人工耳蝸發(fā)展歷史及現(xiàn)狀
【歷史】
人工耳蝸的歷史可以追溯到至少200年以前的意大利科學(xué)家Alessandro Volta，他發(fā)明了電池，電壓單位伏特（Volt）就是以他的名字命名的。他利用電池為研究工具證實了電激勵可以直接激起人體的聽、視、嗅和觸覺感知（Volta, 1800）。當他將一個50伏電池的正負極分別貼近雙耳時，它感覺到：“……當電路接通的那一刻，我覺得我的頭被震了一下，過了一會我開始聽見一種聲音，或者說是一種噪音，我無法確切描述：那是一種帶著電火花的噼啪聲，好像有什么粘稠的東西被煮沸了……這種可怕的感覺讓我不敢再繼續(xù)重復(fù)這個實驗，因為我覺得對大腦的電擊很危險……” 在此后的150年里，沒有出現(xiàn)關(guān)于聽覺系統(tǒng)的電刺激效果的安全而系統(tǒng)的研究的相關(guān)報道，直至現(xiàn)代電子技術(shù)的出現(xiàn)。 1937年，S.S.Stevens和他的同事運用真空管振蕩器和放大器，證實了至少三個與“電聲感知”有關(guān)的機制（Stevens, 1937; Stevens and Jones, 1939; Jones et al., 1940）。第一個機制是“電動機械效應(yīng)”，具體指電刺激使耳蝸中的纖毛細胞振動，從而使人在與電刺激相對應(yīng)的聲刺激信號的頻率點上感覺到一個音調(diào)信息。 第二個機制是鼓膜將電信號轉(zhuǎn)換成聲學(xué)信號，從而使人在２倍信號頻率點上感覺到另一個音調(diào)信息。 Stevens等人之所以能將第二個機制從第一個中分離出來是因為他們發(fā)現(xiàn)鼓膜破損或缺失的病人只能感覺到原始頻率的音調(diào)信號。 第三個機制與聽覺神經(jīng)的直接電興奮有關(guān)，因為有一些病人稱他們在正弦電激勵信號中感到有類似噪聲的聲音，隨著電流變化有著劇烈的響度增加，并且時常會引起面部神經(jīng)興奮。 然而，最早證明聽覺神經(jīng)的電刺激效應(yīng)的卻是一組俄羅斯科學(xué)家，他們聲稱觀察到了一個中耳和內(nèi)耳耳聾的病人在電刺激下的聽力感知（Andreev et al., 1935）。
在1957年，法國醫(yī)生Djourno等人成功的運用電刺激使兩個完全耳聾的患者產(chǎn)生了聽力感（Djourno and Eyries, 1957; Djourno, 1957 et al., 1957a; Djourno et al., 1957b）。他們的成功刺激了20世紀60-70年代美國西岸一系列恢復(fù)耳聾患者聽覺的深入研究。雖然早期研究的方法與現(xiàn)在的技術(shù)相比很原始，但是它們指出了許多關(guān)鍵問題和一些為了能成功實現(xiàn)聽覺神經(jīng)電刺激而必須考慮的限定條件。例如，他們發(fā)現(xiàn)，與原聲聽覺相比，聽覺神經(jīng)的電聲聽覺的動態(tài)范圍小很多，且聲音變化幅度劇烈，時域音調(diào)也僅限在幾百赫茲范圍。 Bilger對這些早期的實驗進行了詳細的說明和分析（Bilger, 1977b, 1977a;…）。
在商用方面，House-3M單電極耳蝸在1984年成為第一個通過FDA認證的耳蝸裝置并擁有幾百名使用者。 Utah大學(xué)亦開發(fā)了一套穿皮插銷式的6電極耳蝸，并且也有幾百名使用者。 Utah大學(xué)的這個裝置在文獻中被稱作Ineraid或Symbion裝置，它很好的適應(yīng)了實驗應(yīng)用的需要。比利時的Antwerp大學(xué)開發(fā)的Laura系統(tǒng)可以傳遞8通道雙極性或15通道單極性刺激信息。法國的MXM實驗室也開發(fā)了一個15通道的單極性裝置，Digisonic MX20。這些產(chǎn)品后來都逐漸被淘汰?，F(xiàn)在世界上的三大主要的人工耳蝸生產(chǎn)商分別是美國的Advanced Bionics Corporation公司，代表產(chǎn)品為Clarion人工耳蝸；奧地利的MED-EL公司；澳大利亞的Cochlear公司，代表產(chǎn)品為Nucleus耳蝸。
【現(xiàn)狀】
