人工耳蜗电极植入部位对人工耳蜗使用者言语理解影响的研究*亓贝尔1 刘博1 刘莎1 刘海红1 董瑞娟1 张宁1 龚树生1 [ 摘要] 目的: 探讨人工耳蜗电极覆盖耳蜗基膜范围对汉语普通话人工耳蜗使用者的言语识别能力, 特别是声调识别能力的影响。方法: 使用人工耳蜗调试软件通过开启( 关闭) 不同电极通道设置7 种测试条件, 以模拟人工耳蜗电极覆盖耳蜗基膜范围的不同状态。并对各测试条件下人工耳蜗使用者元音、辅音、声调识别能力进行测试。结果: 不同测试条件下元音识别平均得分56% ~ 91%( P < 0. 05) ; 辅音识别平均得分72%~ 85% ( P <0. 05) ; 声调识别平均得分68%~ 81%( P> 0. 05) 。但随着人工耳蜗电极覆盖基底膜范围的扩大, 人工耳蜗使用者元音、辅音成绩呈现显著性改善, 声调识别成绩亦有所提高。结论: 增加人工耳蜗电极覆盖基膜的范围、积极利用耳蜗各个区域有利于改善人工耳蜗使用者的言语识别能力, 进而对提高人工耳蜗使用者言语交流和社会交往能力是非常重要的。[ 关键词] 人工耳蜗; 植入部位; 声调识别; 汉语 [ 中图分类号] R318. 18 [ 文献标志码] A [ 文章编号] 1001- 1781( 2011) 10- 0441-04The contribution of different cochlear insertion region to Mandarin speechperception in users of cochlear implantQI B eier L I U Bo L I U S ha L I U H aihong DON G R ui j uan ZH AN G N ing GON G S husheng( Beijing Tongr en Ho spital, Capital Medical U niv ersity, Inst itute of Otolaryngo logy , Key Laboratoryof Otolaryng olog y-Head and N eck Surgery, Minist ry of Educat ion, Beijing, 100005, Ch-ina)Corr esponding author: LIU Bo ( Email: lliubo@263. com) Abstract Objective: To study the effect of co chlear elect rode cov erag e and differ ent inser tio n reg ion o nspeech recog nitio n, especially to ne per ceptio n of cochlear implant user s w hose nativ e lang uage is M andarin Ch-inese. Method: Setting seven test co nditions by fitt ing softw are. All condit ions w ere created by sw itching on/ o ff r espective channels in o rder to simulate different inser tio n po sitio n. T hen M andarin CI users r eceived 4 Speech tests,including Vow el Identificatio n test, Conso nant Identificat ion test, Tone Identification test-male speaker, MandarinH INT test ( SRS) in quiet and no ise. Result: T o all test conditio ns: the averag e scor e o f v ow el ident ificatio n w assig nificantly different , fr om 56%to 91%( Rank sum test, P< 0. 