HC 2. Neurofysiologische basis van het cochleair implantaat (CI)

Wat is een cochleair implantaat (CI)?

• vervangt het beschadigde sensorische orgaan (haarcellen)

• omzeilt de niet-functionerende haarcellen

• stimuleert auditieve zenuwvezels rechtstreeks elektrisch

• Toepassing:

  • ernstig tot diep neurosensorieel/endocochleair gehoorverlies

  • meestal door verlies van cochleaire haarcellen

• Het CI zet een akoestisch signaal om in een patroon van elektrische pulsen dat de gehoorzenuw activeert.

• Deze elektrische stimulatie wordt door het centraal auditief zenuwstelsel geïnterpreteerd als geluid

Primair doel van een CI

• Functioneel horen herstellen

• Vooral gericht op:

  • spraakperceptie

  • communicatie

• Belangrijke componenten van spraak die door een CI gecodeerd moeten worden:

  • intensiteit (amplitude)

  • frequentie

  • temporele informatie

  • temporele fijnstructuur (beperkt)

Codering van frequentie - > normaal gehoor

A. Temporele codering (phase locking)

• Gehoorzenuwvezels vuren synchroon met een geluidsgolf (periode van signaal) (= phase locking).

• Het tijdspatroon van de zenuwactiviteit geeft informatie over de frequentie.

• Werkt vooral voor lage frequenties. (hoge freq, te snel niet genoeg tijd, neuronen ‘skippen’ een cyclus)

  • individuele neuronen slaan cycli over

  • gezamenlijke activiteit blijft fasegebonde

• HF → groepen neuronen weken samen = Volley theorie

• Verdwijnt bij ongeveer 4-5 kHz. -> neurale activiteit random

B. Plaatscodering (place coding) = FREQUENTIE

• frequentie wordt weergegeven via plaats in de cochlea.

• Hoge frequenties:

  • maximale stimulatie basale cochlea

• Lage frequenties:

  • maximale stimulatie apicale cochlea

• Tonotopie blijft behouden doorheen de ganse auditieve baan

Frequentiecodering bij elektrisch horen - temporele

Temporele codering

• Gebeurt via stimulatiesnelheid (rate of stimulation).

• Beperkt bruikbaar:

  • slechts tot ongeveer 500 Hz

• Daarom waren oude éénkanaalsimplantaten onvoldoende voor open set spraakverstaan

Oplossing

Ontwikkeling van:

→ Multichannel cochleaire implantaten

Deze bootsen de tonotopie van de cochlea na en verbeteren spraakverstaan sterk.

Frequentiecodering bij elektrisch horen - Plaatscodering

• Belangrijkste frequentiecoderingsmechanisme bij CI.

• Frequentie wordt gecodeerd via:

  • positie van elektrodecontacten

  • tonotopie van cochlea

• Lage frequenties:

  • apicale elektroden

• Hoge frequenties:

  • basale elektroden

• Meerkanaalsimplantaten zorgen daarom voor veel betere spraakperceptie dan éénkanaalsimplantaten

Codering van intensiteit: normaal vs elektrisch

Normaal gehoor

• gecodeerd door Ontladingssnelheid (Discharge rate (spikes/s))

• Dynamisch bereik ≈ 120 dB

• Voor spraak ≈ 50 dB

• Uitwendige haarcellen zorgen voor een niet-lineaire input-outputfunctie waardoor een breed dynamisch bereik mogelijk is

Elektrisch gehoor

• Intensiteit wordt gecodeerd via:

  hoeveelheid elektrische stroom (charge)

• Veel kleiner dynamisch bereik.

• Steilere luidheidsaangroei

• slechts ongeveer 20 dB bruikbaar dynamisch bereik

• kleine toename in stroom veroorzaakt sterke toename in neurale activiteit

• Toch voldoende luidheidsverschillen waarneembaar dankzij:

1. Kleinere discriminatiestappen voor elektrische stimulatie.

2. Compressie van het inkomende geluidssignaal.

• Daarom noodzakelijk:

  • Input Dynamic Range (IDR)

  • Automatic Gain Control (AGC)

  • compressie

Onderdelen van een modern cochleair implantaat

Extern deel

• Spraakprocessor

  • Verwerkt geluid.

  • Zet geluid om naar een elektrische code.

• Headpiece (zendspoel)

  • Stuurt energie en informatie door de huid.

Intern deel

• Receiver-stimulator

  • Ontvangt signalen.

