硬听力技术和软听力技术

蒋涛

作者单位:加拿大RWM听力语音实验室 成都 610021

技术在20世纪末，变革的速度已经超过了人类，这就是指数时代[1]。当今科学技术发展速度对听力行业产生巨大的影响很难用常规方式描述。先进的数字技术和各种新技术提升了听力检测和诊断手段能力和听力康复效果，临床听力师和患者受益巨大。尤其是人工智能和大数据的应用为传统的听力产品增加了众多新功能。如2019年最新推出的人工智能助听器，除传统的助听放大功能外，还增加了许多日常生活实用功能，能翻译27钟语言，能和亚马逊的Alexa语音助手连接，完成日常语音通讯功能，还能监测心跳，预防跌倒提醒警告，即时语音文字转换等。如何理解主流技术在听力行业的应用不仅是一个学习使用的过程，还是认识技术本身特点以及与听力技术之间关系的机会。同时，我们长期习惯花时间掌握每一项具体技术和产品的知识，很少从宏观角度来认识技术作为人类文明进步的一个助推器。鉴于此，本文希望通过介绍软、硬技术和听力技术应用，开启另一个学习听力技术的窗口，从技术发展过程中去掌握听力学技能和知识，从软、硬听力技术的角度重新认识我们已经习惯的临床实践手段和方法。

1 技术定义和分类

英文“technology”一词来自古希腊语“tekhnologia”，“tekhnē”表示技艺和手工，整个单词意思是“系统性处理”[2]。从历史词汇学看，“technology”一词始于17世纪早期，从古希腊最初词义形成今天广为知晓的定义：科学知识在实践的应用，尤其用于工业。不同词典对技术一词释义各有不同，韦氏词典的定义是科学在工业、工程等领域科学用于创造有用的事物或解决问题[3]，强调技术范围和应用目的。

汉语对技术的解释和英文基本相似。新华词典对技术定义为人类在利用自然和改造自然的过程中积累起来并在生产劳动中体现出来的经验和知识，也泛指其他操作方面的技巧[4]，现代汉语大辞典定义较为简练：在劳动生产方面的经验、知识和技巧，也泛指其他操作方面的技巧[4]。中英文对“技术”一词定义均将其定位于科学知识或者经验的应用，英文更强调技术的应用范围，而中文的定义则偏重于知识或技巧的来源。

从词汇学看，对比中英文“technology”和“技术”的构成，二者非常相似。英文是“技艺”（techn）和后缀“学科”（ology）组合而成，这是关于技艺的学科；中文“技术”一词也是由表示技艺的“技”和表示学问的“术”组合而成，不同语言主要词汇的构成存在共性成分。

技术一词对于世界文明不仅是词义学的贡献，更重要的是技术本身的起源和发展始终贯穿人类发展历史，推动了世界文明的发展。在石器时代，祖先利用不同形状石头制造成简单的工具，用于打猎和采集，当今以人工智能和大数据为特征的第4次工业革命，从蒸汽机、电动机到电脑、电话、原子核反应堆和航天科技，技术是人类文明的最高成就，是进步的根本动力。研究技术起源和历史发展是一门博大精深学问，本文主要介绍技术的两个分类：“hard technology”（硬技术）和“soft technology”（软技术），及其相互之间的关系；将听力学技术纳入软、硬技术分类范畴，沿循主流技术发展趋势，研究软、硬听力学技术并轨发展的特点及关系。

硬技术是能采购并装置成辅助技术系统的有形部件，包括简单的口棒到电脑和软件；软技术包括决策、制定战略、培训和形成概念的人类活动领域[5]。解释软、硬技术之别的最好例子是点火。人类最早用石头作为点火工具，现在用火柴或打火机点火，这些工具是硬技术，用工具点火的方法是软技术。换言之，硬技术是我们可以看到并且能直接操作使用的器械物件，软技术是人们大脑积累的经验、知识、印象以及过往成功或者失败的案例。