05) . The aver age scor e of co nsonant ident ificatio nw as significantly different, from 72% to 85% ( ANOVNA, P < 0. 05) . The av erag e scor e of To ne ident ificatio nw as no t significantly different( ANOVNA, P > 0. 05) . Howev er t he mor e channels activated, the higher scor es obtained,from 68% to 81%. Conclusion: T his study show s that there is a cor relatio n bet ween insert ion depth andspeech recog nitio n. Because all par ts o f the basement membrane can help CI users to improv e their speech recog n-itio n ability, it is ver y import ant to enhance ver bal communicatio n ability and so cial interactio n ability of CI users byincreasing inser tio n depth and actively stimulating the top reg ion of co chlea r.Key words co chlear; inser tio n depth; tone per ceptio n; Chinese* 基金项目: 十一五 国家科技支撑技术重点项目( No :2008BAI50B08) ; 科技部国际科技合作项目( No :2009DFA32200) ; 国家自然科学基金面上项目( No :81070796)1 首都医科大学附属北京同仁医院北京市耳鼻咽喉科学研究所首都医科大学耳鼻咽喉头颈科学教育部重点实验室( 北京, 100005)通信作者: 刘博( Email: lliubo@ 263. com) 人工耳蜗植入( cochlear implant , CI) 作为一种永久性植入耳蜗内的电子装置, 取代了病变的内耳毛细胞直接电刺激初级听神经以使得重度到极重度感音神经性聋患者感受到声音, 并成为促进其言语发育、提高社会交往中听说参与能力的重要手段之一1。作为目前最为成功的将电子技术与人体神经系统完美耦合的产物之一, CI 虽然可有效帮助耳聋患者重获听力, 但是其言语识别能力、特别是声调识别能力和音乐辨别能力尚不乐观2-3。针对CI 使用者在声调识别等方面存在的缺陷, 本研究选择具有典型声调语言特征的普通话为研究对象, 结合 CI 电极输出频率与耳蜗基底膜特征频率的匹配程度直接影响CI 使用者识别言语 的原则4-5, 以激活不同CI 通道模拟不同CI 植入部位,临床耳鼻咽喉头颈外科杂志2011 年5 月第25 卷第10 期 441 探讨CI 电极覆盖耳蜗基底膜范围对汉语普通话CI 使用者的言语识别能力, 特别是声调识别能力的影响。1 资料与方法1. 1 临床资料母语为普通话的单侧CI 植入者14 例( 语前聋、语后聋各7 例) , 年龄13~ 45 岁, 使用CI 时间1~ 7年。致聋原因包括药物中毒、大前庭水管综合征、中耳炎等。受试者均植入MED-EL C40+ CI/标准电极, 日常使用Tempo+ 言语处理器/ CIS+编码策略, 其中11 例就读正常学校, 3 例工作, 口语交流为日常生活中的主要交流方式。1. 