V

Gelişim üniversitesi odyoloji anabilim dalı

Koklear implantların çalışma prensipleri

6. Ve 7. Hafta dersi

Opr. Dr. Öğretim Üyesi Dr. Nurten Küçük

nkucuk@gelişim.edu.tr

KOKLEAR İMPLANT ÇALIŞMA PRENSİPLERİ

Kulakta işitme, iç kulaktaki kokleada bulunan bazillar membran üzerindeki tüylü hücrelerin hareketi ile ses enerjisinin elektrik sinyallerine dönüşmesi ve burada kodlanarak santral işitme merkezine göndermesi ile olur.

Doğal işitme nasıl gerçekleşir

Ses dalgaları kulağa girer ve kulak kanalı içinden ilerleyerek kulak zarına ulaşır.

Kulak zarının hareket etmesi, kulağın orta bölümündeki kemikçikleri titreştirir.

Bu titreşimler, koklea olarak bilinen, iç kulağın sıvıyla dolu bir bölümüne iletilir.

Kokleanın iç kısmını kaplayan küçük tüyler bu hareketi alarak beyne elektrik sinyalleri iletir ve bu sinyaller beyinde ses olarak algılanır.

İşitme anatomisi- fizyolojisi

Kokleanın birincil işlevi, merkezi işitsel sisteme akışlı konuşma tarafından görüntülenen spektro-zamansal bilgileri sağlamaktır.

Bu zaman-frekans görüntüleme (TFD) bilgisi normalde biyolojik bir zaman-frekans analizörü ve kodlayıcı görevi gören koklea tarafından sağlanır.

Bu bilgi ekranı, işitsel çevrenin biyolojik, biyomekanik ve biyoelektrik sınırlamaları tarafından kodlanır ve sınırlandırılır.

Koklear implant ise iç kulaktaki işitme organının gelişmemesi, hastalık yada travma nedeni ile harabiyeti sonucunda oluşan çok ileri derecede sensorinöral işitme kaybı olan kişilerde işitmeyi sağlayan bir cihazdır.

Koklear implant, corti organını bypass ederek ganglionhücrelerini direkt uyararak işitme merkezlerine bilgi aktarır.

Koklear implant

CI'larda, spektro-zamansal işleme ve kodlama, gelen konuşma hakkında doğal kokleadan daha fazla bilgi sağlayabilen oldukça güçlü dijital sinyal işlemcileri (DSP'ler) tarafından sağlanır.

Bununla birlikte, bu bilginin, işitsel sinir kodlaması kullanılarak sınırlı sayıda elektrotla merkezi işitme sistemine iletilmesi gerekir.

Frekans-yer haritalama, implantların performansında önemli bir faktördür ve bireysel olarak özelleştirilmiş fonksiyonel testler kullanılarak optimize edilebilir.

CI tasarımı sırasında dikkat edilmesi gereken diğer bir faktör elektrik stimülasyonudur, çünkü elektriksel stimülasyon, doğal konuşma genlik aralığına kıyasla çok sınırlı bir aralığa sahiptir ve kapsamlı sıkıştırma gerektirir.

Bu tipik olarak, bant geçiren filtrelenmiş sinyalin düzeltilmesi ve ardından düşük geçişli filtreleme ve bir genlik sıkıştırma işlevi kullanılarak haritalama ile gerçekleştirilir.

Nihai yoğunluk (yani, ses yüksekliği) eşleme ayarlamaları tipik olarak implantasyondan sonra ayrı ayrı yapılır.

CI'nın nihai çıkışı, tipik olarak kısa süreli akım darbeleri ile sağlanan implante elektrotlara yönelik akım uyarımıdır.

Her biri farklı ilkeler üzerinde çalışan farklı tipte uyarıcılar mevcuttur. Tekli uyarıcılar, farklı elektrotları sırayla uyarmak için anahtarlama ağları gerektirirken, birden fazla akım kaynağı bu ek devreye ihtiyaç duymaz ve daha verimli çalışma sağlar.

