原创性声明 本人郑重声明：所呈茭的学位论文是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体巳经发表或撰写过的科研成果对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本声明 的法律责任由本人承担。 論文作者签名：拯骛数 日 p7土√ 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向國家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有關数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文 (保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：么逝导师签名：∑翌堡翌日期 山东大学硕士学位论文 中文摘要 人工耳蜗有外机吗是唯一能够使完全耳聋者通过电信号刺激残留的听觉神经以恢复部 分听力的医学手段。从20年前的一种主要用于让患者加强唇读和感知声音的存在的 单电极装置到今天人工耳蜗有外机吗已经发展成┅种能支持其全球6万用户中的大多数人 顺利进行电话交谈的复杂多电极装置。近年来人工耳蜗有外机吗的适用者范围也已经被 大大扩展，包括小到3个月的婴幼儿童和有明显的功能性残余听力的成人，特别 是低频率域内残余虽然它们在不同个体上的性能差异依然很大，泹平均来说大 部分使用者都可以通过人工耳蜗有外机吗在安静环境下进行顺畅的电话交谈。 使用人数和 科技文献的数量的指数性增长證实了人工耳蜗有外机吗已经发展成为一个成熟的领域。 论文首先概述了课题的研究背景以及人工耳蜗有外机吗的发展历史及现状通过介绍言 语信号的合成方法、正常人的耳蜗的工作机理以及耳聋的病理学基础，阐明了人工 耳蜗的工作原理并给出了人工耳蜗有外机吗的各个组成部分及其作用。目前大部分人工耳 蜗使用者已经可以在安静的环境下顺利的交谈也就是说现有人工耳蜗有外机吗对于言语信 号嘚识别率已经做的相对成熟。然而对于进一步音质的问题对研究人员来说仍然 是一个难题。例如使用现有的人工耳蜗有外机吗，当患鍺听音乐时只能听到有节奏的鼓点 而完全领略不到音乐的优美。其原因主要是在之前的人工耳蜗有外机吗研究中研究人员注 重的是人笁耳蜗有外机吗对于言语的识别率忽视了言语的音质问题。而影响语音音质的关键 则取决于语音的相位信息但先前的言语处理方案完全將相位信息忽略掉了。在本 文中我们通过一种新型的线性零相位滤波器一全相位滤波器试图将语音的相位信 息更好的保留下来。 在人工聑蜗有外机吗的发展过程中信号处理技术扮演了十分重要的角色，一般来说按 照言语处理方法的不同言语处理方案一般分为两类：特征提取方案和波形方案。 特征提取方案的策略是首先提取言语信号中的重要特征然后再将这些特征传送到 不同电极以刺激听神经，其代表方案有晶／呸、磊／墨／最；而波形方案是将言 语信号的波形以不同的方式传送到电极其代表方案有ACE、CIS、SPEAK。在大部 分已经投入使用的囚工耳蜗有外机吗中CIS是一种必不可少的言语处理方案，也是被大部 山东大学硕士学位论文 分患者所认同的一种方案因此论文中以CIS言语處理方案为例来研究CIS改进方案 的特性。 在人工耳蜗有外机吗波形处理方案中都要用到滤波器组，其作用是将原始语音划分成 若干频段洅做后续处理。在已往的CIS方案仿真中大多数采用巴特沃夫滤波器， 它是一种非线性滤波器当语音信号通过非线性滤波器组时，语音信號被分为几个 频段但与此同时，语音信号的相位信息被改变了而全相位滤波器是一种改进的 频率采样法，属于线性滤波器改进的方案采用线性滤波的方法来更好的保留原始 语音信号的相位特性，使得最后的合成语音更为清晰有更好的音质。文中对CIS 方案的改进关键在於语音信号通过滤波器组时采用了与已往不同的全相位滤波器 组。由于全相位滤波器组的零相位特性陡降性等优点，通过滤波器组后嘚语音保 留了原始语音信号的相位信息提高了语音的音质。 论文详细介绍了全相位滤波器的原理并与频率采样法相比较，通过仿真结果 说明了全相位滤波器无论是在过渡带宽度、阻带衰减，还是在纹波的均匀度方面 全相位DJ可法都要优于频率采样法。并且与八通道的巴特沃夫滤波器组相

目前全球有耳聋患者近亿人我國最近1次残疾人抽样调研的结果显示：截至2006年，国人中听力残障患者的总人数已经达到2 870万近年来，国内外的耳显微外科手术进展迅速楿当一部分听力下降的患者得到了有效的治疗。多数传导性听力下降的患者可借助手术的方法提高听力；轻至中度感音神经性听力下降的患者可通过药物治疗提高或维持听力也可以通过佩戴助听设备等方法补偿听力。如今针对重度感音神经性听力下降的治疗方案越来越受到关注，但对于这类患者而言借助普通的手术治疗、局部或全身的药物治疗、佩戴助听器等治疗方案，对听觉恢复以及言语学习的干預和治疗效果都不甚理想目前，人工耳蜗有外机吗植入(cochlear implantationCI)是重度和极重度感音神经性听力下降患者重获听力的重要手段。人工耳蜗有外機吗是一种声-电转换装置它可以将环境中的声信号转换为电信号，并传入植入者的耳蜗利用功能性电刺激(functional electrical stimulation)直接刺激耳蜗残存的听觉神經细胞，从而产生听觉经过近50年的相关研究，人工耳蜗有外机吗植入成为全聋患者(尤其是双侧感音神经性听觉丧失的儿童)重要而有效的治疗途径

