CC BY
21
Since 1999
The tournai of scientific articles
Health
& millennium
Education
УДК: 616.28-008.14-053.4-089.843:534.773:612.789:612.85 http://dx.doi.org/10.26787/nydha-2226-7425-2018-20-12-82-86
К ВОПРОСУ ИСТОРИИ МОДЕРНИЗАЦИИ СТРАТЕГИЙ КОДИРОВАНИЯ ЗВУКОВОГО СИГНАЛА СИСТЕМАМИ КОХЛЕАРНОЙ ИМПЛАНТАЦИИ Колоколов1 О.В., Кузнецов2А.С., Мачалов2А.С., Григорьева1,3 А.А. 1Астраханский филиал ФГБУ «Научно-клинический центр оториноларингологии», г. Астрахань, Российская Федерация 2 ФГБУ «Научно-клинический центр оториноларингологии», г. Москва, Российская Федерация 3ФГБОУ ВО «Астраханский государственный медицинский университет», г. Астрахань, Российская Федерация Аннотация. В статье приведены технические и технологические особенности работы системы кохлеарной имплантации, которые оказывают влияние на разборчивость речи прооперированных пациентов. На основе анализа научных публикаций установлено, что принцип работы речевых процессоров разных производителей (Cochlear, Advanced Bionics, Oticon, Med-El) полностью совпадают, однако имеются различия в стратегиях кодирования получаемого сигнала из внешней среды. Установлено, что разборчивость речи пациентами с кохлеарными имплантами зависит от используемой стратегии кодирования-стимуляции и количества каналов стимуляции. Ключевые слова: кохлеарный имплант, стратегия выборки, аналоговая стимуляция, виртуальные каналы стимуляции. THE HISTORY OF THE MODERNIZATION OF SOUND STRATEGIES OF THE SYSTEM COCHLEAR IMPLANTATION Kolokolov10. W., Kuznecov2A.O., Machalov2A.S., Grigoreva1'3 A.A. Astrakhan branch of scientific clinical centre of oto-rhinolaryngology, Astrakhan, Russian Federation 2Scientific clinical centre of otorhinolaryngology, Moscow, Russian Federation 3Astrakhan state medical university, Astrakhan, Russian Federation Annotation. The article presents the technical and technological features of the cochlear implantation system, which affect the speech intelligibility of the operated patients. Based on the analysis of scientific publications, it was found that the principle of operation of speech processors from different manufacturers (Cochlear, Advanced Bionics, Oticon, Med-El) completely coincide, but there are differences in the coding strategies of the received signal from the external environment. It has been established that speech intelligibility by patients with cochlear implants depends on the coding-stimulation strategy used and the number of stimulation channels. Key words: cochlear implant, sampling strategy, analog stimulation, virtual stimulation channels.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК [1] Джурно А., Эри С., Вэлленсье Б. Электрическое возбуждение кохлеарного нерва у людей с помощью дистанционной стимуляции с использованием микро-катушки постоянного тока. Еженедельные отчеты о заседаниях Общества биологии. 1957; 151: С. 423—425. [2] Хаус В.Ф. Кохлеарные имплантаты. Анналы отологии, ринологии и ларингологии. 1976; С.1 -93 [3] Бильгер Р.К., Блэк Ф.О. Слуховые протезы в перспективе. Анналы отологии, ринологии и ларингологии. 1977; 86: С. 3—10. [4] Сюард Клод-Анри, МакЛеод П. Реабилитация тотальной глухоты: кохлеарное имплантационное тестирование нескольких электродов. Новая медицинская пресса. 1973; (2): С.217-233. [5] Пиале П., Сюард К.-А., МакЛеод П. Физиологические и клинические аспекты реабилитации полной глухоты REFERENCES [1] Djoumo A., Eyries C., Vallancien B. De l'excitation électrique du nerf cochleaire chez l'homme, par indication à distance, à l'aide d'un micro—bobinage inclus à demeure. [Electrical excitation of the cochlear nerve in humans, by remote indication, using a micro-coil included permanently.] Weekly reports of the sessions of the Society of Biology. 1957; 151: P. 423—425. [in French] [2] House W.F. Cochlear implants. Annals of Otology, Rhi-nology and Laryngology. 1976; 85 (suppl. 27): P. 1—93 [3] Bilger R.C., Black F.O. Auditory prostheses in perspective. Annals of Otology, Rhinology and Laryngology Suppl.1977; 86 (3Pt. 2 Suppl.38): P.3-10. [4] Chouard C.-H., MacLeod P., La réhabilitation des surdités totales: essai de l'implantation cochléaire d'électrodes multiples. La Nouvelle Presse Médicale. [Rehabilitation of total deafness: test of cochlear implantation of multiple
путем имплантации нескольких внутрикохлеарных электродов. Журнал «Оториноларингология». Май-июнь, 1976; 81(5-6): 436- С.41.
