人工耳蜗目前技术发展一现状与未来

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编译：吴文瑾、黄玉宇审校：杨军

由于技术的快速发展和良好的术后效果，人工耳蜗已经成为感音神经性耳聋的标准治疗方法。目前人工耳蜗植入的适应症是双侧感音神经性耳聋的儿童及成人，也包括单侧耳聋以及高频听力损失。人工耳蜗适用于当言语和交流能力（使用电话）或言语发育不能够通过其他替代方法得到充分恢复的情况。人工耳蜗植入需要跨学科团队的合作，以及从适应症把握到植入后终身的质量控制理念，这已在德国科学医学协会（AWMF）人工耳蜗植入指南的修订中得到体现。

目前的耳蜗植入系统仍然是部分植入，并且配备了类似于助听器上的多种附加功能，用于声音预处理和噪声消除。电极在耳蜗内的位置可以对听神经产生不同的刺激，从而传送不同的音调感知的听觉感觉。这种内耳频率的组合模拟产生现实中复杂的声音信号如言语，被转换成差异性神经元刺激模式，这就是通过人工耳蜗进行言语理解的基础。

人工耳蜗植入的手术技术已经标准化，可应用于几乎所有患者。通常情况下，首选经乳突面隐窝径路，通过圆窗膜植入电极。植入物在颞骨的固定以及靠近耳蜗处电极的固定是降低并发症发生的关键因素。目前规范的人工耳蜗植入手术要求保留残余听力，使得有残余听力的患者可因此而获益。

除了植入体的功能控制外，基于客观参数的调节系统实现了术中评估电生理参数。随后的听力和言语训练目的是言语获得和言语识别。终身随访包括技术升级，以及医疗和技术外的并发症处理。

一般而言，语后聋人工耳蜗植入患者可获得开放式言语理解并可使用电话。发现耳聋后早期植入的语前聋患儿通常能获得接近正常的言语发育。

人工耳蜗植入的手术并发症发生率较低。植入失败率约2~4%，约4%的植入者报道了并发症。再植入不存在任何问题。患者还可受益于技术升级。

未来的开发重点是仿生耳，通过模拟听觉生理过程技术来重获听力。为此目的，将开发具有更多通道的电极。通过电极表面的功能化和额外的生物治疗，可在电极上再生具有树突的听神经，并避免螺旋神经节细胞进一步退化。

言语处理策略会更加优化，音调感知更加逼真，可以欣赏音乐。通过远程医疗可实现患者积极参与、植入控制自动化技术、远程护理、编程和技术升级。由于多模式刺激与集成的耳蜗内机械或声光制动器，听觉植入将会普遍化。这些植入体允许个体优化的听觉康复，并且可在听力受损的情况下重新调整。机器人系统的使用将相对提高手术精度并且更好地保存残余听力。所谓闭环系统的脑电信号检测将允许植入系统自动适应不同的听力情况。全植入听觉系统目前正在研发，将有可能实现所谓的隐形听力（invisiblehearing）来克服听力残疾者的自卑。

前言与基础

1.人工耳蜗的工作原理

人工耳蜗代替具有生物传声器作用的内毛细胞功能，通过直接电刺激听觉神经来触发听觉感觉。在此基础上，在技术上模拟自然听觉过程，即沿着听神经纤维不同部分之上的基底膜频率呈现出音频定位的特征（图1）。但是，与自然听觉过程相比，人工耳蜗只有很少数量的通道可用于信号传输。当听音乐时或在噪声中理解言语时，电极-神经连接的瓶颈变得特别明显（图2）。而用高刺激重复率（个脉冲/每秒/每个电极触点）模拟声信号的时间结构更容易。