人工耳蜗有外机吗装置的工作原理与问题

现阶段在临床中使用的人工耳蜗有外机吗装置由体外机和植入体两部分组成。体外机甴麦克风、信号放大器、数字信号处理器、外线圈以及电池等部分组成(主要为声-电换能装置)在日常使用过程中，使用者往往需要将体外機挂在耳廓后方或者通过夹子或别针固定于衣服上。植入体则由内线圈、解码器、电极等部分组成通过手术的方式植入耳内。当患者植入人工耳蜗有外机吗并佩戴相应的体外机后麦克风可以提取收集声音信号，信号放大器和数字信号处理器可以对声信号进行分析、处悝、编码等经过外线圈和内线圈之间的无线射频传输(transcutaneous radio-frequency transmission)，将信号发送至植入体的解码器解码器再解读之前编码的信号并分配到相应的电極上，对螺旋神经节进行刺激从而形成完整的声-电转换和刺激过程，使受植入者听到声音

然而，随着人工耳蜗有外机吗使用人群的逐漸扩大以及使用时间的不断累积体外机在正常使用中也衍生出了很多新的问题。体外机本身是一种听力残疾的象征给使用者(尤其是儿童)带来差异感。一些儿童为了不让他人发现自己患有听力障碍会将体外机摘下不使用或者不与他人接触，这些情况会造成儿童和青少年嘚自卑、自闭等心理问题及社交障碍；体外机的固定方式使得使用者在日常及体育活动中产生不便；体外机依赖电池供电在洗澡、游泳等接触水的活动时，常常需要摘下并妥善保管限制了使用者的活动范围；使用者在睡眠时往往不便佩戴体外机，所以难以做到24 h随时使用而在摘下体外机的时段里，患者无法听到外界声音；体外机还可能发生损坏和遗失给使用者带来不便。为了将这些衍生的问题最小化国内外专家提出了全植入式人工耳蜗有外机吗(totally/fully implantable cochlear implant，TICI/FICI)的理念认为"全植入"的实现将成为人工耳蜗有外机吗研究中的一个重大突破。"全植入"被認为是一个可预见的发展趋势和方向有助于提高患者对人工听觉植入的信心，造福更多重度和极重度感音神经性耳聋的患者

人工耳蜗囿外机吗传感器的全植入研究

在全植入式人工耳蜗有外机吗的设计过程中，研究者面临的几个基本问题主要是3个体外原件(电源、言语处理器、麦克风)的可植入化目前，可植入的电源和言语处理器已有可应用于临床的产品而可植入的麦克风(传感器)成为全植入式人工耳蜗有外机吗探索过程中亟待突破的难点。学者们设计的传感器在本质上都是一种换能装置即将声音信号转化为电信号，此类研究主要集中在振动听觉传导装置的优化和改进方面并与全植入式人工耳蜗有外机吗的全植入设计相关联。根据信号的转化原理和传感器植入位置的不哃主要有以下几个设计思路。

声波振动以皮肤为介质传入埋植于皮下的传感器并被拾取。以往研究者设计的植入位置主要有：(1)外耳道後壁皮下；(2)外耳道后壁与鼓膜交界处；(3)耳后皮下用到的传感器技术主要有电磁铁传感器、驻极体传感器及膜式传感器等类型。具有代表性的研究设计有：(1)TICA(德国Implex公司)：采用植入在外耳道后壁的麦克风作为声音提取装置通过植入于乳突内的信号处理器处理声音信息，再传输臸膜活塞型压电传感器传递振动到听骨链，完成完整的声音信号转变与传递过程从而提高听力其问题在于麦克风易被挤压而脱出于外聑道内，且位于中耳的振子和位于外耳道的麦克风之间的能量反向传递导致其反馈噪音较大甚至可能导致残余听力的损失，被证实不适匼临床使用已经停止研究。(2)SOUNDTEC(美国SOUNDTEC公司)：使用置于外耳道深部的声-电磁传感器将声信号转化为电磁信号，再通过磁感线圈的电磁感应原悝将电磁场传至中耳的磁体上，产生振动植入过程中需要分离砧镫关节，将磁体固定在镫骨颈上但在临床应用过程中，研究者发现汾离砧镫关节后处于游离状态的镫骨会使外淋巴液过度振动，导致内耳损伤造成感音神经性听力下降，上述现象在老年患者中更为严偅同时，电磁感应原理传导的信号易被外界的磁场干扰稳定性差且易产生噪音。目前研究者仍在寻找上述问题的解决方案(3)TIKI(澳大利亚Coch lear公司)：为一种全植入式人工耳蜗有外机吗试验品，它将传统人工耳蜗有外机吗的声音传感器、信号处理器、电池等一体化整合在了头皮下嘚植入体中在各种生活场景中具有一定的应用便利性。但是将麦克风埋于颞部皮下也产生了诸多劣势如本底生理性杂音(咀嚼、血流、呼吸音)的困扰、头皮的滤声效应导致的声音衰减和失真等，使得应用效果不佳(4)Carina(澳大利亚Coch lear公司)：植入体部分与TIKI类似，囊括了麦克风、电池、信号处理器以及与砧骨固定连接的振子电池可以隔皮充电，麦克风也同样采用皮下埋植的方式拾取声音皮下埋植传感器的设计优点昰可以较好地利用膜性振动，而且植入过程较为简便临床试验显示，该装置比其他半植入助听设备的助听效果高出10～20 dB然而，这一途径噫受到前述的人体内源性本底噪声的干扰此外，其声电转化类型所致的增益也相对有限而且皮下埋植还易造成皮肤损伤和植入原件的粅理性损坏。

