Физиологическое обоснование метода кохлеарной имплантации

26 Февраля в 1:24 1497 0


В идеале, для воспроизведения периферического частотного анализа в системах кохлеарной имплантации должна быть предусмотрена независимая стимуляция сегментов улитковой перегородки, по ширине соответствующих спектральной ширине эквивалентного фильтра, характеризующего частотный анализ акустического сигнала в норме, т.е. критической полосе слухового восприятия.

Как известно, ширина сегментов улитковой перегородки, соответствующих критической полосе, составляет около 0,9 мм. Всего можно выделить около 35 критических полос, перекрывающих весь диапазон слышимых частот. Исходя из этого, минимальное количество независимых каналов стимуляции должно было бы составить 35.

Если учесть психоакустические данные, полученные при применении вокодеров, количество каналов может быть ограничено 10. При этом они должны располагаться через каждые 1,5 мм, что соответствует 300 Гц. Это обеспечивает перекрывание системой до 15 мм улитковой перегородки на отрезке от 10 до 25 мм от основания стремени.

Минимальные требования для многоканальной электрической стимуляции волокон слухового нерва
Минимальные требования для многоканальной электрической стимуляции волокон слухового нерва

Большинство разрабатываемых в настоящее время систем удовлетворяют этим требованиям, а некоторые из них даже приближаются к описанным выше идеальным условиям. Так, системы Nucleus доминирующая на рынке кохлеарных имплантов, обеспечивает независимую стимуляцию 22 сегментов улитковой перегородки.

Возбуждение слухового нерва при этом носит локальный характер: как показали специальные исследования (Clark G.M. et al., 1987), пороги ответов различных нейронов нижнего двухолмия на электрическую стимуляцию одного и того же электрода отличаются даже у нейронов с разницей в характеристических частотах, соответствующей расстоянию вдоль улитковой перегородки, не превышающему 0,75 мм.

Однако, наклон частотно-пороговой кривой (около 6-10 дБ/окт. в низкочастотной области и около 10-15 дБ/окт. в высокочастотной), значительно отличается от наклона частотно-пороговых кривых ответа афферентных волокон слухового нерва на акустическую стимуляцию (около 90-180 дБ/окт. в низкочастотной области и около 200-600 дБ/окт. в высокочастотной для волокна с характеристической частотой около 12 кГц).

Это приводит к тому, что увеличение амплитуды электрического стимула всего в 2 раза (на 6 дБ) сопровождается расширением области возбуждения улитковой перегородки примерно в 3 раза (до 2,25 мм).
Аналогичное расширение области возбуждения при акустическом раздражении нормальной улитки возникает лишь после увеличения интенсивности стимула не менее, чем на 50 дБ.

К счастью, интенсивность импульсации волокна слухового нерва, а, соответственно, и громкость слухового ощущения, нарастают при увеличении амплитуды электрического стимула на несколько порядков быстрее, чем при увеличении интенсивности акустического стимула. Соответственно, электрический стимул с амплитудой, на 6 дБ превышающей порог ответа волокна, вызывает афферентный поток больший, чем акустический стимул интенсивностью 40 дБ над порогом.

Характеристики разрядов волокон слухового нерва при акустической и электрической стимуляции
Характеристики разрядов волокон слухового нерва при акустической и электрической стимуляции

Психоакустические исследования показали, что у имплантированных больных диапазон изменений амплитуды электрических стимулов, соответствующий изменениям громкости слухового восприятия от минимального до максимального (дискомфорт), составляет 6-12 дБ. Это свидетельствует о том, что область возбуждения улитковой перегородки охватывает не более 2-4 мм по обе стороны от стимулирующего электрода даже при максимальной интенсивности стимуляции, что, в свою очередь, может обеспечить лицам, использующим современные кохлеарные импланты, способность к высокому разрешению пространственно разнесенных стимулов.

