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聲波轉介質跨神經傳導技術與產業開發研究報告

汪勇

一、國內聽障人士基本狀況

我國目前有大約2780萬聽障人士,居各類殘疾第二,聽障影響最大的首先是聾啞兒童聽障嚴重影響了他們對社會的認知和學習成年后的聽障人士則面臨就業與婚姻的雙重壓力;同時隨著中國進入老齡化社會,大量的老齡人口出現聽力開始衰減,最終必須依賴聽障輔助設備以獲得足夠的聽覺補償。

聽障給學齡兒童帶來的最大困難就是很難加入普通學校接受教育,最后不得不進入特殊教育學校接受教育,這樣的教育經歷會使聽障兒童難以融入社會,難以適應未來的社會生活,會給聽障兒童造成心理障礙,從而加劇社會疏離感,最終導致聽障兒童只在極有限的同類聽障人群中尋求溝通與認同,無法獲得廣泛的社會信息。

聽障給成年人帶來的首要問題是就業難目前經濟模式下,企業對員工的要求都比較苛刻,要求能夠適應瞬息萬變的信息社會,良好的言語溝通能力,而聽障人由于自身所存在的障礙,使得在就業方面無法完全滿足企業的需求。國家鼓勵企業吸收一定比例的聽障人士給予安置殘疾人就業的企業各種優惠,但這只能使企業被動吸收聽障人士。給予聽障人一定的幫扶是必要的,但是聽障人士更需要的是能夠向正常人一樣擁有雙向選擇權,聽障人人士對自尊、自信、自強和平等的渴求遠遠大于對社會福利的渴求成年聽障人士面臨的第二個問題是婚姻問題,聽障人士由于缺乏正常人的口頭言語溝通能力,只能在聽障人群中去尋找配偶,從而導致他們的下一代具有很高的先天聽障風險。

聽障給老齡人口帶來的首要問題是社會適應力隨聽力的衰退而迅速衰退。由于聽力的衰退,老齡人口的人際溝通開始變得困難,社會的敏銳度開始下降,社會生活逐漸壓縮到家庭內部,晚年生活質量明顯下降。齡聽障人士面臨的第二個主要問題是人生安全問題,由于機體反應下降,戶外的老齡聽障人士或獨居的老齡聽障人士在面臨突發事件時往往來不及做出必要的反應,從而導致不幸事件的發生。

 

二、聽障輔助設備歷史沿革

在目前的醫學領域中,聽覺系統中傳音、感音及其聽覺傳導通路中的聽神經和各級中樞發生病變,引起聽功能障礙,產生不同程度的聽力減退,統稱為耳聾。

根據病變部位的不同主要分為三類:傳導性耳聾、神經性耳聾和混合性耳聾。生于外耳道、中耳的傳導聲音部分的耳聾是傳導性耳聾;發生于內耳、聽神經和聽覺中樞的感音和神經部分的耳聾是感音性耳聾;在傳導部分和感覺神經部分都有異常的耳聾是混合性聾。

在實際生活中,大多數的耳聾患者根據其病因采用藥物、手術等治療方法或者通過佩戴助聽器,植入式聽覺裝置等都能夠取得一定的康復效果,其中重度以上感音神經性耳聾的患者一般只能采用植入式聽覺裝置的方法獲得聽力。植入式聽覺裝置包括振動聲橋、骨錨式助聽器、人工耳蝸和聽覺腦干植入。

    振動聲橋是把聲音轉化為機械振動,并傳送到中耳結構(如聽骨鏈)或直接傳送到內耳,從而產生聽覺。振動聲橋包括體外部分和植入部分,體外部分叫做音頻處理器,包括麥克風、電池和電子裝置,植入部分包括內部線圈、磁體、導體連線和浮動式傳感器(FMT)。電子裝置把聲音轉換為信號,信號穿過皮膚傳遞至內部線圈,線圈將信號通過導線傳至FMT,與中耳砧骨連接的FMT把信號轉化為振動直接驅動砧骨并放大其自然運動,聽骨振動,產生聽覺。振動聲橋適用于中度到重度的感音神經性耳聾。

骨錨式助聽器是通過增強骨傳導將外界的聲音傳入內耳,繞過了外耳道和中耳。骨錨式助聽器包括三部分:鈦合金植入體、外部橋接裝置和聲音處理器。通過手術將鈦合金植入體植入后與顱骨融合,聲音處理器將聲音振動通過外部橋接裝置傳導到鈦合金植入體,振動裝置產生的振動通過顱骨傳入內耳,最終刺激聽神經,產生聽覺。骨錨式助聽器適用于中重度感音神經性耳聾。

