CC BY
3Расчет оптимальной величины звука импланта
электродного массива кохлеарного
Магомедов Магомед Алиасхабович,
аспирант, кафедра биотехнических и медицинских аппаратов и систем, Дагестанский государственный технический университет
E-mail: magha2011@mail.ru
Глухонемые люди сталкиваются с проблемами получения образования, дальнейшего трудоустройства и получения равенства в обществе и на рынке труда. На сегодняшний день для реабилитации пациентов с тяжелой формой глухоты широко используются методы лечения, позволяющие человеку восстановить слух - кохлеарные имплантаты. Хотя кохлеарные им-плантаты широко и успешно применяют при восстановлении слуха, установка носимой части имплантата - звукового процессора - по-прежнему остается сложной задачей. Настройка звукового процессора, который является носимой частью кохлеарного имплантата, является самой основной профессиональной проблемой для достижения наилучшей четкости звука во всех ситуациях. Цель этого исследования - определить физиологию электродной решетки кохлеарного имплантата и улучшить настройку звукового процессора, тем самым улучшив звуковосприятие глухонемого человека.
Ключевые слова: потеря слуха, Кортиев орган, кохлеарный имплант, глухота.
Введение. Наиболее частой причиной тяжелой степени потери слуха или глухоты во внутреннем ухе является повреждение тех сенсорных клеток, которые преобразуют акустические колебания в электрические импульсы. Эти клетки, называемые волосковыми клетками, находятся во внутреннем ухе. На верхнем конце волосковой клетки находятся стереоцилии, которые при неповрежденном слухе перемещаются звуком, который передается через среднее ухо во внутреннее ухо. Это движение включает в себя запуск электрических импульсов (потенциалов действия) в нервных волокнах, которые соединяются с волосковыми клетками.
Рис. 1. Схематическое изображение нарушения передачи акустической информации в результате повреждения волосковых клеток. При неповрежденном внутреннем ухе (вверху) волосковые клетки преобразуют колебания базилярной мембраны в электрические импульсы, которые передаются в мозг по слуховым нервам. В случае поврежденных или отсутствующих волосковых клеток (ниже) передача информации в этом месте прерывается
Принцип электрической стимуляции слухового нерва. Как показано на (см. рис. 1), повреждение волосковых клеток прерывает передала чу информации в мозг в точно известном месте.
На этом этапе подключаются современные протезы внутреннего уха (кохлеарные имплантаты), ко-^ торые с помощью электрических импульсов раз-
дражают оставшиеся неповрежденными нервные
и
волокна. Нарушение передачи акустической информации в таком ограниченном месте, к которому, кроме того, можно получить доступ извне через заполненную жидкостью полость ушной раковины с помощью относительно простой операции, несомненно, способствовало столь быстрому и успешному развитию технологии протезирования внутреннего уха в течение последних двух де-сятилетий[1].
Волосковые клетки расположены во внутреннем ухе вдоль изогнутой в форме улитки мембраны, называемой базилярной мембраной. Посредством сложных механических процессов уже вдоль этой мембраны происходит разложение звука на составляющие его частоты. При этом высокие частоты отображаются на входе в ушную раковину, а низкие частоты - на кончике. Современные слуховые протезы пытаются воспроизвести это разложение частоты во внутреннем ухе, называемое тонотопией, путем стимуляции слухового нерва вдоль слуховой улитки с помощью до 22 отдельных электродов, вставленных более или менее глубоко в заполненную жидкостью слуховую улитку (см. рис. 2)[2].
Рис. 2. Расположение тонкой многоэлектродной матрицы в ушной раковине (принцип). Высокие частоты отображаются на входе в шнек, а глубина - на кончике шнека
С помощью таких многоканальных электродных систем можно электрически раздражать относительно узкие участки слуховой улитки и, таким образом, вызывать слуховые ощущения различной высоты звука.
Принцип работы кохлеарного имплантата (далее КИ): звуковой сигнал, преобразуемый микрофоном, усиливается, сжимается в динамическом диапазоне и оцифровывается. Центральным элементом любой системы КИ является кодирование сигналов, реализуемое сигнальным процессором, алгоритм которого предназначен для воспроизведения кодирования времени и местоположения звукового сигнала во внутреннем ухе, которое больше не существует у глухого пациента, и оптимизировано для восприятия речи.
