首先与听觉所的主要器官包括1)外周听觉感受器官(外耳、中耳、内耳)2)听觉通路(主要是听觉神经向听觉中枢传导通路上的一些与神经核和传入神经)3)听觉中枢,主要位于大脑皮层。
外周听觉感受器官(外耳、中耳、内耳)红色部分为外耳,蓝色为中耳,绿色为内耳,外耳主要有耳廓,外耳道,鼓膜分隔外耳和中耳,中耳内和三块听小骨(锤骨、砧骨,镫骨),内耳即是耳蜗,其通过镫骨底板与听骨链相连接。
外耳是一个复杂的软骨系统构成的,其主要有两个功能。首先,抛物面形的耳廓及其固有的谐波振动特性能够收集声音,并且增强听觉的敏感性。
中耳主要的作用是将声音传导至耳蜗。由于声波是在空气中传播,在传入耳蜗内液体的过程中声音会损失大部分的能量。声音经鼓膜的振动进入中耳,通过鼓膜和耳蜗淋巴液之间的锤骨、砧骨和镫骨传导至内耳的卵圆窗。而覆盖卵圆窗的镫骨底板的振动会引起耳蜗内淋巴液的振动。为了补偿声音在中耳传递过程中的损失,中耳的主要功能除了传导声音外,另一个最主要的功能是放大传导至耳蜗内液体的压力,用以补偿声波由气体传导至液体的损失,由于中耳传音结构破坏会导致听觉敏感性下降60dB,被称为传导性聋。
内耳的主要功能是对声音进行编码并转换为听神经冲动。
上一张图片即是伸展开的耳蜗,其中镫骨底板覆盖卵圆窗,卵圆窗内即是耳蜗的前庭阶。当镫骨底板振动时引起耳蜗内淋巴液的振动,其方向为前庭阶向蜗尖方向,在经蜗顶的蜗孔折回,再由鼓阶传导至圆窗。
下一张为耳蜗的截面图,如图所示,上中下三个结构分别为,前庭阶,中阶,鼓阶,其中蓝色表示其内液体为外淋巴液,白色部分其内液体为内淋巴液。而人工耳蜗电极即植入鼓阶中。
上图中黄色部分为耳蜗中最重要的能量转换器官柯蒂氏器,其位于中阶的基底膜上。下一张幻灯为其更精确的结构,可以看出其一层内毛细胞,三层外毛细胞,支持细胞,盖膜等组成结构。而听力正常者的耳蜗内有大约300个排列成一行的内毛细胞,这些内毛细胞和大约30000条听神经纤维相联系,排列成3列的外毛细胞,每列外毛细胞的数量大约为12000个。
这些结构的主要作用是换能,将声波的机械能转换为神经传导的生物电能。具体过程可不去了解。但是要理解耳蜗是如何处理传入的声音的,这也是人工耳蜗工作原理主要模仿的工作方式。
将耳蜗展开后如图所示,当镫骨底板振动时引起耳蜗内淋巴液的振动,其方向为前庭阶向蜗尖方向,在蜗顶折回,再由鼓阶传导至圆窗。在外淋巴传递声能的过程中,不同频率的声音会在耳蜗基底膜相应的部位引起最大的振动。
▲ 如图上所示中间的梯形是耳蜗的基底膜,基底膜特点是从蜗底向蜗顶逐渐增宽。1320、880和440Hz可以引起耳蜗基底膜不同部位的最大振动,1320Hz比较靠近蜗底,可以引起对应的内毛细胞经的活动,经听神经传入听觉中枢,所以可以感受到不同频率的声音。
下面一张图片则比较形象的显示了上述内耳生理活动。
而目前认为外毛细胞的病变是造成感音神经性耳聋的主要原因。
上图是听力正常人的耳蜗,毛细胞(hair cells )和螺旋神经纤维(nerve fibers)数目较多,耳蜗功能正常,听力正常。
中间是中度耳聋患者的耳蜗,毛细胞及神经纤维均呈不同程度的减少,外界的声音不能很好的由毛细胞转换成神经生物电冲动,传入大脑的听觉中枢功能受损,患者呈现出听力下降的表现。在这种情况下助听器可以通过功率放大,加强基底膜的运动,调动残存的毛细胞,加大其工作量可以补偿一部分的听力损失。
而对于最下图中的集中度感音神经性耳聋患者,残存的毛细胞和螺旋神经末梢细胞已经很少了,任凭助听器功率如何的放大,基底膜运动如何强烈,均不能使声音的机械运动通过毛细胞转化为神经电冲动传入大脑,产生听力。所以就需要有人工耳蜗人为的把外界的声音通过程序转换为电信号直接的刺激螺旋神经节细胞,通过听神经传入大脑产生听觉。这就是人工耳蜗的基本原理。其实人工耳蜗从某种意义上主要的作用就是代替了正常耳蜗的工作。
下面说一说人工耳蜗的工作原理,所有的人工耳蜗都有以下几个部分组成:体外机(言语处理器,电源,导线,刺激/接受线圈负责传输数据和能量),体内机(刺激/接受线圈,植入耳蜗的电极),一体机是将体外机的言语处理器和刺激/接受线圈合二为一。
人工耳蜗对于言语的处理方式基本上类似于声码器,首先将接受到的言语进行滤波,按照不通过的频率分解成各个波段。可以说人工耳蜗模仿了耳蜗基底膜的滤波功能,只是将这个功能改为由言语处理器完成。
如下图所示的语言“Never touch a snake with your bare hands”图中为这句话的声波图,竖轴为频率,横轴为时间。言语处理器接受到这个声音后首先需要对其进行滤波,分割为不同频段的声音。
再将各个频段声音进行处理,如提取各个频段声音的包络信息,进行半波整流,进行增益处理(因为电刺激的动态范围比声刺激的动态范围要小得多)。
▲ 如上图所示:人工耳蜗的言语处理器将“sa”经滤波后分为4个通道,分别为“1,2,3,4”,再提取每个通道的包络信息,再将这个包络信息调制一个高频载波。最后将调制后的电刺激信号按照不同的频率,输送到植入耳蜗内不同的电极,高频信号输送到底转的耳蜗电极,低频信号输送到蜗顶的电极,刺激不同部位的听神经,产生不同频率的声音,再经过大脑听觉中枢的合成后产生言语感受。
从以上的讲解可以看出,正常耳蜗和人工耳蜗都需要对声音根据不同的频率进行滤波,分成不同的波段,区别在于正常耳蜗的滤波发生在基底膜,需要正常的基底膜,外毛细胞等组织结构参与,而人工耳蜗将滤波过程交给了位于体外机的言语处理器完成。
路远,北京王府医院副主任医师对于人工耳蜗有较丰富的经验,工作中熟练掌握人工耳蜗术前、术中和术后的各方面知识和经验,对于人工耳蜗有较深刻的理解,目前独自维护自己的微信公众号《人工耳蜗》。已发表的主要文章有:中华耳鼻咽喉科杂志《connexin26基因突变与国人遗传性无综合征耳聋相关性分析》、中国听力语言康复科学杂志《线粒体突变与遗传性耳聋》、国外医学耳鼻咽喉科分册《与connexin26基因突变相关的综合征和非综合征耳聋》、临床耳鼻咽喉头颈外科杂志《耳蜗骨化患者的人工耳蜗植入术》、临床耳鼻咽喉头颈外科杂志《人工耳蜗再植入手术总结及术后效果》。