2 方法1. 2. 1 测试条件 使用CI-STU DIO 调试软件, 通过开启/ 关闭电极模拟7 种不同CI 电极植入部位,即All12、A4、B4、M4、A8、B8、E8( 图1) 。同一受试者不同测试条件下各通道刺激速率保持恒定。适当调节音量使受试者在聆听舒适的状态下进行测试, 并使各测试条件下响度基本一致。实点代表通道开放, 虚线代表通道关闭图1 不同人工耳蜗电极植入部位示意图1. 2. 2 测试材料和测试方法 测试材料: 元音、辅音测试材料由北京市耳鼻咽喉科研究所与首都医科大学生物医学工程学院合作编制, 其中元音辨别测试根据 F1 和F2 均不同、 F1 或F2 不同、 F1 和F2 相近选取20 词( 10 组 2 个/ 组) 作为测试材料; 辅音辨别测试根据 送气与不送气、 发声方法、 发声部位特点选取20 词( 10 组 2 个/组) 作为测试材料。声调识别测试材料由北京市耳鼻咽喉科研究所编制, 词库含80 词( 20 个音节 4个声调) , 男声朗读, 随机选取20 个词( 5 个音节4 个声调) 作为测试材料。 测试在经校准满足准自由场条件的本底噪声< 20 dB( A ) 的标准隔声室内进行, 使用UA-IX 型USB 音频转换接头连接测试电脑和GSI61 纯音听力计。声场测试时扬声器置于受试者前方1 m 处, 高度与受试者耳部齐平,测试音以零度角正面入射) 。 测试软件为北京市耳鼻咽喉科研究所提供的听力言语康复训练评价系统6和普通话声调识别测试软件7。测试时给声强度为65 dB( A) , 每字只播放1 次, 受试者通过用户界面选择其听到的声音, 其中元音、辅音识别测试为 2 选1闭合测试( 机会值为50%) , 声调识别测试为 4 选1闭合测试( 机会值为25%) 。1. 2. 3 测试顺序 测试前向受试者讲解测试要求, 并在日常设置条件下进行一组练习。此后完成All12、A4、M4、B4、B8、A8、E8 条件下的测试。每组测试前受试者有15 min 熟悉测试程序。测试过程中鼓励受试者对没听清楚的内容进行猜测, 但是不对受试者复述的正确与否做出反馈。1. 3 统计学方法同一测试条件每种言语测试均进行两次, 结果取平均值用于统计学处理。采用SPSS 12. 0 统计软件进行统计学分析, 其中方差齐性数据采用ANOVNA 方差分析, 方差非齐性数据采用秩和检验。2 结果2. 1 语前聋、语后聋受试者言语识别测试成绩的比较根据耳聋发生的时间将受试者分为语前聋组和语后聋组, 并比较相同测试条件、相同言语测试项目2 组的成绩组间差异无统计学意义( ANOVNA Test , P > 0. 05, 表1) 。由于耳聋发生时间对言语识别成绩无显著性影响, 因此在后续的统计学分析中不再考虑该因素的影响。表1 语前聋、语后聋受试者言语识别成绩%A4 M4 B4 B8 A8 E8 All12声调识别 语前聋68 71 69 78 80 81 81 语后聋69 77 74 75 78 75 80元音识别 语前聋62 64 53 69 78 89 91 语后聋51 76 68 84 86 84 91辅音识别 语前聋70 79 69 79 77 87 84 语后聋74 79 72 82 80 80 872. 2 CI 电极不同植入部位对言语识别的影响在7 种不同CI 电极植入部位的模拟测试条件下, 全体受试者的言语识别测试成绩均高于机会值, 见表2。元音识别成绩: 不同CI 电极植入部位的模拟测试条件下, 受试者的元音识别平均得分在56%( A4) ~ 91% ( All12) 之间, 差异有统计学意义( Rank T est, P< 0. 05, 图2) 。 442 J Clin Ot orhinolaryngol H ead Neck Surg( Ch ina) , M ay 2011, Vol 25, No 10表2 不同测试条件下言语测试平均成绩%A4 M4 B4 B8 A8 E8 All12元音识别56 70 60 68 82 86 91辅音识别72 79 71 80 79 84 85声调识别68. 