表1 软、硬听力技术分类

关于软、硬技术的研究较多，Burgess等[6]认为硬技术是有形的物理器械，如机器、工具、器械和装置等；软技术是与物质无关的流程或生产技巧等。Hlupic V.[7]等认为硬技术是来源物理世界运行的自然科学的知识，而软技术则是与非自然科学有关的知识，如人类的思维、观念、情感或人类行为技巧社会组织的行为等。有的科学家从应用程度区别软、硬技术，如Norman[8]主张硬技术使得人类服从，软技术赋予人类支配权力，他认为硬技术在社会发展的功能中起到抑制和约束作用，软技术则起到包容吸纳、融合贯通的作用。

Dron等[9]对软、硬技术看法角度又不同。他们认为软技术与创造力和灵活性相关;硬技术与不受错误、速度和效率影响的自由相关。两者各有利弊，在合适时间两者之间保持适当平衡才是重要的。硬技术的“软化”（soften）或软技术的“硬化”（harden）能发挥各自长处，有效的方法就是将不同的技术进行组合、聚合和组装，通过增加不同的技术路径或功能来“软化”硬技术，或者采用程序化或自动化手段替换依赖人工操作流程实现“硬化”软技术的目的。

在现实中，软、硬技术之间并非天壤之别，有时还很难区分，这也是研究软、硬技术的一个难题。重要的是在实际应用技术时，应该认识到二者是有区别的，能帮助我们更好地理解技术的多元性和复杂性，掌握技术，发挥技术的作用。

2 软硬技术在听力学中的发展和应用

在听力学领域，硬技术包括几乎所有的硬件器械、设备、用品和工具等，听力计、声导抗仪、耳声发射检测仪、脑干听觉诱发电位设备、助听器分析仪、助听器和各种软件技术。驱动这些硬件设备的多是本文提到的软听力技术。软听力技术覆盖所有无形的算法、计算公式、测试流程、评估方法等。通过软、硬技术无缝结合，完成听力学筛查、诊断、康复和评估等功能性任务。表1列出部分常用的硬听力技术和相应的软技术和使用结果。

多年来，随着科学技术高度发展，硬听力技术已经完成从模拟化技术转变成数字化技术，进入自动化、智能化和移动化时代。总体讲，硬听力技术在三个主要方面继续提升。一是完善数字化系统，半导体集成电路的广泛使用将绝大部分听力器械转变成数字设备，使得听力检查和康复等方面的功能以及使用便捷性等都得到本质的改善，并大大缩小了原来模拟器械的体积，小型化和微型化为硬件技术移动化奠定了基础。二是无线技术的应用将原来各自独立的听力器械无缝连接，形成一个无所不包的听力硬件生态系统，听力计与声导抗连接、脑干诱发电位仪和助听器验配软件互联，大大提高临床应用效率。三是硬听力技术智能化系统的普及应用。大部分的高端助听器均已采用智能算法，包括应用场景的智能分析、学习和调整、个体使用特征改变等，如本文开始介绍的人工智能助听器，完全改变了传统助听器的应用范围。

在硬技术发展基础上，软听力技术也在向两个方面推进，反过来会更深刻地影响硬听力技术的应用：一个是利用数字技术优势，研制出一系列临床听力技术应用的方法、算法、程序、流程等，其中有代表性的是临床测听。软听力技术改变了过去以人工操作为主的听力检测操作系统，替之以软听力技术驱动的自动分析和操作流程。智能化听力计能按照听力师需求，自动完成各种听力阈值计算和相关交叉印证核查，自动计算气骨导掩蔽阈值等。大部分传统的人工操作测试程序和方法已基本实现数字化，可在硬件设备上运行，具有机器自动测试功能，尚有小部分因为需要患者的高度配合暂时无法实现，比如部分言语测试。

