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電子耳如何重現聽力的世界?人工耳蝸的設計原理

Unmet Needs 臨床工程專欄_96
・2020/08/14 ・3567字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 547 ・八年級

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電子耳就是人工耳蝸,屬於第三級醫療器材,那什麼樣的族群會需要人工耳蝸呢?它究竟彌補了我們耳朵缺失的哪一項功能呢?一個人造的儀器,可以重現聽損患者失去的世界?透過這篇文章,讓我們簡單的來了解人工耳蝸的基本設計。

  • 撰文:
    許逸翔|台大生資所碩士生
    詹喬智|獨立醫材研究員

  • 核稿:
    郭文瑞|國立陽明大學神經科學研究所 教授
    賴穎暉|國立陽明大學醫學工程研究所 助理教授
    (按筆畫順序排列)

人工耳蝸 — 透視圖。
圖/wikipedia

聽力損傷最常見的種類

蘇軾〈石鐘山記〉提到:「事不目見耳聞而臆斷其有焦,可乎?」我們在認識這個世界時,眼睛與耳朵幾乎是同等的重要。

根據今年 3 月的 WHO 報告指出,目前全世界有 4 億 6 千萬的人口屬於聽力損傷(disabling hearing loss)患者,而到了 2050 年,聽損人口的數字將來到 9 億,這代表什麼意思呢?代表你未來在生活週遭的人群中,每 10 個人裡就有 1 個人是重聽。

圖/pixabay

但是聽損的患者裡,只有極小的比例是屬於小耳症,也就是我們上一篇提到的骨導式助聽器的主要適用族群。

絕大多數的患者,都是屬於感音神經性聽損的範疇,這些人主要配戴氣導式助聽器(一般市面上常見的助聽器)即可。不過大家有沒有想過,重度的感音神經性聽損患者,也是配戴一般助聽器就好了嗎?答案可能跟你想的不一樣,也是我們今天要來討論的主題。

「感音神經性聽損」是什麼?

在談到我們今天的主角之前,我們先來簡單瞭解一下前述的感音神經性聽損是什麼?

造成聽損、聽障的原因有很多,長期處在噪音的環境下,或是經由疾病、藥物,甚到老化、基因遺傳……等等都有可能引發。如果從耳朵病變位置的角度切入,聽損可以分成傳導性聽損(Conductive hearing loss)、感音神經性聽損(Sensorineural Hearing Loss, SNHL)與混合型聽損(Mixed Hearing Loss)三個方向。[參考資料:1, 2, 3

聽損類別 — 依病變位置分成 3 類。
圖/轉載自原文章

其中,感音神經性聽損又佔最大的比例,成因是我們內耳裡耳蝸的毛細胞受損,或是我們的聽神經纖維功能異常,造成聲音從內耳傳遞至大腦的路徑受到影響。這樣的患者,病情如果輕微戴上傳統助聽器就可以了,而如果病情嚴重的話,就可能會需要用到我們今天文章想要討論的主題──人工耳蝸 (Cochlear Implant) ,才有辦法聽見聲音。

人工耳蝸怎麼運作?

人工耳蝸到底是什麼?這裡的「人工」是什麼意思?跟我們常聽到的人工皮、人工心臟、人工淚液的「人工」是一樣的嗎?── 其實是類似的,人工都是有一種輔助增強、或是取代我們身體原功能的意思。

人工耳蝸主要就是利用一條長長的電極,進到我們耳朵的最深處的──內耳,繞過毛細胞,施予電訊號直接刺激聽神經,來達到「幫助我們恢復聽力的目的」。

耳蝸內植入電極示意圖。圖嵌入自/Advanced Bionics

生物+工程,人工耳蝸的設計原理

人工耳蝸 (Cochlear Implant) 的設計與改良,有很大一部分取決於電極與耳蝸聽神經之間的刺激關係,想要來探討其中的奧秘,我們可以分別從「生物面」「工程面」的角度去切入。

1. 生物面:運用共振分辨頻率的「內耳」

我們人聽到聲音這件事,其實機制是極其複雜的。內耳如何去處理聲音裡複雜的頻率,扮演了很大的角色。試想,我們在一場音樂會裡,為什麼有辦法同時聽到不同的樂器,所發出的不同聲調的聲音呢?