人工耳蝸是將聲音轉換為一定編碼形式的電信號,通過植入體內的電極系統直接刺激聽神經來恢復、提高及重建聾人的聽覺功能。人工耳蝸包括體外裝置和體內植入裝置兩部分,體外裝置采集語音信號并轉換為電信號,電信號經過特殊的數字化處理,按照特定的語音處理策略編碼,通過載在耳后的無線發射線圈傳送到體內植入裝置,體內植入裝置的接收線圈接收到信號后,經過解碼芯片解碼,使植入耳蝸的電極陣列產生具有聲音特征的電流,直接刺激聽神經產生聽覺。人工耳蝸適用于有聽神經殘留的重度到極重度的感音神經性耳聾。

聽覺腦干植入是將刺激電極放于患者的腦干(耳蝸核),越過耳蝸和聽神經直接刺激腦干的聽神經核團而產生聽覺。聽覺腦干植入裝置包括體內和體外兩部分:體內部分與人工耳蝸裝置相似,包括植入電極、刺激/接收器,只是電極的形狀和數量不同。體外部分與人工耳蝸裝置一樣,包括磁力線圈、方向性麥克風、言語處理器。聽覺腦干植入適用于由于聽神經病變、缺失或損傷導致的極重度兒聾。

從以上描述可以看出,針對重度以上的感音神經性耳聾,無論采用上述哪種治療方法,都必須通過手術植入,有創傷,風險大,費用高,由于體內裝置需要長期植入人體內,必然對體內裝置的性能有特殊要求,使得整個聽聲設備的成本增高,售賣價格昂貴。

為解決以上技術問題,現有技術中出現了一些聽聲裝置,中國專利公開號為1593361的發明公開了一種變壓式皮膚聽聲器,包括麥克風以及與麥克風的信號輸出端相連接的音頻放大器,還包括與音頻放大器相連接的電源,音頻放大器的輸出端與升壓裝置的輸入端相連接,升壓裝置的輸出端又與平面電極的輸入端相連接,升壓裝置將音頻放大器輸出的聲音電流信號轉化為交流電壓的聲音電流信號,并升壓至5V以上。使用時,麥克風把外部的聲音信號轉化為電流信號,升壓裝置將普通的電流信號升壓,然后通過平面電極刺激皮膚,將電流的振蕩信號通過皮膚傳給大腦。根據該發明所述的技術方案,進行具體實施,實施對象無論是雙耳耳聾患者還是單耳極重度感音神經性耳聾患者,患者都不能通過該技術方案獲得聽覺,達不到該發明所述的技術效果,而且該方案與人類早期研究方案高度相似,沒有根本性的突破。早在1790年,意大利人Volt用兩根金屬小棒插入自己雙側外耳道,在兩根金屬小棒間接通約50V電壓的電流。當接通的一瞬間有頭部受打擊感,隨之聽到一種類似沸煮的聲音。1930年,韋弗(E.G.Wever)布雷(C.W.Bray發現,來自貓聽神經區域的電反應具有與自然聲音相似的性質。與此同時,俄國科學家研究了交流電刺激對聽覺的作用他們發現,交流電可以產生聽覺,也可以聽懂語言,但是他們的結果僅限于聽覺正常或有一些殘余聽力的人

 

三、聲波轉介質跨神經傳導神經原理推測

聲波轉介質跨神經傳導研究在總結了前人研究的基礎上提出了信號皮層間傳遞的假設。基本方式是將聲波的震動能轉化為同頻同振幅的電脈沖信號,脈沖發生端在人體外耳道上的表皮摩擦(或振動),通過這樣的摩擦,局部的末梢神經能夠產生與脈沖發生端相同頻率的神經沖動,經耳大神經將這種脈沖信號傳遞至咽喉神經,咽喉神經又將同頻神經沖動信號投射到大腦皮層的咽喉區及味覺區,咽喉區和味覺區緊鄰聽覺區。試驗中筆者利用對外耳道的皮膚進行脈沖狀態下的摩擦,誘發神經沖動,經耳大神經生物傳導,由于單純的電刺激無法在所有神經元之間進行信號傳導,這種摩擦電傳導過程能夠使僅依賴化學傳導的神經元之間實現信號傳導,并且能夠保留前神經元的頻率特征,使由電脈沖信號誘發并放大振幅的相同頻率的生物脈沖信號經由皮下的耳大神經傳遞至大腦皮層的咽喉與味覺區。根據實驗,筆者認為咽喉區與味覺區所獲得的聲波特征的脈沖信號極有可能橫向傳遞至聽覺區,從而使聽障人士獲得聽覺感受。