图1：人工耳蜗植入系统

图2：电极-神经连接的瓶颈

2.历史发展

第一次恢复听力、“耳蜗植入”的尝试是在年末由Durno和EyRice在巴黎完成的。在接下来的几年中，由耳外科医生和工程师组成的一些团队开发了不同的系统，通过神经间、耳蜗内、耳蜗外的电极系统刺激听觉神经。年，Z?llner和Keidel提出了耳蜗内多通道刺激的基本原理，这是现今人工耳蜗植入系统的基础。在鼓阶中有多达20个电极触点，通过不同的刺激方式模拟音调。第一例临床应用系统由House和Urban开发，后来陆续有Hochmair和Hochmair，Clark和Patrick，美国的Merzenich，以及巴黎的Chouard开发的系统。

最初的系统故障率很高，但由于心脏起搏器技术的应用，迅速改善了人工耳蜗植入物的可靠性。经皮传输很快取代了时常与并发症相关的经皮连接器系统。由于技术和手术困难，尽管有非常好的分离通道，神经内刺激技术未进一步开发。

3.目前人工耳蜗植入系统

目前的系统是将耳蜗电极插入鼓阶内，安全地刺激听觉神经而无相关并发症。

技术

1.人工耳蜗植入系统

目前的人工耳蜗植入系统一般由两部分组成。外部言语处理器用于声音记录、声音预处理和声信息转换成电脉冲的逻辑序列（即所谓的言语处理）。发送器经皮传输FM信号，并且通过发送线圈感应为植入体供电。位于皮下的植入体包含接收FM信号的接收线圈—用于提取电脉冲的解调器，以及在蜗内不同部位电极触点的电极载体—用于将电脉冲传输到听觉神经和遥感测量系统。

目前的耳蜗植入系统能进行广泛的信号预处理，包括定向麦克风、波束形成器、噪声消除和声学场景分析，以及在双侧植入和双模治疗情况下实现双耳间无线连接。这种方式可以使两个言语处理器同步。遥测测量系统用于植入耳蜗本身的电生理数据记录，如电极阻抗、声学和电诱发电位的测量（图3）。

一些系统可以评估耳蜗电图的耳蜗内成分，包括耳蜗微音器电位、听觉神经的复合动作电位以及总和电位。此外，可以检测电诱发的镫骨肌反射。这些客观测量使术中和术后植入体的功能可控，并为调机提供支持，这在儿童患者中是一个很大的优势。它们还可对植入电极的位置进行间接控制。

图3：神经反应遥测

2.电极系统

目前正在使用的人工耳蜗有不同类型的电极系统（图4）。一般情况下，应有足够的电极触点以便尽可能地刺激所有的螺旋神经节细胞。为此，需要°以上的插入深度。一些制造商主张更高的耳蜗覆盖以达到耳蜗顶端螺旋神经元。为了保存残余听力，特别设计了薄电极，最常放置在侧壁，并根据听力损失程度调整电极长度。为了在低刺激电流下实现可能的选择性刺激，可植入预成型的抱轴电极，但通常不能保留听力（图5）。特殊电极可用于畸形和骨化耳蜗（双电极或分开的阵列）。

图4：不同长度的人工耳蜗电极

图5：Peri-modiolar电极

这些阵列将电极触点布置在2个电极载体上，通过2个耳蜗开窗口插入耳蜗的第一和第二圈。压缩阵列是具有正常数量刺激触点的缩短的电极载体，被放置到耳蜗底圈初始部位。这些设计的目的是为了使耳蜗内刺激触点尽可能接近耳蜗轴。为了在畸形情况下确保耳蜗的水密封关闭，应使用底端加厚的特殊电极。

3．配件

系统配备了各种配件，例如FM系统、蓝牙、附加麦克风、电话线圈和用于音频技术的连接器。特殊的保护装置甚至允许在水中使用人工耳蜗。由于特殊的输入，这些配件有助于改善不利条件下的言语理解（教室、课程、讲座），以及电话和其他通信设备和音频技术（MP3播放器）的简化使用。

4.远程医疗

远程医疗将会使人工耳蜗远程调配、植入体控制（远程护理）以及软件升级成为现实。未来将支持患者自己完成植入系统的自装配。患者可以通过人工耳蜗植入中心远程处理连接（图6）。中心的专业信息在任何时候均可用（不再需要耗时且额外开销的预约见面）。定期自动检测植入耳蜗功能和电极-神经连接的数据可以通过移动电话传送到中心并进行评估。标准值的临界变化发送到植入中心和患者，可以快速给予医疗或技术干预。电极阻抗的增加提示出现迷路炎。

