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打造聲波到耳朵的直達車，改善輕微聽損者的課堂困擾

研之有物│中央研究院・2019/02/23 ・2583字・閱讀時間約 5 分鐘・SR值 510 ・六年級

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位

執行編輯｜林婷嫻、美術編輯｜林洵安

輕微聽損的學生、長輩，因為空間距離、背景噪音，無法聽清楚老師或講者的話語。這種情況，常在課堂與演講中被忽略。中研院張佑榕、曹昱團隊與跨單位合作，打造智慧聽 APP 助聽系統，讓聲音直送耳朵，學習沒有距離。

世界上最遙遠的距離，是你在我面前，但是我聽不到

孔子曰：益者三友，友直，友諒，友多聞。而「聞」的前提，就藏在象形字的奧妙中，需要靠「耳」來聽取知識。若是學齡兒童有聽損情況，無法將眼前的「文字」與「聲音」相連結，會造成學習效果下降（註一）；對於聽覺稍微退化的長輩來說，聽不清楚旁人的話語，也會心生社交壓力。

生活中常見的聽覺阻礙是：背景噪音、聽者與說話者的距離。

觀察到這些聽覺阻礙，受到馬偕醫學院張秀雯助理教授的邀請，加上雅文基金會張逸屏研究員的合作，中研院資訊科技創新研究中心的副研究員──張佑榕、曹昱，實驗如何透過便利的方法，來解決「因為空間距離和背景噪音，而聽不清楚」的輕微聽損問題。

為聲波打造一班到耳朵的直達車

我們可以將「聲波」想像成一位旅者，這位旅者從說話者的嘴巴出發，要到達聽者的耳朵，需要經過一大段空間。張佑榕和曹昱的解決方案是：「我們可以縮減這段空間，讓聲波這位旅者，直接跳到聽者的耳朵」。

這種「聲音直送」的助聽功能，傳統上是透過 FM 調頻系統來達成，但市面上的調頻助聽系統，售價約為臺幣 6 至 8 萬元，並非人人負擔得起，或是有些輕微聽損者還用不到如此高規格的輔具。

幸好，大多數人都有手機，手機又相當強大，張佑榕、曹昱決定用智慧型手機來實現「調頻助聽系統」的功能。

手機安裝「智慧聽」App、搭配藍芽耳機，就能變成類似「調頻助聽系統」的聽能輔具。
圖片來源│智慧聽 SmartHear 說明影片

那麼，要如何讓聲波透過手機走捷徑呢？生活中常用的無線通訊──藍芽和 Wi-Fi，可以為聲波搭出一條高速道路。如下圖所示：

小型課堂或社交場合，說話者的聲音經由面前的手機、藍芽傳輸，直送聽者的藍芽耳機。
圖片來源│智慧聽 SmartHear 說明影片
圖說重製│林洵安

大型課堂或演講，講師的聲音經由面前的手機、Wi-Fi 傳輸，直送聽者的手機和藍芽耳機。
圖片來源│智慧聽 SmartHear 說明影片
圖說重製│林洵安

抗噪學問大，如何提高聲音傳播品質？

「聽者與說話者的距離」這個聽覺阻礙，透過無線通訊解決了，但還有另一個問題：背景噪音。

上課時同學很吵、講座場地反射回音，這些噪音都會附加於講者的聲音，讓輕微聽損者聽不清楚。因此，曹昱在智慧聽 APP 加上除噪功能，「目前我們是採用 GMAPA （適應性噪音消除演算法，註二），之後會嘗試用深度學習模型來消除噪音。」

日常生活中，就算聽覺健全，有時還是會聽錯別人說的話。考量這個情況，智慧聽 APP 另外加上「錄音」和「語音轉文字」的功能，除了可以重複聆聽確認，也能透過文字判讀聽到的話語。

「若是今天老師講的，我聽懂了七八成，那我再參照文字就能理解九成」，曹昱說明，目前文字是顯示在手機 APP ，若未來能結合穿戴式裝置，例如眼鏡，就能即時將關鍵字顯示在眼鏡上，透過視覺來輔助聽覺。

「智慧聽」 APP 誕生：工程研究是為了解決人的問題

擅長「語音處理」的曹昱、專精「無線通訊」的張佑榕，兩者的研究融合一起，加上團隊成員協力，變成有助於人的「智慧聽」 APP。
攝影│張語辰

無論是語音處理、或無線通訊的研究，都是用數學來解決生活問題。不過其實最初跨入這兩個研究領域，初衷是基於好奇心。

談到無線通訊這門學問，張佑榕說：「我們做研究比較像在解一個工程應用的數學問題，透過數理邏輯的推演，這過程很有趣。」從小雖然喜歡數學，但考量數學系太理論，而推甄到偏向應用的電機系，進入無線通訊的領域。