5 74 71 77 79 78 81图2 不同测试条件下元音识别测试成绩 辅音识别成绩: 不同CI 电极植入部位的模拟测试条件下, 受试者的辅音识别平均得分在72%( A4) ~ 85% ( A ll12) 之间, 差异有统计学意义( ANOVNA T est , P < 0. 05, 图3) 。图3 不同测试条件下辅音识别测试成绩 声调识别成绩: 不同CI 电极植入部位的模拟测试条件下, 受试者的声调识别平均得分在68%( A4) ~ 81% ( All12) 之间, 测试成绩随着开启的通道数增多、覆盖耳蜗基膜范围增大呈现改善趋势,但是上述改善趋势差异无统计学意义( ANOVN ATest , P > 0. 05, 图4) 。3 讨论迄今为止有关CI 使用者言语识别能力的研究大多局限于英语或其他拉丁语系。然而英语属于重音语言, 汉语属于声调语言, 二者在声学和语音学层次上有着明显的不同。汉语作为典型的声调语言具有独特的语音学特点: 汉语音节界线分明, 结构整齐; 汉语中元音占优势, 与英语不同的图4 不同测试条件下声调识别测试成绩是在汉语中一个音节可以没有辅音, 但必须有元音; 汉语中元音、辅音组合的规范性强, 一般是辅音在前元音在后; 汉语声调具有表意的重要作用8。鉴于声调语言( 汉语) 与非声调语言( 英语)之间存在的诸多不同, 本研究着重研究汉语普通话CI 使用者的言语测试成绩与CI 电极植入部位( 即电极覆盖耳蜗基膜范围) 之间的关系。本研究首先评估CI 电极不同植入部位对言语识别的影响。通过开启耳蜗顶部( A4) 、中部( M4)或底部( B4) 的4 个电极模拟耳蜗电极部分植入, 发现受试者的的元音、辅音和声调识别测试的成绩均大于机会分, 说明CI 电极分布于耳蜗基膜有限区域时即可帮助CI 使用者进行言语识别。特别指出的是: 当仅刺激耳蜗顶部的1~ 4 号电极时3 项测试成绩仍可达到56%、72%、68%, 提示不应忽视刺激耳蜗顶部区域对改善言语识别的贡献。其次评估CI 电极不同覆盖范围对言语识别的影响。前人在研究中发现CI 使用者的言语识别能力依赖于电极输出频率与耳蜗基底膜特征频率之间的匹配程度4-5 : 匹配程度高有利于言语识别, 反之则影响其言语识别能力, 如果不匹配的程度超过临界带宽, 还将大大降低使用者的言语识别能力。本研究中通过增加开启电极数目( B4 B8 Al l12)模拟耳蜗电极植入部位加深、覆盖耳蜗基膜范围增大, 发现受试者的元音、辅音和声调识别成绩随着植入部位延伸呈现上升趋势, 与Faulkner 等( 2003) 的研究结果一致。这一变化趋势表明: 随着耳蜗电极植入部位向蜗顶延伸, 接受刺激基膜范围不断扩大, 耳蜗电极输出频率与基膜特征频率的一致性得以提高, 减少了因 频率-部位映射失真造成的言语识别成绩下降9 , 因此显著提高了CI使用者对汉语元音、辅音的识别能力, 并改善使用者对汉语普通话声调的识别能力。汉语作为一种典型的声调语言与无声调语言间存在较大差异, 1952 年学者Fant 在伦敦举行的临床耳鼻咽喉头颈外科杂志2011 年5 月第25 卷第10 期 443 通讯应用讨论会上明确指出 汉语的语调模式有可能比任何欧洲语言负载更多的信息。声调作为汉语的重要语音学特性, 除具有别义功能之外, 还具有构形功能、分界功能、抗干扰功能和修辞功能, 因此CI 植入者的声调识别能力可直接影响其对言语的分辨和理解。汉语声调的语音学特性主要存在于频域, 语音信号的基频( F0) 及其谐波是听力正常人识别声调的主要声学线索( 张家马录等, 1981) 。但是言语的基频是经声带振动而产生的, 易被环境噪声所掩盖且难以通过视觉信息( 口型或唇读) 获得, 从而影响CI 使用者的声调识别和声调发声能力3, 因此通过听觉获得声调信息对CI 使用者理解汉语是非常重要的。