1、人工聽覺現狀與展望文熙韜一、自然聽覺系統回顧人的自然聽覺系統分為接受聲音的耳，傳導神經信號的神經通路和處理聽覺 信息的皮層聽覺。其中，耳又分為外耳、中耳和內耳。環境中的聲音通過外耳和 中耳的傳導，到達內耳的耳蝸，在這兒被轉換成神經沖動信號。 耳蝸是位于內耳 的一個蝸牛狀器官，它通過由三塊聽小骨驅動的內組織液震動引起基底膜上相應 位置共振，從而引發相應的毛細胞相對運動產生神經沖動。神經沖動通過神經通路上行至皮層聽覺中樞，在初級聽覺皮層和聽覺聯合皮層的共同作用下轉化為聽 知覺，被意識所感知。人類的自然聽覺系統十分靈敏，不僅能夠感知到頻率范圍寬達20Hz20kHz的聲音，而且頻率分辨率也十分優秀，在

2、 100Hz的頻率下辨差閾僅為12Hz。 自然聽覺的響度感受范圍也相當的寬， 從0db到120db都能被正常感知。不僅如 此，人耳還能對聲音的很多高級特征做出精確感知。比如音色感知，我們能夠輕易的在嘈雜環境中辨別出不同的人聲、樂器聲、環境聲等等。再比如聲音定位， 人耳能夠利用雙耳時間差線索(ITD)與雙耳響度差線索(ILD)知覺到聲源的方 向角，再加上耳廓產生的頻譜性質和聲音的絕對響度線索，我們能定位出聲源的大概位置1。人類聽覺之所以能夠這么靈敏，很大程度上在于聽覺神經系統特殊的編碼策略。我們已知的聽覺神經的頻率編碼方式大概有以下三種：頻率拓撲結構(tonotopics )，同步跟隨方式(ph

3、ase-locking )，發放率編碼方式(firing-rate monotonic) 2。頻率拓撲結構是指不同頻率聲音引發不同位置神經元的發放， 而相鄰的神經元編碼相似的頻率信息。同步跟隨是指一些神經元的發放有這樣的 特征，它們總在鎖定在聲音特定的相位發放，從而它們的發放頻率和聲音的頻率相同。這些神經元的發放頻率正好就編碼了聲音的頻率信息。發放率編碼方式最近才被科學家所發現，這種方式廣泛存在于高級中樞如大腦皮層。發放率編碼指的是這些神經元，它們的發放頻率同聲音刺激的頻率呈穩定的單調相關關系，通過發放率就能知道聲音刺激的頻率。 在這些編碼方式中，頻率拓撲結構編碼方式 的研究已經被應用于人工耳

4、蝸的設計之中，而另外兩種編碼方式的奧秘還沒有被 完全揭開。研究和認識聽覺系統的編碼方式對開發新的耳聾治療裝置與技術有著 十分重要的意義。二、人工聽覺裝置中國有2004萬不同程度的聽力殘障人士，聽力的障礙讓他們不能準確感知 聲音，不能有效地與正常人進行言語交流。聽覺系統疾病很難治愈，這是聽覺神經系統的復雜性所致。人工聽力裝置為他們提供了一個重獲聽覺的機會。人工聽覺裝置主要分為兩大類：電子放大助聽裝置與人工聽神經刺激裝置。電子放大助聽裝置的代表產品是助聽器，其基本思想是通過放大所接受到的 聲音信號使耳聾病人更好地聽到聲音。現在市場上的助聽器主要分為耳內型（ I TE、耳道型（ITC）、迷你耳道型（

5、MITQ、隱形深耳道型（CIC）。但無論哪 一種類型的助聽器都不能適宜受損的聽覺系統恢復正常。它只是把聲音擴大，使耳聾病人易于聽取。在近10年里，又有許多新型的電子放大助聽裝置問世3，如骨錨式助聽器 （BAHA與人工中耳（ME）。骨錨式助聽器利用植入乳突骨內的鈦螺釘，將聲 音直接由骨導進入內耳4。它適應于雙側先天耳道閉鎖和慢性化膿性中耳炎患 者。人工中耳裝置則將振動器定位在聽小骨之一的砧骨上，直接通過耳蝸窗向內耳傳遞能量。這兩項技術尚處于臨床試驗階段，技術手段尚不成熟。人工聽神經刺激裝置以人工耳蝸（Cochlear Impla nt, CI ）為代表。它的主 要功能在于替代失去功能的耳蝸，通過

6、電子裝置直接刺激聽神經，從而產生聽覺。 在CI裝置中，一系列刺激電極成陣列狀鑲嵌在硅膠芯上，隨硅膠芯一起插入到 耳蝸里。外部的麥克風接收到聲音后，首先經過言語處理器的分析處理，變成個頻段的調制信號。這些信號被發送到電極陣列，這些電極利用基底膜的頻率拓撲 結構關系，產生電脈沖刺激相應的頻率區域，使人產生聽覺知覺。目前，人工耳 蝸已經成為比較成熟的人工聽覺技術。在人工耳蝸的工作路徑上，言語處理器的信號編碼對植入患者的言語理解起 著至關重要的作用。目前普遍采用的人工耳蝸語音處理策略是CIS（continuousin terleaved sampli ng）算法。但是，CIS核心的編碼策略是針對印歐語