簡單來說,內耳分辨頻率,是利用你我都耳熟能詳的「共振」原理。國中曾學到,一個物體的自然頻率如果與外力的頻率接近或一致,那物體便會不由自主的擺動起來,且擺動的幅度非常大。最著名的案例有 Tacoma 吊橋倒塌事件,風的頻率與吊橋的自然頻率很不巧的達到一致;還有英國步兵過橋時由於步伐太過一致,造成的吊橋倒塌事件

而平常外界的聲音從外耳傳到中耳、內耳時,我們的鐙骨(聲音在中耳的終點)會開始不斷敲擊耳蝸的卵圓窗(聲音在內耳的起點),並對耳蝸內的淋巴液產生擾動(行進波,Traveling Wave),從耳蝸的基部(Base)一路傳遞至耳蝸的頂部(Apex)。

然而,我們耳蝸不同部位的基底膜(Basilar membrane)對傳遞過來的行進波的反應都不太一樣,高頻的行進波,會引起耳蝸基部基底膜的共振;低頻的行進波,會引起耳蝸頂部基底膜的共振。由此一來,我們可以理解,不同頻率的聲音,會引起耳蝸不同的地方產生大幅度的振動,這些振動,會再帶動該部位的毛細胞擺動,進而刺激聽神經產生動作電位,傳遞至大腦。(更詳細機制可參考此影片

耳蝸內部基底膜對於不同音頻的共振關係。
圖/Jared E.〈Piezoelectric-Based, Self-Sustaining Artificial Cochlea〉

我們的耳蝸就是利用這樣的方式,對不同頻率的聲音進行拆解,再藉由聽神經將拆解後的訊號傳入大腦,使我們感受到了聲音的高低起伏。

耳蝸不同部位的基底膜對不同的聲音頻率產生共振。

2. 工程面:以電刺激器引發聽神經作用

我們理解大腦是如何透過耳蝸感知到這麼複雜的聲音後,就可以開始從工程面去思考如何設計人工耳蝸的植入電極了。首先,因為重度感音神經性患者的耳蝸毛細胞受損,基底膜共振的時候就不能帶動毛細胞擺動,引發該部位的聽神經產生動作電位。

所以我們就需要有一根長長的電刺激器取代毛細胞。它要能夠根據不同聲音的頻率,去刺激耳蝸不同部位的聽神經,另外它也要是柔軟的,能夠沿著耳蝸的螺旋形狀從基部一路延伸至頂部,而電刺激器上的電極陣列也是一個重點,電極數越高,代表越高的頻率解析度

電刺激器放大圖與在耳朵中的位置。
圖/Paweł R.〈From cochlear implants to brain-computer interfaces〉

3. 訊號接收器:以麥克風接收外在聲音轉成神經訊號

講完電刺激器後,難道就討論完人工耳蝸了嗎?其實還是不夠的,想讓重度感音神經性患者恢復聽力,人工耳蝸還需要其它物件。

除了電刺激器外,我們還需要一個訊號接收器(Receiver),它的作用除了要可以接收來自體表的訊號發射器所發出的無線電波外,還要擁有基底膜的功能,可以從無線電波解碼、分離出不同頻率的聲音訊息,之後再傳給電刺激器,進一步形成驅動電極的指令。

通常一個戴有人工耳蝸的聽損患者,耳朵後方還會安裝麥克風(Microphone)與語音處理器(Audio Processor)。麥克風就相當於人造的外耳,可以接收外界的聲音,並經由語音處理器的濾波後,無線傳遞至皮下的訊號接收器,最後形成前述提到的 ──能夠刺激聽神經的訊號。

圖人工耳蝸系統示意圖。
圖/Centre for Hearing

在醫療器材的背後,工程面與生物面的考慮

以上就是我們對人工耳蝸簡單的討論,我們希望讀者在閱讀完這篇文章後,可以瞭解人工耳蝸幾個重要的設計要點,與在人體中扮演的角色。

其實在設計每一項醫材時,工程面與生物面的考慮都是十分重要的,如何讓工程的裝置符合我們人體構造的需求,同時藉由儀器的刺激讓我們人體產生原有的知覺……等等,這些都是需要工程師與臨床人員不斷交流,細細去耕耘的。我們也希望可以藉由這篇文章,讓讀者瞭解一項醫材產品是如何因應臨床需求而去設計,並且需要哪些水平知識的連結。

補充:若正在閱讀文章的您正是電子耳使用者,或是您有認識配戴電子耳的親朋好友,歡迎加入陽明大學神研所有關電子耳的研究,一同為了更優質的聽知覺品質努力!詳情可以參考:連結