В ходе развития CIS появилось несколько конкурирующих стратегий кодирования. При этом современные многоканальные CIS используют пульсирующую стимуляцию. Они вычисляют характер стимуляции по форме волны, огибающей или по определенным спектральным частям звукового сигнала. Общим для всех систем является последующая беспроводная передача информации с помощью передающей и приемной катушек через кожу головы пациента на имплантированный приемник и стимулятор, который декодирует информацию и передает электрические импульсы на носитель электрода, вставленный во внутреннее ухо. Принцип работы алгоритма обработки сигналов должен быть объяснен на примере стратегии «непрерывной чередующейся выборки» (CIS).
Блок-схему CIS-процессора можно описать так: оцифрованный входной сигнал подвергается частотному анализу с разделением ограниченного диапазона входных частот полосами пропускания на количество каналов, определяемое числом электродов. Информация об амплитуде, полученная на основе огибающей, преобразуется в динамический диапазон электростимуляции, специфичный для каждого пациента.
Эта информация передается в кодированном виде на приемную электронику имплантата. Там сигнал декодируется и генерируются прямоугольные импульсы со скоростью стимуляции около 250-3500 импульсов в секунду на каждый электрод. Эти электрические импульсы стимулируют нервные клетки, которые все еще остаются непо-врежденными[3].
Имплантат. Компонент системы, полностью находящийся под кожей за ухом при установке КИ, собственно «имплантат», у всех производителей состоит из герметично закрытой части электроники, приемной катушки, магнита и держателя электрода (Рисунки 5 и 6). Между этими внутренними и внешними компонентами системы КИ, расположенными в центре, находится «имплантат». Как обмен данными с сигнальным процессором, расположенным снаружи корпуса, так и подача энергии на имплантат осуществляются с помощью высокочастотных импульсов между передающей и приемной катушками. Тот факт, что сам имплан-тат не содержит батареи, в отличие от многих других электростимуляторов (например, кардиостимуляторов), повышает безопасность пользователя с КИ и позволяет избежать вмешательства для замены батареи.
Небольшой магнит в центре приемной катушки предназначен для фиксации внешней передающей катушки на коже головы и ее центрирования над приемной катушкой. Владелец КИ всегда должен знать об этом магните, чтобы избежать неприятных последствий или повреждений. При этом особенно важно, чтобы носитель КИ не попадал в зону действия чрезвычайно сильных магнитных полей, подобных тем, которые существуют в среде магнитно-резонансных томографов (МрТ). Если носитель КИ должен пройти МРТ-обследова-
сз о
о Л о
о сз о в
ние, он должен настоятельно указать лечащему врачу на КИ. Это касается не только обследований головы. Экстремальная напряженность поля современных аппаратов МРТ составляет несколько метров, поэтому МРТ колена или стопы также представляет значительную опасность для КИ.
В любом случае, перед проведением МРТ-об-следования рентгенолог должен связаться с клиникой, осуществляющей уход, или с соответствующим производителем КИ. Оттуда он получает всю необходимую информацию. При соблюдении определенных мер предосторожности (например, плотная повязка на голове) все современные им-плантаты позволяют проводить МРТ при напряженности магнитного поля, используемой в настоящее время в клинических условиях. Кроме того, имплантаты некоторых производителей позволяют временно удалить магнит. Для этого необходима небольшая амбулаторная операция[4].
Наиболее технологически сложным компонентом имплантата является держатель электрода. В зависимости от производителя и типа импланта-та в гибкой силиконовой подложке диаметром менее одного миллиметра необходимо разместить от 12 до 22 отдельных электродов эффективной длины до 26 мм, каждый из этих контактов должен быть подключен к источникам питания в герметично закрытой части электроники с помощью чрезвычайно тонких платиновых проводов. Производители в странах СНГ посредством интенсивных технологических и клинических исследований пытаются оптимально адаптировать эти электродоносители к физиологическим условиям слуховой улитки. Таким образом, чрезвычайно гибкие держатели электродов должны обеспечивать проникновение в верхние витки ушной раковины. Другие производители стараются расположить контакты как можно ближе к слуховому нерву с помощью предварительно изогнутого держателя электрода. Чтобы гибко реагировать на различные анатомические особенности или пороки развития слуховой улитки, все производители КИ предлагают широкий спектр форм электродов.
