Cochlea-Implantate Clemens Zierhofer Christian Doppler Labor für Aktive Implantierbare Systeme Institut für Angewandte Physik Universität Innsbruck

Cochlea-Implantat (CI-) System Name: Griech. Cochlea = Schnecke Zweck: Rehabilitation von vollständig tauben oder höchstgradig schwerhörigen Personen Funktionsprinzip: Direkte elektrische Stimulation des Hörnervs (nervus acusticus)

Komponenten eines CI-Systems Stimulator (implantiert) Sender (außen) Sprachprozessor (außen) Stimulationselektroden- array (implantiert)

Elektrodenarray in Cochlea

Komponenten eines CI-Systems Stimulationselektrodenarray Implantat (Stimulator) Sprachprozessor Energieversorgung Sender HF Signalverarbeitung HF HF Referenzelektrode HF-Kanal (Haut) extern intern

Stimulator + Elektroden

Stimulator 1

Stimulator implaniert

Standard Stimulationsstrategie "Continuous Interleaved Sampling (CIS)"

Frequenz-Ortsabbildung (Tonotopieprinzip)

CIS - Signal Processing envelope log(e)*A+K N = 1 envelope log(e)*A+K N = 2 envelope log(e)*A+K N = 3 to rf-sender A/D channel coding multiplexer envelope log(e)*A+K N = 12

Continuous-Interleaved-Sampling Strategy (CIS)

Application Specific Integrated Circuit (ASIC) * Technology: standard 0.8mm CMOS * Number of gates: Ng ~ 20 000 * Chip size: A ~ 6 x 5 mm2 * Power consumption: P < 6 mW

TEMPO+ HDO-Sprachprozessor mit Sender

Psychometrische Funktionen mit verschiedenen CI’s und von Normalhörenden Sprachmaterial: HSM-Sätze 100 80 C40+ einseitig C40+ beidseitig Normalhörende 60 5 dB 8 dB Prozent korrekt 40 Einkanal analog 20 ¥ 15 10 5 - 5 - 10 - 15 Signal/Rauschverhältnis in dB

Wirtschaftliche Relevanz Stimulatoren C40/C40+/PULSAR mit HDO-Sprachprozessor TEMPO+: > 12.000 Patienten weltweit Umsatz Fa. MED-EL: > 40 Mio. EURO/Jahr

Verbesserungspotential bei CI's - Sprachverständnis bei Störgeräusch - Musik - Tonale Sprachen (chinesisch, vietnamesisch, etc.) - Lokalisation (bilateral)

Standard CIS-Strategie - In erster Linie: Kodierung von tonotoper Information - Zeitliche Information: nur Sprachgrundfrequenz - Sehr erfolgreich bei "westlichen" Sprachen (ohne Störgeräusch)

Ziel: Repräsentation von "Feinstrukturinformation" - Zeitliche Information bis max. 1kHz

Beispiel 5 ms Band Filter Ausgang [550Hz - 880Hz]

Beispiel 5 ms Band Filter Ausgang [550Hz - 880Hz] CIS @ 1.5kpulses/s

Beispiel Band Filter Ausgang [550Hz - 880Hz] CIS @ 1.5kpulses/s 5 ms Band Filter Ausgang [550Hz - 880Hz] CIS @ 1.5kpulses/s Neuer Ansatz: Abtastung mit "Kanalspezifischen Abtastsequenzen" (CSSS)

CSSS - Konzept Hüllkurven Information - Repräsentiert in Gewichten der einzelnen Abtastsequenzen Feinstruktur Information - Repräsentiert in exakter zeitlicher Position der einzelnen Abtastsequenzen

Feinstruktur Konzepte Allgemeine Eigenschaft - Repräsentation von Feinstruktur erfordert "mehr" Pulse Grundlegende Frage - Ist CIS-Paradigma (i.e., auschließlich sequentielle Stimulation) ausreichend zur Repräsentation von Feinstruktur Information?

Äquivalente Pulse

Parallele Stimulation

Parallele Stimulation mehr Information

Parallele Stimulation geringere Versorgunsspannung

KANAL-NEBENSPRECHEN!

Maßnahmen gegen Kanalnebensprechen Bisher: - Höhere räumliche Konzentration des elektrischen Feldes (Elektrodenkonfigurationen: bipolar, tripolar, etc.) - Nachteil: Sehr hoher Leistungsverbrauch! Neuer Ansatz: - Kontrolle über Potentialverteilung in Scala Tympani - Ausgleichsrechnung bei gegebener (meßbarer) räumlicher Impulsantwort

Prinzip der Ausgleichsrechnung "Interaktionsmatrix" bei exponentieller Impulsantwort æ - d - 2 d - ( N - 3 ) d - ( N - 2 ) d - ( N - 1 ) d ö ç ÷ 1 e l e l ... e l e l e l ç ÷ - d - d - ( N - 4 ) d - ( N - 3 ) d - ( N - 2 ) d ç ÷ e l 1 e l ... e l e l e l ç ÷ - 2 d - d - ( N - 5 ) d - ( N - 4 ) d - ( N - 3 ) d ç ÷ e l e l 1 ... e l e l e l ç ÷ H = ç ... ... ... ... ... ... ... ÷ ç - ( N - 3 ) d - ( N - 4 ) d - ( N - 5 ) d - d - 2 d ÷ ç e l e l e l ... 1 e l e l ÷ ç - ( N - 2 ) d - ( N - 3 ) d - ( N - 4 ) d - d - d ÷ ç e l e l e l ... e l 1 e l ÷ ç - ( N - 1 ) d - ( N - 2 ) d - ( N - 3 ) d - 2 d - d ÷ ç ÷ è e l e l e l ... e l e l 1 ø

Prinzip der Ausgleichsrechnung Inverse Interaktionsmatrix H-1 ÷ ø ö ç è æ - = b a ... 1 H

Beispiel: Potentialverteilung in Scala Tympani bei Repräsentation eines Vokals Enfernung von Basis 5ms Enfernung von Basis