本文轉載自 Unmet Needs 臨床工程專欄《電子耳?人工耳蝸?助聽器的世界可能遠比你想像得還要複雜》。

文章難易度
Unmet Needs 臨床工程專欄_96
7 篇文章 ・ 230 位粉絲
「臨床工程專欄」希望從醫工的角度出發,與讀者分享醫材開發背後的巧思。藉由介紹醫材設計的觀點、開發醫材的經驗分享,與整理相關的知識資源,讓大家得知,醫材開發,有跡可循。

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金魚的記憶才不只 7 秒!記憶力怎麼回事?好想要超大記憶容量
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/12/01 ・2720字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 美光科技 委託,泛科學企劃執行。

你是不是也有過這樣的經驗?本來想上樓到房間拿個東西,進到房間之後卻忘了上樓的原因,還完全想不起來;到超巿想著要買三四樣東西回家,最後只記得其中兩樣,結果還把重要的一樣給漏了;手機 Line 群組裡發的訊息,看過一轉身回頭做事轉眼就忘了。

發生這種情況,是不是覺得很懊惱:明明才想好要幹嘛,才不過幾秒鐘的時間就全部忘記了?吼呦!我根本是金魚腦袋嘛!記憶力到底是怎麼回事啊?要是能擁有更好的記憶力就好了!

明明才想好要幹嘛,一轉眼卻又都忘記了。 圖/GIPHY

金魚的記憶才不只 7 秒!

忘東忘西,我是金魚腦?!無辜地的金魚躺著也中槍!被網路流傳的「魚只有 7 秒記憶」的說法牽累,老是被拖下水,被貼上「記憶力不好、健忘」的標籤,金魚恐怕要大大地舉「鰭」抗議了!魚的記憶只有 7 秒嗎?

根據研究顯示,魚類的記憶可以保持一到三個月,某些洄游的魚類都還記得小時候住過的地方的氣味,甚至記憶力可以維持到好幾年,相當於他們的一輩子。

還有科學家發現斑馬魚在經過訓練之後,可以很快學會如何走迷宮,根據聲音信號尋找食物。但是當牠們壓力過大時會記不住東西,注意力分散也會降低學習效率,而且記憶力也會隨著衰老而逐漸衰退。如此看來,斑馬魚的記憶特點是不是跟人類有相似之處。

記憶力到底是怎麼回事?

為什麼魚會有記憶?為什麼人會有記憶?記憶力跟腦袋好不好、聰不聰明有關係嗎?這個就要探究記憶歷程的形成源頭了。

依照訊息處理的過程,外界的訊息經由我們的感覺受器(個體感官)接收到此訊息刺激形成神經電位後,被大腦轉譯成可以被前額葉解讀的資訊,最終會在我們的前額葉進行處理,如果前額處理後認為是有意義的內容就有可能被記住。

在問記憶好不好之前,先了解記憶形成的過程。圖/GIPHY

根據英國神經心理學家巴德利 Alan Baddeley 提出的工作記憶模式,前額葉處理資訊的能力稱為「短期工作記憶」,而處理完有意義、能被記住的內容則是「長期記憶」。

你可能會好奇「那記憶能被延長嗎」?只要透過反覆背誦、重覆操作等練習,我們就有機會將短期記憶轉化為長期記憶了。

要是能有超大記憶容量就好了!

比如當我們在接聽客戶電話時,對方報出電話號碼、交辦待辦事項,從接收訊息、形成短暫記憶到資訊篩選方便後續處理,整個大腦記憶組織海馬迴區的運作,如果用電腦儲存區來類比,「短期記憶」就像隨機存取記憶體 RAM,能有效且短暫的儲存資訊,而「長期記憶」就是硬碟等儲存裝置。

從上一段記憶的形成過程,可以得出記憶與認知、注意力有關,甚至可以透過刻意練習、習慣養成和一些利用大腦特性的記憶法來輔助學習,並強化和延長記憶力。

雖然人的記憶可以被延長、認知可以被提高,但當日常生活和工作上,需要被運算處理以及被記憶理解的事物越來越多、越來越複雜,並且需要被快速、大量地提取使用時,那就不只是記憶力的問題,而是與資訊取用速度、條理梳理、記憶容量有關了!

日常生活中需要處理的事務越來越多,那就不只是記憶力的問題,而是有關記憶力容量的問題了……。圖/GIPHY

再加上短期記憶會隨著年齡增加明顯衰減,這時我們更需要借助一些外部「儲存裝置」來幫我們記住、保存更多更複雜的資訊!

美光推出高規格新一代快閃記憶體,滿足以數據為中心的工作負載

4K 影片、高清晰品質照片、大量數據、程式代碼、工作報告……在這個數據量大爆炸的時代,誰能解決消費者最大的儲存困擾,並滿足最快的資料存取速度,就能佔有這塊前景看好的市場!