Поскольку для прохождения электрического тока через нервную ткань и проводящую жидкость внутреннего уха всегда необходимы два электрода, все имплантаты, помимо собственно стимулирующих электродов в держателе электрода, имеют еще так называемые электроды сравнения, которые либо выполнены в виде отдельного электрода, либо прикреплены к металлическому корпусу имплантата. Имплантаты некоторых производителей в качестве альтернативы также позволяют проводить стимуляцию с помощью интракохлеар-ных референсов[5].
В дополнение к устройствам электростимуляции слухового нерва современные имплантаты е оснащены сложными устройствами для передачи е показаний обратно на внешние компоненты (те-й леметрия). Эти показания касаются, во-первых, ° функционирования всех компонентов электронной ¡в схемы имплантата, во-вторых, с помощью имплан-
тата можно измерить переходные сопротивления электродных контактов, а также реакции самого слухового нерва на раздражители и отправить их через катушку наружу.
Процессор обработки сигналов. Сигнальный процессор, размещенный на внешней стороне корпуса, состоит из нескольких компонентов, соединенных разъемами (рисунок. 3). Такая модульная конструкция позволяет, с одной стороны, быстро заменять неисправные компоненты, а с другой - является предпосылкой для гибкой адаптации системы к личным пожеланиям пациента.
Рис. 3. Основные компоненты сигнального процессора MED-EL OPUS2
Независимо от конкретного производителя, современные сигнальные процессоры проектируются как устройства НйО (рисунок. 4), что означает, что они надеваются на ухо, как слуховой аппарат, с ушным крючком за ухом («Н-й-О»). Благодаря продолжающейся миниатюризации компонентов электронных схем, аккумуляторный отсек процессора в настоящее время является самым большим компонентом. Питание сигнального процессора и имплантата обычно обеспечивается двумя или тремя цинково-воздушными батареями. Также возможно питание от литий-ионных аккумуляторов.
Рис. 4. Сигнальный процессор CP810 от компании Cochlear (слева) и сигнальный процессор OPUS-2 от компании MED-EL (справа)
Передающая катушка подключается к сигнальному процессору с помощью гибкого кабеля. Эта
катушка также содержит магнит, так что передающая и приемная катушки плотно прилегают друг к другу на коже головы. Усилие прижима при этом может быть оптимально отрегулировано путем изменения магнитной силы в передающей катушке.
Каждый сигнальный процессор содержит один или несколько микрофонов, которые используются для улавливания звука и передачи его на фактическое кодирование сигнала на различных этапах предварительной обработки сигнала. Это кодирование выполняется в современных системах КИ с помощью сложных микрочипов, функция которых будет более подробно описана в последующих разделах.
Управление процессором обработки сигналов пациентом, то есть настройка чувствительности и громкости микрофона, а также выбор программы, в большинстве производителей осуществляется с помощью переключателей и кнопок на корпусе процессора. Светодиоды информируют пациента, а также родителей и терапевтов о состоянии процессора, а также о возможных неисправностях.
Технология дистанционного управления процессором HdO, которая уже давно используется в слуховых аппаратах, все чаще используется и в системах КИ. Перемещение элементов управления из корпуса сигнального процессора на внешний блок управления внесло значительный вклад в повышение надежности внешних компонентов КИ. Кроме того, пульты дистанционного управления облегчают управление системой КИ родителями и терапевтами.
Рис. 5. FM-приемник для сигнального процессора OPUS2
Модульная конструкция всех сигнальных процессоров открывает широкие возможности для расширения области применения цисистем с помощью дополнительных компонентов. Возможно, самая важная модификация отделяет аккумуляторную часть от звукового процессора. Это значи-
тельно снижает вес компонента, который надевается за ухо, что является важным вариантом ношения как для малышей, так и для взрослых, активно занимающихся спортом.
Помимо возможности подключения телефонов с помощью телескопической катушки, важным вариантом является подключение так называемых РМ-приемников к сигнальному процессору, показанное на (рисунке 5). В частности, они позволяют подключаться к радиоустановкам для слабослышащих (микропорталам) и, таким образом, лучше отделять раздражающие окружающие шумы от голоса. Наконец, аксессуарами для образа жизни называются такие компоненты, которые в первую очередь служат для подключения системы КИ ко всем современным аудиооборудованиям (МР3-плеерам, телевизорам).