如圖:

 

四、聲波轉介質跨神經傳導電子設計方案

基于上述神經通道的假設本項目提供一種針對聽神經受損的重度感音神經性耳聾患者,利用新的生物傳導方式,將聲音信號傳導給大腦的聽覺皮層,從而達到真正辨析語音的助聽效果的皮膚聽聲裝置及基于該裝置的聽聲方法。

為實現以上技術目的,筆者的第一種技術方案是:

    設計一種皮膚聽聲裝置,包括用于將聲音信號轉換為音頻電信號的麥克風、用于將音頻電信號轉換為同頻同振幅電脈沖信號的第一轉換單元、用于輸出電脈沖信號的脈沖輸出端和電源,所述脈沖輸出端包括正、負電極,所述麥克風、第一轉換單元和脈沖輸出端依次串接,所述電源為第一轉換單元供電,還包括開關和用于驅動脈沖輸出端的電極振動的振動摩擦單元,所述電源、開關和振動摩擦單元依次串接,所述脈沖輸出端的至少一個電極與振動摩擦單元串接,所述脈沖輸出端的電極在使用時接觸皮下有耳大神經的皮膚表層。圖一

    使用時,聲音信號經過麥克風、第一轉換單元、脈沖輸出端的依次傳遞轉換為同頻同振幅的電脈沖信號由電極輸出,皮膚表層感受到電脈沖信號刺激,控制開關,導通電源和振動摩擦單元,振動摩擦單元驅動脈沖輸出端的至少一個電極振動,振動的電極摩擦皮下有耳大神經的皮膚表層。在電極刺激皮膚表層的作用下,耳大神經接收到脈沖輸出端的電脈沖信號,然后釋放相同頻率的生物脈沖弱信號,在電極摩擦皮膚表層的作用下,耳大神經釋放的相同頻率的生物脈沖信號得到振幅放大,耳大神經將放大后的生物脈沖信號傳遞給咽喉神經,咽喉神經再將生物脈沖信號投射到大腦的咽喉與味覺皮層,咽喉與味覺皮層橫向傳遞到聽覺皮層,產生聽覺。

該技術方案的優點是:結構簡單,利用皮膚導電作用實現了聲波電脈沖信號與神經生物脈沖信號的轉換,并利用動能(電極摩擦皮膚表層)作用將轉換的神經生物脈沖信號的振幅放大,聽聲效果佳;制作成本低廉,便于產業化應用;不需要手術植入人體,對患者無創傷,風險小,費用低,使用方便。

    第一轉換單元包括信號放大電路、功率放大電路、升壓電路和CPU增益控制電路,所述信號放大電路、功率放大電路和升壓電路依次串接,所述CPU增益控制電路與功率放大電路并接,所述信號放大電路、功率放大電路、升壓電路和CPU增益控制電路均由電源供電;所述轉換單元能夠將音頻電信號完整的轉換成同頻同振幅的電脈沖信號輸出,并且增益可調。

為實現同樣的技術目的,筆者還設計了第二種技術方案為:

    皮膚聽聲裝置,包括用于將聲音信號轉換為音頻電信號的麥克風、用于將音頻電信號轉換為同頻同振幅電脈沖信號的第一轉換單元、用于輸出電脈沖信號的脈沖輸出端和電源,所述脈沖輸出端包括正、負電極,所述麥克風、第一轉換單元和脈沖輸出端依次串接,所述電源為第一轉換單元供電,還包括用于驅動脈沖輸出端的電極振動的振動摩擦單元和用于將音頻電信號轉換為驅動振動摩擦單元的電信號的第二轉換單元,所述麥克風、第二轉換單元和振動摩擦單元依次串接,所述電源為第二轉換單元供電,所述脈沖輸出端的至少一個電極與振動摩擦單元串接,所述脈沖輸出端的電極在使用時接觸皮下有耳大神經的皮膚表層。

    使用時,聲音信號經過麥克風、第一轉換單元、脈沖輸出端的依次傳遞轉換為同頻同振幅的電脈沖信號由電極輸出,皮膚表層感受到電脈沖信號刺激,與此同時聲音信號經過麥克風、第二轉換單元的依次傳遞轉換為電信號,作為振動摩擦單元的電源,振動摩擦單元工作,驅動脈沖輸出端的至少一個電極振動,振動的電極摩擦皮下有耳大神經的皮膚表層。在電極刺激皮膚表層的作用下,耳大神經接收到脈沖輸出端的電脈沖信號,然后釋放相同頻率的生物脈沖弱信號,在電極摩擦皮膚表層的作用下,耳大神經釋放的相同頻率的生物脈沖信號得到振幅放大,耳大神經將放大后的生物脈沖信號傳遞給咽喉神經,咽喉神經再將生物脈沖信號投射到大腦的咽喉與味覺皮層,咽喉與味覺皮層橫向傳遞到聽覺皮層,產生聽覺。

