Virtuální elektrody v kochleárních implantátech Nucleus 24 Martin Vondrášek České vysoké učení v Praze, Fakulta elektrotechnická vondram3@fel.cvut.cz Abstrakt: Kochleární implantát je elektronické zařízení, které nahrazuje sluchový vjem pacientům s těžkou sluchovou vadou pomocí stimulace sluchového nervu proudovými pulsy. Tento příspěvek se zabývá možnostmi využití virtuálních elektrod v kochleárních implantátech. První y možností je náhrada poškozené elektrody stimulací do sousedních elektrod. Druhá možnost využití virtuálních elektrod je jejich implementace do strategie ACE (SPEAK). 1. Úvod Kochleární implantát [1, 2] je elektronické zařízení zprostředkující sluchové vjemy pacientům s těžkou sluchovou vadou. Sluchové vjemy jsou vyvolávány přímou elektrickou stimulací sluchového nervu proudovými impulsy uvnitř hlemýždě. Algoritmus převodu akustického signálu na sled proudových impulsů je nazýván kódovací strategií. V současnosti jsou firmou Cochlear používány tři typy kódovacích strategií ACE, CIS a SPEAK. Algoritmy implementující kódovací strategie jsou uloženy v řečovém procesoru. Vlastní stimulace je prováděna implantátem, jehož tělo je umístněno na hlavě pod kůží pacienta, přičemž sada elektrod je zavedena do hlemýždě. 2. Virtuální elektroda Možnost vytvoření virtuální elektrody byla potvrzena výzkumem P.C. Loizu [5]. Při tomto výzkumu byl ale použit experimentální implantát, který umožňoval stimulaci do dvou sousedních elektrod dvěma proudovými pulsy současně. Kochleární implantát Nucleus 24 Contour Advance [1] ale tento typ stimulace neumožňuje díky jednomu výstupnímu zesilovači. Výstup tohoto zesilovače je cyklicky přepínán mezi jednotlivé elektrody, proudové pulsy v sousedních elektrodách tak jsou vždy časově posunuté. Předchozí výzkumná práce na katedře teorie obvodů potvrdila, že virtuální elektroda může být úspěšně vytvořena i nonstimultální stimulací sousedních elektrod [6, 7]. Výhodou tohoto způsobu stimulace je možnost nastavení frekvence virtuální elektrody a to buď metodou konstantního stimulačního kmitočtu nebo metodou konstantních amplitud. Praktické ověření na pacientech s kochleárními implantáty potvrdily možnost vytvoření virtuální elektrody a definovaly vlastnosti jednotlivých metod nastavení kmitočtu. Díky jednodušší implementaci a možnosti přesnější nastavení frekvence byla pro další práci vybrána metoda konstantního stimulačního kmitočtu. 3. Náhrada poškozené elektrody Přibližně v deseti procentech případů se stává, že je jedna z intrakochleárních elektrod kochleárního implantátu poškozena během operace nebo má natolik vysokou impedanci že ji nelze použít. Pokud s nefunkční elektrodou sousedí dvě použitelné elektrody, mohly by tyto elektrody nahradit elektrodu nefunkční (obr.1).
Obr 1: Princip náhrady nefunkční elektrody. Pro ověření možnosti náhrady poškozené elektrody byl v Matlabu vytvořen testovací program (obr.2) s použitím Nucleus Matlab Toolboxu [3, 4]. Tento program stimuloval testovaného pacienta dvěmi sekvencemi. První představovala stimulaci do nefunkční elektrody (u testovaného pacienta byla elektroda funkční). Druhá sekvence pak stimulovala sousední elektrody. V případě této sekvence bylo možno měnit amplitudy stimulačních pulsů pro dosažení co nejpodobnějšího sluchového vjemu v porovnání s první sekvencí. Obr 2: Náhrada nefunkční elektrody. Testy s třeni pacienty sice prokázaly možnost vytvoření podobného tónu, ale tento tón měl velmi často nepříjemný bručivý podklad způsobený poměrně velkou vzdáleností mezi stimulovanými elektrodami. Praktický přínos při použití náhrady poškozené elektrody tak může být spíše negativní. 4. Implementace virtuálních elektrod do strategie ACE 4.1 Úvod Použití virtuálních elektrod ve strategii ACE (SPEAK) lze odůvodnit především zlepšením frekvenčního rozpoznání a tím zlepšení sluchového vjemu pacienta s kochleárním implantátem. Ve standardní strategii ACE je řeč zpracovávána 22 filtry (na obr. 3 označeny s v ). Sluchový vjem pacienta je tak teoreticky složen z 22 různých tónů. To je obvykle dostatečné množství pro rozlišení řeči, ale pro rozlišení mluvčího či hudby velni málo.
