双模式助听条件下人工耳蜗植入儿童言语感知效果评估

1 背景

人工耳蜗（CI）用于帮助重度至极重度听障患者听力重建与语音感知。通过早期接受人工耳蜗植入，语前聋患儿的言语表现有机会发展至正常水平，并能够与其他人自由交流。我国听障患者中，大多数选择单侧植入。尽管单侧植入对听力感知有所改善，但受单侧听力影响，患者在噪音背景下语音感知能力较差，并且缺乏良好的音调感知能力。目前，大多数人工耳蜗设计的语音处理策略没有包含所有的时间精细结构信息，主要传输与时间包络相关的语音线索，不能完整有效地传递基频F0信息。在正常耳蜗中，音调高低是由激发位置、神经放电的时间精细结构编码。但在人工耳蜗中，有限的电极阵列插入深度和人工耳蜗内电流的广泛分布仅提供了粗略的音高信息，固定频率的脉冲刺激也不提供任何时间精细结构信息，只有较弱的时间包络提示音调。因此，人工耳蜗患者通常缺乏良好的音调感知能力。

随着听力损失人群对人工耳蜗植入术的接受程度越来越高，接受人工耳蜗植入的人数越来越多。为保证双耳聆听的效果，国外大部分听力损失严重且残余听力较少的患者会选择双耳植入人工耳蜗。在我国，大多数听力损失严重患者往往仅在严重听损侧植入人工耳蜗。对于尚存残余听力的人工耳蜗用户群体，常采用听力较好耳配戴助听器，听力较差耳植入人工耳蜗的双

模式助听方式。对于儿童来说，其发展言语需提供不同于成人的聆听需求，且为避免对侧发生迟发性听觉剥夺，CI儿童中采用双模式助听方式越来越多。双模式使用者受益于可听范围的增加，提高了许多不同语音特征的可听性，这种优势可能是由于助听器提供了更多的低频信息。目前，研究多采用语音感知分数等主观测试证明双耳双模式可以使植入人工耳蜗的听障儿童受益于双耳助听，同时也有采用P300研究双模式助听对事件相关电位的影响，但仅从时间尺度简要分析了反应时间[6]。此外，皮层听觉诱发电位（cortical auditory evoked potential,CAEP）和失匹配负波（mismatch negativity,MMN）等方法经研究证明能够提供可靠的客观评估结果，经时间及空间双向尺度的分析，在电生理层面或可阐述双模助听提供这种优势的过程。本文在时间尺度分析了CAEP和MMN的响应，在空间尺度探究了不同助听方式下的听觉皮层可塑性，以期达到从客观角度阐明双模助听优势的目的。

2 材料与方法

2.1 研究对象

本文招募了在北京儿童医院就诊的CI儿童9例，助听方式均为双模式助听，即单侧植入人工耳蜗，对侧配戴助听器。所有患儿除听力损失外，均未有其他任何影响认知的障碍。每名儿童需做两组实验，第一组实验期间仅配戴人工耳蜗，称为单侧CI组；第二组实验需配戴人工耳蜗和助听器两种辅听装置，称为双模式组。其中，人工耳蜗植入后开机年龄10～47月，CI使用时间5～31月，左侧植入5例，右侧植入4例。右耳听性脑干反应阈值在80～105 dB，左耳听性脑干反应阈值在70～105 dB。右耳听觉稳态响应在0.25、0.5、1、2、4 kHz均数为81.25～101.25 dB，左耳为58.75～100 dB。右耳裸耳主观听阈83～110 dB，左耳67.5～109.2 dB。其中，仅3例CI儿童具有术前助听器配戴史，配戴时长为1～3月。具有术前助听器配戴史的被试，因助听器听力补偿效果差选择植入人工耳蜗。对于参与该研究的所有儿童，父母已阅读知情同意书并同意孩子参与本研究，受试儿童期间均配合实验。本研究所涉及各项研究内容和实验均已经通过北京儿童医院伦理委员会审批。

2.2 方法

本实验设计了听觉诱发实验记录儿童的脑电信号，通过处理和分析脑电信号得到皮层听觉诱发电位（CAEP）和失匹配负波（MMN）的波形特征，而后基于标准化低分辨率脑电磁断层扫描进行溯源分析得到听觉诱发实验下各脑区的响应。