7、系特別是英語母語患者研究開發的，并不完全適應漢語母語的患者。已有研究報告表 明，母語為漢語的人工耳蝸植入者的言語識別率不及英語和德語國家的人工耳蝸植入者。而且人工耳蝸植入者對漢語聲調的識別普遍較差。我校信息科學中 心聽覺組的吳璽宏教授、遲惠生教授和心理系的李量教授嘗試了在 CIS算法中引 入聲音精細結構信息，提出了“準鎖相刺激” （ simulated phase-locki ng sti mulation，SPLS 人工耳蝸語音處理策略 。與CIS算法相比，SPLS算法進 行了三點改進：在分帶濾波階段，運用零相位失真濾波器以保持原始語音的相位 信息不失真；在提取語音包絡信息的同時，通過過零檢

8、測進行相位信息的提取； 在刺激發放階段，電脈沖刺激只在過零時刻發放。實驗結果表明與CIS算法相比，SPLS處理過的語音能夠較好的保持漢語聲調信息。對于部分重度聾患者，由于其聽神經的缺失或損傷，通過人工耳蝸對內耳進 行電刺激是無效的。于是，一種聽性腦干植入式（ABI）聽力代償裝置孕育而生。 這種裝置的工作原理與人工耳蝸相似，不過它將刺激點移到了腦干的聽覺處理核 團。但由于腦干處神經傳導的信號編碼方式比耳蝸更加復雜，而我們的了解又相對有限，所以現有技術的ABI植入者對頻率的分辨率還非常差。 不過，隨著神經 編碼策略研究的深入，腦干植入技術將會有很好的發展前景。三、進一步討論至怕前為止，各種人工聽覺

9、裝置都有著各自的優勢，又都有自己的局限。相 比之下，人工耳蝸是這些技術中較為成熟而又最為有效的方式。目前，人工耳蝸植入術在我國發展很快。接受耳蝸植入的聾人特別是兒童正快速增加。但由于人 工耳蝸不能很好還原低頻音調信息，我國的耳蝸植入者恢復水平普遍低于英語國 家。與音調信息密切相關的低頻聲音信號（20Hz100HZ很難通過人工耳蝸傳 遞給患者，但我們可以通過其他感官將此信息送達。 我們都有經驗，伴隨著面部 表情和動作的語音更容易被理解， 這就是視覺聽覺整合的例子。類似地，人的各 種感官信息在皮層都有整合作用。有研究表明，耳蝸植入者的多感官整合能力強 于正常聽人7。那我們可否將音調信號通過觸覺來傳

10、遞給大腦呢？信息科學中 心聽覺研究室黃娟老師正在設計這樣一個實驗。她設想讓植入者佩戴這樣一個裝 置，它同人工耳蝸同步工作，將人工耳蝸接受到的聲音信號過濾掉高頻部分后， 通過配戴在指尖刺激器同步“播放”給植入者。她預計，通過一段時間的訓練后， 植入者將能夠把指尖的刺激信號與聽覺信號整合，從而獲得更好的音調知覺。如 果能夠獲得成功，那這個裝置將能改善音調語言國家耳蝸植入者的恢復水平。四、現狀與展望人工聽覺裝置的確能在很大程度上幫助聾人獲得對聲音的感知。輕度聽力殘障人士在助聽器的幫助下就能夠獲得和正常聽覺人的言語交流能力。語后致聾患者在耳蝸植入之后，幾乎立即就能獲得正常聽力。而語前致聾兒童在耳蝸植入

11、后 半年到一年之后，多數都能夠進入普通學校正常學習。但聾人的聽力恢復并不是一件純技術的工作，它還需要來自聾人社群的支持 和配合。在美國，在聾人社群中存在著廣泛的“聾人文化”。很多“聾人文化” 倡導者十分排斥人工耳蝸植入技術。他們認為耳聾并不是一種缺陷性疾病，而是上帝賦予的，是與生俱來的。Lane和Bahan( 1998)還宣稱：人工耳蝸的發展和 應用破壞了 “聾人文化”的生存，其結果引起了聾人世界的不安。他們雖然承認， 通過外科手術為聾孩子植入人工耳蝸并沒有破壞“聾人文化”的意圖，但卻假想 認為“通過合理的預見可以看出，在沒有特殊動機的情況下，可以形成一個進行 種族滅絕的普遍動機。”從技術角度

12、講，人工聽覺裝置的發展依賴于神經科學，特別是系統神經科學 的發展。只有在我們更清楚的了解聽覺神經系統是如何傳遞、處理信息之后，我們才有可能設計出更好的聽力代償裝置，來幫助聾人重獲聽力。不過在目前，我們還有很多可以做的工作。比如設計更好的人工耳蝸編碼算法，幫助音調語言國 家的聾人更好的利用人工耳蝸。再比如設計更廉價的人工耳蝸，使得更多的聾人 能夠有機會重獲聽覺。1 Bear M. F.(1996) Neuroscienee: Exploring the Brain, Williams & WiIki ns2 Bendor D., Wang X.(2007) Differential ne

13、ural coding of acoustic flutter within pri mate auditory cortex, Nature Neuroscienee3 楊偉炎,郗昕,翼飛,韓東一 .(2003)人工聽覺裝置.中國聽力語言康復科學雜志.200 3/14 張倩，高下.(2006)骨錨式助聽器 中國臨床康復.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 perception differences between Chinese and English and a new coding strategy of cochlear implants for C hinese. Chin