Стратегии кодирования сигналов. Задача сигнального процессора состоит в том, чтобы заполнить «пробел» в обработке акустической информации, образовавшийся в результате повреждения волосковых клеток. Для этого он должен преобразовать звуковые сигналы, улавливаемые микрофоном, в электрические импульсы таким образом, чтобы носитель КИ мог распознавать слово или фразу в последовательности этих импульсов. Для этого звуковой сигнал (или, по крайней мере, его составляющие, необходимые для понимания речи) должен быть соответствующим образом зашифрован (закодирован). При таком кодировании необходимо анализировать как физические характеристики акустического сигнала, то есть частоту («высоту звука»), интенсивность («громкость») и течение времени (продолжительность и паузы), так и специфические характеристики речи (базовая частота голоса, гласные, согласные)[2].
Поскольку с самого начала разработки кохле-арных имплантатов основной целью было обеспечить глухим людям как можно более хорошее восприятие речи, разработчики сначала сосредоточились на использовании стратегии кодирования для шифрования основных речевых характеристик. Этот исторический аспект на протяжении многих лет отражался в выборе слов «речевой» стратегии кодирования и «речевого» процессора.
Общим для всех используемых в настоящее время стратегий кодирования сигналов является то, что они используют многоэлектродные матрицы для имитации естественного разложения частоты здорового слухового аппарата путем разделения частотного диапазона, передаваемого процессором сигналов, на отдельные полосы частот и назначения электрода для каждой полосы частот. При этом электроды на кончике шнека передают глубины, а электроды на входе в шнек передают высокие частоты.
Помимо этого принципиального разделения акустического сигнала на отдельные полосы частот, стратегии кодирования сигналов, используемые различными производителями, иногда используют очень разные методы для максимально точной передачи основных характеристик речи.
сэ о
о Л о
о сз о в
Поскольку из-за различных технических и физиологических ограничений полное информационное содержание языка не может быть зашифровано, некоторые стратегии кодирования делают упор на высокую точность частоты, в то время как для других особое значение имеет максимально чистое воспроизведение структуры времени. Для каждой из двух концепций здесь мы кратко рассмотрим репрезентативный пример:
Непрерывная чередующаяся выборка. В этой стратегии отдельные полосы частот микрофонного сигнала используются для определения временной траектории речевого сигнала, называемой огибающей. Эта огибающая содержит самую важную языковую информацию. Их течение преобразуется в стимуляционные импульсы с высокой разрешающей способностью по времени. Здесь преимущество заключается в том, что имплантат может обеспечить максимально возможную скорость стимуляции.
Усовершенствованные комбинированные кодеры. Стратегия усовершенствованных комбинированных кодеров не включает стимуляцию всех электродов. Скорее, отбор признаков происходит в зависимости от частотного спектра анализируемого сигнала. Поскольку предполагается, что в благоприятных для прослушивания ситуациях речь является более громким сигналом, при этом всегда выбираются только те полосы частот, в которых информационное содержание сигнала является наибольшим.
Чтобы избежать взаимодействия между соседними электродами, во всех современных стратегиях кодирования электроды стимулируются последовательно, то есть не одновременно, а в быстрой последовательности.
Комбинированная электрическая и акустическая стимуляция. Если посмотреть на более крупные группы пациентов, можно увидеть, что потеря слуха обычно возникает в первую очередь на высоких частотах. Благодаря этому у многих пациентов с нарушениями слуха на низких частотах все еще остаются остатки слуха, которые они могут использовать со слуховым аппаратом. Однако в большинстве случаев этих остатков слуха недостаточно для хорошего речевого зрения, поэтому многие из этих пациентов выбирают кохле-арный имплантат, хотя остаточный слух все еще можно использовать для определения базовых частот голоса.
В 1999 году профессор Ильберг из Франкфурта выдвинул новаторскую идею объединить электрическую стимуляцию слухового нерва с помощью КИ с использованием низкотональных слуховых остатков, то есть стимулировать слух одновременно акустически и электрически[3].
Применимость этого метода, называемого ЭАС (электроакустическая стимуляция), обусловлена рядом технологических и медицинских требований:
1) Имплантация не должна повредить неповрежденные структуры в верхней части слухо-
вой улитки, которые отвечают за восприятие низких тонов. Для этого требуются чрезвычайно гибкие держатели электродов, которые, кроме того, должны быть короче стандартных электродов.