全球第四大半導體公司—美光科技又領先群雄一步!除了推出 232 層 3D NAND 外,業界先進的 1α DRAM 製程節點可是正港 MIT,在台灣一條龍進行研發、製造、封裝。日前更宣布推出業界最先進的 1β DRAM,並預計明年於台灣量產喔! 

美光不久前宣布量產具備業界多層數、高儲存密度、高性能且小尺寸的 232 層 3D NAND Flash,能提供從終端使用者到雲端間大部分數據密集型應用最佳支援。 

美光技術與產品執行副總裁 Scott DeBoer 表示,美光 232 層 3D NAND Flash 快閃記憶體為儲存裝置創新的分水嶺,涵蓋諸多層面創新,像是使用最新六平面技術,讓高達 232 層的 3D NAND 就像立體停車場,能多層垂直堆疊記憶體顆粒,解決 2D NAND 快閃記憶體帶來的限制;如同一個收納達人,能在最小的空間裡,收納最多的東西。

藉由提高密度,縮小封裝尺寸,美光 232 層 3D NAND 只要 1.1 x 1.3 的大小,就能把資料盡收其中。此外,美光 232 層 NAND 存取速度達業界最快的 2.4GB/s,搭配每個平面數條獨立字元線,好比六層樓高的高速公路又擁有多條獨立運行的車道,能緩解雍塞,減少讀寫壽命間的衝突,提高系統服務品質。

結語

等真正能在大腦植入像伊隆‧馬斯克提出的「Neuralink」腦機介面晶片,讓大腦與虛擬世界溝通,屆時世界對資訊讀取、儲存方式可能又會有所不同了。

但在這之前,我們可以更靈活地的運用現有的電腦設備,搭配高密度、高性能、小尺寸的美光 232 層 NAND 來協助、應付日常生活上多功需求和高效能作業。

快搜尋美光官方網站,了解業界最先進的技術,並追蹤美光Facebook粉絲專頁獲取最新消息吧!

參考資料

  1. https://pansci.asia/archives/101764
  2. 短期記憶與機制
  3. 感覺記憶、短期記憶、長期記憶  
  4. 注意力不集中?「利他能」真能提神變聰明嗎?

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什麼!你怎麼用眼睛聽聲音:認識麥格克效應
雅文兒童聽語文教基金會_96
・2022/09/28 ・2905字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  • 文/李翊瑞|雅文基金會聽語科學研究中心助理研究員

早晨,鬧鐘聲不停地在耳邊響起,儘管心裡有再多的不甘願,你依然掀開棉被起身,輕揉著眼睛抬頭看了看時間。

在日常生活中,透過耳朵聽聲音、依靠眼睛看東西,兩者獨立運作,似乎是我們不曾懷疑過的事情。然而,人類的視覺及聽覺真的互不影響、毫無關聯嗎?

當朋友與我們說話時,對方的聲音和唇形如果有著明顯不同,又會發生什麼神奇的事呢?

究竟是「聽」別人說話,還是「看」別人說話呢?圖/Pexels

無心插柳柳成蔭:麥格克效應的發現

當一個人說話的聲音與唇形變化不一致時,所產生的聽錯覺現象稱為麥格克效應(McGurk effect)。

麥格克效應最早是由兩位英國心理學家——哈利.麥格克(Harry McGurk)約翰.麥克唐納(John MacDonald)於 1976 年提出[1],有趣的是,這個發現完全是場意料外的事。最初,他們正在進行一項語音知覺的研究,實驗中會讓嬰兒觀看一位母親說話的影片,同時搭配該位母親的配音,並記錄不同月齡的嬰兒對於語音的反應。

在一次實驗中,播放影片以及聲音時並未同步,使得影片中說話者唇形為「ga」,卻播放出「ba」的聲音。神奇的是,麥格克與麥克唐納不約而同聽到卻不是「ga」或「ba」,而是「da」的聲音[2]

說話者唇形為「ga」、播放聲音為「ba」,會聽到「da」的聲音。圖/雅文基金會

感到困惑的兩人,隨後重新設計了實驗,並招募更多受試者參與研究,發現高達 98% 的受試者在唇形為「ga」播放聲為「ba」的情況下都聽到了「da」的聲音。最終,他們將這個出乎意料的發現,發表在著名的科學期刊《Nature》[1],開啟了後續一系列有關聽錯覺以及視聽整合的研究。

聽到你懷疑人生,不存在的聲音從何而來?

