人工耳蜗植入电极输出频率与耳蜗基底膜特征频率失匹配的研究进展

鹿伟理 综述 张灜 审校

人工耳蜗是一种为重度、极重度听力损失者恢复或获得听力的一种电子装置。此装置通过将声音信号转变为电信号直接刺激听神经纤维，从而产生听觉。然而人工耳蜗植入者术后听力康复情况和言语识别能力存在差异，这除了受患者耳聋发生的年龄、耳聋时间长短、螺旋神经节存活情况、人工耳蜗植入年龄、电极是否成功插入、可用电极数量、植入后康复训练时间、有无其他残疾(如认知障碍)、言语处理策略、调机质量、康复训练情况、植入者家庭经济状况、父母文化素质等因素影响以外，近年来有人发现人工耳蜗植入术后电极输出频率与耳蜗基底膜特征频率的失匹配也与此有关。关于人工耳蜗植入术后电极的输出频率与基底膜的特征性频率失匹配的发生率国内目前尚无大样本的统计，但国外的一些研究中已有报道。Skinner等[1]发现26例受试者的耳蜗最顶端电极的输出频率与耳蜗的特征性频率均存在不同程度的失匹配现象，最严重的失匹配达3 300 Hz以上；Nardo等[2]也发现5例受试者的人工耳蜗顶端的3～4个电极的输出频率比耳蜗特征性频率高1～2个倍频程，其他学者也发现了类似失匹配现象[3～7]。为了增进对这一现象的了解，本文就人工耳蜗植入电极输出频率与耳蜗基底膜特征频率失匹配的研究进展进行综述。

1 失匹配的相关理论基础及发生原因

耳蜗中不同部位的基底膜有其对应的特征性频率-耳蜗基底膜特征频率(characteristic frequency，CF)。根据Greenwood耳蜗部位与其特征频率的计算公式：CF=165.4×(100.06X-1)(CF代表耳蜗基底膜的特征频率，X代表基底膜长度，单位mm)[8],由此可以看出，基底膜上某一部位感受的频率是一定的，这就是频率-部位相匹配。

人工耳蜗主要由麦克风、言语处理器、传送线圈、接收器-刺激器以及电极组成，多导人工耳蜗的电极实际上是一线性排列的电极束。其工作原理是人工耳蜗的窄带滤波器滤过的信号经电极束传到植入内耳的电极，每个载有不同频率电信号的电极刺激植入部位的螺旋神经节细胞及其外周末梢，产生动作电位，上传至听觉中枢，产生听觉[2]。然而每个电极发出的电刺激的频率范围是事先设置好的，是一定的，如果电极插入过浅或者过深，电极未达到相应频率部位的基底膜，其产生的频率就会与基底膜的特征性频率不一致；如果电极插入的角度过大或者过小也会影响电极与沿蜗轴中心分布的螺旋神经节细胞的接触，从而使电极发出的频率无法很好地传到螺旋神经节细胞；如果在植入过程中电极有打折或者弯曲的情况发生，产生问题的电极间的间距就会发生很大的变化，从而产生电极发出的频率与基底膜的特征频率不一致的现象。可见，由于手术使植入电极插入的深度和角度不同、电极的间距不同都可以影响电极的输出频率与耳蜗基底膜特征频率的关系，使电极发出的频率和与耳蜗基底膜特征性频率不一致，这种情况就称之为失匹配。

2 失匹配造成的影响

人工耳蜗电极输出频率与耳蜗基底膜特征性频率失匹配会影响人工耳蜗植入者的言语识别率，尤其是在嘈杂环境下的言语识别率[9]，进而影响其言语-语言康复效果[9～11]。Hamzavi等[9]通过改变电极的激活和失活从而模拟改变插入深度，立即进行句子和单音节的测试(避免适应)，结果表明,激活耳蜗最顶端的电极可明显提高语言识别率；此外,他还发现耳蜗频率的感知随着插入电极阵列深度增加而提高。亓贝尔等[11]通过关闭或者开放部分电极通道模拟7种不同的电极分布带后，测试患者对人工耳蜗使用者元音、辅音、声调识别能力，发现随着电极植入部位向蜗顶延伸,接受刺激的基底膜范围不断扩大，人工耳蜗电极输出频率与基底膜特征频率的一致性逐渐提高,减少了因“频率——部位”映射失真造成的言语识别率下降。Gani等[10]也得到了类似的结论。可见人工耳蜗电极分布频带排列模式的改变可以模拟电极插入长度的不同，影响其电极输出频率与耳蜗基底膜特征频率失匹配的程度，进而影响人工耳蜗植入者对声音的识别能力。

