当声音经过漫长的加工
以电流的形式来到我们的耳朵
并得以被大脑识别
这一刻，已等待了太久
人工耳蜗的前世今生
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以及制作自己的模板
人工耳蜗作为听觉方向备受关注的领域，始终蒙着一层神秘面纱。在这篇文章里，我们将以时间轴的方式，回溯人工耳蜗的前世今生。并能够从中了解历代科学家利用技术手段和大量研究，为失聪人士恢复听觉而做出的不懈努力。
PART.1 探索
微小的爆炸涟漪
18世纪末-19世纪初期，在电气革命时代，随着电学的迅速发展，众多物理学家开始探索使用电流刺激人类听觉的可能性。
1752年，Benjamin Wilson对一位有听力损失的女士做了如下实验：用电线捆绑通电的瓶子，将线的一端放在女士的太阳穴上，另一端则缓缓移动到头的另一边。实验进行中，突然有一阵微小爆炸发生在女士的头侧。她震惊不已，表示感受到一股暖流在两耳间穿梭。Wilson重复做了四次上述实验，每一次都使电流带来的冲击感更为强烈。
Alessandro Volta是意大利物理学家，这个名字你或许似曾相识。作为国标计量单位，ta经常在我们眼前出现。是的，电力的国际单位——伏特，就是以他的名字命名。
他将50v电池两端的导线分别插入自己的双耳，以此形成通过听觉系统的电流通路。Volta说，通路完成后，他的脑袋里产生了一股震荡。过了一会儿，他的耳畔哔啵作响，但是他分不清是耳鸣还是现实中的声音。
“这太危险了，我的大脑感受到了奇怪的冲击，我再也不会做这个实验了！”
Volta的经历显然充满了对各种未知的无所适从，涉及人体身体健康的实验总是需要慎之又慎。于是，在此后相当长的一段时间里，关于人耳听觉系统电刺激实验的报告再无迹可寻。
PART.2 起步
声音的短暂回归
Andrè Djourno and Charles Eyriès:法国团队，第一次发明了电刺激听神经的可植入式设备。
Djourno是一名电生理学家，他的研究主要集中于可植入式感应线圈的应用。即可以将刺激通过皮肤、电磁地传递到植入线圈，然后由线圈将电流传递到周围的神经与肌肉。
Eyriès则是一名耳鼻喉科医生。1957年，他需要为一名患有双侧胆脂瘤的听障人士进行面神经移植术。在寻找手术所需的组织时，他与当时在研究植入感应线圈以刺激耳蜗神经的Djourno分享了病人案例。考虑到与面神经修复同时进行的这种新型植入手术不会对病人有任何损失，Eyriès同意给病人植入Djourno的设备。
手术中，Eyriès将病人的大部分耳蜗神经切除，只在脑干附近留下一小截，把感应线圈的刺激导线置于剩余耳蜗神经的基底，同时把接地电极放置在颞肌中。手术后，Djourno通过电磁感应对病人的植入设备发送电刺激，发现患者能够敏锐地分辨出刺激强度的变化，但只能分辨出刺激频率的宽泛区别。因为能够再次听到声音，病人非常高兴。然而脱离视觉线索，他并不能理解开放集中呈现的语音。
可惜没过多久，植入设备突然失灵。Eyriès为他进行了第二次植入，但也很快失去了作用。为此，Eyriès与Djourno的合作关系走到了尽头。确切地说，他们的设备并不能叫做人工耳蜗。因为刺激导线并没有放在耳蜗中，并且手术过程中破坏了蜗神经，导致电刺激并没有传至完整且功能良好的耳蜗神经。
PART.3 先锋
开启新世界的钥匙
Djourno与Eyriès的实验虽然失败了，却激起William F.House，——也是未来的【人工耳蜗之父】，对于可植入式听觉科技的兴趣。他在回忆录中写道：如果有这样一种植入式设备，给那些没有任何残余听力的孩子们听到声音的机会，那么他们就能学会唇读，从而能正常上学并理解英语表达，学会阅读与写作。
1961年1月，他与神经外科医生John Doyle合作，给一位重度听损人士的耳蜗内植入一根单独的电线，电线从耳朵后面的皮肤中伸出。当该电线被电刺激激活时，植入者表示能听到模糊的声音。考虑到有感染风险，几周后，该电线被移除。为了避免偶然性，他们又找到另一位患者进行重复试验，给予刺激，得到了一致的结果。同样为避免感染，该患者在不久后也移除了电线。John的兄弟Jim Doyle是一位电子工程师，协助他们开发为耳蜗提供电刺激的电子仪器。
1961年2月，他们给之前实验中的第一位病人再次进行手术。这次的植入体有五条线即五个电极，每个电极被放置在耳蜗内的不同深度，感应线圈安装在耳廓后的颅骨中。通过对不同电极的刺激，病人能感知出不同的频率。尽管没有不良反应，该设备在3月份还是被移除了。
