人工喉

人類發音有四個步驟：產音，振動，共鳴和改擴發音。產音是由於肺呼氣氣流移動而產生，振動是喉聲帶振動而產生基本音，共鳴是喉以上的咽、口腔、鼻腔擴大聲音，改擴發音是舌、齒、唇和齶改造擴大的基本音，而成為可辨識的聲音。喉是發音的主要器官，由於腫瘤侵襲，需要採取切除喉頭手術，患者就成為無喉失音殘廢者。許多喉損患者不願接受這種手術，以致被癌奪去生命。因此，喉切除後發音重建就成為喉癌術後病人非常關心，而迫切要求解決的問題。

正常人的肺和支氣管匯於氣管，經喉開口於咽腔前部、咽腔上與口腔、鼻腔、下與食道連接。喉切除後，氣管與食管不再匯合於咽腔，二者成為完全分開的系統。氣管在喉以下二、三環處切斷，斷端縫合於頸前皮膚，形成永久性氣管瘻口，為肺呼吸通道，喉氣管環與會厭和舌骨一起切除，咽瘻修補向前縫合咽壁，上到舌根，下與食管連接，因之食管也成為新的發音通道的一部分。喉切除後，鼻不再是呼吸通道、共鳴的器官；嗅覺、味覺都發生了變化，口、舌功能也起了變化。根據喉切除後解剖生理的特點，喉科專家和發聲人員研製出各種類型的發聲重建方法。

喉切除後語言重建的方法有外科手術重建、人工器械和食管發聲三大類。

（1）發聲外科重建。外科手術恢復語言的方法和喉全切除術在歷史上同時發生，至少有100多年曆史了。手術的種類很多，日前用於臨牀上的要有：氣管食管造瘻、安放發音管及發音鈕等。它們的共同特點是，在氣管和食管之間通過手術建立一個通道，用手堵住頸部氣管造瘻口後．使得從肺中呼出的空氣通過新建的氣管——食管造瘻口進人食管，逆流入口腔，由構語及共鳴器官協調作用形成言語。術後説話一般不需特殊訓練，聲音比較清晰，音質音量達到近似正常發音的程度。但對於手術不成功的患者會遇到一些麻煩。

（2）人工器械

通常又稱做人工喉，患者説話時將人工喉導管的一端置於頸部氣管造瘻口處，另—端置於口腔前端，利用肺中的呼出氣流，進入機械喉的振動室引起橡膠膜振動，發出基本音，再通過構語器官形成言語。人工喉（Artificial Larynx）又稱助講器，即人工製造的一種起到聲源和振動作用，以發出近似人類聲音的裝置。當喉被切除喪失發聲能力時，可以用它作為輔助發聲説話的工具。目前的人工喉基本可以分為三種：機械式人工喉；電子人工喉；植入式人工喉。

（3）食管發聲

在正常的情況下，咽部及食管為一緊閉的管道，在吸氣時咽部被迫擴張，位於第四到第六頸椎的下嚥部與食管連接處張開，吸入的空氣由此處進人食管上段，並於該處成一儲氣囊；發聲時，空氣從儲氣囊排出經過咽部與食管連接處，引起該部肌肉收縮振動致膜發出聲音，此聲音為食管聲。然後配合構語和共鳴器官的協調作用，就形成了食管言語。又因咽部與食管連接處為主要的振動發聲部位，因此稱為“新聲門”(如圖2所示)。

圖2. 食管聲振動發聲位置示意圖

2023年3月，清華大學集成電路學院任天令教授及合作團隊在智能語音交互方面取得重要進展，其研發的可穿戴人工喉可以感知喉部發聲相關信號，並通過人工智能模型將其識別和合成為語音，還原準確率超過90%。 ^[1] 