图1 软、硬听力技术分类和关系

软、硬听力技术分类和关系见图1。对于听力学行业入门者而言，仅仅掌握硬件技术，熟悉听力器械日常应用还不够，更重要的是需要学习和理解驱动这些器械背后的软技术，否则很难发挥出硬件的作用。

3 硬听力技术和软听力技术的关系

软、硬技术之间承上启下的关系是工业革命发展的重要推手。从18世纪60年代瓦特蒸汽机问世到1850年左右，伴随着工业革命，机器为经济建立了一套肌肉系统，现在又为其建立了一套神经系统[10]。铁路、汽车、飞机、计算机和各种机器设备这些硬技术支撑起几百年全球经济和社会的高速发展，是社会文明发展的根本动力；今天进入以人工智能和大数据为特征的第4次工业革命时代，互联网、大数据和人工智能作为当今社会无处不在的软技术，犹如一套高效的“神经系统”，正在成为下一波经济发展的新动力。笔者撰写本文的初衷正是来源于推动工业社会发展的“肌肉系统”和“神经系统”。鉴于此，笔者认为有必要开始去认识、理解和探索软、硬听力技术之间的融合发展展示出的能动作用和内在联系。

听力学领域的软、硬技术发展规律和其他工业科技领域一样，可以通过三种关系去认识。

3.1 软、硬听力技术之间承上启下的发展关系

任何新技术的发明或应用，首先是解决在现实中某一特殊需求或问题。1765年瓦特改良蒸汽机，研制出将蒸汽能量转换为机械功的往复式动力机械，其主要目的是解决大规模工业生产所需要的机械原动力，于是产生了用于工业生产的机器和包括火车轮船这种长途运输工具。1876年，亚历山大·贝尔发明电话，解决了人类对话的空间障碍和实时对话的需求，成为人类信息史上最伟大的创举之一。

从技术历史发展看，类似例子层出不穷，有趣的是一旦硬技术出现后，随着技术不断成熟和应用范围扩大，直接推动了软技术的发展。蒸汽机的出现不仅解决了生产和运输原动力的问题，更重要的带动了与此相关的一系列重大的技术革命，包括对工程技术、航海科技、材料技术和大规模工业生产的工艺流程都产生了深远影响。起于蒸汽机的软技术加快了人类社会从手工劳动转变成机器生产的文明社会。

同样，电话超越时空，实现了千里之遥的人对话犹如眼前的梦想。在电话发明的60年后，贝尔电话公司启用了第一台车载无线电话服务。时至今日，电话机的硬技术快速发展，催生出许多非常重要的无线通讯软技术，智能手机、WIFI支持的即时通讯方法、射频识别技术、蓝牙无线通讯技术和现在即将全面推出的5G无线通讯技术成为当今全球经济和社会发展的重要技术支撑。源自最初的有线电话的无线技术，已经被不仅推动了一大批软技术，而且还形成独当一面的无线经济（wireless economy）。从这个意义讲，被称为软技术的通讯方法和技术彻底颠覆了人类生活与交流的传统方式。由此可见软、硬技术之间承前启后的发展关系的重要意义。

助听器的技术和验配方法的发展进程充分揭示出前面提到的软硬听力技术的关系。根据笔者提出的助听器三个发展阶段，图2总结了助听器从硬技术到软技术在其应用范围、功能、配方方法的发展特点。

笔者从三个维度来分析。第一个维度是助听器技术分类，将2013年以前看作是助听器的硬件发展的前期阶段，从早期上个世纪初期的电子管技术到2013年的数字技术，助听器的硬件经过了模拟技术对放大信号的处理再到数字技术对声音的放大。与此对应的第二个维度是信号处理放大技术发展，在这个期间，助听器放大技术经历了从最早的碳精放大，到真空管和电子管技术，随着半导体技术发展，晶体管和集成电路开始用于助听器，大大减少助听器体积，提高了放大的效率和声音的质量。伴随放大信号处理技术的提升，助听器也从最早的台式机到盒式机，从耳背机到耳内机，再到植入式或可穿戴式的各种形式。助听器外形的发展是助听器放大技术的结果。