喜歡研究主題有「人味」的曹昱表示，語音處理的題目很有趣，而且可以應用到醫學和工程相關領域，幫助需要的人、讓生活更好。

除了可以發表論文，最快樂的是看到 APP 被點五顆星，留言說很好用。

術業有專攻，建構智慧聽 APP 的過程中，其實最難的是──找到會寫 APP 程式碼的成員。「我們會寫音訊處理、無線通訊、深度學習這些模型，但 APP 的程式和介面設計，依靠林祐成、Alan Chern、Kylon Chiang、賴穎暉教授協力完成與測試。」

團隊亦透過問卷調查使用者的反應，比較「智慧聽 APP」和「調頻助聽系統」的差異。調查結果發現，音質的分數相當，「但經濟實惠這個指標，我們的分數好非常多」。而因藍芽技術的問題，音訊會有一點點延遲，則是後續優化的項目之一。

當課堂和演講中聽不清楚的問題，透過智慧聽 APP 輔助解決後，更能達成因材施教、活到老學到老的目標。

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※編註：智慧聽 APP 為 Android 系統版本，若 iOS 系統使用者有類似需求，可運用 AirPods 變成輔聽器。

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本文轉載自中央研究院研之有物，原文為課堂裡的隱性需求：聽不清楚、不敢舉手，泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物，取諧音自「言之有物」，出處為《周易·家人》：「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活，成為串聯您與中研院的橋梁，通往博大精深的知識世界。網頁：研之有物臉書：研之有物@Facebook

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為什麼有些人吃不胖，有些人沒抽菸卻得肺癌，有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢？這一切都跟我們的基因有關！無論是想探究生命的起源、物種間的差異，乃至於罹患疾病、用藥的風險，都必須從了解基因密碼著手，而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上，DNA 解碼從 1953 年的華生（James Watson）與克里克（Francis Crick）兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構，闡述 DNA 是以 4 個鹼基（A、T、C、G）的配對方式來傳遞遺傳訊息，並逐步發展出許多新的研究工具；1990 年，美國政府推動人類基因體計畫，接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入，到了 2003 年，人體基因體密碼全數解碼完成，不僅是人類探索生命的重大里程碑，也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成，卻因為基因定序技術的突飛猛進，使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展，早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位，但無法排序；直到 1977 年，科學家桑格（Frederick Sanger）發明了第一代的基因定序技術，以生物化學的方式，讓 DNA 形成不同長度的片段，以判讀測量物的基因序列，成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求，出現了次世代定序技術（NGS），將 DNA 打成碎片，並擴增碎片到可偵測的濃度，再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速，且成本更低，讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對，解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤，也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面，儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因，但對於改善個體健康仍有積極的意義，例如：若透過基因檢測，得知將來罹患糖尿病機率比別人高，就可以透過健康諮詢，改變飲食習慣、生活型態等，降低發病機率。又如癌症基因檢測，可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測：前者可偵測是否有單一基因的變異，導致罹癌風險增加；後者則針對是否有藥物易感性的基因變異，做為臨床用藥的參考，也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者，基因檢測後續的生物資訊分析，包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等，對臨床醫療工作都有極大的助益。

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同，而不同族群之間更存在著基因差異，使得歐美國家基因庫的資料，幾乎不能直接應用於亞洲人身上，這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」（Taiwan biobank），希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起，中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」（TPMI），希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫，促進臺灣民眾常見疾病的研究，並開發專屬華人的基因型鑑定晶片，促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人，這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者，超過 99％是來自中國不同省分的漢族移民人口，其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫，其中，漢族的全部遺傳變異中，有 21.2％的人攜帶遺傳疾病的隱性基因；3.1％的人有癌症易感基因，比一般人罹癌風險更高；87.3％的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性，例如：若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型，醫生在開藥時就能使用替代藥物，避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰：個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門，但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上，存在著道德倫理的考量，例如：研究用途的資料是否能放在病歷中？個人資料是否受到法規保護？而且技術上各醫院之間的資料如何串流？這些都需要資通訊科技（ICT）產業的協助，而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言，建議患者做基因檢測是因為出現症狀，希望找到原因，但是如何解釋以及病歷上如何註解，則是另一項重要議題。

從人性觀點來看，在技術更迭演進的同時，對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生？回到了解病因的初衷，在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時，家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等，都是值得深思的議題，也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好，因此，基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統，以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡，將是下一個基因時代的挑戰。