[6] Сюард К.-А., МакЛеод П., Миер Б., Пиале П. Электронное оборудование имплантированное хирургическим путем для реабилитации полной глухоты. Анналы Оториноларингологии. Париж. 1977; 94: C.353-363
[7] Сюард К.-А. Множественные внутрикохлеарные электроды для реабилитации при полной глухоты. Оториноларингология. Клиники Северной Америки. 1978; февраль, 11(1) 217: С.33
[8] Сомек Б., Фажт С., Дембитц А., Ивкович М., Остожи Я. Стратегии кодирования в кохлеарных имплантах. Журнал «Автоматика», vol. 47. 2006; С.69-74.
[9] Руководство по клиническому применению Cochlear. 2012; С.15-38.
[10] Лоизу Ф.С. Речевая обработка в вокодер-центричных кохлеарных имплантатах. Кохлеарные и стволомозго-вые импланты. Журнал «Достижения в оториноларингологии». Базель, том 64; С.109-143. Отдел электротехники инженерных наук и компьютерных наук Школы Ионссона Техасского университета в Далласе, Ричардсон, Техас.
[11] Вилсон Б.С., Финли Ч.К., Лоусон Д.Т., Волфорд Р.Д., Эддингтон Д.К., Рабинович В.М. Улучшение разборчивости речи с кохлеарными имплантами. Журнал «Природа», том 352, 1991. С.236-238.
[12] Вилсон Б.С., Дорман М.Ф. Кохлеарные импланты: выдающееся прошлое и бриллиантовое будущее. Журнал «Исследование слуха», том 242, 2008; С.3-21.
[13] Вондрашек М., Совка П., Тичи Т. Стратегия ACE с виртуальными каналами. Радиоинженерия, том 17, номер 4, декабрь, 2008; С.55-61.
[14] Дунн К.К., Тайлер С.Р., Витт А.С., Грантц Б.Д. Эффекты преобразования стратегии у пациентов с двусторонней кохлеарной имплантацией в стратегию с увеличенной скоростью и количеством каналов. Анналы отологии, ринологии и ларингологии, 2006, 115 (6): С.425-432.
[15] Дональдсон Г.С., Крефт Х.А., Литвак Л. Разборчивость при местной стимуляции одним и двумя электродами у пользователей кохлеарных имплантатов. Журнал Акустического общества Америки. 2005; 118 (2): С.623-626.
[16] Кох Д.Б., Доунинг М., Литвак Л. Использование одновременной стимуляции для увеличения спектрального разрешения у пользователей кохлеарных имплантов HiRes 90K. Ухо и слух, 2007; С.38-41.
[17] Фирсцт Д.Б., Кох Д.Б., Доунинг М., Литвак Л. Текущее управление одновременной стимуляции создает дополнительные тональные ощущения у взрослых кохлеарных имплантатов. Отология и нейротология. 2007 август; 28 (5): С.629-636.
[18] Дональдсон Г.С., Доусон П.К., Борден Л.З. Субъективное сравнение стратегий кодирования речи HiRes и
electrodes. The New Medical Press] 1973; dec 8; (2): P.217. [in French]
[5] Pialoux P., Chouard C.-H., MacLeod P. Physiological and clinical aspects of the rehabilitation of total deafness by implantation of multiple intracochlear electrodes. Acta Otolaryngol. 1976 May-Jun;81(5-6):436; P.41.
[6] Chouard C.H., MacLeod P., Meyer B., Pialoux P. Appareillage électronique implanté chirurgicalement pour la réhabilitation des surdités totales et des surdi-mutités. [Electronic equipment implanted surgically for the rehabilitation of total deafness and deaf-mutism] Ann. Oto-Laryng. Paris 1977; 94: P.353-363. [in French]
[7] Chouard C.H. Multiple intra-cochlear electrodes for rehabilitation in total deafness. Otolaryngologic. Clinics of North American. 1978; Feb. 11(1) 217; P.33.
[8] Somek B., Fajt B., Dembitz A., Ivkovic M., Ostoji J. Coding Strategies for Cochlear Implants. Automatika, vol.47. 2006; P. 69 -74
[9] Cochlear Guidelines for Clinical Use, 2012; P.15-38.
