俗稱「電子耳」的人工耳蝸,如何讓聽障者重拾有聲世界?

俗稱「電子耳」的人工耳蝸,如何讓聽障者重拾有聲世界?
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我們想讓你知道的是

人工耳蝸的設計與改良,有很大一部分取決於電極與耳蝸聽神經之間的刺激關係。想要來探討其中的奧秘,我們可以分別從「生物面」與「工程面」的角度去切入。

文:許逸翔|核稿:賴穎暉(國立陽明大學醫學工程研究所助理教授)、郭文瑞(國立陽明大學神經科學研究所教授)

電子耳就是「人工耳蝸」,屬於第三級醫療器材。什麼樣的族群會需要人工耳蝸呢?它究竟彌補了我們耳朵缺失的哪一項功能呢?一個人造的儀器,可以如何重現聽損患者失去的世界?透過這篇文章,讓我們來了解人工耳蝸的基本設計。

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圖片來源:By BruceBlaus. When using this image in external sources it can be cited as:Blausen.com staff(2014). "Medical gallery of Blausen Medical 2014". WikiJournal of Medicine 1(2). DOI:10.15347/wjm/2014.010. ISSN 2002-4436. - Own work, CC BY 3.0, Link
人工耳蝸透視圖(圖片來源:維基百科)

聽力損傷(聽損)

蘇軾〈石鐘山記〉提到:「事不目見耳聞而臆斷其有焦,可乎?」我們在認識這個世界時,眼睛與耳朵幾乎是同等的重要。

根據今(2020)年3月的WHO報告,目前全世界有4億6000萬的人口屬於聽力損傷(disabling hearing loss)患者;而到了2050年,聽損人口的數字預計將來到九億。

這代表什麼意思?代表你未來在生活週遭的人群中,每十個人裡就有一個人是重聽。

但是聽損的患者裡,只有極小的比例是屬於小耳症,也就是我們上一篇提到的骨導式助聽器的主要適用族群。絕大多數的患者,都是屬於感音神經性聽損的範疇,這些人主要配戴氣導式助聽器(一般市面上常見的助聽器)即可。

不過大家有沒有想過,重度的感音神經性聽損患者,也是配戴一般助聽器就好了嗎?答案可能跟你想的不一樣,也是我們今天要來討論的主題。

感音神經性聽損是什麼?

在談到今天的主角之前,我們先來簡單瞭解一下前述的感音神經性聽損是什麼。

造成聽損、聽障的原因有很多,長期處在噪音的環境下,或是經由疾病、藥物,甚到老化、基因遺傳等等都有可能引發。如果從耳朵病變位置的角度切入,聽損可以分成傳導性聽損(Conductive hearing loss)、感音神經性聽損(Sensorineural Hearing Loss, SNHL)與混合型聽損(Mixed Hearing Loss)三個方向。(參考資料:1, 2, 3

其中,感音神經性聽損又佔最大的比例,成因是我們內耳裡耳蝸的毛細胞受損,或是我們的聽神經纖維功能異常,造成聲音從內耳傳遞至大腦的路徑受到影響。

這樣的患者,病情如果輕微戴上傳統助聽器就可以了;如果病情嚴重的話,就可能會需要用到我們今天文章討論的主題──人工耳蝸,才有辦法聽見聲音。

人工耳蝸(Cochlear Implant)主要工作方式

人工耳蝸到底是什麼?這裡的「人工」是什麼意思?跟我們常聽到的人工皮、人工心臟、人工淚液的「人工」是一樣的嗎?