麥格克效應的發生,顯示了視覺與聽覺訊息之間會相互作用,使我們得以一窺人類語音知覺系統的神秘面紗。與他人對話時,雙耳會將接收到的刺激(語音)傳遞至大腦的初級聽覺皮質(A1,圖中藍色處),同時雙眼接收到的訊息(嘴唇變化、臉部表情與舌頭動作)則會傳遞到初級視覺皮質(V1,圖中紅色處),這兩個區域所接收到的訊息會進一步傳送到顳上溝(superior temporal sulcus,STS,圖中紫色處)進行整合[3]

因此,我們知覺到的語音就不是單一的視覺(「ga」)或聽覺(「ba」)訊息,而是整合後的「da」。顳上溝在視聽整合的過程中扮演非常關鍵的角色[4],後續研究也發現,麥格克效應較少出現在顳上溝功能異常的受試者,如自閉症兒童及失語症成人[5, 6, 7]

視覺訊息(來自初級聽覺皮質 A1,圖中藍色處)和聽覺訊息(來自初級視覺皮質 V1,圖中紅色處)會在顳上溝(STS,圖中紫色處)進行整合。圖/Lüttke (2018)

既然我們已經知道不存在的聲音是經大腦整合而產生,多聽多看幾次就會漸漸習慣而消失嗎?長期研究麥格克效應的美國心理學家勞倫斯.羅森布拉姆(Lawrence Rosenblum)曾提到:

「即便我已經研究此效應長達二十五年,既看又聽了成千上萬次,它依然會發生在我身上,無法自主地去控制它[8]。」

由此可知,麥格克效應不同於一般的魔術表演,即使已經瞭解了原理,甚至感受到它正在發生,但那個不存在的聲音依舊會在我們腦中迴響。

從戴口罩到追劇,視聽整合的重要性

雖然口罩雖然能有效減少病毒的傳播,卻也增加了與他人對話上的困難,使溝通的品質大打折扣[9]。在口罩會影響溝通的「聲音」與「視覺」線索,該如何為愛防疫無礙溝通?文中就有提到,影響溝通的兩大面向為[10]

  • 聽覺:口罩會降低高頻語音(約 2000 – 7000 赫茲)的音量,影響高頻語音的清晰度,讓聲音聽起來悶悶的。如果聽不清楚,就可能會把「胡先生」聽成「吳先生」、「鞋子」聽成「茄子」等。
  • 視覺:口罩會遮蔽臉部表情與唇形變化,因而缺少了視覺上的線索。像是在餐廳或會議等多人同時說話的吵雜環境,若看不見唇形會較難辨別每句話的來源。

麥格克效應顯示了大腦會整合聽覺與視覺訊息來理解當下的聲音,而佩戴口罩所帶來的不便,不僅影響了聽力正常者,對於聽力受損的族群更是一大挑戰,不僅無法接收到清楚的語音訊息,更不能透過讀唇來理解對話內容。所幸,透明口罩的問世[11],使我們得以看見對方的表情,感受到對方的情緒,更能清楚辨識唇形,兼顧防疫及溝通的需求!

透明口罩幫助我們看見對方的唇形和表情,減少溝通上的阻礙。圖/BBC News

另一方面,疫情的衝擊也帶動串流影音平台的崛起,宅在家收看喜愛的戲劇及電影已蔚為風潮,而追劇的過程其實也是種視聽整合的展現。我們對於劇情的理解,除了劇中角色對話的聲音,影片中的字幕也很關鍵。要知道怎樣追劇可以聽和看得更輕鬆嗎?別錯過追劇沒字幕就聽不到?電視聲音不清楚,你可以這樣做[12]