如今，全球人工耳蝸的使用人數(shù)已經(jīng)達到了6萬人，其中包括2萬名兒童，這個數(shù)字依然以指數(shù)函數(shù)增長著。功能方面，人工耳蝸已經(jīng)從最初的用作唇讀輔助設(shè)備或聲音感覺器的單電極簡單裝置演進成為一種可供半數(shù)以上使用者順利電話交談的現(xiàn)代化多電極裝置。圖1反映了近20年來人工耳蝸在改善語音識別性能方面的進步歷程，橫坐標表示不同的設(shè)備廠商的不同處理器在不同年份進行的不同實驗，而縱坐標則是每一種處理器在安靜環(huán)境下進行句子識別的正確識別率。早期的單電極裝置，除了一些個別的話題外，基本就不能實現(xiàn)自由的語音識別。在Nucleus裝置中，語音識別率從1980年以來每5年穩(wěn)定增長20個百分點的這一事實尤為顯著。雖然現(xiàn)有的人工耳蝸在語音信號處理和電極設(shè)計方面都有很多差異，但是各種品牌產(chǎn)品的使用者在使用中卻沒有特別明顯的性能差別。
現(xiàn)代人工耳蝸組成
下圖給出了一個典型的現(xiàn)代人工耳蝸。首先，一個話筒（1）采集聲音，并將聲音通過電線（2）傳送到語音信號處理器（3）上。信號處理器將根據(jù)個體耳聾的程度來將聲音信號轉(zhuǎn)變成不同的數(shù)字信號。處理后的信號被回送到一個耳機（4），此耳機中的線圈發(fā)射編碼后的無線電頻率信號穿過皮膚。耳機通過一塊磁鐵與皮下的人工耳蝸（5）吸附在一起。人工耳蝸中也有一個線圈用來接收該無線電頻率信號，還有一個密閉的電子電路，這個電路將信號解碼，并將它們轉(zhuǎn)換成電信號，然后通過導(dǎo)線傳送到耳蝸（6）中。在導(dǎo)線末端的一系列電極（7）刺激聽覺神經(jīng)（8），這些聽覺神經(jīng)與中樞神經(jīng)系統(tǒng)相連，電脈沖在那里被解讀為聲音信號。
雖然人工耳蝸的各個組成部分的設(shè)計可能因廠家的不同而異，但是其整體工作原理卻都是一樣的。例如，話筒可以被勾在耳闊上部，也可以別在胸前。傳輸線圈的形狀，顏色和無線電頻率值可以不同，但是磁耦合結(jié)構(gòu)卻是完全相同的。下面的部分將逐一介紹現(xiàn)代人工耳蝸中的語音信號處理器，電極，遙測采集，以及調(diào)試系統(tǒng)。
人工耳蝸的發(fā)展
人工耳蝸研究現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成熟并逐漸形成一個新的科研領(lǐng)域。 圖2分別展示了從MEDLINE數(shù)據(jù)庫中可以搜索到的人工耳蝸和助聽器這兩個術(shù)語相關(guān)的年文章發(fā)表數(shù)目。在2004年1月27日，數(shù)據(jù)庫中共找到2,699篇與人工耳蝸相關(guān)的文章。相比之下，“助聽器”可以找到共2,740個條目，而“聽覺的”則有58,551個條目。年論文數(shù)目的指數(shù)性上升趨勢，側(cè)面反映了人工耳蝸用戶的增長態(tài)勢，而且更反映了對研究人工耳蝸所投入的經(jīng)費的增長情況。助聽器的研究明顯早起步于人工耳蝸，19世紀60年代初期到70年代中期之間，每年近10-20篇的論文發(fā)表證明了這一點。助聽器類的文章數(shù)目在1970年代中期以后開始有了大的飛躍，一直增長到現(xiàn)今年100篇左右的水平。而相比之下，人工耳蝸的相關(guān)文章從1972年開始才出現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫中，最早的文章是關(guān)于內(nèi)耳植入電極的動物體研究（Haowitz et al., 1972）。第一個人體研究則是由Dr. William House發(fā)表于1974年（House, 1974）。人工耳蝸類的文章從1990年開始呈現(xiàn)指數(shù)性上漲，并在90年代中期超過了助聽器的文獻數(shù)目，在2000年達到了年250篇文章的最高峰。在2000年之前的這個振蕩態(tài)勢恰巧與兩年一次的可植入聽力輔助系統(tǒng)大會的年次相吻合，這可能反映了研究者有意或無意地努力在權(quán)威會議上展示他們的工作成果。