    該技術方案除具有第一種技術方案的優點外,還具有以下優點:

振動摩擦單元為自動啟動模式,只要有聲音信號輸入,振動摩擦單元就會驅動電極振動,不需要在感受到電脈沖信號刺激的前提下手動控制開關開啟振動摩擦單元。

    第一轉換單元包括信號放大電路、功率放大電路、升壓電路和CPU增益控制電路,所述信號放大電路、功率放大電路和升壓電路依次串接,所述CPU增益控制電路與功率放大電路并接,所述信號放大電路、功率放大電路、升壓電路和CPU增益控制電路均由電源供電;所述第一轉換單元能夠將音頻電信號完整的轉換為同頻同振幅的電脈沖信號輸出,并且增益可調。

第二轉換單元包括放大電路和整流電路,所述放大電路和整流電路依次串接,所述放大電路和整流電路均由電源供電;所述第二轉換單元能夠將音頻電信號轉換為驅動振動摩擦單元的電信號,達到為振動摩擦單元供電的效果。

基于第一種技術方案的聽聲方法,具體步驟包括:

    步驟A:麥克風接收聲音信號并將其轉換為音頻電信號輸出到第一轉換單元;

    步驟B:第一轉換單元將接收到的音頻電信號轉換為與聲音信號同頻同振幅的電脈沖信號輸出到脈沖輸出端;

    步驟C:脈沖輸出端的電極輸出電脈沖信號,皮膚表層感受到電脈沖信號刺激;

    步驟D:閉合開關,導通電源和振動摩擦單元,電源為振動摩擦單元供電,振動摩擦單元驅動脈沖輸出端的至少一個電極振動,振動的電極摩擦皮下有耳大神經的皮膚表層;

    步驟E:在電極刺激皮膚表層的作用下,耳大神經接收到脈沖輸出端的電脈沖信號,然后釋放相同頻率的生物脈沖弱信號,在電極摩擦皮膚表層的作用下,耳大神經釋放的相同頻率的生物脈沖信號得到振幅放大,耳大神經將放大后的生物脈沖信號傳遞給咽喉神經,咽喉神經再將生物脈沖信號投射到大腦的咽喉與味覺皮層,咽喉與味覺皮層橫向傳遞到聽覺皮層,產生聽覺。

從以上描述可以看出,該聽聲方法具備以下優點:

聽聲過程利用皮膚導電作用實現了聲波電脈沖信號與神經生物脈沖信號的轉換,并利用動能(電極摩擦皮膚表層)作用將轉換的神經生物脈沖信號的振幅放大;

與骨傳導振動聽聲方法的區別:骨傳導的振動過程是按聲音頻率進行振動的,這種振動傳遞到耳蝸淋巴液從而使耳蝸神經產生動作電位,從而產生聽覺,對于聽神經受損的聽障人士,骨傳導助聽裝置意義不大;本技術方案中脈沖輸出端電極的振動頻率沒有輸入的聲音信號的聲波頻率特征,而是利用振動對皮膚產生摩擦,誘發生物傳導,由于單純的電刺激無法在所有神經元之間進行信號傳導,這種摩擦電傳導過程能夠使僅依賴化學傳導的神經元之間實現信號傳導,并且能夠保留前神經元的頻率特征,使由電脈沖信號誘發并放大振幅的相同頻率的生物脈沖信號經由皮下的耳大神經并最終傳遞至大腦的聽覺皮層,從而產生聽覺,對聽神經受損的耳聾患者依然有效;

與其他皮膚傳導方式聽聲方法的區別:本技術方案不僅能夠實現皮下神經同頻生物脈沖信號的產生,而且這種經過摩擦產生的同頻生物脈沖信號比其他方法產生的生物脈沖信號要強很多倍,滿足大腦皮層不同功能區之間的間接橫向傳導的能量需求,對聽障人士意義重大。

基于第二種技術方案的聽聲方法,具體步驟包括:

    步驟A:麥克風接收聲音信號并將其轉換為音頻電信號分別輸出到第一轉換單元和第二轉換單元;

