马宏敏 石家庄白求恩国际和平医院耳鼻喉科
[摘要] 从语言听力学,耳神经生理学,耳解剖学,医学电子工程学方面探索老年性重度耳聋及聋哑症患者残余听力的利用。提出了一个新的移频助听器机理。此装置可以帮助符合配置条件的患者获得或恢复语言的学习与交流能力.不同于电子耳蜗,也不同于现有的助听器材,并试制了原始机,命名为移频助听器，进行了初步临床理论验证.国家专利号：98217962.6；发明专利号：02139327.8 专利权人：杨志洪，张红凯
一: 前言
老年性聋是由内耳毛细胞退化为主所致感音神经性聋。临床上电测听表现为高频听觉渐进性丧失，语言识别率大幅下降，而低频听力留存尚可。
近代多导电子耳蜗植入术的发展,为聋哑症患者带来了希望的曙光,高级高保真助听器为重听病人带来了重返有声世界的惊喜.而许多听觉生理学家,耳科学家正致力于寻找一种神经细胞的再生方法,以解决听觉神经元的再生及功能恢复.许多人努力的目的均是一个---让聋者重回有声世界.那么,在彻底解决听神经元的再生问题以前,是否是就没有别的途径来解决听觉问题呢?除电子耳蜗和助听器以外,还有一种可以部分达到这一目的的方法.那就是合理利用患者的残余听力,利用电子技术改变语言频率,把患者听不见的语言频率移到患者残余听力段内，使病人复聪.这就是本文以听生理学,微解剖学,语言听力学,电子技术工程等综合运用,所报告的一条新的非植入式复聪路径-移频助听。
二: 理论基础
听觉生理学指出,声音经传导到蜗内后,由基底膜上有序排列的听毛细胞纤毛相对盖膜作切向运动,使纤毛电阻发生变化,原来在毛细胞中流通的静息电流便产生了交变成分.交变电流频率和外界声波频率一致,幅度则和声强成正比,这种现象称为微音器效应.毛细胞电流通过突触使听神经元兴奋并发放脉冲.这种脉冲幅度基本固定,但脉冲发放率则一定程度上和刺激电流的幅度大小成正比例.这些脉冲在中枢神经核团整合击在皮层最终使人产生声音的感觉.
本世纪60年代,人们通过实验观察,认识到声音引起的基底膜振动可从耳蜗底部推进到顶部,形成一种所谓行波.行波的最大振幅位置随声音频率而变化.高频声音的行波波峰出现在耳蜗底部基膜较刚劲的部位,故这一部位神经元发放的电脉冲最多.基底膜上的行波在推进过程中迅速衰减,因此,其它部位的神经元基本处于静息状态,不发放更多的脉冲,相反,在低频声音下,前庭阶内淋巴液的压力波可伸展到蜗顶,基底膜上行波的峰点也移向蜗顶,靠近蜗顶神经元就发放更多的电脉冲.对于不同频率的声音,总有一段基膜上的神经元发放脉冲.我们可以把基底膜的各段看成机械带通滤波器,相应各段上的神经元对通带频率起反应.这个频率称为神经元的特征频率(CF).人的语言含有几个频率,相应他底膜各段便先后出现几个行波波峰,经毛细胞转换成电讯号,使这些部位神经元发放脉冲,传到大脑皮层的听区变成了语言的感觉,这就是语言的部位编码机制.这一机制阐明了基底膜振动部位与刺激声音的频率有对应关系.
在近代听觉生理研究中,人们又提出了时间编码原理: 认为声音信息只反映在神经元的脉冲时间间隔中,而与脉冲的幅度大小无关.例如,对于1000hz的声音,听神经元必须每秒发放1000个脉冲才能被感觉到.但当声音频率高于1000hz时代由于神经元的固有不应期,单根神经元将不能随声刺激频率发放同样多的脉冲,但如果把相邻部位的多根神经元合并起来考虑,就能不受不应期的限制,单根神经元只能隔一个或几个声音周期的确定相位保持同步关系,即锁相作用.锁相作用保证了局部听神经元在单位时间内发放的总脉冲数和声音的频率一致.这是听神经的时间编码机制.Sachs等人还认为时间编机制和编码机制的原理是相互补充的,当声音超过一定强度时,神经元对频率的选择性将减弱。这时,时间编码机制将起主要作用.又提出了时间编码机制,而且正引起广泛重视.