2) Введение электрода в ушную раковину должно быть выполнено хирургическим путем с использованием особо щадящей процедуры, чтобы сохранить остатки слуха в низком диапазоне.
3) Слуховой аппарат и сигнальный процессор должны быть размещены вместе в корпусе НйО и питаться от одних и тех же батарей.
4) Специальная стратегия настройки слухового аппарата и КИ должна обеспечивать оптимальное разделение частотных диапазонов, которые необходимо стимулировать акустически и электрически.
Научная новизна исследования. В ходе исследования были найдены наилучшие электрические параметры для эффективной настройки звукового процессора кохлеарного имплантата. 6 объем корректировочной карточки пропорционален удобочитаемости пациента. Эффект градиента увеличивает частоту градиента. В процессе бокового моделирования не было обнаружено корреляции между субъективным значением максимально комфортного объема отражения наклона.
Клинические исследования охватили 30 пациентов, имеющих двустороннюю сенсоневральную тугоухость М-го степени и глухоту различных этиологических признаков после операции на кохле-аре. Усредненные аудиограммы для пациентов, которые были обследованы, представлены на (рисунке. 6).
Рис. 6. Усредненная аудиограмма при сенсоневральной тугоухости. По оси абсцисс - исследуемая частота (в Гц), по оси ординат - степень потери слуха (в дБ).
Сплошная линия - пороги слуха по воздушной проводимости, штриховая линия - пороги слуха по костной проводимости
Наше собственное исследование показало, что максимальная продолжительность настройки генерации стимула составляет 300 миллисекунд. Используя эти показатели, был получен наиболее сбалансированный график голосования. Уровень звука, субъективно наблюдаемый пациентом, был выше, чем на программном графике, и данные, полученные на этом графике, были в пределах более короткого времени стимуляции. Следует также отметить, что метод передачи стимуляции, интенсивность которой уменьшается или увеличивается, оказывает значительное влияние на корреля-
цию между стабильным и субъективным максимальным пределом комфорта.
В течение всего периода точной настройки сигнального процессора успех подачи КИ документируется с помощью серии стандартизированных ау-диологических тестов. Только с помощью этих тестов и с учетом всей информации пациента можно оценить успехи и трудности и использовать их для определения специально разработанных мер технической помощи и реабилитации.
Помимо аудиограммы с пороговым значением тона, эти тесты в основном включают тесты на разборчивость речи в состоянии покоя и в условиях помех. Речевые тесты в состоянии покоя определяют, какой процент односложных тестовых слов или предложений, воспроизводимых фонограммой через громкоговорители, пациент может правильно повторить. Эти тесты на понимание языка в состоянии покоя, однако, недостаточно точно отражают повседневную ситуацию с использованием С^.
Заключение. В своей повседневной жизни пациент с КИ должен понимать речь, которая в большей или меньшей степени перекрывается посторонними звуками. Аудиолог моделирует эту ситуацию, накладывая шум на фразы, воспроизводимые через громкоговорители. В ходе теста уровень этого шума автоматически изменяется при постоянном речевом ритме до тех пор, пока пациент не поймет ровно 50% предлагаемых слов. В результате теста получается не процент понимания слов, а соотношение уровня речи и шума или полезного и мешающего сигнала в децибелах (дБ). Хотя такой тест предложения на наличие помех часто бывает довольно неприятным для пациента, поскольку даже при самых больших усилиях он понимает только 50% слов за раз. Однако информативность для аудиолога и отоларинголога очень высока.
Несмотря на все усилия по обеспечению качества, невозможно полностью избежать ошибок и сбоев в системах С1. Однако, учитывая чрезвычайно малую частоту отказов компонентов имплантированной системы, показанную в предыдущем разделе, дефекты, возникающие в повседневной жизни, обычно сосредоточены на легко заменяемых внешних компонентах. Здесь поломка может произойти из-за механического износа кабелей, переключателей и соединительных элементов или из-за влаги (пота).
Чтобы избежать ненужного беспокойства пациента или родителей ребенка с КИ в таких случаях, производители создали хорошо скоординированную систему „брошюр первой помощи", интернет-справочников и телефонных горячих линий, которые в большинстве случаев могут помочь определить неисправный компонент.