CAEP是在听觉刺激下大脑对其在感觉、认知、记忆过程中所产生的电位，是接受听觉刺激后反映在头皮上可以记录的具有同步且锁时特征的神经活动总和。MMN是一种负性的事件相关电位，它是针对频繁的标准刺激中嵌入了不常见的偏差刺激而诱发的，由偏差刺激和标准刺激所诱发的波形相减得到的。同CAEP一样，它不需要受试者有意识地注意听觉刺激。实验整体采用oddball范式，且在一种刺激序列中只考察一种偏差刺

激。每组实验中包含1000个刺激，每500个刺激中间休息一次，其中标准刺激为大概率事件，占刺激序列的85%，偏差刺激为小概率事件，占刺激序列的15%，两种刺激随机出现，声音刺激是由专业男播音员在电磁屏蔽室内录制的音频文件，其中，标准刺激是/bā/，偏差刺激是/bà/，刺激间隔为600～800 ms随机，经声场校准，CI儿童输入70 dB SPL的声音刺激，以确保所有儿童均有听觉输入，每组时长约为17分钟。声音的刺激序列使用E-prime心理学软件（2.0专业版）呈现，并通过距离受试者正前方1 m的扬声器播放。

实验期间，受试儿童需保持清醒并坐在电磁屏蔽室内的椅子上，其父母可陪伴在侧。受试儿童无需关注听觉刺激，观看无声卡通片，以忽略听觉刺激。如果受试儿童不能安静的观看无声动画片，主试人员在孩子面前默默玩玩具以吸引其注意力。主试人员可通过电磁屏蔽室窗口观察记录被试状态。

2.3 数据处理

使用GSN（geodesic sensor net)128通道的盐水电极帽采集脑电信号。实验期间保证电极阻抗低于50 kΩ，使用Net Station软件记录脑电数据期间，物理参考电极为Cz，接地电极位于Cpz和Pz之间的COM点，采样率设置为1000 Hz。

原始脑电数据使用Matlab（2016b）和EEGLAB工具箱进行预处理。首先，导入原始数据并对头皮电极位置定位，使用0.1～30 Hz的巴特沃茨三阶滤波器对数据进行数字滤波，从而减少低频漂移和高频噪声。重参考为全头平均，当有足够电极可覆盖整个头部时，其被认为是最好的重参考的方法之一。受人工耳蜗的体外装置影响的1～2个电极通过插值替代，而后使用独立成分分析和主成分分析降维到64个成分，去除眼球运动伪迹和CI伪影，随后人工检查数据以确保剔除由儿童意外运动引起的大运动伪影数据段。同时，根据标签将连续脑电记录分段，设置感兴趣的时间段为600 ms，包括标签前100 ms和标签后500 ms的数据，并做基线校正。最后平均所有时间段的数据得到皮层听觉诱发电位，并将偏差刺激和标准刺激所分别诱发的平均波形做减法得到失匹配负波。

3 实验结果

3.1 事件相关电位结果分析

9名儿童的两组数据叠加平均后得到CAEP，偏差刺激减标准刺激得到MMN，两组实验分别包含单侧CI组和双模组。其中，单侧CI组和双模组的CAEP如图1所示，两组波形形态相似，使用单因素方差分析显示两组不具有统计学差异（P>0.05）。单侧CI组中标准刺激的P1波潜伏期为157.40±14.21 ms，幅值为2.04±0.52 μV，偏差刺激的P1波潜伏期为152.00±13.22 ms，幅值为2.06±0.60 μV；双模组中标准刺激的P1波潜伏期为149.00±13.07 ms，幅值为3.10±1.71 μV，偏差刺激的P1波潜伏期为155.00±12.85 ms，幅值为2.78±1.59 μV。由此可见，两组中CAEP中P1波的潜伏期一致，但双模组的幅值比单侧CI组增大，表明双模式助听方式一定程度上提高了音调声音的感知能力。而单侧CI组和双模组的MMN波形如图2所示，其中，单侧CI组MMN的潜伏期为328.00±12.08 ms，幅值为-1.30±0.71 μV，双模组MMN的潜伏期为278.20±21.28 ms，幅值为-1.97±0.96 μV，使用单因素方差分析发现两组的潜伏期具有极显著差异（P<0.01),但幅值未发现统计学差异（P>0.05）。因此，与单侧CI组相比，双模组的MMN潜伏期明显缩短，且幅值增大，一定程度上从电生理层面证明了双模助听的方式提高了不同音调的辨别能力。