后来，House与Doyle兄弟因为在价值理念上的不合而分道扬镳。直到1967年，心脏起搏器蓬勃发展，以及NASA研发出防止体液损坏电子原件的密封技术，使House相信现有技术和材料能使人工耳蜗具备坚固的耐用性与安全性，他又重新开展研究工作。
1969年，他与电子工程师Jack Urban合作，开始给病人植入单通道人工耳蜗设备。1973年，他们开始向学界公开研究进展，遭到了来自各方的质疑。众多领域内的医学专家，听觉科学家纷纷怀疑，这种直接刺激听觉神经以获得语音感知的研究是不可靠的。即便如此，Dr. House仍力排众议，勇往直前。
在Urban的帮助下，1972年，第一台可穿戴的声音处理器诞生并投入使用。这样，病人们即使离开了诊所，也能听到外部的声音。他们与3M公司合作，商业化开发House/3M 人工耳蜗系统。
Dr. House 对设备的安全有效性有着极其严苛的追求。为此，他在成人与儿童的不同角度孜孜不倦的开展了各种研究。
1981年，他为三岁的儿童植入了他研发的单通道设备。这打破了植入年龄的下限，是当时最小的人工耳蜗植入者。
1982年，House/3M 单通道植入体成为第一台通过FDA临床试验批准的人工耳蜗设备。带着想让患有重度失聪的孩子们听到声音，学会说话的渴望，他领导了第一批FDA临床试验，率先在儿童群体开展人工耳蜗性能的研究。
1984年，House/3M 成为第一个获得FDA商业流通许可的电子耳蜗设备。
1985年，已有164名儿童植入了House/3M，平均年龄在8岁。虽然收效甚微，但至少证明该设备对于重度听损的儿童具有可观的稳定性与安全性。
1987年，有265位儿童植入了House/3M，许多研究员开始探索影响儿童植入成效的原因，比如植入年龄、家庭的参与度、沟通方式/干预类型、以及儿童特有的因素等。同年，FDA小组审查了Dr. House 开展的临床试验数据，并建议他的设备通过商业批准。但该设备最终被另一家公司收购，也从未获得FDA的商业批准，彼时已有超过1000人植入了House/3M。
Claude Chouard 以及其他法国研究员的贡献：
1972年，Chouard是法国的一名耳鼻喉科医生，师从Charles Eyriès。受前辈们的鼓舞，他与Patrick MacLeod合作，带领着多学科交叉团队一起投入多通道人工耳蜗植入体的研发工作。多年以来，成果颇丰。
1.他们建立了几乎整个人类耳蜗长度的频率图，这使得研究人员能够确定需要将电极点置于何处，以引起所需的频率/音高感知。
2.他们研究了各种材料的生物相容性，寻找适合制作植入体的材料。1970年代，Chouard发现聚四氟乙烯包覆铂铱电极接触器和硅橡胶绝缘材料可安全植入人的耳蜗，并具有长期耐用的物理特性。
3.在人工耳蜗信号编码策略上，他们是最早提出连续的数字、脉冲式电刺激也许比模拟刺激更好的人之一，因为前者能减少通道间的相互干扰。
4.1976年，他们给一位病人植入了他们的八电极植入体，记录了多通道植入体效果好于单通道植入体，并且提出需要根据每个电极接触点的电生理特征确定信号参数（刺激级别）。在1983年的两篇文献中，他们依次提出成功应对人工耳蜗植入的康复策略和对语前聋患者进行早期植入的重要性。
在Chouard的带领下，法国人工耳蜗研究团队开发了12通道的植入体—Chlorimac-12。该技术的产权几经转接，最终在2013年被Oticon公司获取，至今还未获得FDA的商业流通许可。
Blair Simmons与 斯坦福团队：使用“Cohlear Implant”表达形式的先驱
1962年，Dr. Simmons 把一根带电极的导线植入到病人的蜗神经尖端，当蜗神经收到电刺激时，局麻状态下的病人报告他能听到声音；
1964年，他将一个带有六个电极的装置植入了一个成人听障人士的耳蜗轴，并与同事们合作对该病人开展了大量的心理声学实验，发现可以通过刺激不同的电极来使病人感知不同的音调，这些电极被放置在耳蜗的不同深度。他们也发现，大约每秒30-300个电脉冲，音高会随刺激率的变化而变化。此外，植入者报告当宽频带的电刺激出现时会听到像说话一样的声音。
然而，植入者对开放集中的语音识别效果并不理想，这一现实使Simmons变得消沉，他在1960年代末期停止了研究。但因为他在60年代中期至后期这段时间发表了很多成果，他被认为是第一位使用“Cohlear Implant”这种表达形式的人。
UCSF团队的贡献
