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?
Photo Credit: Shutterstock / 達志影像

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。

0_KPb-G46lvUnN_r7b
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。


猜你喜歡


BMW i智慧電能生活圈, 給你最便利與智慧的未來生活

BMW i智慧電能生活圈, 給你最便利與智慧的未來生活
Photo Credit: TNL Brand Studio

我們想讓你知道的是

「電動車」毫無疑問的成為當前汽車市場最夯的話題與名詞,無論豪華抑或平價汽車品牌皆推出代表各自電動世代的最新電動車款。身為全球豪華汽車品牌領導者BMW,如何再次於此嶄新的電動世代再次領先?【BMW i 智慧電能生活圈】,是BMW端出的秘密武器。

接軌嶄新的電動世代,BMW直接為用車者描繪最便利的生活願景,名為「BMW i智慧電能生活圈」,從用車者的使用情境思考,無論是家中、工作場域、外出旅途與目的地等,都是「BMW i智慧電能生活圈」中相當重要的電量補充站點,規劃的多種電量補充方式包含【BMW家用充電】、【BMW目的地充電】、【BMW i高速充電站】等,讓車主可以輕鬆擁抱BMW電動車所帶來的嶄新電動生活。

【BMW家用充電】

就像許多人使用手機的習慣,回到家開始充電,每次出門前都是滿滿的電力。將BMW Wallbox壁掛式交流充電座安裝於家中車庫或車位註一,車輛停妥後插上充電槍,人回到家中休息充電時車輛同時也在充電,還可利用智慧型手機應用程式(My BMW App)進行充電相關設定。隔日出門前車輛已經備滿電力,以iX xDrive50為例,代表每天出門都有最高630km續航里程註二供使用,可滿足絕大多數的用車里程需求。

【BMW目的地充電】

若前一天晚上忘了充電,或是有著不同於平常通勤的路程安排,也無需擔心,此時可充分利用目的地充電裝置來補充續航里程。早從2014年開始,BMW總代理汎德便在台灣建置超過百座的公用交流充電座,像是公用停車場、飯店、經銷商展示中心都有;不僅如此,2022年開始總代理汎德更啟動經銷商與外部場域合作建置目的地交流充電站,再加上現有的公用交流充電座,迄今全台已有超過兩千座BMW電動車可使用的交流電充電座,只要透過「My BMW App」或「BMW充電App」就可以查詢充電站點資訊,大幅增加外出時的用車便利與行程規劃彈性。

【BMW i高速充電站】

若有著長里程的旅程規劃,或是行程間需要快速的補充電力,此時就可以充分利用BMW i高速充電站來進行電力補充。2022年底前BMW規劃將在全台經銷商建置14座BMW i高速充電站,最大充電功率高達350kW。以iX xDrive50為例,最快6分鐘就可以補充100公里的續航里程,一點也不用擔心旅程因此中斷、壞了出遊興致。

要如何知道BMW i高速充電站的位置?只要透過車主專屬的「BMW充電App」就可以查詢完整的充電站資訊、掃描QR Code便可以快速啟動充電,並綁定信用卡付款。便利的數位化充電服務,清楚展現BMW積極開拓BMW i智慧電能生活圈的企圖心。

*BMW i 高速充電網官方資訊

超高速充電效能

除了三種不同的電能補充方式,車輛本身更需要擁有高速的充電能力。以當前BMW旗下最熱銷的iX豪華純電旗艦休旅車款而言,導入了第五代eDrive電能科技,以能量密度更高的新世代鋰電池模組,加上最高可達200kW的充電功率註三,最快10分鐘就可以補充150km續航里程註二,大幅縮減充電所需時間,便利性不言而喻。

BMW i智慧電能生活圈從實用性思考 有效破除里程焦慮

在電動車百家爭鳴之際,有別於其他品牌僅強調電動車本身技術,BMW不僅以先進科技作為基礎,更從用車者的角度與生活習慣思考,以三種電量補充方式再加上超高速的車輛充電效能,不論是在家中安裝交流充電座每天為車輛充電, 外出時的目的地充電, 以及長途旅行時藉由BMW i高速充電站在最短的時間內補充最多的電量,相信對於車主而言,大幅降低里程焦慮,取而代之的是更便利、更經濟的用車成本,當然,BMW招牌的駕馭樂趣,仍然在旗下電動車款上完美體現。

註一:需專人到府評估安裝可行性
註二:WLTP測試規範下所測得之數據
註三:BMW iX xDrive50車款。
註四: 詳細銷售辦法請洽BMW i指定授權經銷商


猜你喜歡