У большинства больных, оглохших после приобретения речевых навыков, отмечается значительный адаптационный период (несколько месяцев), в течение которого они "привыкали" к необычному слуховому ощущению, вызванному электрической стимуляцией. По окончании этого периода больные уверенно определяют стимуляцию электродов, расположенных в различных местах вдоль улитки, как звуки, отличающиеся по "высоте". Такие различия в "высоте" звука испытуемые отмечали даже при стимуляции большинства близлежащих электродов, т.е. электродов, расстояние между которыми составляло 0,75 мм.

Способность различать пространственно разнесенные стимулы и, соответственно, стимулы различной частотной окраски у всех испытуемых примерно одинакова и весьма высока. Несмотря на это, уровни восприятия речевого материала у них резко отличались. Даже учитывая различия в интенсивности тренировочной слуховой работы каждого из больных, результаты речевых тестов у них отличаются столь значительно, что это позволяет предположить существование каких-то других физиологических факторов, помимо частотного анализа, решающим образом влияющих на разборчивость речи имплантированными пациентами.

Одним из таких факторов по современным представлениям является способность имплантированного больного к анализу временных характеристик акустического сигнала. Действительно, патологический процесс, приводящий к сенсоневральному поражению слуха, по-видимому, не затрагивает механизмов временного анализа.

Более того, эти механизмы могут быть задействованы с высокой эффективностью: описаны случаи неожиданно хороших результатов, вплоть до понимания незнакомых предложений исключительно на слух, полученные у больных с одноканальными кохлеарными имплантами, т.е. в условиях, когда нет раздельной стимуляции различных участков улитковой перегородки, и вся информация о речевом сигнале основывается на его временных характеристиках.

Однако, исследование способности имплантированных больных к временному анализу крайне сложно. Это, прежде всего, обусловлено отсутствием общепринятых методов тестирования эффективности временного анализа речи в слуховой системе, а также тем, что электрическая стимуляция вызывает афферентный поток, временная структура которого абсолютно не соответствует структуре афферентного потока, возникающего при акустической стимуляции, что, в свою очередь, затрудняет анализ временных параметров в слуховой системе.

Основное отличие электрической стимуляции от акустической заключается в том, что первая вызывает ответы волокон слухового нерва с высокой степенью синхронизации и соответствия фазе стимула. На относительно низких частотах (когда межстимульный интервал короче рефрактерного периода слухового нерва, т.е. не превышает нескольких миллисекунд) каждый стимул через фиксированный промежуток времени сопровождается генерацией спайка в афферентном волокне слухового нерва.

На высоких частотах электрической стимуляции нервный ответ претерпевает еще более существенные изменения. Начало ответа представляет собой синхронный залп спайков, за которым следуют периодические всплески активности с периодом, равным времени относительной рефрактерности нейрона. Таким образом, в афферентном потоке возникает частота, не связанная с частотой стимула, а определяемая исключительно свойствами нейронов. Естественно, что при акустической стимуляции не наблюдается ни резко выраженного синхронного залпа в начале стимуляции, ни периодичности, связанной с рефрактерным периодом волокна.

Другим характерным свойством нервного ответа на акустическую стимуляцию является временная огибающая, свойства которой достаточно хорошо изучены. Ответ волокна на тональную посылку характеризуется выраженным пиком на протяжении первых 1-2 мс. Затем частота спайков экспоненциально снижается и достигает постоянных значений через десятки миллисекунд. При отключении стимула интенсивность импульсации афферентного волокна снижается до уровня ниже спонтанной активности, а далее - экспоненциально восстанавливается до исходных предстимульных значений.



При электрической стимуляции начальный разряд слуховых волокон намного более выражен, однако отсутствует кратковременный экспоненциальный адаптационный спад активности. Что же касается момента отключения стимула, то из-за отсутствия тонических разрядов афферентных волокон после повреждения улитки, адаптационные процессы, подобные процесам, наблюдаемым в норме, в этот момент практически возникнуть не могут. Следует отметить, что адаптационные процессы, подчеркивая быстрые изменения звукового давления, участвуют в предварительной обработке речевого сигнала. Отсутствие подобной обработки, возможно, приводит к резкому ухудшению восприятия речи.

