人工耳蜗植入者蜗尖神经组织的电生理特性及其在音高和言语感知

人工耳蜗植入者蜗尖神经组织的电生理特性及其在音高和言语感知 分类号:R764.43 密 级:公开人工耳蜗植入者蜗尖神经组织的电生理特性 及其在音高和言语感知方面的作用Electrophysiological characteristics of neural tissue in the apical regionof the cochlea and implications of deep electrode insertion on Musical pitch discrimination and Mandarin monosyllable perception with FS4 coding strategy for cochlear implant 作者姓名: 辜萍 学科专业: 耳鼻咽喉头颈外科学 导 师: 郗昕 答辩委员会主席: 论 文 答 辩 日 期:二零一三年五月十七日 学校地址: 北京市海淀区复兴路 28 号 邮政编码: 100853 本研究由以下项目联合资助1. 国家自然科学基金青年项目No.61003094)2. “十一五”国家科技支撑(No. 2008BAI50B08)3. 香港 General Research Fund 780109M 本课工作在中国人民解放军总医院耳鼻咽喉头颈外科 听觉植入中心及临床听力医学中心完成。特此鸣谢～ 解放军医学院 研究生学位原创性声明 秉承我院“敬业、勤奋、求实、创新”的学风，本人声明:所呈交的论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得我院或其他教育机构的学位及证书而使用过的材料，对本文的研究作出贡献的个人或集体，均已在文中做了明确的说明并表示谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名: 日期: 指导教师签名: 日期: 解放军医学院 研究生学位论文版权使用授权书 本人保证毕业离院后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为解放军医学院或解放军总医院。学院有权保留并向国家有关部门或机构送交论文原件、复印件和电子版本，可以采用影印、缩印、扫描或其它手段保存论文以供被查阅和借阅。学院可以公布学位论文的全部或部分内容(保密内容除外)。 论文作者签名: 日期: 指导教师签名: 日期: 解放军医学院硕士学位论文 目 录英文缩略词表 ……………………………………………………………… 1中文摘要 …………………………………………………………………… 2英文摘要 …………………………………………………………………… 4前 言 …………………………………………………………………… 7第一部分 人工耳蜗植入者蜗尖神经组织的 电生理特性研 究 ……………………………………………… 10 引 言 …………………………………………………… 10 材料与方 法 …………………………………………………… 10 结 果 …………………………………………………… 16 讨 论 …………………………………………………… 19 小 结 …………………………………………………… 23 参考文 献 ……………………………………………………… 24第二部分 人工耳蜗植入者蜗尖神经组织在音高和言语感知 方面的作 用……………………………………………………… 27 引 言 …………………………………………………… 27 材料与方 法 …………………………………………………… 28 结 果 …………………………………………………… 34 讨 论 …………………………………………………… 37 小 结 …………………………………………………… 41 参考文 献 ……………………………………………………… 42总 结……………………………………………………………………… 45文献综述……………………………………………………………………… 46攻读学位期间发表文章情况………………………………………………… 55致 谢……………………………………………………………………… 56 解放军医学院硕士学位论文 英文缩略词表缩写 英文全称 中文名称ACE Advanced Combination Encoder 高级混合编码ART Auditory Nerve Response Telemetry 听神经反应遥测 CI Cochlear Implant 人工耳蜗植入 CIS Continuous Interleaved Sampling 连续间隔采样CSSS Channel Specific Sampling Sequences 通道特异采样序列 CU Current Unit 电流单位 FSP Fine Structure Processing 精细结构处理 FS4 Fine Structure 4 精细结构 4HDCIS High Definition Continuous Interleaved Sampling 高清晰度连续间隔采样JND Just Noticeable Difference 音高辨差阈MCL Maximum Comfortable Level 最大舒适值 ms millisecond 毫秒PDD Pitch-Direction Discrimination 音高方向辨别SGC Spiral Ganglion Cell 螺旋神经节细胞 TFS Temporal Fine Structure 时域精细结构THR Threshold 阈值 μs microsecond 微秒 1 解放军医学院硕士学位论文 人工耳蜗使用者蜗尖神经组织的电生理特性及其 在音高和言语感知方面的作用 中文摘要 多导人工耳蜗通过模拟正常耳蜗的部位编码机制来分配各电极的输出频率:由蜗底至蜗尖，不同部位的电极输出不同频段的信息;由高频到低频，依次刺激对相应频率敏感的基底膜附近的残余听觉神经组织。由于受到“耳蜗顶回蜗轴中不含螺旋神经节”这一组织学结论的影响，关于电极长度的设计尚存争议。人工耳蜗使用者靠近蜗尖的神经组织在部位编码中可能发挥的作用有待深入研究。 