[10] Philipos C. Loizou. Speech processing in vocoder-centric cochlear implants. Cochlear and Brainstem Implants. Advances in Otorhinolaryngology. Basel. Vol.64, P.109-143.
[11] Wilson B.S., Finley C.C., Lawson D.T., Wolford R.D., Eddington R.D., Rabinowitz W.M. Better speech recognition with cochlear implants. Nature, volume 352, 1991. P.236-238
[12] Wilson B.S., Dorman M.F. Cochlear implants: a remarkable past and a brilliant future. Hearing Research, volume 242, 2008; P.3-21.
[13] Vondrasek M., Sovka P., Tichy T. ACE Strategy with Virtual Channels. Radioengineering, vol.17, No.4, December, 2008; P.55-61.
[14] Dunn GC., Tyler S.R., Witt A.S., Grantz B.J. Effects of coverting bilateral cochlear implant subjects to a strategy with increased rate and number of channels. Annals of Otology, Rhinology and Laryngoglogy, 2006, 115 (6): P.425-432.
[15] Donaldson G.S., Kreft H.A., Litvak L. Place-pitch discrimination of single- versus dual-electrode stimuli by cochlear implant users. The Journal of the Acoustical Society of America. 2005 August; 118(2): P.623-626.
[16] Koch D.B., Downing M., Osberger M.J., Litvak L. Using current steering to increase spectral resolution in CII and HiRes 90K usersEar Hear. 2007 Apr;28 (2 Suppl): P.38-41.
[17] Firszt J.B., Koch D.B., Downing M., Litvak L. Current steering creates additional pitch percepts in adult cochlear implant recipients. Otology and Neurotology. 2007 August; 28 (5): P.629-636.
[18] Donaldson G.S., Dawson P.K., Borden L.Z. Within-sub-jects comparison of the HiRes and Fidelity120 speech processing strategies: Speech perception and its relation to place-pitch sensitivity. Ear&Hear. 2011 Mar-Apr; 32(2): P.238-250.
Fidelityl20: разборчивость речи и ее зависимость от тонотопической чувствительности. Уши и слух, март-апрель,^^_
Вопросы кодирования звукового сигнала обсуждаются с момента создания первых рабочих образцов систем кохлеарной имплантации. В связи с отсутствием достоверных данных о механизме восприятия звукового сигнала для создания аппаратного устройства реабилитации слуха требовалось определить место стимуляции и частоту посылки импульса. Первый успешный опыт был выполнен в 1957 году командой из André Djoumo (профессор медицинской физики) и Charles Eyriès (отолог) в Париже, когда Eyriès во время операции по восстановлению лицевого нерва использовал устройство Djourno, расположив активный электрод в культе слухового нерва, а индукционную катушку — в височной мышце [1]. Катушка генерировала импульсы переменного тока частотой 100 Гц, предъявляемые 1520 раз в минуту, а также слова, преобразованные в аналоговые сигналы на выходе микрофона. При использовании такой локализации электрода и стратегии стимуляции пациентом было отмечено не только возникновение слухового ощущения, но и хорошее различение интенсивности сигнала, при плохой частотной дифференциации, соответственно, отсутствии разборчивости речи. Послеоперационная реабилитация позволила улучшить различение частот, как высоких, так и низких, а также окружающего шума и некоторых слов, однако разборчивость и понимание речи восстановить не удалось [1].
William F.House (отолог, Лос-Анджелес, США) после изучения работ Djourno и Eyriès в 1959 году при хирургическом вмешательстве на стремени провел свой опыт электрической стимуляции. В данном опыте игольчатый электрод устанавливался на промонтори-альной стенке и в открытом окне преддверия. Для стимуляции были выбраны прямоугольные импульсы, которые вызвали у пациента слуховые ощущения не сопровождающиеся дискомфортом, головокружением или стимуляцией лицевого нерва [2]. В 1961 году была проведена операция с введением электрода в окно улитки. При электрической стимуляции удалось вызвать слуховые ощущения, однако в виду невозможности регулирования силы тока использование импланта вызывало дискомфорт. В 1961 году House во время операции по вестибулярной нейроэктомии подходом через среднюю черепную ямку ввел электрод в барабанную лестницу базальной части улитки. При стимуляции пациентка отмечала слуховые ощущения, однако через несколько дней интенсивность тока, необходимая для вызывания ответа, возросла, и имплант был удален [3].
