16通道人工耳蜗植入装置的原理和研制_ 

··北京生物医学工程年第卷第期通道人工耳蜗植入装置的原理和研制‘北京协和医院曹克利王直中北京工业大学王开羲内容提要人工耳蜗植入是利用电听觉原理恢复聋人听觉的一种有效方法。作者依据耳蜗在电刺激条件下的听觉生理学原理和心理声学参量提出汉语语音编码方案的设想研制出通道耳蜗植入电极系统和语言处理装置并进行初步动物实验研究。关祖词耳蜗植入全聋语言编码电刺激在耳蜗水平植入微电极系统并连接体外语言处理装置使聋人恢复听觉,是近二十年来生物医学工程学、耳科学、听力学、微电子学和材料科学的一个重要进展。特别是近年来,由于多通道装置的问世,不仅使聋人听到声音,而且能够识别语言,增进了社会交往的能力川。但迄今国内研制的装置仍以单道为主,不能满足患者的需要。自年起我们开展了通道耳蜗植入装置的研究,取得初步结果,现报道如下。耳蜗植人原理及心理声学特点耳蜗植入装置由体外携带的语言处理机和植入体内的接收刺激器两部分组成。语言处理机是一种声电换能装置,它将接收的外界语言声进行语音特征信息提取,再按特定的编码方式转换成电脉冲,经调制变为载频信号发射到体内。体内植入部分接收到信号后经电极传送到耳蜗,兴奋耳蜗螺旋神经节的传入纤维。与所有可电兴奋的细胞一样,螺旋神经传入纤维在适当振幅强度和持续时间的电刺激下能够产生动作电位。现已证明,中枢神经系统对这种人工刺激产生的神经冲动可以进行编码,从而使人获得音感。此编码过程与声信号作用下产生的听觉相同。根据这一原理,借助耳蜗植入装置可以取代已丧失功能的耳蜗,使聋人获得较好的时间、强度信息和部分频率信息〔〕。从人耳蜗电刺激的心理声学的研究结果得知,电听觉与正常听觉间存在较大差异,主要表现在〔,〕动态范围电听觉的动态范围很窄,仅分贝,此值为正常听觉的。这种差别是由电听觉与正常听觉的机制不同决定的。正弦波电刺激的动态范围有频率依赖性,即低频区大于高频区而脉冲波的动态范围则基本不受频率影响。强度辨别闭电听觉的强度辨别阐范围在分贝之间,为正常听觉的一半。这样响度级的阶梯相应减小,因而可使电听觉狭窄的动态范围得到部分补偿。频率辨别阐听觉系统的频率信息分析对理解语言起着重要作用。电刺激时,可在一之间产生音感,但可辨别频率的范围在以下,频率大于时,虽然还有一定的频率辨别能力,但已非常差,远达不到理解语言的要求一。本研究为中国卫生部科研基金资助课题北京生物医学工程年第卷第期电刺激产生的音调感除受刺激频率的影响外,还受到刺激波形及电极在耳蜗位置的影响。给同一频率的刺激时,随着刺激部位从蜗顶移向蜗底,音调感进行性升高。此外,正常耳蜗对声波频率的分析是通过排放和部位两种编码机制实现的。单通道电极对耳蜗施加电刺激时使听神经同时激活只利用了排放编码。由于听神经的不应期效应,能接受的刺激频率范围仅限于低频区,即以下,这是单道装置言语识别差的主要原因。多道刺激能充分利用部位编码和排放编码,即一对电极产生的音调既决定于刺激频率,也决定于电极在耳蜗的位置,因此多道刺激有较好的频率辨别力。自年代起,澳大利亚公司的道装置〔,和美国公司的道装置〔〕相继问世,效果显著。开放语言识别率可达到。而美国公司的单道装置因其效果不佳已被取消认可。鉴于以上原因,我院已停止使用过去研制的单道装置,开始多道装置的研究。根据听觉生理学和电听觉心理声学研究结果,我们设计研制了通道耳蜗实验系统。