除了部位编码机制，对于5000Hz以下的声刺激，听神经发放动作电位的频率与声波的相位具有“锁相”关系，中枢听觉系统通过分析听神经放电的时间间隔能解码出声刺激的频率，这被称为正常耳蜗的时间编码机制。普遍的观点认为耳蜗对高频声信息的编码主要遵循部位编码机制，对低频声的编码主要遵循时间编码机制。靠近蜗尖部位的神经组织承载低频信息，负责基频及其谐波和元音的第一共振峰等重要声信息的传递，对于汉语声调识别和音乐感知至关重要。 目前大多数人工耳蜗使用者已经可以实现安静环境下的基本言语交流，但在声调识别和音乐感知等方面的能力欠佳。这可能与电极输出频率与耳蜗各部位神经组织的特征频率失匹配以及声音编码策略所提供的输出信息仿真程度有限等因素有关。因而，确定最优的电极植入深度，提高电极输出与神经接收之间的匹配程度，改进声音编码策略，有效利用耳蜗内残余的听觉神经组织是提高人工耳蜗植入者使用效果的重要途径。本研究以31.5mm的长电极序列和提供时域精细结构信息的编码策略为工具，探索人工耳蜗使用者靠近蜗尖部位神经组织的电生理特性及其在音乐音高和言语感知方面的作用，为优化电极设计和改进声音编码策略提供理论依据。 第一部分 人工耳蜗使用者蜗尖神经组织的电生理特性研究 人工耳蜗使用者耳蜗内不同部位残余神经组织的分布及电反应特征可能成为未来改进声音编码策略和优化电极设计的重要依据。本研究通过MED-EL多导人工耳蜗系统31.5mm的长电极序列50例受试者靠近蜗尖和蜗底部位神经组织的电 2 解放军医学院硕士学位论文诱发复合动作电位(Electrically-evoked Compound Action Potential ECAP)，观察蜗尖神经组织的电反应特性，对比蜗尖和蜗底残余神经组织的ECAP阈值和幅值增长曲线斜率的异同。研究结果显示蜗尖部位神经 组织ECAP幅值增长函数曲线斜率较蜗底部位大，二者差异有统计学意义 。 (Plt0.05) 蜗尖与蜗底神经组织ECAP阈值相近，二者差异无统计学意义(Pgt0.05)。 研究结果表明蜗尖神经组织不仅可以被电刺激兴奋产生动作电位，而且具有良好的 电反应同步性。充分利用蜗尖神经组织的功能可能会为人工耳蜗使用者的声音感知 带来积极的影响。第二部分 人工耳蜗使用者蜗尖神经组织在音高和言语感知方面的 作用 利用31.5mm的长电极序列和FS4编码策略，可将增加了时域精细结构的低频段 信息传递给蜗尖神经组织。本研究首先对比16例语后聋人工耳蜗植入者使用精细结 构编码策略(FS4)和高清晰度连续间隔采样编码策略(HDCIS)时的音乐音高和 汉语声调、声母和韵母感知情况，观察在蜗尖电极通道中增加时域精细结构信息对 受试者音高和言语感知的影响。结果显示受试者使用FS4时的音高感知能力较强， 两种编码策略下的音高感知测试得分的差异有统计学意义(Plt0.05);声调、声母 和韵母识别的差异无统计学意义(Pgt0.05)。其次，通过开/闭蜗尖4个电极通道， 模拟两种不同植入深度的电极刺激模式，观察受试者的音乐音高和言语感知表现。 研究结果显示受试者在蜗尖电极通道开放的情况下声母和韵母识别得分较高，两种 模式下的声母和韵母识别得分的差异有统计学意义(Plt0.05)，声调和音高感知的 差异无统计学意义(Pgt0.05)。本研究结果表明结合耳蜗时间和部位编码机制，充 分利用靠近蜗尖部位神经组织的功能是改善人工耳蜗使用者音乐音高和言语感知效 果的有效途径。 【关键词】 人工耳蜗;复合动作电位;编码策略;植入深度;言 语感知;音高感知. 3 解放军医学院硕士学位论文 Electrophysiological characteristics of neural tissue in the apical region of the cochlea and implications of deep electrode insertion on Musical pitch discrimination and Mandarin monosyllable perception with FS4 coding strategy for cochlear implant Abstract Multichannel cochlear implants mimic the frequency-to-place mapping performedby the normal cochlear by passing sounds through a bank of bandpass filters anddirecting the outputs of these filters to the several electrodes implanted inside thecochlear. Low frequencies are transmitted to the apical electrodes and high frequenciesto the basal electrodes. Because the spiral ganglion does not extend into the apicalregion of the cochlea there are theoretical arguments for and against the use ofelectrode arrays extending into the apical region of the cochlea. It has been demonstrated that neurons innervations different regions of the cochlearespond optimally to frequencies of stimulation according to frequency-to-placetransformation performed by the basilar membrane. In normal hearing tonotopicalprinciple of the cochlea is one of the two fundamental mechanisms for frequency codingin the cochlea place coding