图6：远程装配的技术实现汉诺威医学院专家中心分布式听力中心，基于Auric系统，编码数据连接，安全带宽（2兆位SDSL）

研究与未来发展1仿生听觉

随着人工耳蜗植入技术的迅速发展，听力康复取得了良好的效果。然而必须承认，不是所有的患者都可获得开放式的言语理解，尤其是在噪声环境下，也不是所有的儿童都能达到接近正常儿童的听力和言语发育。究其原因，除了已提到的认知和生物因素，也有伴随疾病和其他残疾的影响。然而，最重要的是听觉神经的状态，以及电极-神经接触（图41）。

从刺激电极到听神经的相对较远的距离导致明显的电场扩散和连续性差的电通道分离。这意味着目前的电极系统只能有6-8个分离的通道。未来发展的目标是通过技术方案模拟生理听觉，实现仿生听觉，达到真正的听觉恢复。

这种仿生耳的基本元件是一种改进的电极-神经连接，用于重获接近正常的听觉神经生理刺激模式，通过生物疗法使外周听觉系统再生，以及通过适当的言语处理策略来实现所创建的信息传输通道的优化使用。

图41：电极-神经接触

2电极-神经连接

在目前的耳蜗植入系统中，电极-神经连接一方面主要由电极载体上少量的电极触点决定，另一方面由螺旋神经节细胞的数量以及外周树突的状态决定。此外，还存在解剖因素，如电极的位置与耳蜗轴的关系、残余听力和毛细胞，以及患者区分所提供声音信号离散特性的能力。

电极-神经连接一个重要的改进在于目前的传输能力约1/10光盘播放器传输容量（60vskbit/s;图2），可以通过以下步骤来实现：

（1）靠近蜗轴

图42：基于水凝胶的自弯曲电极（根据Doll和Stieghorst）

预成型的电极适用于植入后定位于蜗轴周围。由于解剖变异性高，这一目标并不能在所有病例中实现。在这种情况下，主动预弯电极系统通常更适合实现这一目的。插入后电极可以调整其形状，例如通过镍钛合金丝的温度升高触发聚合物成分的记忆效应，从而有针对性地改变电极形态（图42）。微技术程序能够在电极载体上放置更多的离散电极触点，更好地利用内耳的解剖特性。通过精简额外的传入导线，可以避免机械插入的不利影响。

（2）刺激电极功能化

即使在电极定位理想的情况下，电极触点和螺旋神经节细胞之间仍然有螺旋管和蜗轴。桥接只能通过再生周围听觉神经纤维，即所谓的树突。通过电极表面释放的神经生长因子，达到理想的浓度梯度使树突在电极表面生长（图43）。这个构想已经在一个实验中得到证实。根据电极触点的表面结构可以在纳米尺度范围内为神经细胞与电极表面对接创造最佳条件。

（3）生物复合电极

耳蜗内神经生长因子的自动生成是维持治疗效果的重要因素。这可通过移植内耳干细胞来实现。干细胞可以在内耳的生物环境中分化，并自动产生神经生长因子。

干细胞移植可以通过所谓的生物复合电极进行。从胸骨骨髓中获取干细胞后，通过聚合物将它们连接到电极表面，然后将电极小心地植入到鼓阶（图44）。生长因子的分泌对于残余听力的保留也很重要。甚至可以通过引入纳米颗粒来进行基因转移。这些纳米颗粒将运输正确的DNA，并保留剩余毛细胞的功能。

图43：未来电极-神经连接

图44：用于干细胞移植到耳蜗的生物复合电极

（4）神经内电极-听觉神经植入

另外，可以开发神经内电极系统。电极触点直接定位在听神经中，并且改进了通道的分离。目前相应的高接触密度电极系统已被开发（图45）。

3机器人系统

机器人系统应用于微创人工耳蜗植入手术，有助于改进耳蜗电极系统的插入和定位。由于耳蜗解剖参数，如外侧壁长度（35至46毫米之间的变化），有明显的个体间变异性，这些因素可以通过电极的精确插入来解决。除了选择合适的轨道外，电极的最佳插入以及其他参数的三维控制起着至关重要的作用。