İki fazlı uyarma eşit negatif ve pozitif darbelerden oluşur ve tipik olarak fiber aktivasyonunu maksimize etmek ve elektriksel uyarmanın toksik ve aşındırıcı etkilerini en aza indirmek için kullanılır.

Bu iki fazlı stimülasyon sırasında, puls süresi ve puls ayrımı genellikle sabittir. Bu nedenle, her elektrotta, konuşma bilgisini iletmek için kullanılan parametreler, darbe genliği ( A ) ve hızdır (1 /T ).

Elektrik akımları, işitme siniri liflerinin çok etkili bir şekilde uyarılmasını sağlasa da, bunların bir büyük dezavantajı vardır.

Elektrotlar birbirine yakın olduğundan, bir elektrottan gelen akım diğer elektrotlara geniş bir şekilde yayılır ve elektrik alanı etkileşimlerine neden olur.

Sürekli serpiştirilmiş örnekleme (CIS) stratejisi genellikle bu sorunun üstesinden gelmek için kullanılır. Bu strateji, hiçbir örtüşme meydana gelmeyecek ve olası elektrik alanı etkileşimleri en aza indirilecek şekilde her elektroda kısa akım darbeleri sağlar.

CI tasarımındaki birincil strateji, kokleanın tonotopik frekans kodlamasını (farklı frekanstaki seslerin belirli bölgelerde maksimum cevaba ulaşması) çoklu elektrotlarla taklit etmektir.

Birincisi, iki biçimlendirici ( F 1 ve F 2 ) ve temel frekans ( F 0 ), bant geçiren filtreler kullanılarak spektral analiz ile gerçekleştirilen bu tür işlemede kullanılan birincil işaretlerdir. Bu frekans bölgeleri daha sonra kokleaya yerleştirilen elektrotlarla eşleştirilir.

CI kullanıcıları, sessiz ortamda oldukça iyi performans göstermelerine rağmen genellikle gürültülü koşullarda konuşmayı anlamakta güçlük çekerler.

Gürültüdeki bu zayıf performans, çoğunlukla ses perdesinin zayıf algılanmasına veya konuşma bilgisinin temel frekansına ( F 0 ) atfedilir . Tipik CI'lar , birçok nedenden dolayı F 0 bilgisini etkili bir şekilde iletmez .

Normal işitmede, perde bilgisi temel olarak baziler membrantarafından kodlanırken, yer bilgisi işitsel nöronların zamansal ateşleme hızı tarafından sağlanır.

Bununla birlikte, bu bilgi, sınırlı sayıda elektrot ve sabit veya sınırlı değişken uyarı aralığı ve elektrik akımlarının yayılması nedeniyle çoğu CI'da zayıf bir şekilde temsil edilmektedir.

Bu kötü F 0başka türlü benzer sesli kelimelerin anlamlarını ayırt etmek için perdenin kullanıldığı Mandarin gibi tonal dillerde bilgi aktarımı ciddi bir sorun haline gelir.

Günümüzün modern CI'leri, son derece minyatürleştirilmiş güçlü dijital işleme çipleri, analog / dijital dönüştürücüler ve analog elektronik devreler ile çoklu elektrotlar kullanmaktadır.

CI temelde iki ayrı fiziksel bileşenden oluşur: giyilebilir bir işlemci ve elektrotlu dahili birim.

Harici bileşen temel olarak ses giriş birimi (mikrofon, amplifikatörler ve filtreler), bilgi aktarım cihazı (RF bağlantısı) ve bir konuşma işlemcisinden (dijital sinyal işlemcisi, DSP) oluşur.

Dış ünitedeki konuşma işlemcisi, konuşmadaki spektral ve zamansal ipuçlarını çıkarır ve kodlar ve bu bilgiyi iç üniteye iletir. Dış ünitenin tüm bu ana bileşenleri bir batarya ile çalıştırılır ..