another is called time coding principle. The neuralresponse to low frequencies reflects both the envelope and the fine structure informationof the signal whereas in the neural response to higher frequencies beyond around 5 kHzthe envelope is mainly represented. Until now cochlear implants mainly used placecoding only. The new Fine Structure Coding strategy goes beyond this by providing thetemporal fine structure information in the low to mid frequencies. The low frequencysignals can be conveyed to cochlear implant listeners along two perceptuallyindependent dimensions corresponding to the locus of excitation along the cochleareferred to as “ place pitch ” and to the repetition rate of the electrical wave form“ temporal pitch”. Apical region of the cochlea is associated with low frequencyperception and the fundamental frequency and formant patterns play a significant rolein lexical tone discrimination and music perception. Currently most cochlear implant users demonstrated excellent speech perception in 4 解 放军医学院硕士学位论文quiet however have difficulty recognizing lexical tones and are unable to appreciatemusic. The possible explanation is that the auditory signal presented via the cochlearimplant is highly degraded and impoverished. Some degree of spectral mismatchbecause of the limited electrode insertion depth and the spacing of electrodes along thearray also contribute to the situation. The two goals of the present study are to assess theelectrophysiological characteristics of neural tissues in the apical region of the cochleaand to explore the apical neural tissues’ implication on musical pitch discrimination andMandarin monosyllable perception for the cochlear implant users with MED-EL longelectrode array and FS4 coding strategy. Part one: Electrophysiological characteristics of neural tissue in the apical region of the cochlea. Differences in spatial distribution and electrophysiological characteristics of neuraltissue across the cochlea within subjects may have implications for newspeech-processing strategies and future electrode array design. Recordings ofElectrically-evoked Compound Action Potential ECAP were conducted in 50 subjectsusing the MED-EL MAESTRO system software. Analyze the electrophysiologicalcharacteristics of neural tissue in the apical region of the cochlea. To determine if theECAP threshold and slope of the amplitude growth function differs depending on theregion of stimulation. Results showed significant differences in the ECAP recordingsbetween the apical and the basal region. The presence of a clear ECAP recording in theapical region 91.86 was greater than in the basal region 79.65. Lower thresholdsand steeper amplitude growth function slopes have been observed in the apical region.The difference of amplitude growth function slopes between the two regions wasstatistically significant Plt0.05.Results from this study suggest that there is a moreefficient electrode -neuron interface at the apex than at the base of the cochlea. 