3.2 基于标准化低分辨率脑电磁断层扫描的源分析

应用标准化低分辨率脑电磁断层扫描（sLORETA）计算皮层电活动分布，其6239个体素在5毫米的空间分辨率下被压缩。在基于s-LORETA对CI儿童脑电进行源成像中，源分析的电极放置在扩展的10-10国际标准导联系统中，去掉不能有效采集脑电信号的电极后，共119个电极。为观察双模式助听和单侧人工耳蜗植入（左侧或右侧植入）两种助听模式的听觉皮层激活模式，9名儿童分别进行了两组实验，包含单侧CI组和双模助听组，声音刺激材料为声调。图3（a）展示了单侧CI作为助听工具的源成像，图3（b）展示了一侧植入CI、对侧配戴助听器作为助听工具的源成像。单侧植入人工耳蜗时，大脑皮层的最大激活区域是右侧颞叶，即初级听觉皮层，如图3（a）所示。但双模式条件下，大脑皮层的最大激活区域为偏左侧的前额叶，即高级听觉皮层，且激活强度大于单侧人工耳蜗组，如图3（b）所示。当配戴助听器后，最大激活区域的听觉皮层主要产生了两个变化，一是最大激活区由右侧转为左侧，二是激活强度增大，但用单边t检验比较两种助听条件下皮质活动的体素时，不存在统计学差异（P<0.05）。

4 讨论

近年来，为达到双耳聆听的效果，可通过双侧植入人工耳蜗或单侧植入人工耳蜗对侧配戴助听器的方式补偿双耳效应。我国大部分患者选择单侧植入人工耳蜗对侧配戴助听器这种方式。双模助听方式不仅为双耳聆听提供了极大助力，也在音调识别等多方面表现出明显优势。双耳听阈比单耳听阈低，因为相对单耳信号输入，听觉中枢在处理双耳输入的声音信号时会选择信噪比相对更好的信号进行分析。

通过对脑电信号在时间和空间尺度的分析，双模组结果均优于单侧CI组。其中，双模组CAEP中P1波的幅值增大，证明双模助听方式使其具有更好的音调感知能力。在绝大多数双模式助听患者中，双模助听对比仅人工耳蜗植入显示了更好的语音感知能力，这与既往研究结果一致。MMN的存在表明听觉系统对不同声音的自动辨别能力，而双模组的MMN潜伏期明显缩短，且幅值增大，证明双模式助听方式更加有利于不同音调听辨能力的康复，即促进了高级听觉功能。既往研究显示，安静听力条件下的主观测试，双模式条件言语识别也有改善。源成像的结果中，通过分析CI儿童听觉皮层的激活状态，发现双模组的最大激活区域由单侧CI组的右半球移至左半球。在适当的纯音刺激下，MEG研究表明健听者和听损患者均可诱发听觉皮层的激活，但健听者的右半球激活更强。在语言加工中，fMRI和PET的研究发现人类语言处理的半球化特征，且语音处理主要发生在左半球，此外，探究个体脑电不同频带的研究也显示，左半球高度参与了语言处理，且在持续时间分辨任务上有更好的表现。因此，CI儿童在配戴助听器后在最大激活区域表现出的从右到左的跨半球转移现象，可能由于配戴助听器一定程度上增加了低频信息的输入，使左半球更大程度参与语言处理，因而在本研究的声调分辨任务上同既往健听者的结果具有一致性，从而认为配戴助听器可使患者具有更好的语言韵律感知能力。另外，左半球一直普遍被认为是处理语言信息的优势半球，该结果表明双模式相对于单侧植入人工耳蜗更加有益于声音辨别能力和言语韵律的发展，对尚存残余听力的人工耳蜗植入儿童，对侧耳配戴助听器更有助于其听觉言语康复。源成像结果直观证明了双模助听方式更有利于言语韵律的感知与学习。

综上，双模式助听相比于单侧植入人工耳蜗助听具有显著益处，助听器提供的声音输入有效地促进了语言韵律的感知，更容易促进高级听觉皮层的发育，从而使声调语言的学习更具优势。

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