PP 1 PP 1v virtual electrodes setting x[t] electrode 1 segmentation FFT PP 2 energy calculation Band selection LGF channel mapping electrode 22 PP 21v patient setting PP 22 Obr 3: Blokové schéma strategie ACE s virtuálními elektrodami. Pokud mezi každými dvěmi fyzickými elektrodami vytvoříme jedu elektrodu virtuální, dostaneme tak 43 elektrod a 43 různých tónů. Zpracování řeči tak bude probíhat rovněž ve 43 pásmech (obr 3: červeně vykreslené filtry odpovídají virtuálním elektrodám). Pro použití virtuálních elektrod je nutné nastavit základní parametry jako je Threshold a Comfort level. Vzhledem k tomu že je vhodné pro vytvoření virtuální elektrody použít poněkud vyšší stimulační kmitočet než pacient dosud používal, je odvození Threshold a Komfort levelu od hodnot sousedních elektrod nevhodné. Proto byl vytvořen nástroj pro nastavení zcela nové mapy pacienta (obr. 4), která nerozlišuje mezi standardními a virtuálními elektrodami. Virtuální elektrody mají navíc jen nastavení kmitočtu. Design i ovládání tohoto nástroje je odvozen od programu Nucleus R126 který je standardně používán pro nastavení map v procesoru pacienta lékařem. Obr 4: Nastavení nové mapy pacienta. Program pro nastavení nové mapy pacienta je rozdělen do dvou částí. V první části (obr. 4 vlevo) jsou nastavovány základní parametry, v druhé části vpravo pak frekvence banky filtrů a individuální zesílení v každém pásmu. Mapa pacienta je uložena ve standardním souboru *.mat. 4.2 Změny v algoritmu V případě použití virtuálních elektrod je nutné pozměnit některé funkční bloky algoritmu na obr.3. Největší změna je nutná v bloku Band selection. Tento blok v každém segmentu řeči vyhledává několik pásem s největší energií signálu. Informace o těchto pásmech je
později přenesena do implantátu. Na obrázku 5 vlevo je uveden příklad výběru pro 7 přenášených pásem. H(z) H(z) 200 Hz 8 khz 200 Hz 8 khz Obr 5: Standardní výběr maxim. Pokud použijeme stejný algoritmus i pro strategii ACE s virtuálními elektrodami (poloviční šířka pásem), pak 7 pásem s maximální energií nepostihne druhé maximum ve spektru. Toto maximum je však také důležité pro dobrou srozumitelnost. Je proto nutné funkci bloku výběru maxim změnit. Algoritmus výběru maxim pro strategii využívající virtuální elektrody musí odstranit problémy s využitím jedné fyzické elektrody i pro stimulaci elektrody virtuální. Na obrázku 6a) je znázorněna stimulace do elektrod 18, 22 a do virtuální elektrody 20v (fyzická stimulace do 20 a 21). V tomto případě nenastává žádný problém. amplituda/elektrody 17 18 19 20 amplituda/elektrody 17 18 19 20 21 21 22 t[ms] a) t[ms] b) Obr 6: Stimulace do standardní a virtuální elektrody. 22 V případě, že má být využita jeda fyzická elektroda 19 pro stimulaci pásem 19 a 19v (obr. 6b) nastává problém s malou vzdáleností mezi pulsy v elektrodě 19. Tato vzdálenost je menší než refrakterní perioda nervových vláken sluchového nervu. U pacientů nastává časová integrace pulsů. Sluchový vjem vyvolaný touto stimulací je shodný se stimulací s konstantní vzdáleností mezi pulsy ale s mnohem větší amplitudou proudových pulsů. Pokud by stimulace z obrázku 6b) nastala pro proudy blízké maximálním přípustným hodnotám (Comfort level), byl by sluchový vjem příliš silný a pro pacienta nepříjemný. Následující experiment objasnil vliv malých vzdáleností mezi pulsy. Stimulaci podle obrázku 7 pacient porovnával se stimulací s konstantní vzdáleností mezi pulsy. V průběhu testu jsme měnili stimulační kmitočet a vzdálenosti a a b podle obrázku 7. V případě že byla vzdálenost b mezi skupinami pulsů větší než 4 ms (250 Hz opakovací frekvence), pacient slyšel nízkofrekvenční tón nezávisle na místě stimulace. Pro vzdálenost a menší než 0,3 ms hlasitost tónu výrazně narostla.