Изучив опыт W.House и протестировав собственный одноканальный имплант, французская группа исследователей во главе с Alain Morgon, сделала выводы о том, что из-за рефрактерного периода слухового нерва одноканальный имплант не обеспечит дискриминацию по частоте более 300-800 Гц, вследствие чего не позволит пациентам распознавать гласные и согласные буквы. Для высокоэффективного кохлеарного имплан-тата потребуется несколько электродов, а самый простой способ - разделить их вдоль частотного градиента кохлеарной трубки и электрически изолировать друг от друга. На основании чего было решено с помощью бора делать от 8 до 10 отверстий в нижней части первого и второго оборотов улитки, вставлять в них один или два электрода, обращаясь вверх и вниз по ходу в scala tympani, используя простую конструкцию ряда фильтрующих банков доставлять вариации энергии, содержащиеся в разных частотных диапазонах слуховой информации [4].
Проведенные тесты прооперированных пациентов таким способом показали, что селективная стимуляция позволила им воспринимать разные частоты. После относительно короткой послеоперационной речевой терапии все пациенты смогли распознать определенную долю слов без чтения с губ [5].
Для дальнейшего совершенствования системы требовалось совершенствование стратегии стимуляции улитки. В виду её физиологических особенностей, стимуляция должна производиться с высокой скоростью за время меньшее аналитическому периоду, составляющего менее 2-5 мс. При сотрудничестве с компанией Bertin французская команда разработала новые им-планты с микропроцессорами, которые позволили увеличить скорость стимуляции и уложиться в необходимое время за счет деления звуковой информации на порции. Полученные результаты соответствовали ожиданиям, несмотря на неудобные размеры передатчика [6, 7].
Разработанная стратегия стимуляции нервной ткани Chouard Claude-Henri и Robert MacLeod воспроизводимая в устройстве Bertin в дальнейшем была подвержена модификации компанией MXM-Neurelec, которая выкупила права на патенты. В настоящий момент имеет название MPIS (Main peak interleaved sampling strategy - стратегия первичной выборки с чередованием) и используется в имплантах Digisonic.
В свою очередь, австралийская компания Cochlear разработала стратегию пульсирующей речи (F0F2), которая функционировала на основе извлечения главных характеристик распознавания речи. Данную стратегию
использовали первый многоканальный имплантат Nucleus 22 и речевой процессор Nucleus WSP (Wearable Speech Processor) в 1982-1984 гг.
Позднее, в 1985 году, в стратегию добавили информацию о первой форманте (F0F1F2 strategy) в следующем процессоре Nucleus WSP II и дополнительную информацию о 3-х высокочастотных полосах, которые частично перекрывались с F2 (MPEAK) в Nucleus MSP для помощи в восприятии согласных (1989) [8].
В 1994 году компания Cochlear создала новый процессор Nucleus Spectra, в котором впервые использовалась стратегия Spectral Peak (SPEAK - Спектральный максимум) для 22 канального импланта. Эта стратегия использует вокодер, в котором имеется набор из 20 фильтров частотных полос, охватывающих центральные частоты от 188 до 7938 Гц. Каждый фильтр - определяет связь каждого активного канала с одним из этих частотных сегментов на основе тонотопии (то есть, самый нижний канал принимает самые высокие частоты, а самый верхний (апикальный) - самые низкие). Увеличение каналов, стимулированных в тонотопическом порядке от высоких частот к низким за цикл от 4 в MPEAK и до 10 в SPEAK стратегии, дало преимущество в разборчивости речи большинству пациентов за счет более гибкого изменения максимумов и стимуляции соответствующих электродов. Совокупная частота стимуляции (TSR) в решетке составляет 2,000 импульсов в секунду для 8 максимумов и 2,500 импульсов в секунду для 10. Скорость, с которой стимулируются электроды, изменяется адаптивно между 180-300 импульсов в секунду [9].
В 1993 году впервые была использована стратегия CIS (continuous interleaved sampling, непрерывная чередующаяся выборка), описанная Blake S. Wilson в 1991 году, в импланте компании Ineraid device manufactured by Symbion, Inc., Utah, разработанном исследователями из Research Triangle Institute (North Carolina, USA). Данная стратегия позволила решить проблему взаимодействия каналов с использованием несинхронных импульсов с чередованием и увеличить скорость стимуляции на канал, что оказало значительное влияние на распознавание речи [10].
С 1996 по 2001 год Advanced Bionics Corporation в своих новых устройствах Clarion C-I и C-II кроме CIS-стратегии стала использовать SAS-стратегию (Simultaneous Analog Stimulation) [11].
Синхронная аналоговая стимуляция (SAS), обеспечивает одновременную стимуляцию всех электродов с использованием биполярного электрода и обновляет информацию по каждому каналу в 16 раз чаще, чем стратегия CIS, тем самым обеспечивая точную временную информацию об акустической форме сигнала. Однако, возможность взаимодействия каналов между собой стала выше, что отрицательно повлияло на
значимость спектральных сигналов, важных для понимания речи.