3 失匹配的诊断

3.1耳蜗影像学检查 人工耳蜗植入术后X线平片检查及颞骨CT、耳蜗的三维重建是评估人工耳蜗植入术后效果的有效方法。X线平片可以有效的显示电极插入的深度，电极的走行及位置，是否有打折及卷曲，其优点在于辐射小，价钱便宜，但是需要特定的体位，对电极在耳蜗的空间位置显示不好。常用的耳蜗位平片有伦氏位和斯氏位，斯氏位显示效果较好。王武庆等[12]采用正中线与矢状位夹角52°左右的改良耳蜗位摄片也取得满意效果。颞骨CT扫描及三维重建在人工耳蜗植入术后评估人工耳蜗效果方面较X线平片更直观，可更全面的了解耳蜗内电极的情况[1]。人工耳蜗植入术后耳蜗CT 3D重建图像可以显示电极植入的具体位置、植入深度、电极与耳蜗耦合的情况等，其优点在于不需要特殊体位，能非常直观的定位电极在耳蜗的空间位置[13]，其缺点是高分辨率CT图像电极扫描伪影和三维重建数据虚化。而近年来发现，线性差值、迭代重建法及CT能谱成像技术可以降低或消除金属伪影，使图像更为清晰。通过对X线或者耳蜗CT三维重建图像的测量，可以了解耳蜗内电极的具体位置，再通过Greenwood公式计算出每个电极在基底膜的对应频率，与人工耳蜗生产厂商所提供的电极的频率表对照后就可知道是否存在电极的失匹配现象。

3.2嘈杂背景噪声环境下的言语识别率 Nardo等[8]发现，植入人工耳蜗的语前聋成人,非植入耳有明显的残余听力,给其听两个音，一个是人工耳蜗植入侧电极发出的一定频率的声音，另一个是给非植入耳一定频率的纯音，两者进行频率对比，结果所有患者均出现不同程度的声波频率的不匹配,当在不同噪声环境下测试时，由于掩蔽了残余听力，这时受试者所听到的就是人工耳蜗电极刺激所听到的声音，受试者出现言语理解困难，证明了电极的输出频率和刺激相同电极感知的频率不相匹配导致了言语识别率的下降。也有实验表明当声音能够同时刺激电极和同侧残余听力时，失匹配就容易被发觉[14]。

3.3电极频带的改变与言语识别率的关系 深插入电极可提高言语识别率，因为耳蜗顶端接受刺激(低频区)可以提高言语功能，因此深插入电极应用在重度的或完全听力损失的患者意义重大。频率匹配数据显示，如果电极插入深度大于20 mm，频率可到达420 Hz，如果插入深度在15～20 mm之间，可比Greenwood函数低半个倍频程，如果插入深度在3～13 mm之间，可比Greenwood函数低一个倍频程，如果插入3.4 mm的话，那电极只能匹配到3 447 Hz[15]。为此MED-EL人工耳蜗公司设计了FLEXSOFT电极，这种电极可以植入到蜗顶区域，实现“耳蜗全覆盖”[16]。彭光华等[17]通过对15例人工耳蜗植入者电极分布带颠倒排列后立即测试对铃声(代表高频)和鼓声(代表低频)两种不同声音的识别能力，在电极分布频带按低频对应蜗顶、高频对应蜗底正常排列时所有受试者均能准确识别出铃声和鼓声；在电极分布频带颠倒排列后，13名受试者将铃声和鼓声均识别为鼓声，2例受试者将铃声识别为鼓声、将鼓声识别为铃声，其原因可能为植入电极分布频带颠倒后鼓声引发的兴奋电极相对靠近蜗顶。

4 失匹配的解决方案

4.1调节电极输出频率 Nardo等[18]使用调机软件对10例失匹配受试者每个电极进行频率调整，使电极输出频率的频率感知与纯音的感知相同后进行言语识别率的检测，结果发现10例受试者通过调整电极输出频率后元音的识别率提高。Nardo等[19]的另一项实验中发现使用调机软件改变电极输出频率来消除失匹配现象后受试者对音乐的旋律鉴别也明显提高。

4.2耳蜗的自身调节适应 有文献报道人工耳蜗植入者的耳蜗在长时间接受电极刺激后可以适应频率的失匹配[20,21]，可能是因为耳蜗绝对的频率感觉由于给定的电极长时间的刺激而改变,适应的程度和适应所需要的时间都是不确定的，可能与失匹配的程度有关[22]。