时间编码机制揭示了高频声音需多根神经元参与表达,而低频声音则不需多根完好神经同时参与表达.那么,当耳蜗神经受损后,高频部分损失一根神经则可能引起相应的几根神经元失去作用.而低频损失一根神经也就损失一条通道.通常在500hz左右有一明显临床分界线.残余听力往往集中在1000hz以下.单通道电子耳蜗只能分辨100--400hz声音也证明了这一点。
耳蜗细微结构解剖表明,耳蜗听神经约三万余条,当患者听觉细胞受到损伤时,高频段听毛细胞最为敏感,首先凋亡,神经突触因缺乏相应的刺激而逐渐退行性变至不可逆转损害.有人解剖27岁女性药毒损害15天的耳蜗,发现损害在蜗顶10-18mm最为明显.低频段0-8mm残存相当一部分毛细胞.还有资料表明,长期耳聋病人的听神经存活率只有正常水平的20%左右.(参见:Z:mmermann CE,Burgess BJ,NadocJB,Pattems ofdegenration in the haman ochlear nerve,Hear Res,1995,90:192-201)这说明在低频段即使耳聋时间较长,也存在一部分功能完好的毛细胞及听神经元.
从临床观察证实,大部分老年性聋的残余听力均集中在低频段100-1000hz之间.如果一个正常全频声音进入耳蜗,根据行波理论,基底膜相应各段产生振动,但因中,高频声--电转换神经元已不能发生脉冲,处于假象静止状态.中,高频主要信息流中断,只有部分低频波能变成脉冲信号到达皮质.大脑无法完整地分析听觉信息,除了能觉出响度较大的部分低频声音外,自然就听不到高频声音了.临床有部分聋哑或严重耳聋者能听见打雷,火车轰鸣,鞭炮声也正是如此。老年性耳聋也不例外。
那么,能否利用低频听觉细胞来听语频信息呢? 我们回答:能.但必须满足两个条件:
1. 信号信息流通量必须经过压缩.因为残存的听细胞数量少,固有频率低.如果直接将语频100-3000hz的关键频段的信息量综合起来,是无法通过的,正如粗麻绳强穿缝衣针孔.2. 必须使语频声波能振动基底膜低频段.也就是说必须使1000hz以上的声波变成1000hz以下的声波,使之携带的语言特征能被感觉到.语言听力学指出,人的语言频段主要在1000hz-3000hz内,携带有语言信息.因此,我们只需进行四倍频率压缩就可以使之落在250-750hz之间,该频率声音讯号经放大后,由低频耳机转化为低频声音,低频声音经耳膜,听骨链,前庭窗传导到蜗内淋巴液,淋巴液行波推进,基底膜的机械带通滤波特性使不同频率的声波刺激不同部位的毛细胞,听神经元相应发出脉冲,经听皮质处理后变成听觉.这样,关键语频段的声音就能经变频及压缩后,通过低频段听神经元被大脑听皮质进行分析了,患者就可以听见我们的声音,也可以听见自己发出的声音,就可以进行语言的学习与交流了.
这里需强调一点,听得见不等于听得清.要使病耳具有分辨力,那才真正具有临床意义.为了阐述清楚这一问题,我们必须从声音的特性来分析它.一个语言声音有基准频率,幅度,相位,谐振峰,时值及包络曲线频率决定基调,幅度决定强度,相位决定了,声音的叠加属性,而包络曲线则是声音携带信息的综合反映,时值决定了声音长短,谐振峰则决定声音特有音色.
当我们通过电子技术对声音进行压缩和变频时,我们可以改变基频,而保留其包络曲线基本不变,也就是保持时值,相位及幅度之间的对应关系.正如用不同的乐调来演奏同一首曲子,我们听来也只是这一支曲子.只是调门不一样而已.澳大利亚墨尔本大学克拉克课题组所推出的Nucleus电子耳蜗则是提取了部分包络曲线送往中枢神经元,已获得成功.
从理论基础综合要点:1. 临床观察大部分耳聋患者具有部分低频残余听力.2. 病理解剖证实病耳耳蜗低频段存有部分 毛细胞及听神经元.3. 语言频段声音频率主要在1000-3000hz范围内.4. 电子技术可以改变声音的频率,压缩语言信息带宽,而保留包络曲线的语言特征,仍可以被听懂.5.将语言频段经电子压频后,仍可以被聋耳残存的低频听神经感觉到.若残存的低频听力段有一定带宽,病耳可以听见并允许一定量信息到达大脑皮质.6. 大脑皮质具有强大的分析,处理脉冲信号的功能,对听信息进行整合,对比,建立听信号反射.7. 临床进行合理调整,适应,反复语言刺激,就可以建立一条非植入语言听觉通道,使聋耳具有语言听力,从而使患者恢复或获得语言的学习与交流能力.