图2 助听器技术三个阶段和维度发展

与此对应的第三个维度是助听器验配方法发展。在这个阶段，对硬件提升逐步实现了助听器从听得见的基本功能到听得清楚的高级功能。以硬技术为主的发展阶段的一百多年历史中，早期的验配方法主要是增益简单补偿算式法则，如伯格配方法、POGO配方法等，这些都属于二分之一增益法的衍生计算方法，当然还有采用患者最大舒适级来计算增益和相应的频响特征等类似的方法，这些属于线性助听器验配方法。从1995年后，数字助听器问世，其硬件技术也快速成熟，患者对助听器的满意度超过85%以上。期间，非线性验配成为主流，具有代表性的是DSLi/o和NAL-NL的验配方法。

从2013年后，我们看到数字芯片的处理能力以非常快的速度提升。双核芯片和超过3100万个晶体管已经成为助听器芯片标配，近期有的新推出助听器芯片速度甚至是上一代技术的50倍。在这个时期，助听器的核心功能已经不简单是听得见和听得清，而是听得懂。快速和复杂的运算能力可以实现各种人工智能算法，包括按照听觉神经对信号的反应和处理来放大声音，模仿大脑对声音解码特征和参照人类自身听觉系统的处理方式进行有针对性地放大等。在这个时期的信号放大处理可用神经信号来描述，因为帮助听损患者能有效地理解语音的意义，已不再是简单的对声音强度的放大。与此对应的验配方法也值得一提。各个助听器生产厂家根据其采集的大量听力数据和分析，推出了验配方法，能满足自身助听器芯片和验配软件的应用，这种和产品配套的验配方法也有一定优势。

听觉皮层学会看，视觉皮层学会听,大脑自始至终只使用了一种相同的学习算法，负责不同知觉的区域之间的区别仅仅在于相互关联的输入信息的感官而已（眼、耳、鼻等）[11]。大脑对于外界信号的处理特点说明了软听力技术的重要性。2014年至今，助听器技术已经成为人类第4次工业革命技术浪潮中的一个很好例子，可以预测基于神经信号的软听力技术是未来助听器爆发式增长的突破点。

软、硬技术的这种独特的承上启下发展关系可以用纯音听力测试做进一步阐述。

从历史看，John Shore在1711年发明了音叉[12]；1879年，David Edward Hughes在其呈递给伦敦皇家学会的论文脚注中首次提到audiometer（听力计）[13]，据悉这是最初利用感应线圈的听力器械；1899年，Seashore在设计出有40调试步骤，点击发声的听力计，是后来西方电子设备公司推出商用听力计的原型；1919年，Bunch等在美国耳科协会上宣讲了题为《音调范围听力计》的论文；1922年Edmund P等共同研制出第一台基于倍频程的调试强度的听力计，这是一台具有真正商业价值的听力计[14]。

物理振动发声的音叉走过了200多年后，演变成电子管听力计，显然听力硬件设备研发经历了一条漫长的道路。从模拟听力计发展到数字听力计也经历了至少半个多世纪的数据，在这267年期间，受限于软听力技术尚未同步发展，听力计其实并没有能帮助我们实现其主要目的：准确地获得听力阈值。1944年，美国眼耳鼻喉科学会听力保护委员会提出了改良的Hughson-Westlake测听法，即常说的“升5降10”测听法，听力阈值测试尚未规范。1978年，美国国家标准署才首次系统制定楚纯音听力阈值检测方法。听力测试软技术的完善为听力测试硬件技术制定出了科学的听力阈值检测标准[14]。

听力计硬件和听力检测方法之间的关系犹如秤与计量标准一样。如果只有秤，没有计量方法，秤是毫无用处的；反之，即便有计量方法没有秤，也难以实施。听力计经历的267年的发展历史，说到底展示出硬技术和软技术相互影响、承上启下、共同发展的技术发展规律。没有听力计硬件不能测试听力，有了听力计，但是没有科学的测试方法也不能获得准确的听力阈值，这就是硬听力技术和软听力技术之间的能动关系。