Только после того, как все эти простые тесты не увенчаются успехом, пациент должен обратиться к аудиологу в своей имплантационной клинике. Только здесь все испытательные установки доступны для комплексного функционального кон-
троля. В частности, аудиолог может быстро и просто проверить функции имплантата, недоступные для пациента, с помощью телеметрии.
Литература
1. Кузовков В.Е., Лиленко А.С., Сугарова С.Б., Каляпин Д.Д., Танасчишина В.А., Луп-пов Д.С. Причины стимуляции лицевого нерва у пользователей кохлеарных имплантов. В книге: XI Петербургский форум оториноларингологов России. Материалы научной конференции. 2022. С.106-107.
2. Левин С.В., Кузовков В.Е., Левина Е.А., Шапо-рова А.В., Сугарова С.Б. Настройка процессоров кохлеарного импланта с учетом индивидуальной анатомии улитки. В книге: Материалы XX съезда оториноларингологов России. 2021. С.222-223.
3. Левина Е.А., Левин С.В., Кузовков В.Е., Королева И.В., Симакова Ж.Г., Аносова Л.В. «Неслуховые» ощущения у пациентов с кохлеар-ным имплантом. В книге: Материалы XX съезда оториноларингологов России. 2021. С. 223.
4. Пудов В.И., Пудов Н.В. Регистрация потенциала действия слухового нерва у особых групп пациентов с кохлеарными имплантами. В книге: Материалы XX съезда оториноларингологов России. 2021. С.231.
5. Туфатулин Г.Ш., Королева И.В. Детская популяция пользователей кохлеарных имплантов Санкт-Петербурга - эпидемиологический анализ имплантации. В книге: XI Петербургский форум оториноларингологов России. Материалы научной конференции. 2022. С. 111.
CALCULATION OF THE OPTIMAL SOUND VALUE OF THE COCHLEAR IMPLANT ELECTRODE ARRAY
Magomedov M.A.
Dagestan State Technical University
Deaf-mute people face the problems of obtaining education, further employment and obtaining equality in society and in the labor market. To date, for the rehabilitation of patients with severe deafness, treatment methods are widely used that allow a person to restore hearing - cochlear implants. Although cochlear implants are widely and successfully used in the restoration of hearing, the installation of the wearable part of the implant - the sound processor - is still a difficult task. Setting up the sound processor, which is a wearable part of a cochlear implant, is the most basic professional problem to achieve the best sound clarity in all situations. The purpose of this study is to determine the physiology of the cochlear implant electrode array and improve the tuning of the sound processor, thereby improving the sound perception of a deaf-mute person.
Keywords: hearing loss, cortical organ, cochlear implant, deafness. References
1. Kuzovkov V.E., Lilenko A.S., Sugarova S.B., Kalyapin D.D., Ta-naschishina V.A., Luppov D.S. Causes of facial nerve stimulation in cochlear implant users. In the book: XI St. Petersburg Forum of Otorhinolaryngologists of Russia. Materials of scientific conference. 2022, pp. 106-107.
2. Levin S.V., Kuzovkov V.E., Levina E.A., Shaporova A.V., Sugarova S.B. Adjustment of cochlear implant processors taking into account the individual anatomy of the cochlea. In the book: Materials of the XX Congress of Otorhinolaryngologists of Russia. 2021. S. 222-223.
C3
о
о Л о
о сз о в
3. Levina E.A., Levin S.V., Kuzovkov V.E., Koroleva I.V., Simak-ova Zh.G., Anosova L.V. "Non-auditory" sensations in cochlear implant patients. In the book: Materials of the XX Congress of Otorhinolaryngologists of Russia. 2021, p. 223.
4. Pudov V.l., Pudov N.V. Registration of the acoustic nerve action potential in special groups of patients with cochlear implants. In
the book: Materials of the XX Congress of Otorhinolaryngolo-gists of Russia. 2021, p. 231.
5. Tufatulin G. Sh., Koroleva I.V. Children's population of cochlear implant users in St. Petersburg - an epidemiological analysis of implantation. In the book: XI St. Petersburg Forum of Otorhi-nolaryngologists of Russia. Materials of scientific conference. 2022, p. 111.
e
u
CM CO