    步驟B:第一轉換單元將接收到的音頻電信號轉換為與聲音信號同頻同振幅的電脈沖信號輸出到脈沖輸出端,同時第二轉換單元將接收到的音頻電信號轉換為驅動振動摩擦單元的電信號,為振動摩擦單元供電;

    步驟C:脈沖輸出端的電極輸出電脈沖信號,皮膚表層感受到電脈沖信號刺激,同時振動摩擦單元驅動脈沖輸出端的至少一個電極振動,振動的電極摩擦皮下有耳大神經的皮膚表層;

    步驟D:在電極刺激皮膚表層的作用下,耳大神經接收到脈沖輸出端的電脈沖信號,然后釋放相同頻率的生物脈沖弱信號,在電極摩擦皮膚表層的作用下,耳大神經釋放的相同頻率的生物脈沖信號得到振幅放大,耳大神經將放大后的生物脈沖信號傳遞給咽喉神經,咽喉神經再將生物脈沖信號投射到大腦的咽喉與味覺皮層,咽喉與味覺皮層橫向傳遞到聽覺皮層,產生聽覺。 

該聽聲方法除具有前面所述的第一種聽聲方法的優點外,還具有以下優點:

聽聲過程,不需要手動開啟振動摩擦單元,皮膚表層的電脈沖刺激和摩擦同步產生,使用更方便。

綜上所述,本設計結構簡單,利用皮膚導電作用實現了聲波電脈沖信號與神經生物脈沖信號的轉換,并利用動能(電極摩擦皮膚表層)作用將神經生物脈沖信號的振幅放大,聽聲效果佳;制作成本低廉,便于產業化應用;不需要手術植入人體,對患者無創傷,風險小,費用低,使用方便;聽聲方法明顯區別于骨傳導振動聽聲方法和其他皮膚傳導方式聽聲方法。

 

 

 

圖1

 

圖一:皮膚聽聲裝置1,包括用于將聲音信號轉換為音頻電信號的麥克風(1)、用于將音頻電信號轉換為同頻同振幅電脈沖信號的第一轉換單元(2)、用于輸出電脈沖信號的脈沖輸出端(3)和電源(4,所述脈沖輸出端(3)包括正、負電極,所述麥克風(1)、第一轉換單元(2)和脈沖輸出端(3)依次串接,所述電源(4)為第一轉換單元(2)供電,其特征在于:還包括開關(5)和用于驅動脈沖輸出端(3)的電極振動的振動摩擦單元(6),所述電源(4)、開關(5)和振動摩擦單元(6)依次串接,所述脈沖輸出端(3)的至少一個電極與振動摩擦單元(6)串接,所述脈沖輸出端(3)的電極在使用時接觸皮下有耳大神經的皮膚表層。

 

 

 

 

圖2

圖二:皮膚聽聲裝置2,其特征在于:所述第一轉換單元(2)包括信號放大電路(7)、功率放大電路(8)、升壓電路(9)和CPU增益控制電路(10),所述信號放大電路(7)、功率放大電路(8)和升壓電路(9)依次串接,所述CPU增益控制電路(10)與功率放大電路(8)并接,所述信號放大電路(7)、功率放大電路(8)、升壓電路(9)和CPU增益控制電路(10)均由電源(4)供電。

 

五、聲波轉介質跨神經傳導方案實施方式

結合圖1,詳細說明本設計的第一個具體實施例。

    如圖1所示,皮膚聽聲裝置,包括用于將聲音信號轉換為音頻電信號的麥克風1、用于將音頻電信號轉換為同頻同振幅電脈沖信號的第一轉換單元2、用于輸出電脈沖信號的脈沖輸出端3和電源4,所述脈沖輸出端3包括正、負電極,所述麥克風1、第一轉換單元2和脈沖輸出端3依次串接,所述電源4為第一轉換單元供電,還包括開關5和用于驅動脈沖輸出端的電極振動的振動摩擦單元6,所述電源4、開關5和振動摩擦單元6依次串接,所述脈沖輸出端3的一個電極與振動摩擦單元6串接。

更具體地,所述第一轉換單元2包括信號放大電路7、功率放大電路8、升壓電路9和CPU增益控制電路10,所述信號放大電路7、功率放大電路8和升壓電路9依次串接,所述CPU增益控制電路10與功率放大電路8并接,所述信號放大電路7、功率放大電路8、升壓電路9和CPU增益控制電路10均由電源4供電。