图45：听觉神经植入（ANI）。听觉神经的直接刺激触发下丘音调刺激

4言语编码策略

改进的电极-神经连接可获得新的和更好的言语处理策略。这些算法将声信号转换成人工耳蜗植入系统的电脉冲逻辑序列。在电极-神经连接显著改善后，电极将具有更多数量的电分离通道（electricallyseparatedchannels），还可应用其他言语编码程序，其目的在于增加传输信息、频谱对比和模拟生理刺激。耳蜗中单个电分布的适宜模型是接收刺激的最佳电极接触组合。

5大脑-计算机连接与闭环系统

使用客观参数，特别是听觉神经的听觉诱发复合动作电位以及中枢听觉诱发电位，即目前所谓的闭环系统正在开发中，系统中附加的记录电极可以放置于听觉皮层上。植入体同时也作为传感器（热植入物）使用。所获得的EEG信号选择适当的参数可用于言语处理微调，并支持在困难的声学环境下，对儿童尤其重要。由于言语编码算法的复杂性越来越高，在成人中也变得越来越重要，它将取代目前的人工编程。

6内耳多模态刺激

越来越多的患者接受保留残余听力治疗，所以有必要充分利用声学残余听力结合电听力。为此，开发了（electrodesystemswithintegratedmechanicalactuatorsoranoptoacousticfiberactuator）具有集成机械致动器或声光纤维致动器的电极系统。它们可以调节内耳的功能状态，并允许耳蜗储备优化使用。

为了实现耳蜗对声音和电刺激的同步反应，必须及时协调两种刺激。此外，机械刺激应连接到耳蜗以避免连接问题。因此，多模态刺激系统应运而生。这个系统中，机械刺激器也可以是电极系统的一个组成部分。此外，基于电磁或压电基础上的致动器也是可行的。这些所谓的机电刺激为耳蜗储备的使用开辟了新的可能性，并且可以调整、适应改变后的残余听力，从而避免患者的再次植入。

（1）声光刺激

高能光学短脉冲通过激光系统刺激内耳毛细胞。其基础是基于热弹性膨胀的声光效应。所施加的激光脉冲导致生物组织的短期温度升高，从而形成机械脉冲。这是激活毛细胞的适宜刺激。这种声光效应也可用于上述的机电刺激。

（2）光遗传学刺激

与声光刺激相反，这种刺激并不直接激活听觉神经元，光遗传学刺激利用最初的天然色素对神经元组织进行敏化。它们可以通过遗传控制永久生成，从而使治疗后的螺旋神经节细胞对光学刺激敏感。

7隐形听觉—完全植入式人工耳蜗植入系统

电池和麦克风技术的进步将使完全植入式听觉系统成为现实。通过经皮充电电池供应能量。声音接收也是经皮实现。如果需要，可以耦合外部言语处理器。目前认为电池寿命约达10年至15年。患者可获得进一步的行动自由，减少残疾的自卑感。缺点在于再次植入前软件不能更新。

8人工耳蜗作为私人通讯器

通过将人工耳蜗包括在一个高级通信系统中，人工耳蜗可充分利用音频技术和电信技术。人工耳蜗的控制可通过蓝牙执行。

小结

人工耳蜗技术的快速发展使得实现仿生耳指日可待，更多的患者将受益于此。目前仅德国就有约万名人工耳蜗植入候选者，实际只有人植入。要覆盖所有患者，技术和生物学领域的进一步发展是必须的。这些技术的发展将允许在微创情况下手术，如果可能的话，甚至在短时间内局部麻醉下进行。自动化程序将允许恰当的机器调配，为获得尽可能自然的听力提供先决条件。

编辑：佳丽

吴文瑾、黄玉宇

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长按







































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