Cochlea-Implantate

Clemens Zierhofer

Christian Doppler Labor für Aktive Implantierbare Systeme Institut für Angewandte PhysikUniversität 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)

Stimulationselektroden-array (implantiert)

Sprachprozessor(außen)

Stimulator(implantiert)

Sender(außen)

Komponenten eines CI-Systems

Elektrodenarray in Cochlea

Komponenten eines CI-Systems

Signalverarbeitung

SprachprozessorEnergieversorgung

HF

Implantat (Stimulator)

Stimulationselektrodenarray

Referenzelektrode

Sender

HF-Kanal (Haut)

HFHF

extern intern

Stimulator + Elektroden

Stimulator

Stimulator implaniert

Standard Stimulationsstrategie

"Continuous Interleaved Sampling (CIS)"

Frequenz-Ortsabbildung (Tonotopieprinzip)

CIS - Signal Processing

A/D

envelope log(e)*A+K

channelcoding

envelope log(e)*A+K

envelope log(e)*A+K

envelope log(e)*A+K

to rf-sender

mul

tipl

exer

N = 1

N = 2

N = 3

N = 12

Continuous-Interleaved-Sampling Strategy (CIS)

E1

E2

E3

E4

E11

E12

Application Specific Integrated Circuit (ASIC)

* Technology: standard 0.8m 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 FunktionenPsychometrische Funktionen mit verschiedenen CI’s und von NormalhörendenSprachmaterial: HSM-Sätze

0

20

40

60

80

100

15 10 5 0 - 5 - 10 - 15

8 dB5 dB

Signal/Rauschverhältnis in dB

Proz

ent k

orre

kt

C40+ einseitig

C40+ beidseitig

Einkanal analog

Normalhörende

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

Band Filter Ausgang[550Hz - 880Hz]

5 ms

Beispiel

Band Filter Ausgang[550Hz - 880Hz]

5 ms

CIS @ 1.5kpulses/s

Beispiel

Band Filter Ausgang[550Hz - 880Hz]

5 ms

CIS @ 1.5kpulses/s

Neuer Ansatz:Abtastung mit "KanalspezifischenAbtastsequenzen"(CSSS)

Hüllkurven Information - Repräsentiert in Gewichten der einzelnen Abtastsequenzen

Feinstruktur Information - Repräsentiert in exakter zeitlicher Position der einzelnen Abtastsequenzen

CSSS - Konzept

Allgemeine Eigenschaft - Repräsentation von Feinstruktur erfordert "mehr" Pulse

Feinstruktur Konzepte

Grundlegende Frage - Ist CIS-Paradigma (i.e., auschließlich sequentielle Stimulation) ausreichend zur Repräsentation von Feinstruktur Information?

Äquivalente Pulse

T

Parallele Stimulation

T

mehr Information

Parallele Stimulation

geringere Versorgunsspannung

T

Parallele Stimulation

KANAL-NEBENSPRECHEN!

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

Maßnahmen gegen Kanalnebensprechen

"Interaktionsmatrix" bei exponentieller Impulsantwort

1ee...eee

e1e...eee

ee1...eee

.....................

eee...1ee

eee...e1e

eee...ee1

dd2d)3N(d)2N(d)1N(

ddd)4N(d)3N(d)2N(

d2dd)5N(d)4N(d)3N(

d)3N(d)4N(d)5N(dd2

d)2N(d)3N(d)4N(dd

d)1N(d)2N(d)3N(d2d

H

Prinzip der Ausgleichsrechnung

Inverse Interaktionsmatrix H-1

0

0

ba0...000

aba...000

0ab...000

.....................

000...ba0

000...aba

000...0ab

1-H

Prinzip der Ausgleichsrechnung

Beispiel: Potentialverteilung in Scala Tympani bei Repräsentation eines Vokals

Enf

ernu

ng v

on B

asis

5ms

Enf

ernu

ng v

on B

asis