Суммируя приведенные данные, можно заключить, что, хотя современные системы кохлеарной имплантации и обеспечивают удовлетворительную имитацию процессов периферического частотного анализа в слуховой системе, воспроизведение нормальной временной обработки сигнала, тем не менее, все еще далеко от разрешения. Это, в свою очередь, позволяет предположить, что дальнейшее совершенствование систем кохлеарной имплантации, прежде всего, может быть достигнуто при оптимизации стратегии стимуляции слухового нерва, а именно, при получении в ответ на электрическую стимуляцию более естественного афферентного потока.

Нормальная улитка

Для понимания принципов действия кохлеарного импланта остановимся вкратце на наиболее важных свойствах нормально функционирующей улитки. Звуковые волны через наружный слуховой проход поступают к барабанной перепонке, колебания которой приводят в движение слуховые косточки. В свою очередь, движения стремени передаются жидкостям внутреннего уха.

При передаче движений через жидкости лестницы преддверия вызываются сгибательные движения волосковых клеток, сопровождающиеся химической реакцией в теле клеток, трансформирующейся в электрические импульсы. Эти импульсы активируют клетки спирального ганглия в пределах канала Розенталя и передаются далее по волокнам слухового нерва к стволу мозга и слуховой коре.

Кохлеарный имплант предназначен для обеспечения нефункционирующей слуховой периферии (патологический процесс локализован на уровне волосковых клеток) возможности воспринимать информацию об окружающих звуках, речевых сигналах и музыки наиболее физиологичным способом. Это означает, что имплантированные больные в идеале должны воспринимать звуки через сохранные функционирующие слуховые проводящие пути.

Учитывая, что при тотальной глухоте поражена улитка, логичной является непосредственная стимуляция волокон слухового нерва в обход улитки. Именно так и работают кохлеарные импланты, активирующие нейроны, расположенные за волосковыми клетками.

Патологическая улитка

Основным критерием для определения показаний к кохлеарной имплантации является повреждение большинства волосковых клеток. Это означает, что информация передается через нормально функционирующее среднее ухо, а далее из-за патологии улитки не преобразуется в электрические сигналы, передаваемые в норме через слуховой нерв.

Причина, препятствующая передаче слуховой информации, может находиться и на уровне ствола или слуховой коры, что является противопоказанием к кохлеарной имплантации. При повреждении волокон слухового нерва в настоящее время с успехом используются стволомозговые импланты. При патологии на уровне коры головного мозга современные технологии не могут обеспечить компенсации утраченной функции.

Типы глухоты у больных, являющихся кандидатами для кохлеарной имплантации, варьируют от генетической, наследственной или неизвестной, до травматической или связанной с инфекциями. Выраженностью патологии определяется степень подавления функции волосковых клеток и волокон слухового нерва, а также эффективность передачи информации через улитку.

Функция нормальной и патологической улитки
(а) нормальная улитка; (б) патологическая улитка; (в) имплантированная улитка

Схематически представлена функция нормальной и патологической улитки. В норме сохранены все клетки спирального ганглия и нервные волокна. Звуковая волна, достигающая улитки, возбуждает нервные волокна, при этом паттерн возбуждения соответствует входному сигналу. Представлена частично развернутая открытая улитка, в которой патологическим процессом повреждены волосковые клетки, клетки спирального ганглия и нервные волокна. В данном случае, акустический сигнал не достигает сохранных нервных волокон.

При повреждении волосковых клеток не может быть запущен механизм химико-электрических преобразований. Представлена улитка с кохлеарным имплантом. Электроды электрически активируют клетки спирального ганглия и нервные окончания, стимулируя паттерн, соответствующий входному сигналу. Однако, как следует из рисунка, электрически вызванный паттерн не полностью соответствует по параметрам паттерну, имеющему место в норме.