上面例子再次告诉听力学初学者，学习不仅仅是熟练操作脑干听觉诱发电位仪，或助听器分析仪，更重要的是充分理解软、硬听力技术各自特点和相互之间的关系，才能真正掌握听力学基本技能和知识。

3.2 技术发明和应用时差与软、硬听力技术的关系

互联网技术最早是在1969年由美国4所大学采用美国国防部研究计划署制定的计算机协议所发明，1989年，当蒂姆·伯纳斯·李（Tim Berners-Lee）爵士提出万维网设想，一年后他在日内瓦的欧洲粒子物理实验室里成功开发出了世界上第一个网页浏览器，然后迅速在全球普及应用。计算机也有同样的经历。1946年，美国宾夕法尼亚大学研制出具有真正意义的第一台电子计算机，体积庞大为170平方米，耗电150千瓦，造价48万美元，每秒智能执行5000次加法或400次乘法运算。然而我们熟悉的微型计算机到30年以后才出现。

听力技术从发明到应用也有一样漫长的时间差。据悉第一台助听器是1898年发明的，而真正能用于听力康复的助听器至少要等到半个世纪以后才出现，第一台数字助听器要等到100多年以后才出现。图3所示，1978年英国教授Kemp首次发现了耳声发射现象，尽管他迅速研制出早期的耳声发射检测仪，也等到1999年后才大规模投入使用。宽频动态压缩线路最早于1975年发明，尽管WDRC非线性放大压缩技术效果非常好，也得等到10年后才开始广泛用于助听器，取代了线性压缩技术。

图3 听力技术发明到应用的时间差

数字助听器产生和使用也是沿循同样路径。众所周知，1995年是助听器发展史的重要分水岭，当年两款商用数字助听器问世，立即产生轰动效应，标志着模拟助听器时代结束。之后十几年里，数字助听器以惊人的速度从初期到进入成熟期，时至今日，数字助听器已是一个广为使用的成熟产品。究其发展史，早在1970年便研发出数字助听器了，只不过经过了25年后才得以推广。

另外一个典型的例子是超级计算机和认知计算的应用。“超级计算(supercomputing)”最早在1929年由《纽约世界报》首次报道[16]。这是一种由数百、数千甚至更多的处理器(机)组成的，能计算普通PC机和服务器不能完成的大型、复杂课题的计算机。1976年美国克雷公司推出了世界上首台运算速度达每秒2.5亿次的超级计算机，自此后研发亿亿级超级计算机已经成为当今世界各国凸显各自科学实力的一个终极目标。与此同时，科学家在上个世纪50年代提出利用超级计算机开发认知计算的想法，希望计算机能模仿人类思维去感知和认知世界。如何将计算机从长于数据分析的“左脑型”机器，变成擅长于“右脑型”任务处理的计算机[17]，像人一样去思维、分析和处理各种外部信息？这就是所谓结合了右脑与左脑运算的认知计算。早期由于超级计算机刚刚起步，加之对大脑认识有限，一直到了21世纪，当亿亿级超级计算机出现后，认知计算才有实质性进展。2011年当IBM的“华生”超级计算机在一次美国智力竞赛中击败了人类选手后，认知计算技术得到了高度关注。超级计算机问世到认知计算快速发展的时间差超过半个世纪，其中主要原因是研制软技术的难度远远大于开发硬技术。机器设备的生产是一个直观的重复性的物理过程，方法学的形成则是一个可以千变万化的抽象现象。新技术发明和应用之间的时差本质上是因为软、硬技术遵循各自不同的发展规律所产生的。