本研究发现在7 种不同CI电极植入部位的模拟测试条件下, 全体受试者均取得了较好的声调识别测试成绩, 并且随着开启的通道数增多、覆盖耳蜗基膜范围增大, 受试者的声调识别成绩呈现改善趋势( 最差成绩A4: 68%, 最好成绩All12: 81% ) , 但是这一趋势差异无统计学意义( 最大差异仅为13% ) , 该结果与Zhou 等4的研究结果相一致。考虑该结果可能与以下原因有关:首先, 声调的感知虽然主要依据基频的变化, 但是基频并不是辨认声调的惟一信息。耳语时气流从气声门擦出, 不振动声带、不产生基频变化, 但是听力正常人仍然能感知声调, 说明尚存在其他信息能够帮助人们感知声调。CI 使用者是否有效的利用了这些额外信息, 从而使得声调识别成绩无显著性差异。其次, Smith 等10应用声嵌合技术研究了声包络和精细结构对言语( 英语) 和音乐识别的作用,发现言语( 英语) 识别主要由声信号中的包络信息决定, 而音乐旋律的识别主要由精细结构决定。徐立等11研究发现汉语声调别的结果与Smith 等的音乐旋律识别结果相似。然而目前使用的耳蜗编码方案均是基于非声调语言( 英语) 设计的, 着重于对声包络信息的传递和表达, 是否由于现行的编码方案忽略了对精细结构信息的表达, 从而导致耳蜗使用者声调识别成绩差异不大。值得注意的是在仅使用4 个电极通道的测试条件下受试者的声调识别成绩均优于机会值( A4: 68%, M4: 74%,B4: 71% ) , 说明耳蜗基膜各个区域对提高CI 使用者识别声调具有帮助。此外, 在固定通道数目的前提下, 本研究通过比较通道集中于耳蜗基膜某区域( 如A8、B8) 和分布于耳蜗基膜全长( E8) 时受试者的言语识别成绩, 发现随着植入部位增加、电极分布分散化, 可改善CI 使用者的言语识别成绩, 其可能原因是: 随着植入部位增加, 耳蜗基膜接受刺激的范围变大, 相邻电极间距随之变宽, 接受刺激的神经元受电极间相互作用的影响变小, 从而降低电极间的相互影响、减少了信号谱混淆现象, 最大限度保留原始信号的频谱不受破坏, 因此有利于提高CI 使用者的言语识别能力。由于本研究为急性实验, 未考虑学习效应对CI 使用者言语识别能力的影响。如果给予受试者足够长的时间适应新的通道开启方案, 随着使用经验的增加, 植入部位对言语识别能力、特别是普通话声调识别能力的影响如何, 尚有待进一步的深入研究。随着CI 技术的不断发展和进步, CI 使用者从中获得了越来越多的益处。植入部位对言语识别能力影响的研究表明: 二者之间具有相关性。由于耳蜗基膜各个部位对改善使用者言语识别能力均有帮助, 因此扩大CI 电极植入范围、积极利用耳蜗基膜各个区域有利于改善CI 使用者的言语识别能力, 对提高CI 使用者言语交流和社会交往能力是非常重要的。参考文献[ 1] 韩德民. 人工耳蜗[ M ] . 北京: 人民卫生出版社,2003: 7- 7.[ 2] 刘勇智, 曹克利, 魏朝刚, 等. 低年龄段语前聋儿童人工耳蜗植入后汉语声调识别变化的分析[ J] . 临床耳鼻咽喉头颈外科杂志, 2007, 21( 22) : 1015- 1017.[ 3] H AN D, ZH OU N, LI Y, et al. 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耳聋的病变部位可发生在听觉系统的任一环节。按照病变部位不同,耳聋可以分为四种类型。如病变发生的外耳,则称为传导性耳聋,若病变发生在内耳或者听神经纤维,则称为感音神经性耳聋。如果以上两种病变同时存在,则称为混合性耳聋。如果病变部位在听觉中枢,则称为中枢性耳聋。传导性耳聋经空气径路传导的声波,受到外耳道、中耳病变的阻碍,到达内耳的声能减弱,致使不同程度听力减退者称为传导性耳聋。传导性聋的病变部位可能在外耳道、中耳腔、鼓膜、听骨、咽鼓管等部位。常见的传导性耳聋原因有:外耳道闭锁(小耳畸形)、听骨链中断、中耳炎、耳硬化症、鼓膜穿孔、耳道耵聍等。传导性聋造成的听力下降多为轻到中度。各个频率都可能受影响,或者只是低频下降。听力图常表现为气导轻度或中度下降,而骨导阈值在正常范围内。