Волокна слухового нерва, подходящие к улитке, имеют четкую тонотопическую организацию: волокна, передающие высокие частоты, расположены у основания улитки, в то время как волокна, передающие низкие частоты, расположены в верхушечной области. Данная предсказуемая ориентация позволяет выделять и передавать частотно-специфичные особенности речи или других акустических сигналов к слуховому нерву при расположении электродов в лестнице улитки.

Локализация электродов вдоль лестницы способствует определению частотной информации, а величина тока (в микроамперах) определяет амплитуду. При использовании психоакустической терминологии это означает, что слуховому нерву обеспечивается передача высоты и громкости сигнала. Тонотопическая организация улитки является определяющей для передачи речевой информации. Она может быть сравнена с сериями частотных полосовых фильтров, расположенных вдоль улитки.

Спектральная информация, связанная с речью, проходит через эти фильтры и объединяется в мозгу, формируя смысловые единицы разговорного языка.

Схематическое отражение различий между слуховым аппаратом и кохлеарным имплантом
Схематическое отражение различий между слуховым аппаратом и кохлеарным имплантом

При наличии оставшихся функционирующих волосковых клеток (остаточный слух) слуховой аппарат обеспечивает усиление входящих сигналов, вовлекая большое количество нервных волокон и обеспечивая, тем самым, слуховое ощущение. Однако, если повреждено большинство волосковых клеток на значительном протяжении вдоль улитки, даже при использовании большого усиления слуховое ощущение не вызывается.

Больные с глухотой, использующие слуховые аппараты, имеют проблемы с тонотопическим отражением высоты сигнала, что обусловлено недостаточным количеством волосковых клеток в различных областях улитки. Эти больные получают некоторую акустическую информацию при пользовании слуховыми аппаратами, однако, этой информации недостаточно для понимания речи. Данная группа больных должна рассматриваться в качестве потенциальных кандидатов на кохлеарную имплантацию.

Электроды могут располагаться на медиальной стенке барабанной полости (экстракохлеарные), в лестнице улитки (интракохлеарные), в модиолюсе или на поверхности улитковых ядер. Наименее инвазивными являются экстракохлеарные электроды, наиболее инвазивными - электроды, располагаемые на поверхности улитковых ядер. Наиболее широкое распространение получили внутриулитковые электроды.

Расположение многоканальных электродных систем в лестнице улитки вблизи к окончаниям сохранных нервных волокон обеспечивает воспроизведение пространственного представления частот, характерного для нормальной улитки. Так, наличие высокочастотных звуков отражается в стимуляции электродов, расположенных у основания улитки, в то время как наличие низкочастотных звуков отражается в стимуляции электродов, расположенных у верхушки.

Качество пространственного отражения частотной информации зависит от числа и расположения независимых мест стимуляции.

Я.А. Альтман, Г. А. Таварткиладзе
Похожие статьи
  • 24.02.2013 37113 15
    Тональная пороговая аудиометрия

    Тональная пороговая аудиометрия осуществляется при помощи аудиометров, которые производятся многими фирмами и отличаются друг от друга по функциональным возможностям и по возможностям управления. В них предусмотрен набор частот 125, 250, 500, 750, 1000, 1500, 2000, 3000, 4000, 6000, и 8000 Гц (в...

    Аудиология
  • 24.02.2013 24541 7
    Тимпанометрия

    Первые работы, посвященные тимпанометрии, содержали описание отдельных тимпанограмм, характерных для той или иной патологии (Terkildsen, Thomsen, 1959; Brooks, 1968; 1969). Позднее были разработаны классификации тимпанограмм, из которых наибольшее распространение получили взаимно дополняющие...

    Аудиология
  • 20.02.2013 7109 10
    Слуховые вызванные потенциалы. Часть 1

    Исследование этого класса реакций определяется возможностью неинвазивной (т.е. с поверхности черепа) регистрации суммарной электрической активности слуховых центров у человека и животных. В виду малой амллитуды реакций при таком способе регистрации и значительного уровня помех за счет других...

    Аудиология
показать еще
 
Оториноларингология