國小高年級科普文，素養閱讀就從今天就開始!!
- 作者 / 張逸屏｜雅文基金會聽語科學研究中心 研究員
聽到「人工電子耳」這五個字你會想到什麼呢？既是「人工」又是「電子」的耳朵，大概就像義肢或義眼吧，會有著與原器官相似的外型，若一不小心開啟妄想小宇宙，各種以機器人為題材的科幻電影馬上浮現……，先等一下！這誤會可大了！
幫助聽損者重拾聽力的高科技
人工電子耳其實是聽力損失者在助聽器之外，可選擇使用的聽覺輔具之一。「聽見聲音」對一般聽力正常的人來說，是在出生前就已經開始累積的感官經驗，胎兒的聽覺系統在孕期 6 個月左右就發育完成（Graven & Browne, 2008），而聽覺也是人們離世時最後消失的感官功能（Blundon, Gallagher, & Ward, 2020），可說是在五感當中陪伴人一生最久的感官。然而，有許多人因為各種先天或後天的因素而有程度不同的聽力損失。隨著科技發達，要重拾聽覺已不再是遙不可及的事。
就像是大部分長輩因老化而造成的重聽，程度相對較輕，可以透過佩戴助聽器矯正聽力；但重度或極重度以上的聽損，採用助聽器這種放大聲音的方式很可能已無法滿足需求。這時，植入人工電子耳則是另一種可以恢復聽覺的選擇。
人工電子耳如何產生聽覺？
人工電子耳的原文為 cochlear implant，也有人稱為「人工耳蝸」。從圖一中可以看到，醫生透過手術將電極（Electrode）植入到內耳的耳蝸當中，而佩戴在耳朵上的聲音處理器（Sound processor）將接收到的聲音訊號，依照音量和頻率分布做計算、並轉換為電訊號，再透過佩戴在頭上的線圈，經電磁感應傳送到植入體（Internal implant），越過受損的內耳，透過電極以電流刺激聽神經（Hearing nerve）而產生聽覺（Loizou, 1999）。所以人工電子耳的外型和耳朵並不相似，而是有一部份佩戴在耳朵上、一部份植入在頭部內的。近年更有一體成形機（可參考網頁），佩戴在外部的所有元件都組合在一起，佩戴起來更加輕巧。
當代人工電子耳的發展可回溯到 1960 年代，一開始發展時許多學者其實並不看好，認為只透過少數幾個電極，不可能將複雜的聲音訊號與特性真實地呈現，並傳遞給大腦詮釋為有意義的訊息。然而經過研發與臨床試驗，許多植入電子耳的聽損者可以有好的成效（Eshraghi et al., 2012），植入後一年時測驗句子聽辨，平均正確率可達到約 90%（Wilson & Dorman, 2008）。美國 FDA（U.S. Food and Drug Administration；相當於衛福部食藥署）也分別在 1980 年和 2000 年正式通過成人和 1 歲以上孩子植入電子耳，至 2019 年底全球登記在案的電子耳數量超過 73 萬（NIDCD, 2021）。
原來耳蝸就像鋼琴鍵盤
雖然電子耳確實能將重度聽損者帶回有聲世界，一開始不看好的學者，其實也對電子耳恢復聽覺的表現感到驚嘆。聲音的訊號十分複雜，究竟是如何只透過 16〜22 個電極，就完成了傳遞聲音訊號的任務呢？要回答這個問題，就要了解聲音的兩大特性、以及分別如何用電流來呈現。
聲音的兩大特性就是「音量大小」及「頻率高低」，在電子耳的訊號處理中，音量可用電流的大小來呈現，而頻率則可以利用電極在耳蝸中的位置來呈現，其原理是因為人的耳蝸原本就有「音調排列（tonotopic）」的特性。
人的耳蝸長度大約 3.5 公分，形狀有點像蝸牛殼（所以叫耳蝸嘛！），盤繞大約 2 圈半。所謂的音調排列，就如同圖二所示，若想像將耳蝸拉直後，耳蝸的底部負責高頻的聲音、頂端則負責低頻的聲音，就像是對應鋼琴鍵盤上按照聲音頻率高低而排列的琴鍵。因此，聲音訊號並不是全部一起送到所有的電極，而是聲音處理器會將聲音分解為數個不同的頻段，再分別送到對應的電極。
在耳蝸植入的電極數量，決定聲音處理器會將輸入的聲音分解為幾個頻段。例如，澳洲電子耳大廠 Cochlear® 公司的 Neucleus 電子耳，一般來說會在耳蝸內植入 22 個電極，那麼聲音處理器就會將聲波分解為 22 個頻段，再以電流脈衝（pulses）進行編碼，並分別去刺激對應的電極。也就是說，大約在 100-300 Hz 這個頻率帶的聲音，在進行編碼後就會被傳送到植入在耳蝸最頂端的電極；而大約在 6000-8000 Hz 這個頻率帶的聲音，則會透過耳蝸最底端的電極來刺激聽神經[註1]。