常见的传导性耳聋可以通过佩戴助听器和手术进行治疗,也可以选择最新的中耳植入技术—振动声桥进行听力重建。耳聋的病变部位可发生在听觉系统的任一环节。按照病变部位不同,耳聋可以分为四种类型。如病变发生的外耳,则称为传导性耳聋,若病变发生在内耳或者听神经纤维,则称为感音神经性耳聋。如果以上两种病变同时存在,则称为混合性耳聋。如果病变部位在听觉中枢,则称为中枢性耳聋。传导性耳聋经空气径路传导的声波,受到外耳道、中耳病变的阻碍,到达内耳的声能减弱,致使不同程度听力减退者称为传导性耳聋。传导性聋的病变部位可能在外耳道、中耳腔、鼓膜、听骨、咽鼓管等部位。常见的传导性耳聋原因有:外耳道闭锁(小耳畸形)、听骨链中断、中耳炎、耳硬化症、鼓膜穿孔、耳道耵聍等。传导性聋造成的听力下降多为轻到中度。各个频率都可能受影响,或者只是低频下降。听力图常表现为气导轻度或中度下降,而骨导阈值在正常范围内。常见的传导性耳聋可以通过佩戴助听器和手术进行治疗,也可以选择最新的中耳植入技术—振动声桥进行听力重建。 感音神经性耳聋是指由于耳蜗和(或)第八对颅神经听神经纤维的感音细胞病变引起的耳聋。常见的感音神经性耳聋多见于声损伤、先天性耳聋、老年性耳聋、遗传性或基因性耳聋、美尼尔氏病等。当感音机制由于各种原因受损以后,将机械能转换为电能的功能会受到相应的减弱。其后的一些听觉机制也会发生变化。其中,以下几种最为常见:l 耳蜗感受器细胞的感音功能减弱l 耳蜗的频率分辨功能减弱l 听觉的动态范围减小感音性耳聋的其中一个后果是响度重振现象,即异常的声音变大。与正常耳相比,感音性聋患者可将较小的阈上强度感受为巨大的声响。这钟现象导致了患者的动态范围(阈值到不舒适阈之间的差值)大大减小。而动态范围的缩小和频率分辨功能的减弱可影响言语感知能力。多数病例中,这种言语感知能力的影响可从其听力图预测到。与相等程度的传导性耳聋相比,由于上述原因的影响,感音神经性聋患者的言语感知功能较差。受频谱处理减弱和动态范围缩小的影响,患者残余听力的效用会大打折扣。 在听力图上,感音神经性耳聋常表现为气导和骨导阈值平行下降。气骨导之间的差异不超过10分贝。感音神经性耳聋的解决办法包括药物、手术,如果耳聋程度在中度到重度之间,可以选择中耳植入—振动声桥,如果耳聋程度达到重度乃至极重度,则可以选择植入人工耳蜗。 混合性耳聋:传音和感音结构同时有病变存在。如长期慢性化脓性中耳炎、耳硬化症晚期、爆震性聋等。混合性耳聋可以佩戴助听器或者进行听力重建手术,若听力损失在中度到重度范围内,也可以选择中耳植入—振动声桥。 中枢性耳聋——少见、大脑听中枢病损,往往合并其他障碍。目前只有听觉脑干植入能治疗中枢性耳聋。因手术要求较高,目前国内尚未开展该项手术。
耳由外耳、中耳和内耳三个部分组成。下图显示听觉形成的基本原理。外耳包括了耳的外部软骨结构(耳廓)和耳道。耳道呈不规则的弯曲,长约2.5厘米,直径约为8毫米。耳道的生理弯曲有效阻止水和异物侵入耳道。耳道的外部相对较软,而里端是较硬的骨性结构。耳道终止于鼓膜。耳道的内壁有很多腺体,分泌耵聍。外耳的作用是定位、采集、传导和放大声音。同时,它也是保护中耳的天然屏障。中耳是指位于鼓膜后的含气空腔。中耳通过咽鼓管与咽喉维持中耳气压的稳定。中耳腔内有三块被称为听骨的微小骨骼,分别是:锤骨、砧骨、镫骨。这条听骨链将空气振动进行放大并传递到内耳,引起内耳液体的振动。镫骨肌和鼓张肌附着在听骨链上。当巨大声响传进时,以上两块肌肉被反射激活。一旦激活,它们会通过听骨链阻止声音的传导,以保护内耳。内耳又称迷路,深藏于颞骨岩部之中,包括听觉和平衡系统的感觉终器。内耳按解剖位置分为耳蜗、前庭和半规管三部分,按组织学结构分为骨迷路和膜迷路两部分,按生理功能分为听迷路(耳蜗)和前庭迷路(包括前庭和3个半规管)。耳蜗是一个30mm长的管腔,盘绕成2又3/4圈,其内充满液体。前庭膜和基底膜沿着管子的长径将其分为三个平行的部分:前庭阶、中阶和鼓阶。耳蜗主要起着声波的传递和转化作用。耳蜗内的毛细胞将中耳传来的机械振动转化为神经电冲动,再由蜗神经将此冲动传递到中枢听觉通路。