Cochlea-Implantate Clemens Zierhofer

Präsentation zum Thema: "Cochlea-Implantate Clemens Zierhofer"—  Präsentation transkript:

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

2 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)

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

4 Elektrodenarray in Cochlea

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

6 Stimulator + Elektroden

7 Stimulator 1

8 Stimulator implaniert

9 Standard Stimulationsstrategie "Continuous Interleaved Sampling (CIS)"

10 Frequenz-Ortsabbildung (Tonotopieprinzip)

11 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

12 Continuous-Interleaved-Sampling Strategy (CIS)

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

14 TEMPO+ HDO-Sprachprozessor mit Sender

15 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

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

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

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

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

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

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

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

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

24 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?

25 Äquivalente Pulse

26 Parallele Stimulation

27 Parallele Stimulation
mehr Information

28 Parallele Stimulation
geringere Versorgunsspannung

29 KANAL-NEBENSPRECHEN!

30 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

31 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

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

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