上述說明的是理論上最理想的狀況，然而在實際上，可能因組織構造、聽損本身造成的神經存活狀態、電極間電流的互相干擾（此為電流本身之特性）等種種原因，造成呈現特定聲音頻率帶的電脈衝並不是（只）刺激原本所設定、負責某頻段的聽神經，使得聲音有失真和扭曲的現象。所幸人類的大腦具有可塑性，在植入電子耳後，透過聽能訓練和日常不斷累積聆聽經驗，許多電子耳使用者都能逐漸適應、並提升聽辨的表現。
電極數越多、一定聽得越好？
那麼，透過電子耳的聲音聽起來到底是如何呢？在網路上有不少電子耳聲音模擬[註2]的影音可以參考，這裡介紹美國達拉斯大學提供的網頁（Loizou, n.d.）。其中提供了不同頻道數（channel = 頻道；概念上相當於電極數）、以及不同植入深度的聲音模擬。以頻道數來說，若逐個試聽，會發現愈多頻道時語音會愈清楚。不過受限於耳蝸體積、電極相近時會互相干擾等因素，植入的電極數能增加數量有限，如前述一般是植入 16 – 22 個電極。此外，雖然在理論上愈多頻道（電極）聲音會愈清晰，但由於各種複雜的影響因素[註3]，實際上這樣的關係並不是絕對的，尤其不同的電子耳產品間、或不同個案間，不能直接以電極數來評斷聲音/聆聽品質的優劣。
植入深度也是影響因素
除了頻道數外，網站上還提供了不同植入深度的模擬。電子耳的植入手術中，是將電極從耳蝸的底端插入，理想的植入深度是大約 25 公釐。這樣的情況下，特定頻率帶的聲音就可以透過對應的電極，去刺激負責那段頻率的聽神經。如果植入的深度不夠，代表電極的位置是比較偏底端的，根據前面提到的音調排列特性，特定頻率帶的聲音就會被送往較接近底端、偏向較高頻率的電極和聽神經了。
植入深度不足的情況可參考圖三，圖的上半部示意理想植入深度，因此聲音處理器的聲音分解（Analysis bands）和刺激電極在耳蝸的分布（Carrier bands）是能夠完全對應的。而圖三的下半部，則是植入深度極端不足（16 公釐）的示意圖。在這情況下，大約 200-360 Hz 這段頻率的聲音（Analysis bands最左邊的小方塊），會被傳送到負責大約 1000-1400 Hz 這段頻率帶的電極及聽神經（Carrier bands 最左邊的小方塊），因此聲音聽起來會變得很高、很尖很細，而有扭曲的現象。你可以在聲音模擬的網站試聽看看，植入深度愈淺（22 mm）時，聲音聽起來會愈尖。
透過訓練，讓大腦適應電子耳的聲音
除此之外，你可能也會發現，若先聽過原始的語音（original speech／original sentence）、再聽模擬的聲音，會發現聽起來變得容易理解得多，尤其是參數條件較好的模擬語音，也就是較多頻道、或植入深度較深的模擬語音。如果反覆再多聽幾次，甚至會發現，即使是頻道數較少、植入深度較淺的模擬語音，也不像第一次聽到時感覺那麼難以辨識了。這樣反覆練習聆聽的過程，可說是電子耳術後聽能復健的縮影。
聽損者在植入電子耳後，對於大腦來說，並無法馬上就能詮釋透過電刺激所傳送的訊號，而是要透過不斷地練習，包括正式的聽能復健、以及日常生活中持續累積聆聽經驗，才能將手術前透過聲波所理解的各種聲音，再重新與電刺激所呈現的聲音進行配對。
電子耳術後復健是關鍵
電子耳植入後是否能成功地透過聽理解日常對話，背後有許多的影響因素，其中關鍵的兩點，是植入前是否有聽能和語言的基礎，以及植入後的聽能復健與日常練習[註4]。若植入前有聽語基礎，像是學語後失聰的成人、或植入前有穩定佩戴助聽器的聆聽經驗等，因為已具備語言知識和語音聆聽經驗，大腦的聽覺區有持續地接收刺激，所以在植入後，可以在既有的聽語基礎上，去建構更好的聽能技巧。而植入後的聽能復健與日常練習更是至關重要，透過不斷地練習，並配合聽語專業人員的復健課程，讓大腦可塑性發揮作用，去辨識進而理解透過電子耳傳遞的語音。
2017 年電子耳納入健保給付後，許多醫生和家長都會積極地為聽損孩子植入電子耳。然而，這裡要提醒的是，雖然電子耳確實有許多成功的案例，但在決定手術之前，仍應審慎評估風險與成效，並了解術後復健所需投入的時間與心力，才能在植入後達到最好的聆聽成效。
