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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

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 ・ 231 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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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

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。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

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。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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科技魅癮_96
1 篇文章 ・ 2 位粉絲
《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》