5 解 放军医学院硕士学位论文 Part two: Implications of deep electrode insertion on Musical pitch discrimination and Mandarin monosyllable perception with FS4 coding strategy Neural tissue in the apical region of the cochlea normally code the lower frequencycan be activated by the deeply inserted electrodes. The FS4 coding strategy encodestemporal fine structure TFS on the 4 most apical channels which is lack in highdefinition continuous interleaved sampling HDICS coding strategy. Acutecomparisons between FS4 and HDCIS in 16 Mandarin-speaking cochlear implant CIusers showed significant differences in musical pitch perception Plt0.05 Differencesof Mandarin monosyllable perception score between the two strategies were notsignificant statistically Pgt0.05.To evaluate the effects of electrode location anexperimental condition with the 4 apical channels switch off was designed. Nosignificant difference was observed for the lexical tone identification and musical pitchperception when the 4 apical channels were switched off(Pgt0.05)but the consonantsand vowels perception scores decreased significantlyPlt0.05.Findings in this studysuggest that stimulating more apically and conveying temporal fine structure cues canimprove patients’ performance on musical pitch and speech perception tasks. 【Key words】 Cochlear implant;Compound action potential;coding strategy;insertion depth;speech perception;music perception. 6 解 放军医学院硕士学位论文 前言 人工耳蜗装置通过将声信息解码转化为电信号，直 接刺激耳蜗内残余的听觉神经组织，可以帮助重度至极重度感音神经性聋患者获得 听觉1。目前，全世界接受人工耳蜗植入的患者数量已超过 22 万2。随着相关技术 的不断改进，大多数的使用者可以实现安静环境中的基本语言交流。然而，由于人 工耳蜗装置进行声电信息编码过程中部分信号的丢失或错配以及病变的听觉系统接 收和处理能力有限等因素，植入者对声音的整体感知效果和正常人尚有较大差距，主要表现在音乐欣赏，声调识别，噪声下言语感知等方面1。 信号处理策略是人工耳蜗装置的技术核心，它根据声音的时域属性和频谱特性来提取声信号中的信息，结合耳蜗频率编码的时间机理和部位机理，通过相应的电极序列向耳蜗内的残余神经组织传递电听觉信号。早期的处理策略主要提取语音基频和共振峰信息。80 年代末开始对信号的时域包络进行编码，而频带信息只由数量有限的电极位置来表达。近十几年来人工耳蜗编码策略大多基于连续间隔采样(Continuous Interleaved Sampling，CIS)编码策略针对信号包络进行编码34 。然而，声音时域信号由变化较慢的包络和变化较快的精细结构组成。包络反映信号的轮廓特征，精细结构反映包络范围内局部特征性的频率变化特点。2011 年MED-EL 人工耳蜗公司推出 FS4(fine structure 4)编码策略，该策略在高清晰度连续间隔采样(high definition continuous interleaved sampling，HDCIS)编码策略的基础上，通过长 31.5mm 的电极为蜗尖 4 个电极通道(70-1000Hz)提供时域精细结构信息(temporal fine structure，TFS)。有研究发现言语包络在非声调语言识别中起主导作用，而精细结构则对于旋律识别和低频声感知的影响较大，在音乐感知和汉语普通话声调识别中起着重要作用5-8。 人工耳蜗编码后的信息传递遵循正常耳蜗音位配布(tonotopic)原理，通过靠近蜗尖的电极输送低频信息，靠近蜗底的电极输送高频信息。.