使用時,患者佩戴皮膚聽聲裝置,佩戴位置為:與振動摩擦單元6串接的電極接觸皮下有耳大神經的皮膚表層,另一個電極也接觸皮膚表層(皮下有無耳大神經均可),兩個電極之間確保有足夠的距離形成回路,避免產生人體難以承受的電刺激。常態下,電源4供電,但開關5處于斷開狀態,有聲音信號時,麥克風1接收聲音信號并將其轉換為音頻電信號傳輸給第一轉換單元2,第一轉換單元2將接收到的音頻電信號轉換為同頻同振幅的電脈沖信號并傳輸給脈沖輸出端3,脈沖輸出端3的電極輸出電脈沖信號刺激皮膚表層,感受到刺激后,手動閉合開關5,導通電源4和振動摩擦單元6,電源4為振動摩擦單元6供電,振動單元6驅動脈沖輸出端3的一個電極振動,振動的電極摩擦皮下有耳大神經的皮膚表層。在電極刺激皮膚表層的作用下,耳大神經接收到脈沖輸出端的電脈沖信號,然后釋放相同頻率的生物脈沖弱信號,在電極摩擦皮膚表層的作用下,耳大神經釋放的相同頻率的生物脈沖信號得到振幅放大,耳大神經將放大后的生物脈沖信號傳遞給咽喉神經,咽喉神經再將生物脈沖信號投射到大腦的咽喉與味覺皮層咽喉與味覺皮層緊鄰聽覺皮層,咽喉與味覺皮層所獲得的聲波特征的生物脈沖信號橫向傳遞至聽覺皮層,從而使耳聾患者獲得聽覺感受。

結合圖2,詳細說第二個具體實施例。

    如圖2所示,皮膚聽聲裝置,包括用于將聲音信號轉換為音頻電信號的麥克風1、用于將音頻電信號轉換為同頻同振幅電脈沖信號的第一轉換單元2、用于輸出電脈沖信號的脈沖輸出端3和電源4,所述脈沖輸出端3包括正、負電極,所述麥克風1、第一轉換單元2和脈沖輸出端3依次串接,所述電源4為第一轉換單元2供電,其特征在于:還包括用于驅動脈沖輸出端3的電極振動的振動摩擦單元6和用于將音頻電信號轉換為驅動振動摩擦單元6的電信號的第二轉換單元11,所述麥克風1、第二轉換單元11和振動摩擦單元6依次串接,所述電源4為第二轉換單元11供電,所述脈沖輸出端3的一個電極與振動摩擦單元6串接。

    更具體地,所述第一轉換單元2包括信號放大電路7、功率放大電路8、升壓電路9和CPU增益控制電路10,所述信號放大電路7、功率放大電路8和升壓電路9依次串接,所述CPU增益控制電路10與功率放大電路8并接,所述信號放大電路7、功率放大電路8、升壓電路9和CPU增益控制電路10均由電源4供電;所述第二轉換單元11包括放大電路12和整流電路13,所述放大電路12和整流電路13依次串接,所述放大電路12和整流電路供電13均由電源4供電。

使用時,患者佩戴皮膚聽聲裝置,佩戴位置為:與振動摩擦單元串接的電極接觸皮下有耳大神經的皮膚表層,另一個電極也接觸皮膚表層(皮下有無耳大神經均可),兩個電極之間確保有足夠的距離形成回路,避免產生人體難以承受的電刺激。麥克風1將接收到的聲音信號轉換為音頻電信號,并分別傳輸給第一轉換單元2和第二轉換單元11,第一轉換單元2將接收到的音頻電信號轉換為同頻同振幅的電脈沖信號并傳輸給脈沖輸出端3,脈沖輸出端3的電極輸出電脈沖信號,同時第二轉換單元11將接收到的音頻電信號轉換為能夠驅動振動摩擦單元6的電信號,振動摩擦單元6工作,驅動脈沖輸出端3的一個電極振動。這時,皮膚表層就會感受到兩個電極發出的電脈沖信號刺激和其中一個電極的振動摩擦。在電極刺激皮膚表層的作用下,耳大神經接收到脈沖輸出端的電脈沖信號,然后釋放相同頻率的生物脈沖弱信號,在電極摩擦皮膚表層的作用下,耳大神經釋放的相同頻率的生物脈沖信號得到振幅放大,耳大神經將放大后的生物脈沖信號傳遞給咽喉神經,咽喉神經再將生物脈沖信號投射到大腦的咽喉與味覺皮層咽喉與味覺皮層緊鄰聽覺皮層,咽喉與味覺皮層所獲得的聲波特征的生物脈沖信號橫向傳遞至聽覺皮層,從而使耳聾患者獲得聽覺感受。