註解
- 註 1：本文所說明的聲音處理方式是經典的策略，隨著各家廠商研發新技術，聲音訊號處理的方式會有所變化，但在概念上大致相似。
- 註 2：電子耳聲音模擬呈現的仍然是聲波，與電子耳透過電刺激所傳遞的方式有本質上的不同，所以並無法真實呈現電子耳使用者聆聽的感受。聲音模擬的真正用途是在學術研究與技術研發，讓學者和電子耳公司，能透過改變模擬的參數進行實驗，來找尋更好的電子耳聲音處理策略。
- 註 3：影響因素包括：先天內耳構造、電極間的電流交互作用、耳蝸死區、聽神經存活率、電子耳調頻圖的各項參數……
- 註 4：植入後的另一項關鍵因素是定期調頻（mapping；另一譯名為「調機」），即聽力師依個案需求，調整電子耳聲音處理策略的各項參數及電流量，一開始植入後需較密集地調頻，應配合聽力師建議定期進行，穩定後亦應每年調頻一次。受限於篇幅本文未深入說明。
參考資料：
- Blundon, E. G., Gallagher, R. E., & Ward, L. M. (2020). Electrophysiological evidence of preserved hearing at the end of life. Scientific reports, 10(1), 1-13.
- Eshraghi, A. A., Nazarian, R., Telischi, F. F., Rajguru, S. M., Truy, E., & Gupta, C. (2012). The cochlear implant: historical aspects and future prospects. The Anatomical Record: Advances in Integrative Anatomy and Evolutionary Biology, 295(11), 1967-1980.
- Graven, S. N., & Browne, J. V. (2008). Auditory development in the fetus and infant. Newborn and infant nursing reviews, 8(4), 187-193.
- Loizou, P. C. (n.d.). Cochlear implant audio demos. Retrieved from https://ecs.utdallas.edu/loizou/cimplants/cdemos.htm
- Loizou, P. C. (1999). Introduction to cochlear implants. IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, 18(1), 32-42.
- NIDCD (National Institute on Deafness and Other Communication Disorders) (2021). Cochlear Implants. NIH Publication No. 00-4798. Retrieved from https://www.nidcd.nih.gov/health/cochlear-implants
- Nogaki, G., Fu, Q. J., & Galvin III, J. J. (2007). The effect of training rate on recognition of spectrally shifted speech. Ear and hearing, 28(2), 132.
- Wilson, B. S., & Dorman, M. F. (2008). Cochlear implants: a remarkable past and a brilliant future. Hearing research, 242(1-2), 3-21.
狐禪
雅文兒童聽語文教基金會
fierycloud