Для увеличения скорости стимуляции на канал в 1999 году компания Med-El c имплантом COMBI-40+ в новом процессоре TEMPO+ использовала модификацию стратегии CIS - high-rate CIS+/HDCIS, а в 2004 году, в импланте нового поколения PULSAR с речевым процессором Opus стратегию обработки тонкой структуры (FSP). Обе стратегии были направлены на предоставление более точной информации о структуре сигнала с использованием колоколообразных частотных фильтров, где перекрытие в ответах между каналами может передавать тонкую структуру информация для более высоких частот [12].
В 2010 году развитием стратегии FSP стала новая стратегия FS4 в процессоре Maestro с имплантом Concerto. В данной стратегии обработка звука очень похожа на обработку FSP, за исключением того, что на 4-х апикальных каналах поддерживается скорость до 6000 импульсов в секунду на канал. В настоящее время эта стратегия считается стандартом использования устройств Med El.
С 2002 года компания Cochlear стала использовать стратегию ACE (Advanced Combination Encoder) в импланте Nucleus 24 и речевом процессоре Freedom, которая стала базисной для всех современных имплантов и процессоров компании. ACE сочетает в себе большее количество обработанных полос с более высокой скоростью стимуляции за счет наличия 22 электродов, по сравнению с предыдущей SPEAK. В стратегии ACE канал генерируется одним имплантированным электродом, а исходный спектр воспроизводится 8-10 фиксированными каналами [13].
Компания Advanced Bionics (Sylmar, California) после использования стратегий SAS, CIS, разработала новую стратегию HiResolution для улучшения разборчивости речи и реализовала в 2003 году в импланте HiRes90K. Данная стратегия обладает более высокой частотой стимуляции (до 2800 Гц) и использует большее количество каналов. Стратегия HiResolution обеспечивает высокочастотную пульсирующую стимуляцию двухфазными импульсами и имеет монополярное соединение. Стратегия имеет несколько режимов с различной скоростью стимуляции, это HiRes Paired (парный, до 5156 импульсов в секунду) и HiRes Sequential (последовательная, до 2900) [14].
Однако, стратегии ACE, CIS, HiRes, используют только фиксированные каналы для воспроизведения оригинального звукового спектра и могут возбуждать лишь небольшое количество специфических слуховых нервных волокон, что ограничивает разрешение и информацию, полученную пользователем КИ. Частичным способом решение этой проблемы стало использование технологии виртуального канала [15, 16, 17].
Впервые такая технология была реализована компанией Advanced Bionics в 2006 году, разработав модификацию стратегии HiRes с опцией Fidelity 120™ для импланта HiRes90K и речевого процессора Harmony™ HiResolution™, которая позволяла создавать виртуальные каналы для увеличения числа зон стимуляции по сравнению с количеством физических электродов за счет регулирования отношения уровня тока двух соседних электродов. Исходный спектр воспроизводится 15 виртуальными каналами и все пары электродов включаются в предопределенную последовательность в течение 15 последовательных тактов. Проведенные исследования показали, что при переходе от стратегии HiRes к HiRes Fidelity 120™ разборчивость речи повышается во всех ситуациях, однако значимый эффект наблюдается только при длительном использовании данной стратегии [18].
Таким образом, в настоящий момент имеют широкое распространение нескольких стратегий кодирования, это ACE от компании Cochlear, Crystalis Crystalis XDP от компании Neurelec-Oticon, FSP и FS4 от компании Med El, HiRes и HiRes Fidelity 120™ от
компании Advanced Bionics. Использование данных стратегий в имплантах позволило пациентам с тугоухостью значительно улучшить разборчивость как окружающих звуков, так и речи, подняв качество жизни на новый уровень.
На основании полученных нами сведений, можно сделать вывод, что совершенствование кохлеарных имплантов и речевых процессоров с момента их изобретения позволило значительно улучшить качество жизни пользователей. Каждый из производителей систем кохлеарной имплантации (Cochlear, Advanced Bionics, Oticon, Med-El) имеет свои собственные разработки, которые имеют отличия не только в дизайне и количестве электродов имплантов, но и в последовательности, тактике стимуляции нервных окончаний. Сравнение стратегий кодирования речи как одного производителя КИ, так и между производителями, очень сложная процедура. Однако, для высокого уровня разборчивости речи у каждого проимплантиро-ванного пациента необходимо производить правильный выбор стратегии кодирования для конкретных задач и конкретных ситуации.