字幕有助於理解影片的內容。圖/Pexels

參考資料

  1. McGurk, H., & MacDonald, J. (1976). Hearing lips and seeing voices. Nature264(5588), 746–748. https://doi.org/10.1038/264746a0
  2. Massaro, D. W., & Stork, D. G. (1998). Speech Recognition and Sensory Integration: A 240-year-old theorem helps explain how people and machines can integrate auditory and visual information to understand speech. American Scientist, 86(3), 236–244. http://www.jstor.org/stable/27857023
  3. Lüttke, C. S. (2018). What you see is what you hear: Visual influences on auditory speech perception (Doctoral dissertation, [Sl: sn]).
  4. Beauchamp, M. S., Nath, A. R., & Pasalar, S. (2010). fMRI-Guided transcranial magnetic stimulation reveals that the superior temporal sulcus is a cortical locus of the McGurk effect. Journal of Neuroscience30(7), 2414-2417. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.4865-09.2010
  5. Taylor, N., Isaac, C., & Milne, E. (2010). A comparison of the development of audiovisual integration in children with autism spectrum disorders and typically developing children. Journal of Autism and Developmental Disorders40(11), 1403–1411. https://doi.org/10.1007/s10803-010-1000-4
  6. Redcay E. (2008). The superior temporal sulcus performs a common function for social and speech perception: implications for the emergence of autism. Neuroscience and Biobehavioral Reviews32(1), 123–142. https://doi.org/10.1016/j.neubiorev.2007.06.004 
  7. Hickok, G., Rogalsky, C., Matchin, W., Basilakos, A., Cai, J., Pillay, S., … & Fridriksson, J. (2018). Neural networks supporting audiovisual integration for speech: A large-scale lesion study. Cortex103, 360-371.
  8. BBC Two. (2010). Try this bizarre audio illusion! Retrieved August 12, 2022, from https://www.youtube.com/watch?v=G-lN8vWm3m0.
  9. Chládková, K., Podlipský, V. J., Nudga, N., & Šimáčková, Š. (2021). The McGurk effect in the time of pandemic: Age-dependent adaptation to an environmental loss of visual speech cues. Psychonomic Bulletin & Review28(3), 992–1002. https://doi.org/10.3758/s13423-020-01852-2
  10. 張逸屏(民109年8月11日)。口罩會影響溝通的「聲音」與「視覺」線索,該如何為愛防疫無礙溝通?PanSci泛科學。https://pansci.asia/archives/189531
  11. Taylor-Coleman, J. (2020, May 26). Coronavirus: Call for clear face masks to be ‘the norm’. BBC News. Retrieved August 12, 2022, from https://www.bbc.com/news/world-52764355 。
  12. 洪右真(民109年10月28日) 追劇沒字幕就聽不到?電視聲音不清楚,你可以這樣做。PanSci泛科學。https://pansci.asia/archives/192941
雅文兒童聽語文教基金會_96
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雅文基金會提供聽損兒早期療育服務,近年來更致力分享親子教養資訊、推動聽損兒童融合教育,並普及聽力保健知識,期盼在家庭、學校和社會埋下良善的種子,替聽損者營造更加友善的環境。

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高音唱不上去可以降 KEY,高頻聽不清楚可以……?──談助聽器降頻技術
雅文兒童聽語文教基金會_96
・2022/07/23 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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  • 文/雅文基金會聽語科學研究中心 張逸屏

在 KTV 歡唱時,當挑戰高音不成,還偏偏硬是要唱,就會用大絕招──降 key!但你知道嗎?其實助聽器也有類似降 key 的功能喔!也就是所謂的「降頻技術」。但是,助聽器降頻技術到底是怎麼運作的呢?對於聽損者的語音理解真的有幫助嗎?

圖一:助聽器除了將音量放大外,某些型號也有降頻功能,針對高頻的聲音做處理,希望能讓聽損者更加享受聆聽的生活樂趣。圖/Unsplash

一般我們聆聽到的各種聲音,包含了許多高低不同的頻率,低頻的聲音像是打雷、海浪、抽油煙機和語音/ㄨ/等,而高頻的聲音則是像鳥叫、哨子、指甲刮黑板和語音/ㄙ/等聲音。但事實上,絕大多數的聲音都是由許多高低不同的頻率所組成,只是每個聲音的組成成份當中,高低頻的比例不同而已。

所以當我們說這是一個高頻的聲音或語音時,只是意味其中高頻聲音的佔比較多,並不代表當中完全沒有低頻的成份。因此,在討論聽力損失時,除了損失程度(類似近視度數)之外,對不同頻率聲音的接收程度也是需要考量的面向。例如,有些聽損者可能是從低頻到高頻的聽損程度都差不多,有些則在不同頻帶聽損程度變化很大。

一般而言,對於降頻技術使用反應較好的聽力損失者,是屬於高頻區域聽力受損較重的,主要是陡降型聽損和高頻型聽損這兩大族群(如圖二)。受限於助聽器放大強度的限制,無法將高頻的聲音放大到這些聽損者可利用的程度。再者,即使可放大到足夠大聲,但聽損者常有耳蝸死區 [註 1] 和頻率解析能力 [註 2] 不足的狀況,導致大腦無法接收及運用這些被放大後的高頻語音。