其實是類似的,人工都是有一種輔助增強,或是取代我們身體原功能的意思。而人工耳蝸主要就是利用一條長長的電極,進到我們耳朵的最深處的內耳,繞過毛細胞,施予電訊號直接刺激聽神經,來達到「幫助我們恢復聽力的目的」。

人工耳蝸(Cochlear Implant)設計原理

人工耳蝸的設計與改良,有很大一部分取決於電極與耳蝸聽神經之間的刺激關係。想要來探討其中的奧秘,我們可以分別從「生物面」與「工程面」的角度去切入。

  • 1. 生物面

「人聽到聲音」這件事,其實機制是極其複雜的。內耳如何去處理聲音裡複雜的頻率,扮演了很大的角色。試想,我們在一場音樂會裡,為什麼有辦法同時聽到不同的樂器,所發出的不同聲調的聲音呢?

簡單來說,內耳分辨頻率,是利用你我都耳熟能詳的「共振」原理。國中曾學到,一個物體的自然頻率如果與外力的頻率接近或一致,那物體便會不由自主的擺動起來,且擺動的幅度非常大。最著名的案例有Tacoma吊橋倒塌事件,風的頻率與吊橋的自然頻率很不巧的達到一致;還有英國步兵過橋時由於步伐太過一致,造成的吊橋倒塌事件

Tacoma橋紀錄片(片段):

而平常外界的聲音從外耳傳到中耳、內耳時,我們的鐙骨(聲音在中耳的終點),會開始不斷敲擊耳蝸的卵圓窗(聲音在內耳的起點),並對耳蝸內的淋巴液產生擾動(行進波,Traveling Wave),從耳蝸的基部(Base)一路傳遞至耳蝸的頂部(Apex)。

然而,我們耳蝸不同部位的基底膜(Basilar membrane),對傳遞過來的行進波的反應都不太一樣。高頻的行進波,會引起耳蝸基部基底膜的共振;低頻的行進波,會引起耳蝸頂部基底膜的共振。

由此一來我們可以理解,不同頻率的聲音,會引起耳蝸不同的地方產生大幅度的振動;這些振動,會再帶動該部位的毛細胞擺動,進而刺激聽神經產生動作電位,傳遞至大腦。(更詳細機制參考

我們的耳蝸就是利用這樣的方式,對不同頻率的聲音進行拆解,再藉由聽神經將拆解後的訊號傳入大腦,使我們感受到了聲音的高低起伏。

耳蝸不同部位的基底膜,對不同的聲音頻率產生共振:

  • 2. 工程面

我們理解大腦是如何透過耳蝸感知到這麼複雜的聲音後,就可以開始從工程面去思考如何設計人工耳蝸的「植入電極」了。

首先,因為重度感音神經性患者的耳蝸毛細胞受損,基底膜共振的時候就不能帶動毛細胞擺動,引發該部位的聽神經產生動作電位。

所以我們就需要有一根長長的電刺激器取代毛細胞。它要能夠根據不同聲音的頻率,去刺激耳蝸不同部位的聽神經;另外它也要是柔軟的,能夠沿著耳蝸的螺旋形狀從基部一路延伸至頂部。而電刺激器上的電極陣列也是一個重點──電極數越高,代表越高的頻率解析度。

講完電刺激器後,難道就討論完人工耳蝸了嗎?其實還是不夠的。想讓重度感音神經性患者恢復聽力,人工耳蝸還需要其它物件。


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我們想讓你知道的是

AWS將於今年10月7日上午10:00舉辦線下開發者聚會AWS Enterprise Dev Day,以「技術開發」為活動主旨,透工作坊、講座形式,圍繞NET & Java現代應用、雲端服務、人工智慧等數位技術進行交流,精進企業雲端技術競爭力。

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  1. NET & Java現代應用開發(.NET & Java Modern Application)
  2. 搬遷上雲(Migration)
  3. 無伺服器服務(Serverless)
  4. 容器服務(Containers)
  5. AI / ML人工智慧與機器學習(AI/ML)
  6. Data Analytics資訊安全(Security)(Security)
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AWS Enterprise Dev Day活動資訊

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日期:2022年10月7日(星期五)
時間:10:00 AM~3:30 PM
地點:南港展覽館二館 7F

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