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生物黑科技如何使失聪人群重获“新声”?

作者:动脉网的小伙伴们 2021-10-10 08:00

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编者按:本文转载自高瓴资本,动脉网获授权转载。


每年9月的第四个星期日是国际聋人日。根据第二次全国残疾人抽样调查结果显示,我国大约有2780万听力残疾人,占到残疾人总数的30%以上。作为一种听力重建装置,人工耳蜗可以有效改善听力损失严重、助听器配戴无效或效果甚微的听力残疾人的听力水平。


为什么耳聋还会引发其他疾病?


广义的耳聋是各种不同程度听力损失的统称。当今社会,耳聋正成为严重的社会公共健康问题。2011年美国Beaver Dam队列研究发现,听力损失患病率随年龄增长而稳步增加。80岁以上老人有超过80%患病。根据病因,耳聋可以分为遗传性耳聋和非遗传性耳聋,根据发病时间可以分为先天性耳聋和后天性耳聋,而根据发病机理可以分为传导性耳聋、感音神经性耳聋和混合性耳聋。


耳聋可对身心健康造成严重影响,引起一系列严重并发症,包括但不限于痴呆、孤独、抑郁状态等。2017、2020年柳叶刀关于老年痴呆的报告中,耳聋均被认为是痴呆最重要的潜在危险因素(图1)。小规模荟萃研究也提出听力干预可改善老年患者的社会隔绝与孤独。因此,改善患者听力,减缓听力下降伴发的认知功能障碍具有重要且急迫的临床价值。


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图1 美国2020-2050老年人群听力下降与痴呆发病率的估量与预测


对于存在听力损失的人群,使用听力放大装置是主要的听力干预措施。一般而言,在2-3个频率测得听力损失≥10 dB,且听力损失对日常生活造成影响时可考虑应用放大装置。


非植入性助听装置


助听器的组成主要包括麦克风、放大器、接收器与电池。麦克接收外界声音信号,转化为电信号由放大器放大;接收器接收电信号,转化为声信号投射入外耳道。


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图2 不同类型的助听器


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耳背式助听器(Behind-the-ear, BTE)


耳背式助听器体积较大,位于耳后,具有充足的电源与强大的放大电路,适用于多种不同程度的听力损失,具有高效、廉价、易于操控等优点。中度至极重度听力损失的患者在应用耳背式助听装置时可能需要封闭式的耳模,这种耳模一方面可以掩盖外界噪声,另一方面避免声反馈,防止放大后的声音重新被麦克风接收,但这可能会带来美观上的不足。


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迷你耳背式助听器(”Mini” BTE)


迷你耳背式助听器将接收器放置于耳道内,以导线与机身相连,体积减小至传统耳背式助听器的二分之一。这种耳道式接收器技术(Receiver-in-the-canal, RIC)可在大幅提升响度同时实现有效声反馈控制,且佩戴舒适,没有“堵耳”效应造成的低频衰减,对于以高频听力下降为主的老年聋患者十分合适。然而,开放性的耳道设计与大功率的增益使得患者更易受到环境噪音的影响,其安装也不如传统耳背式助听器便捷。


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耳内式(In-the-ear, ITE)、耳道式(In-the-canal, ITC)、完全耳道式(Completely-in-canal, CIC)助听器


这三种类型的助听器原理类似,深入耳道的位置不同(图3)。耳内式助听器的主体位于外耳,适用于中到重度的听力损失,缺点在于仍相对可见,且没有利用外耳、耳廓的拢音作用。耳道式助听器仅有一面探出外耳,更加隐蔽,利用了耳廓的大部分拢音作用,缺点为易移位,安装相对困难。


完全耳道式助听器则完全隐藏于耳道内,外侧不可见,因为接收器靠近鼓膜,其所需要的放大倍数也较低,然而,其安装最为困难,且最容易丢失,声反馈的控制也是完全耳道式助听器所面临的技术困难。上述三种助听装置的共同优点为外形隐蔽,但由于其体积较小,电池与放大线路的功能不可避免的受到一定的限制,因此对声音的放大效果有限。


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图3 耳内式(ITE)、耳道式(ITC)、完全耳道式(CIC)助听装置


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单/双侧信号对传线路(CROS/BiCROS)


信号对传线路是一种特殊的助听原理,适用于单侧/不对称听力损失。麦克风被置于听力较差耳侧,但信号被传递至对侧耳放大,以利用优势耳听力。由于该助听方式具有一定的缺点,例如患者的声源定位和噪声下言语识别能力会受到严重影响,目前已经较少使用。