  • Zet deze om in elektrische pulsen.

• Elektrode-array

  • Wordt in de cochlea geplaatst.

  • Stimuleert verschillende groepen gehoorzenuwvezels.

• 
  

Fitting (Mapping)

Definitie

• Afregeling van de spraakprocessor.

• Ook:

  • fitting

  • mapping

  • programmatie

MAP:

• geheel van parameters die bepalen hoe de gehoorzenuw gestimuleerd wordt.

• →Instellen parameters voor codering van 1. Intensiteit 2. Spectrale samenstelling 3. Temporele informatie

Eerste fitting

• Meestal 2-6 weken postoperatief

• Steeds vaker:

  • early activation

  • dag 0-5

Doel:

• creëren van eerste bruikbare auditieve input.

Tonotopie in het implantaat

• Basale elektroden → hoge frequenties

• Apicale elektroden → lage frequenties

meer elektorde = niet altijd beter = meer elektrode is meer lekkage (8 kanalen max herkend)

Evolutie

Van éénkanaals systemen naar multiple elektroden
• Van percutane naar transcutane plug
• Miniaturisatie van de processor
• Van eenvoudige modulatie naar geavanceerde, geautomatiseerde signaalverwerking om geluiden
en spraak over te brengen
• Waterdichte processoren om mee te kunnen zwemmen
• MRI compatibele implantaten
• Bimodale interactie tussen CI en contralateraal hoortoestel
• Rechtstreekse streaming vanaf multimedia (bluetooth)
• TOEKOMST?
• Robot-insertie
• Elektrode-selectie en individuele frequentieverdeling afh van de afmetingen van de cochlea en
precieze plaatsing van de elektrode
• Totally implantable cochlear implant (TICI)
• Verbeterde elektrode – neuron interface

De spraakprocessor 3.1 Pre-processing

Doel:

Verbeteren van luisteren in moeilijke omstandigheden.

Voorbeelden:

• Ruisonderdrukking

• Windonderdrukking

• Directionele microfoons

Resultaat:

→ Minder luisterinspanning
→ Betere spraakverstaanbaarheid in lawaai

Temporele cues volgens Rosen (1992)

1. Envelope

Amplitudevariaties:

• 2-50 Hz

2. Periodiciteit

Periodiciteit van het signaal:

• 50-500 Hz

3. Fine structure

Snelle fluctuaties:

• 600-10000 Hz

Belang fine structure en envellope

Fine structure

• Toonhoogtewaarneming

• Muziek

• Spraakverstaan in lawaai

Envelope

• Belangrijkste informatie voor spraakverstaan.

• Zelfs met enkel envelope-informatie kan goede spraakperceptie worden bereikt.

Intensiteitsdomein van de fitting Parameters

• Stimulatieniveau

• Pulsbreedte

• Input Dynamic Range

• Sensitiviteit

• Volume

Stimulatieniveau

= nodige hoeveelheid stroom

• individueel verschillend

• afhankelijk van elektrode tot elektrode of de stimulatieplaats in het slakkenhuis

• op iedere elektrode afzonderlijk

Upper stimulation level

• Benamingen:

  • M-level

  • MCL-level

  • C-level

  • most comfortable or maximum comfortable level

• Definitie:

  • hoogste comfortabele stimulatie

• Komt ongeveer overeen met:

  • 70-80 dB HL voor normaalhorende

Lower stimulation level

• Benamingen:

  • T-level

  • THR-level

• Definitie:

  • net hoorbare stimulatie

• Komt ongeveer overeen met:

  • 25-40 dB HL

Afstand tussen upper en lower stimulation level is het elektrisch dynamisch bereik

Elektrisch dynamisch bereik

• verschil tussen C-level en T-level

• individueel bepaald

• verschilt per elektrode

Meting:

• volwassenen: psychofysisch

• baby's/kinderen:

  • eCAP

  • eSRT

stimulatieniveau volwassenen vs kids

VOLWASSENEN/ OUDERE KINDEREN

• Psychofysische procedure: up/down procedure voor zowel upper als lower stimulation level (cfr. tonale audiometrie)

BABY’S/ KLEUTERS:

• C en T levels obv objectieve metingen

• eCAP thresholds

• eSRT: elektrisch geëvokeerde stapedius reflex threshold

Gevolgen foutieve instellingen

C-levels te hoog

• overdreven luidheid

• oncomfortabel

• vervormd geluid

• mogelijk aversie

C-levels te laag

• zachte spraak gemist

• minder spraakverstaan

T-levels te hoog

• achtergrondgeluiden te luid

• ruisperceptie

T-levels te laag

• zachte geluiden niet hoorbaar

• slechtere detectie van spraakdetails

Pulsbreedte

• Bifasische rechthoekige puls

• Charge = amplitude × pulsbreedte

Toename van:

• amplitude OF pulsbreedte

→ meer lading

→ hogere luidheid

Trade-off:

• grotere pulsbreedte = lagere stimulatiesnelheid nodig

Input Dynamic Range (IDR)

Spraak varieert ongeveer:

• 30 tot 80 dB SPL

IDR:

• meestal 40-75 dB

Ondergrens:

• gekoppeld aan T-level

Bovengrens:

• gekoppeld aan C-level

Voordelen groot IDR:

• betere geluidsrepresentatie

• betere perceptie van zachte geluiden

• minder nood aan manuele aanpassingen

• bevordert incidenteel leren bij kinderen

Sensitiviteit (microfoongevoeligheid)

• beïnvloedt gain van microfoon

• patiënt kan meestal zelf aanpassen

Lagere sensitiviteit:

• hogere ondergrens IDR

• nuttig in lawaai

Hogere sensitiviteit:

• zachtere geluiden hoorbaar

• nuttig bij stille spraa

Volume

• beïnvloedt upper stimulation levels

• patiënt kan vaak zelf aanpassen (remote/app of processorknop)

• heeft invloed op luidheidservaring

• Audioloog kan zelfregelbaarheid aanpassen

Temporele codering - elektrisch

Stimulatiesnelheid

Definitie:

• aantal pulsen per seconde per elektrode (pps)

Voorbeelden:

• SPEAK: ±250 pps

• ACE: ±900 pps

• HiRes120: ±4000 pps

Belang:

• codering van temporele informatie

• beïnvloedt:

  • luidheid

  • pitch

Hoge frequenties vereisen hogere pulssnelheden.

Normaal is de stimulatiesnelheid constant.

Uitzondering:

• Med-El FS4 → variabele stimulatiesnelheid.

FREQUENTIEDOMEIN: RATE PITCH

• Rate pitch: tot ca. 500 Hz bij CI gebruikers

• Momenteel enkel geïmplementeerd bij Med-El systemen: variabele stimulation rate in de 2 tot 4 meest apicale elektroden (FS4)

• 
  

• Belangrijk voor temporele fijnstructuur: muziekbeleving, prosodie, intonatie, spraakverstaan-in-rumoer

dus fitting parameters overzicht:

Spraakcoderingsstrategieën

Definitie

• Algoritme dat bepaalt:

  • welke elektrode

  • op welk tijdstip

  • met welke stimulatie

Moet:

• intensiteit coderen

• frequentie coderen

• temporele informatie coderen

Merkgebonden paramater

• Advanced Bionics: CIS / HiRes Fidelity 120/ Optima

• Cochlear: ACE

• Med-EL: FS-4

CIS-strategie (Continuous Interleaved Sampling

Werking

1. Geluid gaat door bandpassfilters.

2. Envelope wordt uit elke band gehaald.

3. Compressie van de envelope.

4. Envelope moduleert biphasische pulstreinen.

5. Elke frequentieband wordt naar een elektrode gestuurd.

Interleaved stimulatie

• 6-12 elektroden

• sequentiële stimulatie

• hoge stimulatiesnelheid

• voorkomt channel interaction

Peak-picking strategieën

Niet alle banden worden gestimuleerd.

Alleen de banden met de hoogste energie worden geselecteerd.

Voordelen

• Minder masking

• Minder kanaalinteractie

Voorbeelden

• SPEAK

  • spectral peak extraction

  • selecteert kanalen met hoogste energie

  • ongeveer 250 pps

• n-of-m

  • Vast aantal kanalen

  • ±1000 pulsen/sec

• ACE: Advanced Combination Encoder

  • n-of-m strategie

  • maximaal 12 geselecteerde kanalen

  • hogere stimulatiesnelheid

  • combineert voordelen SPEAK en CIS

Hogere stimulatiesnelheid = betere weergave van de envelope.

