人工耳蜗丰富音感知处理策略与光诱发听觉若干问题研究

Among the existing electrical cochlear implant products, musical signal perception performance is still poor. The loss or mismatch of detailed frequency structure and signal timing is a limitation to metal electrode type CI. To explore the improvement of cochlear implants' performance, foreign scientists began trying to use laser pulse as s stimulus to evoke neural activity. Compared with the metal electrodes, optical fiber with thinner core is passive and the laser has good directivity. The fibers have intensive distribution without signal interference and limitation of stimulation patterns, whichhas more advantages and potentialin precise acoustic spectrum and temporal signal array transmissions. This project, in the first step, establishes artificial optical bionic ears research platform based on the theory of signal processing and photo-electric conversion technology. Research on the time sequence of voice array signal and optical signalconversion method will be implemented. With the help of chimeric acoustic experiment,the relationship between musical perception,acoustic spectrum composition and signal timing will be studied. New method of improving the signal coding strategy and light evoked auditory response will be put forward. In the research of light evoked auditory response,we take the animal auditory system as the observation object.With the neural electrophysiological measurement and microscopic imaging technology, the relationship betweenlight stimulus signal and auditory nervesignal will be discussed. The effective and safe parameters of laser, such as wavelength, energy, modulation mode, optical fiber's minimum interval will be measured to build a new type of cochlear implantsystem based on optical fiber array stimulation strategy .

研究证实,现有人工耳蜗（CI）对音乐等丰富音感知仍不佳，其中频谱成分及信号时序丢失或或错位是金属电极式CI不易跨越的障碍。近几年，国外首先发起激光诱发听觉研究，开辟了CI发展新方向。与金属电极相比，光纤激光无源，芯细，方向性好，可密集分布且信号互不干扰，刺激模式限制少，在精确传导丰富音频谱和时序信号阵列上更具优势和潜力。本项目首先基于信号处理理论和光电转换技术建立人工光学仿生耳研究平台，研究声音阵列信号时序和光信号转换方法，通过嵌合声实验，掌握音效感知与声谱成分及信号时序的对应关系，进而提出信号编码的改进处理策略和光诱发听觉新方案。 在光诱发听觉研究中，首先以动物听觉系统为观测对象，采用神经电生理测量和显微成像技术，搞清光刺激信号与听神经信号发放的关系，测定激光安全、有效诱发听觉的各项参数，如波长、功率、调制方式、光纤最小间隔等，以构建基于光纤阵列刺激策略的新型人工耳蜗系统。

人工耳蜗（CI）在音乐感知和抗噪声方面有待改进，而且现有人工耳蜗的微电极数量、制作工艺以及金属电极电流扩散效应是提升CI感知效果的技术瓶颈，而研究发现光可诱发神经传导活动。为提高CI的感音效果，本项目围绕声音编码和听神经信号转导做了下列工作：（1）研究音乐信号产生机理与特征信息表达，通过重构音乐信号及测听感知研究，得出结论：基波是音高和旋律感知最重要的成分，且良好的音乐感知需在不丢失基波前提下尽可能多保留谐波组合成分；研究发现耳蜗内部频率感知位置与音高的谐波表达位置存在某种对应关系，进而提出增强音乐旋律感知的CI高密度微电极布局思想，通过仿真实验初步证明，可以单耳单侧电极阵列（80+导）或利用双耳叠加效应的双侧电极阵列（40+导），以适当编码策略较完整传导音乐的旋律特征，并给出改进CI系统的构建方案；（2）研究高密度人工耳蜗微电极阵列加工工艺，试制了单层或多层柔性导电微结构电极，为今后产品升级打造替换部件；（3）研究人工听觉的降噪算法，提出低信噪比下可降低系统功耗的多窗谱减谱能熵比端点检测算法；并对现有微电极结构提出优化编码策略，将音高特征在蜗内传导电极的频率和时序上“变速率”编码表达，以增强音调感知；（4）研究搭建了光-声信号产生与测量系统以及光调控听觉实验研究系统，以动物离体听细胞和在体听觉系统为实验对象，以电生理测量数据证实了光诱发听神经响应，并探讨了光信号的波长、脉宽、脉冲强度以及重复率多种参数的调控特性，发现蓝光波段光对听神经细胞的特殊效应，初步证实听神经元细胞可能存在光敏感通道；同时，将波束准直技术用于光信号调控动物实验，带来了提高神经元激活效率、定位准确效果，可降低系统能耗。以上研究成果对现有人工耳蜗装置的升级换代改进有指导意义，也为继续研究光对器官或组织的调控作用提供了实验数据和研究装备。