人類發聲是由喉頭聲帶發聲基音，語言形成則由口腔等構字器官完成，如果喉癌切除了喉頭聲帶，就失去了發出基音的能力，但語言形成的其他器官仍完整無缺。人工喉又稱“助講器”，即按照仿生學原理，仿照人類聲帶發出的“基音”，然後由頸上部最佳傳音點導入咽腔，再由口腔形成語言，就能發出各種不同種語言聲音，進行語言交流（如圖3所示）。

圖3. 人工喉的基本原理

機械式人工喉，又稱氣動人工喉，早在1858年就有人提出人工喉的概念和設計，並稱之為説話機。1873年奧地利醫師比爾羅特在為一喉癌患者行全喉切除以後，設計了一個管狀金屬製發聲裝置為機械人工喉雛形。經過 100 多年的改進，人工喉有了發展。比較接近人聲的機械人工喉，是我國山東醫學院教授楊仁中於1957年發明的。此機械人工喉，發聲器的一端聯接頸部氣管切口，內部裝有一段薄薄的硅橡膠薄膜；另一端可含在口腔內達舌根處。説話時硅橡膠薄膜接受呼出氣流的振動後，將聲波送入咽部的導管，藉助舌、齒、唇等構語器官的活動配合發出語言聲音。但此裝置附在頸前影響美觀，雖然語音單調不悦耳，但還比較接近於人講話聲音，甚至用此人工喉講話可以反應出講話人的方言特色。在北方冬季，説話會使導管內凝結口水，容易被吸入肺中，往往不被患者接受。

圖4 氣動式人工喉

電子人工喉，簡稱電子喉，在人工喉中體積最小、性能最好。電子人工喉在20世紀70年代誕生，發生大概經歷了3個階段。最初為簡單的發生放大器（盒式），小盒式聲音產生器發出聲音，由一塑料導管將聲音由口腔導入，變成語言；由於使用不方便，發聲不清晰，後來改用一微型馬達撞擊發生膜，產生聲音，因聲音相當大，語言不清，逐漸不被醫生和患者接受；最後發展成利用半導體材料產生振動脈衝波，經過功率放大，撞擊發生膜，從而產生聲音。

第三代電子人工喉包括振盪器、功率放大器、換能器和電源四部分。振盪器產生一定頻率的脈衝波，頻率可以根據患者的習慣和愛好進行調節。功率放大器將脈衝波放大達到一定的功率強度，換能器則使電能轉換成聲音。聲音通過口腔、鼻孔擴大，通過舌、唇和齶改造這聲音，使之成為可辨識的聲音。電子人工喉可以安裝在口外或口內。口外電子人工喉安裝到與頸平齊，換能器按壓於頸部最佳傳音點位置，換能器周圍應被皮膚封閉，不能讓聲音從頸外傳出。電子喉按壓方向應對準下嚥部，以使聲音傳至下嚥腔，即食道入口之上。

電子人工喉有各種型號，有的外觀像電動刮鬚刀，有的像小手電筒。講話時用手把握，置頸側喉頭周圍。當無喉者模擬説話時，藉助舌、齒、唇等構語器官的活動和口型的配合發出語言聲音。口型張大，可起到放大聲音的作用，但因電動機械產生的聲音，致使説話一點像機器人講話，音質不如機械人工喉的橡膠薄膜發音接近於人聲，語言溝通還是完全可以聽清楚的。另一種電子喉是電子助講器，利用音頻振盪器發聲，由導管傳入口腔，利用構語器官活動發聲，語音較近似常人。

有專家實踐檢驗：電子喉適用於所有喉部手術聲帶全切除的無喉者。所謂有淋巴切除和放療者使用效果不理想，可謂以偏概全，並無確切依據。術後使用電子後的時間，有術後四天能用電子喉講話的例子。

圖5 電子人工喉及其基本原理

按照聲音導入方式和電子喉傳聲部位的不同．電子人工喉分為2種類型。

1） 口內導入型(口含式)

此為20世紀60年代最早期的電子人工喉，主體外形如香煙盒，產生的聲頻脈衝波於球形發聲盒內轉換成聲音。通過傳聲管送人口腔內，管子放入口腔內3～5 cm 。位置和氣動式人工喉相同，此型現在已被淘汰。