因此,某些廠牌型號的助聽器,便具備降頻的功能,將降頻功能開啟後,聽損者在較小的音量時就能聽得到高頻的語音,讓高頻的聽力察覺閾值 [註 3] 能夠降低。如此一來,許多聽損者容易錯失的高頻語音,像是/ㄙ、ㄐ、ㄔ、ㄈ/等就都可以聽得到了,也可能比較不會產生誤聽的狀況,例如將「舌頭」聽成「額頭」(沒聽到/ㄕ/)[註 4]

圖二:臨床上使用助聽器降頻功能後,效果較好的兩種聽損類型(此處聽力圖類型僅為示意)。圖/雅文基金會

三種降頻技術,概念相似、作法不同 

那麼當助聽器的降頻功能開啟時,是怎麼進行訊號處理的呢?降頻技術的原文是 frequency lowering,有時也稱作移頻技術(frequency shifting),顧名思義就是將聽損者聽不到的、較高頻率帶的聲音,挪移到聽損者聽力較好的低頻率帶,讓聽損者能聽到。

在訊號處理方面,通常會依據個案的聽力圖先決定一個起始頻率,針對比起始頻率要高的頻帶來進行降頻處理。而訊號處理的方式大致可分為三種類型(不同廠牌的助聽器可能會使用不同的處理方式),包括:頻率搬移(frequency transposition)、頻率合成(frequency composition,有時亦稱為頻率轉換,即 frequency translation)和頻率壓縮(frequency compression)。[1]

如圖三(a)所示,頻率搬移是將起始頻率以上的聲音直接搬移到低頻帶,和低頻帶原本的聲音重疊在一起,而且被移走的部份並不保留,如同圖三(a)中,兩個紫色方形移到低頻的區域,原本高頻帶的地方變成灰色,表示沒有訊號。

圖三:降頻技術共分為三種類型。圖/修改自 Oticon Whitepaper

頻率合成則和頻率搬移很相似,只是在搬移之前會把高頻帶的聲音先進行壓縮,如同圖三(b)中,搬移到橘黃色方形上方的兩個紫色方形疊在一起了(頻寬變小),而且在高頻帶仍然保留原本的聲音。

而第三種是如圖三(c)的頻率壓縮,是把高頻帶的聲音以不同壓縮比例的方式往低頻率帶擠壓,因為有不同的壓縮比例,也就是非線性的,故有時也稱作非線性頻率壓縮(non-linear frequency compression; NFC)。

「聽得到」和「聽得清楚」的拉鋸戰

這三種降頻技術都是將原本聽損者聽不到的高頻聲音,搬移到聽損者聽力較好的低頻帶,藉此讓助聽器使用者能聽到原本無法聽到的聲音。但是,有別於 KTV 的降 key 是全部聲音往低頻搬移,助聽器的降頻技術只有針對部份高頻的聲音處理,所以整體來說會有某種程度的扭曲 [2]。若以視覺來比喻,降頻技術則有點類似遊樂園的哈哈鏡(曲面鏡),對於不同區域採用不同方式的反射,所以會有扭曲現象。

哈哈鏡的扭曲影像讓人發笑,但降頻技術若導致聲音過度扭曲而無法辨識,那可不好玩!所以,降頻技術雖然可以提升「察覺」高頻聲音的表現,但能否提升「理解」就不一定了。也就是說,即便降頻技術讓聽損者能聽到/ㄙ、ㄐ、ㄔ、ㄈ/等高頻語音,但聽起來也許已經不像這些聲音了,有些人或許透過訓練和適應後能辨識這些語音,但也有些人會完全無法適應。因此,如同圖四,降頻技術就是「聽到」和「扭曲聲音」兩者之間的權衡取捨 [3]

圖四:降頻技術雖然可以讓原本聽不到的聲音變成聽得到,但代價是聲音或多或少地被扭曲了。因此必需在聽到(察覺)和聽懂(理解)之間取得平衡。圖/修改自 Flaticon

有一項針對高頻聽損者的研究,分析使用降頻技術的效益和高頻帶平均聽力閾值間的關係,發現高頻聽力閾值愈高(高頻聽力相對較差),使用降頻技術後在聽能表現的提升愈顯著 [3],因為對這些聽損者而言,能聽到高頻的聲音是比較重要的,因此可以接受一點聲音扭曲的代價,來換取聽得到高頻聲音的效益。

但對高頻聽力相對較好的人來說,可能原本可以聽得到一些高頻語音,因此也比較會感受到聲音被扭曲了。這樣的研究發現讓我們了解,降頻技術並不一定適合每個聽損者。

參數設定和聆聽情境是關鍵

除了要選擇合適的對象來使用降頻技術之外,聽力師也需要針對聲音處理技術的參數做合適的設定,才能在「聽到」和「扭曲聲音」兩者之間找到完美的平衡點。因為研究也發現,當降頻處理的程度愈大,也就是起始頻率愈低或壓縮程度愈大,那麼搬移/壓縮的聲音就愈多、聲音特性改變的幅度也愈大,此時助聽器使用者也容易覺得音質變差了 [3]。因此,挑選到合適的參數設定,才能在音質變化不大的情況下,享受到改善高頻語音察覺的益處!