Uvažujeme-li stimulační kmitočet v rozsahu 720-1200 Hz a počet přenášených pásem 8-10, pak je maximální počet pásem, využívajících pro stimulaci stejnou fyzickou elektrodu roven dvěma. To je také odpověď na algoritmus výběru přenášených maxim. Seřadíme velikost energie v jednotlivých pásmech podle velikosti. První (největší maximum) bude přeneseno vždy, u každého dalšího musí být splněna výše popsaná podmínka. amplituda a b pocet puslu ve skupine Obr 7: Seskupení pulsů. Poslední významnou změnou v algoritmu ACE s virtuálními elektrodami je změna segmentace. Nutnost změny segmentace demonstrujeme na následujícím obrázku. Jako vstup algoritmu standardní strategie ACE použijeme sinusový signál s rovnoměrně rostoucím kmitočtem. Výstup strategie (aktivita elektrod) je na obrázku 8a). V každé elektrodě je patrné zvýšení a následné snížení proudových pulsů. Tvar průběhu amplitudy proudových pulsů v každé elektrodě je dán odezvou na vstupní sinusový signál. Použijeme li stejný vstupní signál pro strategii ACE s virtuálními elektrodami, bude graf aktivity elektrod deformovaný (výřez na obr 8b). Vlivem změněného algoritmu výběru maxim (maximálně dvě přenášená pásma využívající pro stimulaci stejnou fyzickou elektrodu), jsou některé pulsy vynechány. Pacienti toto vynechání vnímají jako nepříjemné vrčení (začátek a konec stimulace je skokový). t[ms] a) b) c) Obr 8: Standardní segmentace. Šířka odezvy každého filtru je dána frekvenčním rozlišením použité Fourierovy transformace. Zdvojnásobíme-li délku segmentu, zlepšíme frekvenční rozlišení a délky odezvy v jednotlivých elektrodách se zkrátí. (obr 8c). 5. Závěr Virtuální elektrody mohou být využity jako náhrada za poškozenou elektrodu nebo pro zlepšení frekvenčního rozlišení řečové strategie ACE. Náhrada poškozené elektrody elektrodou virtuální není adekvátní díky velké vzdálenosti mezi využívanými elektrodami. Výsledný tón má pak nepříjemný vrčivý podklad. Použití virtuálních elektrod ve strategii
ACE s sebou přináší problémy, které ale lze uspokojivě řešit. Výsledná řečová strategie pak umožňuje lepší frekvenční rozlišení v porovnání se standardní strategií ACE. Standardní strategie ACE i ACE s virtuálními elektrodami jsou v současné době testovány na kvalitu řeči s hlediska její přirozenosti a srozumitelnosti. Obě strategie budou rovněž porovnány na ukázkách hudby. 6. Poděkování Tato práce vznikla za podpory výzkumného záměru Transdisciplinární výzkum v biomedicínském inženýrství 2 č. MSM 6840770012 a grantem Modelování biologických a řečových signálů, č 102/03/H085 Českého vysokého učení technického v Praze. Reference [1] CLARK, G. Cochlear implants, fundamentals and applications. New York: Springer NY, 2003. 830 p. ISBN 0-387-95583-6. [2] LOIZOU, P. Mimicking the Human Ear. IEEE Signal Processing, 1998, vol. 15, no. 5,p. 101-130. ISSN 0740-7467. [3] Nucleus Reference manual. Cochlear Ltd. Australia, 2001. N94359F ISSI. [4] Swanson, B. Nucleus Matlab Neural Toolbox. Cochlear Ltd. Australia, 2004. [5] LOIZOU, P. Mimicking the Human Ear. IEEE Signal Processing, 1998, vol. 15, no. 5,p. 101-130. ISSN 0740-7467. [6] M. Vondrášek, T. Tichý, P Sovka.Virtual Electrodes in Nucleus 24 Implant. NIC Workshop 2006, Nechrlen, Belgium 2006. [7] Vondrášek, M. - Tichý, T. - Sovka, P.: Virtual Electrodes Discrimination in NucleusR 24 Cochlear Implant. In Applied Electronics 2006. Plzeň: ZČU Plzeň, 2006, s. 229-232. ISBN 80-7043-442-2.