Robin Michelson是一名耳鼻喉科医生，1960年代末到1970年代初，为很多患者植入单通道人工耳蜗植入体。
Michael Merzenich对Simmoms的一些早期植入者做了大量的心理物理学实验，惊讶地发现他们能通过几百赫兹的电刺激率变化感知到频率/音高的改变。他觉得通过电刺激率的变化提供的低频线索，可以与通过刺激获得的高频位置线索配对，这些高频位置线索位于整个耳蜗的多个电极接触处。尽管Michelson的很多病人都没办法理解开放集语音，但粗糙的单通道设备能使基本的听觉能力重现，这一结果促使Michelson为了更好理解在人工耳蜗植入中实现语音识别的复杂性，他在猫的耳蜗中做了大量实验评估电刺激。他们的研究促使UCSF团队开始着手多通道人工耳蜗植入体的开发工作。
Robert Schindler也是耳鼻喉科医生，他带领UCSF小组努力开发一种具有生物相容性材料的人工耳蜗植入物，这种材料可以安全地植入人体，并且可以在对电子设备不利的环境（潮湿，可移动，易受植入物损伤）中长期工作。他们发现硅胶包裹的电极可以安全植入颞部，长期电荷平衡环境下，电刺激动物耳蜗神经不仅是安全的，还能促进耳蜗神经元的存活。
Merzenich与同事们和RTI的Blake Wilson、Charles Finley团队们合作，开发了具有八个独立通道的人工耳蜗植入体，同时采用了CIS编码策略，这些技术在植入者身上获得了良好的效果。
1986年，UCSF与Minimed公司达成协议，Minimed公司的创办人Alfred Mann后来成立Advanced Bionics公司，生产Clarion人工耳蜗系统。1996年-1997年，该系统分分别通过FDA批准允许用于美国成人和儿童的商业销售。
Gream Clark:现代多通道人工耳蜗之父
使用Cochlear耳蜗品牌的朋友们应该对这位学者有一些印象，毕竟Cochlear随时会找机会把他推出来宣传。Dr. Clark戏剧化的职业生涯充满了各种意想不到的波折与惊喜，关于他和Cochlear的故事，我们下一篇再娓娓道来。
奥地利Vienna团队：
受到来自法国和美国关于人工听觉电刺激研究报告的激励，大约1970年，Ervin Hochmair和Ingeborg Hochmair的研究团队开始把工作中心转向人工耳蜗的研发。他们获得许可，开始研发多通道人工耳蜗，在18个月内开发出一种八通道植入体系统。该系统使用聚四氟乙烯绝缘铂电极，并封装在硅胶载体中。1977年，第一位病人植入了他们的设备。最初，他们使用单通道模拟电刺激，但是大部分植入者难以理解语音。后来，他们与RTI的Blake Wilson合作，将CIS策略运用到他们的多通道植入体中。他们认为长电极阵列能通过进入耳蜗最顶端区域来优化语音识别性能和声音质量，低频声音在这里被自然编码。1990年，Hochmair团队成立了MED-EL，2001年，MED-EL COMBI 40+获得了FDA的批准，允许用于美国成人和儿童的商业销售。
Utah:
一、提出通过植入支架进行经皮信号传递。当时，大多数研究人员都选择开发利用电磁感应将信号通过皮肤传递给人工耳蜗的系统，此种通过电磁感应/射频传输的信息量有限。而经皮支架基本上是作为出口，外部处理器可以连接到它，将刺激直接传递到连接支架的电极上。在直接连接中，从外部处理器到植入电极接点的信息量基本没有限制。电极引线和触点可以连续监测故障，防止植入可能严重故障的电子器件。使用支架连接的系统有良好的灵活性，便于开展进一步试验。例如1989年Utah提出的经皮支架连接使wilson的研究可以通过支架给电极点发送复杂的编码信息，推动了CIS策略的发展，是所有现代信号编码策略的奠基。
二、1975年，Brackmann 给两位病人植入了 Ineraid设备。二人分别为双耳耳聋和单耳耳聋。植入目标群体包括语前聋与成年后耳聋的人，这种植入者的背景差异使研究员可以敏锐地洞察影响人工耳蜗手术结果的变量。
三、Eddington and Mladejovsky :初步了解与电刺激耳蜗神经有关的许多基本概念，包括刺激部位与音高感知的关系，刺激电流幅度、持续时间(脉宽)、频率与响度知觉的关系，双极与单极电极耦合的优缺点，电极阻抗随时间的变化特点等。通过引入非植入耳的对比，他们完成了研究，将植入耳的不同深度的电刺激所引起的音调与呈现在对侧耳朵的纯音所引起的音调相匹配。他们的测量结果证实，植入物的位置-音高关系与耳蜗的频率-距离图相对应。
四、 1978年，单通道与多通道的对比：