2）頸外導入型(口外式)

口外式電子人工喉是近年來最常用的電子人工喉，外形有煙斗式利、手電簡式，前者較少使用，後者應用較多。把發聲膜緊壓口底頦下或頸上兩側，直指口咽方向導入聲音，如圖6所示。

圖6. 口外式電子人工喉

電子人工喉主要由外殼、發音裝置、控制鍵和電池組成，如圖8所示。

1-助講器發聲膜

2-上蓋

3-助講器外殼（不鏽鋼）

4-電源開關（發聲開關）

5-音量調節旋鈕

6-音頻調節旋鈕

7-底蓋

8-吊帶

圖7.電子人工喉的主要組件

臨牀應用證明，手術後一個月後即可配用電子喉。下列情況為助講器使用適應症：

（1） 喉癌全喉切除術後的“無喉者”。

（2） 下嚥癌全喉切除術後的“無喉者”。

（3） 頸段食道癌，喉食道切除，胃咽吻合術者。

（4） 外傷或手術致喉、氣管狹窄，閉塞不能講話者。

（5） 喉部分（包括大部分）切除術後發聲太細小，太低沉，發聲困難，可用助講器輔助發聲，特別於遠距離交談時使用。

（6） 其他一切語音康復方法失敗者，用食道音訓練，發音管手術等失敗者。

（7） 其他病例。由專科醫生指導下使用助講器作輔助治療者

植入式人工喉，包括會厭體和喉體。由於採用了鎳鈦形狀記憶合金作為會厭體的骨架材料，保證了會厭體有良好的彈性，利於張開閉合，同時採用了雙層結構，外層便於肉芽滲透生長，起到固定喉體的作用，而內層則有效的阻擋了肉芽的過分生長，防止喉狹窄。植入式人工喉植入後，可保留患者的喉發聲功能、保持鼻呼吸功能及防誤咽，解決了臨牀上迫切需要解決的問題。

此人工喉要由醫院的專家將無喉者再行手術，將人工發聲裝置植入喉部即可使無喉者自如講話。優點是不影響美觀，效果也好些；缺點是費用較高，且國內只有少數幾家醫院可以操作。

找到最佳傳音點，這是講話成功的關鍵。一般而言。頸上兩側從頦下正中口底部位最平坦，最柔軟，於下嚥或口咽距離最薄最近位置傳聲最佳。並避開瘢痕、硬實組織。助講器發聲膜緊貼皮膚，導入聲音。最佳傳音點有下列幾處。

（1）第一最佳傳音點：舌骨窩傳音點

此類病人為手術時舌骨已經切除，皮膚至下嚥腔最薄、最短、最直接，聲音直接導入至咽腔。發聲最清晰，雜音最小，聲音最大。助講器指向枕後方向，如圖9A所示。

（2） 第二最佳傳聲點：位於頸上兩側舌骨大角後，胸鎖乳突肌前沿位置。此處組織相對最軟、最薄、最接近咽部。聲音由口咽側壁導人，通過口腔形成語言。發聲效果很好。此類患者舌骨均未切除。助講器指向對側耳朵方向，如圖9B所示。

A. 第一最佳傳聲點，助講器指向枕後方向

B.第二最佳傳聲點，助講器指向對側耳朵方向

圖9.助講器最佳傳聲點

[1] 章聞. 人工喉史話 [J]. 1995:2.

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[6] 王令煥，穆秀琴，王秀珍. 喉癌術後功能鍛鍊及康復指導[J]. 護理實踐與研究，2007，4（4）：55-56

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[8] 衞旭東，金國威. 全喉切除術後發音重建[J]. 現代醫學，2004,32（1）：63-65

2023年11月13日，漸凍症患者蔡磊、京東集團原副總裁成為全球首個清華大學可穿戴人工喉的試用者，他久違的聲音又重現。 ^[2]