综上所述，人工耳蜗植入术后存在电极输出频率与耳蜗基底膜特征频率的失匹配现象，导致相当数量的人工耳蜗植入者对声音不能正确辨识，通过提高手术的精准度使电极尽可能全植入，术后正确调机及调机时调整电极输出频率等方法可减小或消除失匹配现象。如何通过更简单的方法来判断及消除失匹配现象，使人工耳蜗发挥最大效果，提高人工耳蜗植入者对声音的识别能力，都将是耳科及听力学工作者今后探索和研究的课题。

5 参考文献

1 Skinner MW,Ketten DR,Holden LK,et al. CT-Derived estimation of cochlear morphology and electrode array position in relation to word recognition in Nucleus-22 recipients [J].JARO,2002,03:332.

2 Nardo DW, Cantore I, Cianfrone F, et al. Differences between electrode-assigned frequencies and cochlear implant recipient pitch perception[J].Acta Oto-Laryngologica,2007,127:370.

3 Reiss LA, Turner CW, Erenberg SR,et al.Changes of pitch in a cochlear implant over time[J]. J Assoc Res Otolaryngol,2007,8:241.

4 Box C, Baud L, Cosendai G, et al. Acoustic to electric pitch comparisons in cochlea implant subjects with residual hearing[J]. JARO,2006,7:110.

5 Baumann U, Nobbe A .The cochlear implant electrodepitch function[J]. Hear Res,2006,13:34.

6 McDermott H, Sucher C, Simpson A.Electro-acoustic stimulation [J]. Audiol Neurotol,2009,14:2.

7 Greenwood DD．A cochlear frequency—position function for several species一29 years later[J]．J Acoust Soc Am，1990，87：259 2.

8 Nardo W,Scorpecci A,Giannantonio S,et al. Cochlear implant patients’ speech understanding in background noise: effect of mismatch between electrode assigned frequencies and perceived pitch[J].The Journal of Laryngology & Otology, 2010, 124:828.

9 Hamzavi J,Arnoldner C.Effect of deep insertion of the cochlear implant electrode array on pitch estimation and speech perception[J].Acta Oto- Laryngologica,2006,126:1 182.

10 Gani M,Valentini G,Sigrist A,et al.Implications of deep electrode insertion on cochlear implant fitting[J].JARO,2007 8: 69.

11 亓贝尔，刘博，刘莎，等.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[J]. 临床耳鼻咽喉头颈外科杂志,2011,25:441.

12 王武庆,陈懿清,王正敏, 等. 人工耳蜗植入术后 X 线投照位置的探讨[J]. 临床耳鼻咽喉科杂志, 2003, 17:196.

13 孔维佳,马辉,韩萍,等. 人工耳蜗植入术后植入电极的影像学检查[J]. 中华耳鼻咽喉科杂志，2004，39：81.

14 McDermott H, Sucher C,Simpson A,et al. Electro-acoustic stimulation:Acoustic and electric pitch comparisons. [J].Audiol Neurotol,2009,14:2.

15 Dorman MF,Spahr T,Gifford R,et al. An electric frequency-to-place map for a cochlear implant patient with hearing in the nonimplanted ear[J].JARO, 2007,8:234.

16 韩东一，申卫东.当前人工耳蜗植入值得关注的进展[J].中国医学文摘耳鼻咽喉科学，2011,26:60.

17 彭光华，张岩昆，张道行.人工耳蜗植入电极分布带不同对言语识别率的影响[J].中国中西医结合耳鼻咽喉科杂志,2008,16:28.

18 Nardo WD,Cantore I,Marchese MR,et al.Electric to acoustic pitch matching:a possible way to improve individual cochlear implant Wtting[J].Eur Arch Otorhinolaryngol,2008,265:1 321.

19 Nardo W,Scorpecci A,Giannantonio S,et al. Improving melody recognition in cochlear implant recipients through individualized frequency map fitting[J]. Eur Arch Otorhinolaryngol,2011,268:27.

20 Reiss LA,Turner CW,Erenberg SR,et al.Changes of pitch in a cochlear implant over time[J].Assoc Res Otolaryngol,2007,8:241.

21 Reiss LJ,Gantz BJ,Turner CW.Cochlear implant speech processor frequency allocations may influence pitch perception[J].Otology & Neurotology,2008,29:160.

22 Shannon RV,Galvin JJ,Baskent D. Holes in Hearing[J].JARO, 2001,03: 185.