蜗，并且很可能在一生中一直佩戴。他们中有些人可能需要在一生中进行诊断性扫描，而磁共振成像（MRI）可以帮助进行此类扫描。对于人口的大部分群体，包括中风、背痛或头痛患者，MRI已成为诊断的标准方法。MRI 使用磁场脉冲来生成图像，目前使用的 MRI 机使用 1.5 特斯拉磁场。0.2 至 4.0 特斯拉的设备很常见，1.5 特斯拉设备的射频功率峰值可高达 6 千瓦。

历史上，人工耳蜗被认为与高于 0.2 特斯拉的磁场不兼容。设备的外部部件必须始终移除。对于设备的内部部件，有不同的规定。目前美国食品药品监督管理局 (FDA) 指南允许在植入人工耳蜗后有限使用 MRI。Pulsar 和 Sonata（MED-EL 公司，奥地利因斯布鲁克）设备获准在磁体到位的情况下进行 0.2 特斯拉 MRI。Hi-res 90K（Advanced Bionics 公司，美国加州西尔玛）和 Nucleus Freedom（Cochlear Americas 公司，美国科罗拉多州英格尔伍德）获准在手术移除内部磁体后进行高达 1.5 特斯拉的 MRI。每次移除和更换磁体都可以通过局部麻醉下的小切口进行，但该手术很可能削弱磁体的口袋并使患者感染的风险增加。

尸体研究表明，在 1.5 特斯拉 MRI 扫描仪中，植入物有从内部设备中移位的风险。但是，当使用压缩敷料时，可以消除这种风险。然而，人工耳蜗会产生伪影，这可能会降低扫描的诊断价值。伪影的大小与患者头部的大小成正比，这对于儿童的 MRI 扫描来说可能特别具有挑战性。Crane 等人 2010 年的一项研究发现，人工耳蜗周围区域的伪影的平均前后尺寸为 6.6 ± 1.5 厘米（平均值 ± 标准差），左右尺寸平均为 4.8 ± 1.0 厘米（平均值 ± 标准差）（Crane 等人，2010）。 ()