Koklear implant dış parçası Mikrofon / alıcı (receiver) Sinyal işlem ünitesi (signal processor) İletici bobin (transmission coil ) ve dış anten

Koklear implant iç parçası İç anten Alıcı-uyarıcı (implantable receiver – stimulator) Elektrot demeti (electrode array)

Koklear implant parçaları

Mikrofon: Akuistik bilgileri alarak elektriksel sinyallere dönüştürür ve işlemciye aktarır.

Konuşma işlemcisi (speech- processor): sinyali kodlayıp amplifiye ederek, iç kulaktaki stimulasyonuiçin uygun hale getirir. Elektriksel uyarı daha sonra dış antene iletilir.

Dış anten: gelen elektriksel uyarıyı cildden iç antene aktarır.

Koklear implant dış kısım parçaları

İç anten: Elektrik akımını receiver stimulatore iletir.

Receiver – stimulator: gelen sinyale göre ilgili elektrodların uyarılmasını sağlar.

Elektrot demeti: elektriksel uyarıyı iç kulağa aktarır ve koklea içerisinde ilgili lokalizasyonun uyarılmasını sağlar.

Kokleanın skala timpanisine yerleştirilir.

Koklear implant iç kompenent parçaları

Koklear implant iç ünitesinin bir diğer önemli işlevi, elektrotların durumu hakkında dış dünyaya bilgi sağlamaktır. Bu, bir geri telemetri alt birimi sağlayarak elde edilir.

Ses işlemcisiDış parça – kulak arkasında kullanılırKontrol ünitesi, pil yuvası ve aktarıcıdan oluşur. Aktarıcı, verileri deri yoluyla implanta aktaran parçadır.

İmplantİç parça – derinin altına ameliyatla yerleştirilir Elektronik kısmı içeren gövdeden, elektrot dizisinden, alıcı antenden ve aktarıcının kulağın arkasında başa tutunmasına yarayan bir mıknatısdan oluşur.

Giyilebilir ve implante edilen parçalar, kafa derisinin cildi

boyunca bir radyo frekansı (RF) bağlantısı kullanarak

birbirleriyle iletişim kurar.

Konuşma bilgisi aktarımına ek olarak, bir RF bağlantısı ayrıca

dijital işleme ve mevcut stimülasyon için dahili birime güç sağlamaya hizmet eder.

Ses işlemcisindeki mikrofonlar sesleri seçer ve konuşma işlemcisine gönderir. Konuşma işlemcisi bunları elektrik sinyallerine dönüştürür.

Elektrik sinyalleri aktarıcı bobin ve dış anten tarafından radyo dalgaları (elektromanyetik) kullanılarak iç antene aktarılır.

İç antene ulaşan sinyaller, alıcı – uyarıcı tarafından kodu çözülerek elektrotlara iletilir.

Skala timpaniye yerleştirilmiş olan elektrotlar, stimulusun ganglionhücrelerine iletilmesini sağlar.

Kokleanın içindeki işitme sinir lifleri bu sinyalleri alarak beyne gönderir ve ses algısı oluşturur.

Koklear implant ile işitme

Koklear implant, tüylü hücreleri atlayarak ses stimuluslarınıdoğrudan spiral ganglion hücrelerine ve aksonlara iletir.

Koklear implant uygulanacak kişilerin koklear sinirinin ve üst merkezi işitme sisteminin de sağlam olması gerekir.

Koklear implant

CI'lar tarihsel olarak çeşitli uyarma modları ve işleme

algoritmaları kullanmış olsalar da, bugün hepsi benzer uyarım yöntemlerine ve konuşma işleme algoritmalarına yakınsamıştır.

Koklear implantlarda kullanılan konuşmayı işlemleme stratejileri

Devamlı aralıklarla örnekleme ( Continuous ınterleaved sampling –CIS): Eş zamanlı analog uyarım yerine aralıklı pulsatil uyarım sağlar. Bu sayede ardışık, üst üste çakışmayan uyarım ile konuşmaların daha iyi ayırt edilmesine olanak verir.