植入性助听装置


由于非植入式助听装置的放大效率,尤其是对于高频的放大能力有限,重度-极重度听力下降患者可能需要应用植入式助听设备。


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骨导助听装置


骨导助听装置的组成包括植入体、基座和处理器(图4)。植入体植入于患侧颞骨,通过穿皮基座或不透皮磁铁连接外部处理器,处理器将声信号转化为电信号,引起植入体与颞骨振动,直接传至内耳,使患者感知到声音。目前,商品化的骨导助听装置主要有Ponto (Oticon),BAHA (Cochlear)等。此外,一些非植入式的新型装置如软带BAHA、Adhear (MED-EL)等在无需植入的情况下直接引起颞骨振动,这些新技术正在得到推广应用。


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图4 骨导助听装置的组成示意图


中耳植入装置中耳植入装置通过直接刺激听骨或圆窗膜,实现高效的听觉增益。目前普遍应用的中耳植入装置有振动声桥(Vibrant SoundBridge, MED-EL)、MAXUM (Ototronix)、Esteem (Envoy Medical)。以振动声桥为例,由植入体和可穿戴的外部部件构成。植入体由接收线圈、磁铁、解调器、连接导线与悬浮振子(Floating Mass Transducer, FMT)组成;外部部件则由麦克风、音频处理器、电池、发射线圈与固定磁铁构成。FMT可刺激包括圆窗膜、各个听小骨在内的多种中耳组成,以实现声音增益(图5)。


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图5 振动声桥原理展示 

a)植入体刺激中耳不同位置;b)悬浮振子示意图;c)悬浮振子实拍图


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人工耳蜗(Cochlear implantation, CI)


对于部分存在严重感音神经性听力下降(例如耳蜗发育异常、毛细胞功能异常等)的患者而言,人工耳蜗植入可带来听阈、言语发育及环境觉察等多方面的提升。


人工耳蜗是一种电子装置,可将声音转为电子信号,通过刺激听神经来恢复或重建聋人的听觉功能。人工耳蜗由体外的外部处理器、传递线圈、皮下接收器、植入电极组成(图6)。外部处理器将声信号转化为电信号后,传递至皮下接收器,与耳蜗固有频率基本匹配的植入电极阵列直接发出电信号刺激螺旋神经节,引发听觉。


目前人工耳蜗已经发展出了多种类型,包括不同的电极阵列数量、普通电极/软电极、直电极/预弯电极、半环电极/全环电极、全覆盖电极/短电极、单极/多极以及不同的言语处理策略。然而,目前我国人工耳蜗植入仍存在极大的缺口。早在2006年,我国已有超过50万听力障碍未成年人满足人工耳蜗植入标准,其中包括10万6岁以下儿童,但截至2013年,全国包括成年人在内仅有超过3万患者接受了人工耳蜗植入(85%为儿童)。


高昂的设备费用为众多患者接受治疗的最大阻碍。长期以来,人工耳蜗市场被3家国外公司垄断,值得一提的是,一些国产品牌的人工耳蜗已经问世并经临床试验验证疗效,例如浙江诺尔康公司的晨星人工耳蜗系统。该系统在2011年获得了CFDA批准,于2012年获得了欧盟CE资格证书。2021年,腾讯天籁AI实验室与诺尔康联合推出的“人工耳蜗+手机伴侣”联合解决方案,能够使人工耳蜗的语音清晰度、可懂度提升40%。


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听觉脑干植入(Auditory Brainstem Implantation, ABI)


对于存在蜗后病变,或者耳蜗条件不允许人工耳蜗植入的患者,可以考虑进行听觉脑干植入。听觉脑干植入装置组成与人工耳蜗相似(图7)。不同的是,听觉脑干植入装置直接贴附于患者脑干蜗神经核,不经过听神经的外周传导,直接诱发听觉。


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图7 听觉脑干植入装置组成图 

A)外部装置;B)内部装置;C)电极阵列板


随着技术的进步,助听装置正潜移默化的影响人们的生活,佩戴助听装置的人们逐渐活跃在各行各业,包括警察、军人、飞行员、运动员、音乐家等。未来,助听装置一定会朝着更加舒适,模拟真实听感的方向发展,实现从残障治疗到人体增强工具的转变。


* 内容由北京协和医学院协和八审核


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