听力学是引入认知计算方法较早的一个领域。上个世纪末，人工智能技术已经开始用于听力算法，帮助助听器学习各种使用场景，从患者身处的环境中，实时收录采集声音信号，并快速分析处理后，能对目标信号进行具有针对性的放大，力求做到精准和适度。这是基于认知计算的助听器学习的一个例子。能适应，有记忆能力，不断调试和纠错学习，熟悉患者个体使用习惯，实现有效放大效果。

随着认知计算普及，模仿人类思维去改善听力康复器械已成为当今重要方向标。神经科学和大脑认知科学高度发展，导致我们对人类交流和失调研究越来越明显地依赖于大脑信息。近期，我们看到跨学科研究将听觉功能和听力损失与大脑功能联系一起，以便能研制出更新的听力测试和听损干预手段。数字助听器问世20年后，认知计算成为大脑听力或仿生听力等各种新技术的创新驱动。虽然硬件外形变化不大，助听器的内在功能和作用却发生了翻天覆地的变化。因此，在硬听力技术基础上，加快研发软技术是推广新技术从发明到实际应用有效手段之一。

4 结语

前面介绍了软硬听力技术之间承上启下的关系。硬技术可能解决了一个独立的问题，而软技术能在此基础上解决一系列相互关联的问题；相比硬技术，提高软技术能力更能加快新技术应用，缩短发明和使用之间的时间差距。软、硬听力技术之间的关系揭示了这两种技术分类的内部逻辑关系和相互之间的动态驱动关系。理解听力学软、硬技术相互之间的互动和依赖关系，才能发挥技术的作用；揭示听力学技术发明和实际应用之间存在的延迟，给与我们足够的时间为新技术的推广应用，奠定坚实的基础。所以，研究和学习技术的这些特征有助于更好掌握技术，充分发挥软、硬技术能力，无论是帮助我们学习，还是改善听力师的临床技能，都是非常重要的。

从临床使用角度，我们常可以看到这种情景：硬听力技术功能越复杂，人们对硬件的依赖性越大，如当助听器验配软件提供选择越多，为验配师提供的调试方法越复杂时，验配师很可能会放弃复杂的操作系统，直奔所谓“一键式”的简化操作路径。反之，当硬件设备越简单，我们越喜欢依赖简单操作的感受去判断效果的好坏。比如一台助听器只有三个能用小螺丝刀调试的按钮时，我们可能会来回不停地在三个按钮功能之间切换和调试，这时我们会更多地关注简单操作后的结果。

从学习过程来看，掌握软、硬听力技术所花费的精力和学习难度也不同，硬技术往往显得更容易一些，这是因为学习硬技术是一个系统的反复练习和操作过程，常常会考量我们如何快速掌握操作程序的能力。比如第一次学习使用双通道听力计时，我们的注意力往往集中在记忆听力计键盘各个按钮分组功能，随着练习增加，熟练程度相应提升。软技术的学习更需要我们去思考和分析，比如临床测听掩蔽技术是一个需要及时做出决策的思维过程。掩蔽声和测试声之间的强度关系迫使我们必须在过渡掩蔽和掩蔽不足的范围内做出正确选择，单靠速记掩蔽公式还不够，只有在多个复杂场景中训练快速决策，不断试错，才能熟能生巧，准确地完成掩蔽测试。就学习而言，最佳的效果应该是在熟练掌握硬件技术同时，充分理解软技术的作用，把握好二者的关系，利用相互之间的依赖关系，合理平衡是充分发挥技术优势的最高境界。

硬听力技术和软听力技术各自的作用犹如地图和指南针，地图标明了所有能找到的详细地形信息和最佳路径，我们只需掌握地图上有的信息，就不会迷路，不过地图上没有的信息，可能就是迷失方向的原因。指南针虽小和简单，一根针提供了用地磁场来定北极的一种方法，非常灵活，只要我们掌握了定位原理，分清东南西北，无论路途多复杂，都能找到路。在现实生活中，我们需要地图，也需要指南针。在听力学，我们需要软、硬听力技术，更重要的是需要充分发挥二者结合起到的作用。