以上兩種方式具體實施時,也可采用脈沖輸出端的兩個電極均與振動摩擦單元串接的方式,這樣兩個電極均能振動。使用時,患者佩戴皮膚聽聲裝置,佩戴位置為:一個電極接觸皮下有耳大神經的皮膚表層,另一個電極也接觸皮膚表層,但皮下有無耳大神經均可,兩個電極之間確保有足夠的距離形成回路,避免產生人體難以承受的電刺激。

無論采用哪種實施方式,具體實施時都應把脈沖輸出端3的電脈沖信號控制在合適的范圍,電流太小聽聲效果不佳,電流太大皮膚會有刺痛感;電極的振動頻率也應控制在合適的范圍,避免引起人體不適。

設計方案尤其適用于6歲以下的兒童耳聾患者,由于人在幼齡階段,大腦各功能區之間處于形成期,聽聲系統尚未完全成熟,通過佩戴本這種皮膚聽聲裝置,可以持續激活大腦的聽覺皮層,保持其對聲音信號的分析和解碼功能,在短時間內就可建立完整的聽聲系統。

 

六、聲波轉介質跨神經傳導方案實驗記錄

以下為使用本設計方案所進行的一組實驗情況:

實驗裝置:脈沖輸出端只有一個電極能夠振動的皮膚聽聲裝置;

實驗對象:成年聽障人士;

          聽力情況:左耳極重度聽力損失,右耳正常;

          耳聾性質:感音神經性聾。

實驗說明:實驗用的脈沖頻率為C調倍頻程的一組音叉的純音轉化的脈沖信號,即C=64Hz、c=128Hz、c1=256Hz、c2=512Hz、c3=1024Hz、c4=2048Hz、c5=4096Hz。

實驗在以往實驗的基礎上進行了七個周期的一百多次實驗,最終確定聲波轉介質跨神經傳導設計方案能夠產生聽覺

實驗結果:實驗時,脈沖輸出端能夠振動的電極緊貼在左耳耳大神經的皮膚表層,另一個電極緊貼在身體皮膚表層的任何部位。在電極發出電脈沖信號,并且其中一個電極振動摩擦的情況下,志愿者主觀體驗到大腦內左側出現與脈沖頻率對應的聲音信號。由于志愿者右耳完全正常,實驗過程中對志愿者右耳進行了屏蔽和非屏蔽的對比測試,志愿者對比左耳脈沖音質與右耳氣導音質,主觀感覺音質接近相同,左耳七個脈沖組都出現了對應的聲音感知。

綜上所述,本設計結構簡單,利用皮膚導電作用實現了聲波電脈沖信號與神經生物脈沖信號的轉換,并利用動能(電極摩擦皮膚表層)作用將神經生物脈沖信號的振幅放大,聽聲效果佳;制作成本低廉,便于產業化應用;不需要手術植入人體,對患者無創傷,風險小,費用低,使用方便;聽聲方法明顯區別于骨傳導振動聽聲方法和其他皮膚傳導方式聽聲方法。

 

七、國內國際產業基本狀態與市場前景

目前市場上為聽障人士提供的輔助設備主要為空氣傳導型和骨傳導型(俗稱“助聽器),重度、重度耳聾聽障人士則只能選擇人工耳蝸。

雖然少數國內企業具備生產和研發空氣傳導型和骨傳導型助聽器的能力,但市場上占據主導地位的仍是少數幾家國際知名品牌,分別瑞士峰力助聽器、丹麥奧迪康助聽器丹麥瑞聲達助聽器、西門子助聽器我國擁有獨立知識產權和品牌的助聽器企業則是鳳毛麟角

如果我國企業在助聽器領尚有一席之地的話,針對極重度耳聾聽障人士的人工耳蝸領域則幾乎是零,唯一的一家國內自主知識產權人工耳蝸企業是杭州的“惠耳人工耳蝸,該企業因技術水平不夠高,產品質量低于國際知名品牌導致市場占有率極低。目前的人工耳蝸市場幾乎為少數幾家國際廠商所壟斷,聽障人士能夠選擇的范圍很小,且價格非常昂貴,一只人工耳蝸的售價大概在15—20萬元之間,大多數普通家庭難以承受,還不包括昂貴的后期培訓費用。

面對龐大的市場需求,昂貴的價格和少數國際大企業的知識產權壟斷。能為我國聽障人士減輕經濟壓力,保障聽覺補償質量的唯一途徑是實現聽障康復的技術原理突破,打破知識產權壟斷,實現中國兩千多萬聽障人士的康復夢想。無錫立聰堂助聽器售賣店的幫助下本項目對目前的聽障人士進行了社會調查,并得到如下成果:

1、聽障人士的構成

(1)目前聽障人士以老齡人口為主,且基本上是神經性耳聾;

(2)其他年齡段的聽障人士也以神經性耳聾為主;

(3)新生兒先天性耳聾也集中表現為神經性耳聾。

2、影響聽障人士對助聽設備需求的要素:

(1)聽損程度。只有聽損程度達到影響生活、妨礙人生安全的時候,我國的聽障人士才會考慮購買助聽設備。

(2)言語溝通的需求程度。對言語溝通的需求程度也是促使聽障人士購買助聽設備的關鍵因素,言語溝通迫切、樂于融入普通社會的心態等都是聽障人士的選擇要素。

(3)經濟能力。購買聽障設備的關鍵基礎還在于是否具備一定的經濟能力,對于輕度一下的耳聾聽障人士來說選擇面會廣一些,因為產品的種類和價格都比較適中大部分輕度耳聾聽障人士都能夠獲得良好的聽覺補償。而對于重度、極重度耳聾的聽障人士則只能借助于人工耳蝸,價格和選擇空間就非常窄,效果也不盡如人意。

(4)老齡人口的子女態度,未成年人的父母態度。老齡化社會的一個顯著特點是大量的老齡人口聽力水平開始下降,子女的態度與需求是老齡人口是否選擇助聽設備的關鍵,隨著中國經濟的高速發展,大量的中國家庭具備為老齡聽障人士配備價格適中的助聽設備,幫助老齡聽障人士獲得良好的晚年生活。相對于老齡人口子女的支持力度,未成年聽障人士的父母則往往竭盡所能為自己的孩子佩戴盡可能好的助聽設備,體現了父母的前瞻性思考。

完成了聽障人士的構成與需求模式之后,項目團隊還進一步研究了國家在聽障人士康復與就業上的政策導向。具體成果如下:

1、教育部特殊教育學校暫行規程(1998年12月2日教育部令第1號發布)第一章第五條明確表述“…初步掌握補償自身缺陷的基本方法,身心缺陷得到一定程度的康復…”。該條框表明了補償手段需要聽障人士的主觀能動參與,目前市場上的任何一款聽障輔助設備都無法取代正常耳朵的能力,而且聽障時間越長,康復難度越大、周期也越長。聲波轉介質跨神經傳導技術研究能夠幫助重度極重度耳聾以下人士獲取一定程度的聽覺補償即便如此年齡越大、喪失聽覺時間越長,聽障人士需要付出的主觀努力也就越大,新技術必然伴隨新的培訓方案與訓練方法

2、第三章第二十八條“…,有針對性地進行康復訓練,提高訓練質量。要指導學生正確運用康復設備和器具該條框表明了國家在培訓聽障人士方面的具體要求,不僅要根據不同的聽障狀況研究康復計劃,還要保障培訓質量,教會聽障人士如何保養和正確使用聽障輔助設備。本項目針對性地開發培訓軟件,特別注重設備安全與人體的舒適度。

3、第六章第五十一條“…學校應建立學生健康檔案,每年至少對學生進行一次身體檢查;注重保護學生的殘存功能。 該條款表明任何康復手段都不能以犧牲現有殘余能力為代價,目前的聽障輔助設備中,導型和骨導型都不會損害聽障人士殘存功能,這些設備只對輕度以下的聽障人士有比較好的聽覺補償效果,重度極重度以上的聽障人士則只有依靠人工耳蝸這一種手段了,而人工耳蝸在手術過程中常常無法保障對殘存功能的妥善保存。本研究項目不僅能夠使重度極重度耳聾的聽障人士獲得聽覺補償,能夠在不損害聽障兒童現有殘存功能的前提保障聽覺效果

除了對兒童有特別的要求之外,國家對成年的聽障人士也給予了極大的關心。中共中央組織部等7部門關于促進殘疾人按比例就業的意見[殘聯發〔2013〕11號]第(十)條“加強培訓提高殘疾人就業能力,是促進殘疾人按比例就業的基礎。各地要貫徹落實《關于加強殘疾人職業培訓促進就業工作的通知》(殘聯發〔2012〕15號)精神,下大力氣抓好殘疾人職業培訓。…”本研究項目致力于提高聽障人士的人際言語溝通能力和聲訊識別能力能夠從源頭改善聽障人士的社會適應能力和社會融合度,從而提高聽障人士的就業能力。

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