另一类设计为将传感器植入到中耳内外界声音的机械波传入外耳道，并通过鼓膜振动使鼓室腔内的听小骨振动所以，利鼡传感器拾取中耳内的一些结构的振动也成为一种有潜力的设计思路在这一思路中，常见的麦克风传感器放置位置为鼓膜或听小骨其Φ，植入于鼓膜上的微型加速度传感器和驻极体电容式传感器先后出现之后植入在听骨链上的传感器也有所进展。

1. Huttenbrink等提出了一种液压声能传感器(hydroacoustic sensor)通过充满水的软管一端连接于与听骨链软性接触的特制小球上，另一端连接于一个压电传感器当听骨链振动时，能量通过小浗和软管传递至压电传感器此设计的优点是减少了听骨链耦合传感器时带来的负重问题，但同时也衍生了能量传递的比率降低、能量削弱、声音失真等问题

Esteem(美国Envoy公司)是目前压电材料应用于助听设备的代表性产品。这一可植入式的助听器通过压电传感器拾取砧骨振动，通过处理将振动信号提高再输出至镫骨，以期提高患者听力植入过程中，需要将砧镫关节离断切除部分砧骨，将两个压电材料的传感器分别固定在砧骨和镫骨的断端砧骨振动使得传感器采集振动信号，传输至植入于颞部的信号处理器再将输出信号传至镫骨处的压電传感器，并产生机械振动以提高患者听力这一设计方案目前已应用于900余例植入者。这种设计降低了人体本底生理性杂音的影响避免叻头皮的滤声效应导致的声音衰减和失真等问题，从而带来更好的聆听效果但是，该手术过程复杂难度较大，术后也有传感器松动脱落的风险而且，植入过程中需离断砧镫关节并切除部分砧骨造成了不可逆的听骨链破坏。

3.复旦大学研制的新型压电传感器(new floating piezoelectric microphoneNFPM)以自主设計的高性能锆钛酸铅陶瓷压电双晶片为材料，真空封装于钛壳内通过钛夹与人耳砧骨长突耦合，利用外耳听觉生理的基础借中耳传声系统，实时记录听骨链的振动信号并将其转化为电信号。此设计避免了麦克风和传感器埋植于外耳可能产生的本底生理杂音拥有与Envoy Esteem类姒的优势，同时植入过程中保持了听骨链的完整性，最大限度地保留和利用了人体外耳和中耳的听觉生理功能经过实验室测试、颞骨實验、动物实验等阶段性的测试和改进，验证了压电传感器拾取听骨链振动声学信号的可行性目前，NFPM正在进行临床试验以及与人工耳蜗囿外机吗系统的整合工作可能为全植入人工耳蜗有外机吗系统传感器提供一个良好的设计方案。

μm能够将振动能量转化为电信号。当特定频率处的液体振动时带动薄膜材料振动，即可接收液体中的声音振动并进行换能转化为特定频率的电信号，实验结果显示产生的電信号与频率有一定的对应关系PVDF材料不需外界供电，若将其植入内耳产生的电信号能直接刺激毛细胞和螺旋神经节，将大大压缩植入粅的数目和体积目前这一设计还在体外实验阶段，但如果可以应用于内耳将具有一定潜力。

目前全植入式人工耳蜗有外机吗相关的設计方案都在研究过程中。美国纽约大学医学院Cohen认为相比于传统的部分植入式人工耳蜗有外机吗，全植入式人工耳蜗有外机吗具有保护患者的疾病隐私、保证7×24 h的全天候使用、可在有水环境中聆听、给使用者带来生活和心理上的帮助等多方面的优势越来越多的研究者将關注点放在了全植入式人工耳蜗有外机吗在未来的发展和使用上，相信在可预见的将来全植入式人工耳蜗有外机吗可以给广大耳聋患者帶来更多利益。

本文来源：中华耳鼻咽喉头颈外科杂志, ): 127-130.