理论上如此,那么实际效果如何呢? 为了验证这一理论结果,我们自行设计并试制了一台原始移频式处理器样机.该机采用先进技术对声音进行处理,提取声音的包络曲线,改变运载信息的基振频率,对声音进行\"素描\"处理,减少信息量,用病耳的残余听力段来听经过简化,变频的语言信息,信号强度可以随机调整.运用这台样机进行了如下几个实验.初步命名本装置为移频助听器.
三. 实验报告
1. 正常耳变频听觉实验
(1). 方法: 选听力正常耳配戴移频助听器,另一耳进行隔音处理,调节音量控制键,使音量适度,调节变频控制掣至各种所需的处态,对助听器话筒说话.用2倍压缩状态试听,被试验者声音变低沉,无杂乱环境噪音;以4倍压缩状态试听,被试验者述没有了中,高音.能听懂语言,以8倍压缩状态试验,声音变得异常低沉,有模糊感,但能听懂,说话速度慢一些,可懂度90%以上.以4倍扩频试听,将声音移向高频段，被试验者述声音尖锐,无低音,语言可懂度100%.
(2). 结果: 实验20只耳主观感觉一致,经不同倍率变频压缩,声音频率发生了巨大改变,语言可懂度大于90%.
(3):讨论:本实验验证了以下几个问题.
A.从实际角度证明了该语言处理器的电子工程技术的可行性.
B.语言经处理器处理后,保留了语言的基本特征,并能被正常耳分辨.
C.正常耳听到的声音实际上是经过处理的声音\"素描\",基频在语言频段以外,但也具有很好的分辨力.
2.混合性聋耳变频听觉实验
(1) 患者情况: 患者女,32岁.诉双耳听力下降半年,现在听不清别人谈话.电测听示混合性耳聋听力曲线.双耳250hz,500hzk,1000hz气导平均60db.1000hz以上听力丧失.
(2) 方法: 正确配戴变频助听器,以2倍压缩状态试听,分别由其家人及医生在其背后问话.
(3) 结果: 其夫问10个简单问题,均能准确,迅速回答,听懂率100%.由医生问时,10句中两句需重复一遍,也能完全听懂.
(4)讨论: 本实验证明了以下几个问题.
A.变频助听器可以使混合性聋患者,听力部分丧失的患者恢复听力.
B.语后聋的患者不须经过长期语言训练就能听懂谈话.
3.药毒性语前聋哑症移频听力实验
(1) 患者情况: 患者女,13岁.一岁时因注射药物后耳聋,经多家医院确诊为药毒性耳聋,语前聋聋哑症.电测听检查示双耳低频段250hz,500hz残余听力70db,1000hz以上听力丧失.患者于6个月前曾行右耳24D电子耳蜗植入术.很明显观察到患者已经从此手术中受益,已学会部分词语.性格变得开朗,上进,合群.在征得家长及患者同意后,在2倍压缩状态下进行了实验.
(2) 方法: 紧密配戴耳机于左耳.关闭并移开右耳电子耳蜗,选如\"暧气片\",\"打火机\"等常用词10个,于10分钟内反复教读,患者述听见了声音并能跟读学习,语调偏低,经纠正后发音较为准确.最后于患者背后读出这10个词让患者分辨.
(3) 结果: 患者能准确听出5个词语,但将\"打火机\"听成了\"打游戏\".识别率 50%.患者家长的为吃惊,患者曾试戴过各种助听器,均无此效果.
(4) 讨论: 患者情况特殊,第一次试戴移频助听器就能立即学习语言,并能很快地部分分辨.该结果很鼓舞人.患者自行对电子耳蜗,助听器,移频助听器进行了比较,认为移频助听器最好,电子耳蜗其次,助听器无效.
综合上诉,本文所宣布的移频助听器是一种新型的,可以帮助聋哑症,重度老年性耳聋患者获得或恢复听力有效途径.虽然它对全聋患者还无能为力,但它具有不用手术植入,不破坏耳内结构,无并发症,简单易用,价格低廉的显著优点,而且可以在适配之前就可通过更为详尽的电测听获得预测.
本文目的是抛砟引玉,正如1961年House博士向世界宣布音频电流蜗内刺激实验一样,这一条途径的发现有可能更有效地帮助近千万老年听力障碍者以及2057万聋哑症患者.我们于98年获得国家专利。美国公司现在已有产品在国内上市。国内有西安红铠骑士医疗器械公司正在开发。
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