此外,對降頻技術效益有影響的因素還包括了聆聽的情境,例如環境是安靜/吵雜、或內容是語音/音樂。相對於安靜的環境,在吵雜的環境中,助聽器使用者較能接受大程度的降頻處理 [3],可能是在安靜情境下較能感受到降頻處理帶來的音質改變,而在吵雜時,「聽得到」的重要性會更加凸顯。

而相較於語音,降頻技術可能會對聆聽音樂產生負面影響 [4]。對語音來說,頻率的搬移和壓縮影響比較小,因為許多高頻子音其實有點類似寬頻的噪音,所以即使頻率被悄悄偷天換日到低頻帶了,再加上情境和上下文的線索,聽者仍然能理解接收到的語音。但在聆聽音樂時,精準的頻率是很重要的。概念上可以從「和絃」來理解,和絃中的組成音符,每個音都必須在正確的頻率上,組合起來的和絃才會是正確而且悅耳。這樣就不難理解降頻技術可能會對於聆聽音樂造成較大的負面影響,造成聲音聽起來不和諧。

圖五:助聽器降頻技術可能對於音樂聆聽來說有較大的負面影響。圖/Irasutoya

和聽力師共同尋求最佳解方

綜合以上的研究發現,我們知道聽損者和聽力師針對降頻技術的討論,除了自己是否適合使用外,也要嘗試不同的參數設定,甚至是在不同聆聽環境中選擇是否開啟降頻功能、或設定不同的參數。其實就和所有的助聽器選配和調整一樣,都需要和聽力師密切討論、並說明在使用上的感受,才能讓助聽器發揮最理想的效果。

總結來說,降頻助聽器可能可以提升聽損者的聽音表現,但不見得適用於每個人。而且,若降頻處理的範圍或壓縮程度較大,也可能會讓聲音的音質改變、或語音的特性被扭曲,而導致聽不清楚的狀況。總結來說,使用降頻助聽器時,關鍵就是要以「最少的聲音扭曲」來換取「聽得到」高頻音的好處 [2]

註解

註 1:相對於聽力損失是耳蝸中的毛細胞不健全或功能異常,耳蝸死區(cochlear dead regions)則是某些區域完全沒有毛細胞,導致有某些特定頻率的聲音,再怎麼放大也無法聽到。

註 2:頻率解析能力為分辨兩個不同頻率聲音的能力,一般來說聽損者的頻率解析能力也會較差。

註 3:「聽力察覺閾值」為某一頻率下,個人能聽到(察覺)聲音的最小音量。閾值愈高,表示要愈大聲才聽得到,聽損的程度就愈重。

註 4:想了解更多關於「高頻聽力損失」和「微聽損」相關資訊,可參閱雅文基金會「微聽損網站」和「如果小美人魚失去的是聽力,幸福也沒有比較容易:談輕微聽力損失『微聽損』」一文。

參考資料

  1. Angelo, K., Alexander, J. M., Christiansen, T. U., Simonsen, C. S., & Jespersgaard, C. F. C. (2015). Oticon Frequency Lowering: Access to high-frequency speech sounds with Speech Rescue technology. Oticon Whitepaper.
  2. McCreery, R.W. (2016, October). 20Q: Frequency lowering ten years later – evidence for benefit. AudiologyOnline, Article 18370.
  3. Souza, P. E., Arehart, K. H., Kates, J. M., Croghan, N. B., & Gehani, N. (2013). Exploring the limits of frequency lowering. Journal of Speech, Language, and Hearing Research, 56(5), 1349–1363.
  4. Chasin, M. (n.d.). The Problem with Frequency Compression and Music.
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雅文兒童聽語文教基金會_96
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雅文基金會提供聽損兒早期療育服務,近年來更致力分享親子教養資訊、推動聽損兒童融合教育,並普及聽力保健知識,期盼在家庭、學校和社會埋下良善的種子,替聽損者營造更加友善的環境。