对于单通道设备，一些科学家坚持认为：可将类似于声输入信号的电流传递到单电极触点，以全面提供麦克风捕获的信号；
而实验表明，多通道植入体的效果毫无疑问好于单通道设备。
无法理解开放集语音，归因于没有可穿戴设备，只有去实验室做实验时才可以听到声音，所以当时的植入者没有足够的条件适应电刺激。
1977-1984年，Eddington发明了可穿戴设备，公司生产了第一台便携式声音处理器。该设备在1983年匹配给一位植入者，此时距离他完成植入体手术已经过去了六年，这期间他只有在去实验室做研究时才能听到声音。
1984年，FDA授权Symbion公司做临床试验，发现许多植入者能识别开放集语音，比如FDA临床试验的第一位植入者Scott Shepard 。在植入体激活后的几个月，他的CNC 单音节词识别达到了73%的正确率。
信号编码策略：使用信号编码策略，将输入信号编码策略划分为以500、1000、2000、4000hz为中心的四个分析频带，并将四个频带上音频信号的电模拟信号传送到耳蜗内间隔4毫米的四个电极点。由于种种原因迟迟不通过FDA的商业批准,Symbion对此感到厌倦，最终他们把技术卖给了Cochlear公司。
PART.4 里程碑
天籁之音的降临
1977年，Bilger的报告在人工耳蜗发展史上是一个分水岭。在报告中，他指出虽然使用单通道植入体的病人不能很好理解开放集语音，但能利用唇读理解语言并感知周围环境音，下一步应该是探索多通道植入体设备。
1980末期，Richard Tyler周游世界以评估使用了各种植入体的病人们的效果。虽然个体差异明显，她的实践结果表明在没有视觉线索的情况下，对某些植入者来说达到良好甚至优秀的开放集语音识别是可以实现的。
Dr. Skinner 对成人和儿童实施了一些实验，分析在安静与嘈杂环境下CI技术的优点和局限性，同时提出了SPEAK编码策略，并且探索了使用高分辨率CT扫描，评估人工耳蜗电极阵列的标度位置，是第一批展示电极阵列在鼓室位置的重要性的测试员之一，证明了电极导体靠近耳蜗神经元件的好处。
Blake Wilson 作为业内知名人物，目前主流植入体采用的编码策略均出自于Wilson和他的RTI团队同事。
1.1989 CIS编码策略:极大地提高了人工耳蜗用户对开放集语音的识别能力。
2.n-of-m:是ACE（Advanced Combination Encoder高级组合编码器）编码策略的基础，ACE是当今Cochlear Nucleus产品的主流编码策略。
3.提出电流导向的概念，以创造刺激的“视觉通道/部位”，这一概念在现代AB和MED-EL的产品研发中占有显著地位。
4.TFS:在低频通道上使用巡回刺激率，以努力提供精细的时间结构线索，这一概念是当代MED-EL普遍使用的编码策略。
5.提出对人工耳蜗手术后保留低频听力的病人进行电声刺激。
Fan-Gang Zeng：华人人工耳蜗科学家，参与Nurotron人工耳蜗产品研发。该品牌拥有26电极的植入体，秉持两个产品理念（高效益、低成本）：
1. 达到与FDA目前已批准用于商业性质的人工耳蜗产品获得相似听觉效果的目的。
2. 以低于现有人工耳蜗的成本，实现系统的研发。
Nurotron的出现，为广大发展中国家的听损病人们提供了一种经济实惠且效益可观的产品选择，为更多的人们争取了回归有声世界的机会。品牌诞生不过短短几载，已收获大量正面反响，一如中国政府以人为本的原则。相信在不远的将来，它会拥有更多活跃的支持者，惠及全世界饱受听觉损失之苦的人民。
纵观整个人工耳蜗发展历程，我们可以发现诸位科学家的工作不可避免地出现大量重复性内容，比如位置-音高理论的发现、电极的插入深度与布局阵列、单通道电极与多通道电极的对比、多因素分析植入成效、编码策略的研究等，但也取得了至关重要的卓越成就。直至今日，这些议题依然活跃于学术领域，亟待我们的继续深入研究。在日后的推文中，真诚邀请各位朋友与我们一起，共同探索并解决这些疑问。
翻译/撰稿：SchnappiLee
校对/排版：Whalecho
全文节选自
Wolfe J. Cochlear implants: audiologic management and considerations for implantable hearing devices[M]. Plural Publishing, 2018.
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