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”，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)的電刺激效應的卻是一組俄羅斯科學家，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大學的這個裝置在文獻中被稱作Ineraid或Symbion裝置，它很好的適應了實驗應用的需要。比利時的Antwerp大學開發(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。現(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，然后通過導線傳送到耳蝸（6）中。在導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。