Spektral PEAK (spektral PEAK-SPEAK) ve gelişmiş kombine kodlayıcı (Advanced Combined Encoder –ACE): Gelen ses tüm elektrotlar yerine seçilen 5-10 elektrodu eş zamanlı olarak uyarır. Uyarım hızı saniyede 180- 300 arasında değişir.

Koklear implantlarda kullanılan konuşmayı işlemleme stratejileri

İleri birleşik çözücü ( Advenced combination encoder- ACE): SPEAK ve CIS stratejilerini kombine eden gelişmiş bir uyarım şeklidir. Uyarım hızı saniyede 900-3500 arasındadır.

Sıkıştırılmış analog strateji (Compressed analog strategy – CA ) ve Eş zamanlı analog uyaran (simultaneous analog stimulation- SAS): CA stratejisi analog sinyali sıkıştırdıktan sonra en fazla 8 kanala ayırır ve seçilen elektrotun devamlı uyarımını sağlar. Aynı işlemleme mantığı ile çalışan SAS de eş zamanlı, analog uyarım sağlar.

Koklear implantlarda kullanılan konuşmayı işlemleme stratejileri

Yüksek ayrışma stratejisi (Hi-Resolution Strategy- HiRes): CIS stratejisinin daha hızlı uyarım sağlayan halidir.

Eşleşmiş Vurmalı Örneklem (Paired pulsatile sampler- PPS) : CIS’ ınçalışma prensibine benzer şekilde çalışır, uyarım daha hızlıdır.

Fine Structure Processing (FSP): Sesin tını ve zamansal bilgilerinin daha iyi algılanmasını sağlayan bir stratejidir. Geniş frekans aralığını uyarır.

Advanced bionics (ABD) : 16 aktif, 2 toprak elektrodu vardır. Saniyede maksimum uyarım hızı 83000’e kadar çıkabilir. İşletme stratejilerinib hepsini kullanır.

Med- El (Avusturya) : 12 çift elektrottan oluşmuştur. Saniyede maksimum uyarım hızı 50704 tür. Yüksek hızlı CIS ve FPS konuşma stratejilerini kullanır. Kısa, orta ve split elektrot olmak üzere farlı elektrot tipleri vardır, bu sayede iç kulak anomalilerinde ve ossifiyekokleada elektrot seçimi yapılabilir.

Koklear implant sistemleri

Nucleus (Avustralya): 22 aktif, 2 toprak elektrotu vardır. SPEAK, CIS ve ACE stratejilerini kullanır. Maksimum uyarım hızı saniyede 32000’ dir. Kısa, orta ve split elektrot olmak üzere 3 farklı elektrot kullanılır. Bu sayede ossifiye kokleada ve iç kulak anamolalilerinde elektrot seçimine olanak sağlar.

Neurelec (Fransa) : 20 kanallıdır, binaural uyarım için özel bir implanttipi vardır. Bunda tek alıcı – uyarıcı bobine bağlı biri kısa, diğeri karşı kulak için planlanmış uzun elektrot vardır. Saniyede maksimum uyarım hızı 1200 ‘dür.

Koklear implantasyon adaylarının seçimi

Çocuk adayların seçim kriterleri:

Bilateral ileri veya çok ileri derecede sensorinöral işitme kaybı

Retrokoklear patoloji olmaması

İşitme cihazından yeterli yararlanamaması

Medikal ve radyolojik kontraendikasyon olmaması

Eğitim programlarının ve rehabilitasyonun takip edilmesi

Erişkin adayların seçim kriterleri:

Bilateral ileri veya çok ileri derecede sensorinöral iitme kaybı

Retrokoklear patoloji olmamalı

İşitme cihazlarından yeterli yararlanamama (bilateral işitme cihazı kullanarak konuşmayı ayırt etme testinde < %30 skora sahip olma)

Medikal kontraendikasyon olmaması

Koklear implantasyon adaylarının seçimi