该系统包括三部分体外语言处理机、体内接收刺激器和体内电极系统。语言处理机语言编码方案是耳蜗植入的关键部分,直接影响语言识别的清晰度和可懂度。目前国际上常用的语言特征信息提取方案,分频方案和连续交替采样,方案等。这些方案主要对在语言识别中的起决定作用的重要成分如元音的共振峰和高频辅音信息进行编码和提取。但汉语是声调语言,声调信息有助于提高汉语可懂度。因此进行汉语语音编码时,除考虑元音共振峰和高频辅音信息的重要性外,还要对声调信息进行保留和处理。汉语的声调信息主要存在于基频和各次谐波中。为此,我们设计的方案是用声调只用其中的基频控制脉冲的刺激速率频率,使患者通过刺激间隔的变化感知声调的变化。用多路带通滤波方法把语言信号分解为几个不同的频段以共振峰频段化分,再将这些频段的能量分别送至耳蜗基底膜相应频率区电极的对上。选择耳蜗刺激的参数为基频周期、带通频率和平均能量。试验系统中的语音参数提供采用模拟电路。用单片机控制语音的数字采集、参数转换和编码输出。体内接收刺激器通过接收线圈将体外装置发射的语音信号数字码接收,经过数据解调、信号识别后根据语音频率送至相应电极对。全部器件加工在一块的大规模集成电路客户芯片内。电源部分是将载频信号通过整流电路转换而成。体内装置与多道电极连接后,封装在医用级无机材料外壳内,其防水性和生物相容性符合植入人体要求。接收刺激器外形为一长椭圆形,体积为火火。考虑到安全性,输出采用电荷平衡的双相脉冲信号。脉冲的幅度和宽度可根据每个患者不同电极对的闭值和不适阑按照语音处理结果的要求分别设定。设定后的参数由贮存于内,装置原理见图。体内植人电极系统电极系由根直径双层绝缘的铂铱合金丝包埋于一根长,尖端直径,末端直径的硅橡胶载体制成。植入耳蜗部分长约呈螺旋状,环绕圈。每根丝的末端为一直径小球,稍突出于电极载体表面,突出部分·北京生物医学工程年第卷第期。,发射部分载波无绝缘层两小球组成一对呈放射状排列在电极载体末端图。如果每对小球为一回路,可组成通道刺激。如果相邻两小球为一回路可叫自动增益控制语音处理日调制日功率发射组成通道刺激。螺旋状电极的优点在于螺旋神经节细胞及其神经突多位于骨螺旋板和蜗轴内。电极触点越接近该部位,引起神经兴奋的电场范围就越小,这样不仅可选择性刺激不同数据解调调频率区的神经纤维组,还能减小电刺激能量。由于,申娜移流流接收器器电极载体是严格按照人鼓阶大小设计的而,电极阵列列刺激发生器且具有一定记忆能力恢复原状的性质当电极植入耳蜗鼓阶后,它能够紧紧盘绕在蜗轴上,、。图通道耳蜗植入装置原理图使电极触点与蜗轴骨螺旋板紧密接触经测试的电极阻抗值见图。接收刺激器身曲彩御撼口困︶︵已〕到一电极刺激电压图通道电极示意图图电极限抗与刺激电压的关系叫‘闪由理名、侧蜡回︵魏︶已山理男考场洲—电—声一刺激强度分析时间图声电刺激豚鼠耳蜗诱发听觉中潜图声电刺激豚鼠耳蜗诱发听觉中潜伏期反应的伏期反应曲线比较输入一输出曲线比较动物实验用上述多道装置对豚鼠进行急性实验,观察皮层听区的中潜伏期反应,。方法动物麻醉后,将记录电极为一不锈钢螺丝固定在对侧皮层听区硬脑膜表面,参考电极在鼻根,地电极位于颈部肌肉。先用短声刺激记录诱发的。刺激率每秒次,分析时间为。然后打开听泡,圆窗内注射新霉素川致聋用耳蜗电图证实。其内植入球状双电极一对,深度,再记录电诱发反应。刺激信号为双相恒流脉冲,脉宽每相位邵。结果图为声、电刺激诱发的,可看到典型的三相波。电诱发