Nieuwe ontwikkelingen

HiRes120 (Advanced Bionics)

• Meer stimulatieplaatsen te creëren

• Zonder extra fysieke elektroden

FSP (Fine Structure Processing, Med-El)

• codering van envelope + temporele fijnstructuur

• variabele stimulatiesnelheid in apicale elektroden

• belangrijk voor:

  • muziek

  • prosodie

  • intonatie

  • spraak-in-lawaai

Elektrode-array: Plaatsing

Wordt meestal geplaatst in de:

→ Scala tympani

Via:

• Cochleostomie

• Ronde venster

Elektrode-array: werking

Elektroden geven:

• Treinen van biphasische pulsen

Waarom biphasisch?

Veiligheid:

• Positieve en negatieve fase zijn in balans.

• Geen ophoping van lading.

• Geen schade aan zenuwweefsel.

Soorten stimulatie

Monopolair

• Actieve intracochleaire elektrode

• Extracochleaire referentie

• Voordelen:

• → Minder stroom nodig
  → Minder batterijverbruik

• Meest gebruikte configuratie.

Bipolair

• actieve elektrode + intracochleaire referentie

• Twee aangrenzende intracochleaire elektroden.

• Voordelen:

  • betere tonotopische resolutie

  • minder spreiding van stroom

  Nadelen:

  • hoger batterijverbruik

Common Ground

• Eén actieve elektrode.

• Alle andere elektroden vormen referentie

Beperkingen van huidige elektroden

• Frequentie-plaats mismatch

• Beperkt aantal effectieve kanalen

• Belang van de centrale auditieve baan

Frequentie-plaats mismatch

• elektrode bereikt apex niet volledig

• cochlea slechts gedeeltelijk bedekt

• lage frequenties worden op relatief hoge plaatsen gestimuleerd

Gevolg:

• initieel klinkt alles hoger van toon

• adaptatie door hersenplasticiteit

Spread of excitation

• stroom spreidt zich door perilymfe

• overlap van elektrische velden

Gevolg:

• beperkte frequentiespecificiteit

Beperkt aantal effectieve kanalen

Hoewel implantaten tot:

• 22 elektroden

kunnen hebben, bedraagt het aantal:

• 4-8 onafhankelijke effectieve kanalen

Oorzaak: spread of excitation = Elektrische velden van aangrenzende elektroden overlappen.

Dit komt door:

1. Geleidende perilymfe.

2. Verschillen in zenuwoverleving.

3. Fibrose of ossificatie.

4. Afstand tussen elektrode en zenuwweefsel.

Modiolaire elektrode-array

• Gebogen elektrode.

• Dichter bij de modiolus.

Resultaat:

• Iets minder spreiding.

• Geen grote toename van effectieve kanalen.

Belang van de centrale auditieve baan

et CI levert slechts een:

• Vereenvoudigde representatie van geluid.

Toch verstaan veel gebruikers spraak goed.

Dat komt doordat: Het brein de onvolledige informatie compenseert.

Elektrodetype

Laterale/rechte elektrode/ Slim straight

• dichter tegen laterale wand

Modiolaire/perimodiolaire elektrode

• dichter bij spirale ganglioncellen

• minder stroom nodig

• mogelijk minder spread of excitation

• perimodulair = beter vr iemand die sowieso geen gehoor meer gaat hebben

  slim modulair→ dichtbij maar minder kans op beschadiging → want dun

Keuze afhankelijk van:

• restgehoor

• anatomie: structurele afwijkingen binnenoor, afmetingen

• pathologie: progressief gehoorverlies

• voorkeur chirurg

• fabrikant

Type elektrode bepaalt:
- Batterijverbruik
- Kans op behoud restgehoor en preservatie cochleaire structuren
- Frequentie-mismatch en spread of excitation

Anatomy Based Fitting (ABF)

Doel:

• frequentietoewijzing afstemmen op individuele cochlea-anatomie

Voordelen:

• minder tonotopische mismatch

• natuurlijkere geluidswaarneming

• betere muziekperceptie

• beter spraakverstaan in ruis

Bijzonder interessant voor:

• SSD

• postlinguaal dove patiënten

med-el

Straight electrodes
̶ Different lengths
̶ Preoperative images
determine the optimal
electrode length
̶ Anatomy-based fitting with
deep insertions (>540°)

Reductie van tonotopische
mismatch
– Natuurlijke geluidsperceptie
wordt benaderd: muziek;
spraak-in-lawaai
– Specifieke groepen
– SSD
– Postlinguaal doven

Doordat ze de mismatch goed zouden hoeren → minder met deze techniek

mri → cochlea meten → elktrode die er het best inpast (dus verst)