История многоканальной кохлеарной имплантации

Ключевые слова
Похожие статьи в журнале РМЖ

Читайте в новом номере

Импакт фактор - 0,593*

*пятилетний ИФ по данным РИНЦ

Регулярные выпуски «РМЖ» №23 от 27.11.2017 стр. 1720-1724
Рубрика: Оториноларингология
В статье освещаются основные этапы развития кохлеарной имплантации и определяются основные аспекты создания кохлеарных имплантатов. В 1977 г. фирма MED-EL положила начало мировой истории многоканальной кохлеарной имплантации. В ходе многолетней работы сформировались основные аспекты создания и развития кохлеарных имплантатов: создание имплантата, который бы не налагал ограничений на сигнал, используемый для стимуляции, чтобы интеллект системы заключался в компоненте, находящемся вне организма, и мог быть легко усовершенствован; бережное отношение к чувствительным структурам внутри улитки; использование для стимуляции всей длины улитки, в т. ч. апикальной области, что должно привести к широчайшему диапазону слуховых ощущений по высоте, включая очень низкий тон, сокращению процесса адаптации, длительность которого обусловлена неоднократным картированием воспринимаемого диапазона высоты тона; эргономика, которая при повседневном применении устройства пользователями имеет важнейшее значение для принятия и распространения имплантатов. В числе прочего постоянная работа над снижением энергопотребления вывела фирму MED-EL на путь создания заушных и носимых отдельно беспроводных аудиопроцессоров вместо нательных, а в конечном итоге будут разработаны полностью имплантируемые системы.

Ключевые слова: кохлеарная имплантация, многоканальный кохлеарный имплантат, глухота, аспекты создания кохлеарных имплантатов.

Для цитирования: Кузовков В.Е., Пудов В.И., Клячко Д.С. История многоканальной кохлеарной имплантации // РМЖ. 2017. №23. С. 1720-1724
The history of multichannel cochlear implantation
Kuzovkov V.E., Pudov V.I., Kliachko D.S.

St.Petersburg Research Institute of Ear, Throat, Nose and Speech

The article highlights the main stages of cochlear implantation (CI) development and defines the main aspects of the cochlear implants creation. Since 1977 the company "MED-EL" began the world history of multi-channel CI. In the course of many years of work, the main aspects of the creation and development of cochlear implants have been formed: the creation of an implant that does not impose restrictions on the signal used for stimulation, so that the intelligence of the system lies in a component that is outside the body and can be easily improved; careful attitude towards the sensitive structures inside the cochlea; use of the entire length of the cochlea, including the apical region, for stimulation, which should lead to the widest range of auditory sensations in height, including a very low tone, and helps to avoid a long adaptation process caused by remapping of the perceived pitch range; ergonomics in the daily use of the device by the recipients is essential for the acceptance and distribution of the implants. Among other things, constant struggle for power reduction has led MED-EL to the path from the body-worn to behind-the-ear and portable wireless audio processors, and ultimately, fully implantable systems will be developed.

Key words: cochlear implantation, multichannel cochlear implant, deafness, aspects of cochlear implant creation.
For citation: Kuzovkov V.E., Pudov V.I., Kliachko D.S. The history of multichannel cochlear implantation // RMJ. 2017. № 23. P. 1720–1724.

В статье освещаются основные этапы развития кохлеарной имплантации и определяются основные аспекты создания кохлеарных имплантатов для пациентов с глухотой.

История многоканальной кохлеарной имплантации     Цель данной статьи: освещение основных этапов развития кохлеарной имплантации и определение основных аспектов создания кохлеарных имплантатов. 
    Путь от первых попыток Ингеборги и Эрвина Хохмайеров, основателей фирмы MED-EL, по созданию многоканального кохлеарного имплантата в 1975 г. до коммерческого жизнеспособного устройства был отнюдь не прост. Они начали исследование кохлеарных имплантатов в то время, когда одноканальное устройство Уильяма Хауса уже было успешно имплантировано. Их цель состояла в том, чтобы спроектировать электронный имплантат, который позволил бы пользователю не только слышать звуки, но и понимать речь. Читая литературу, они пришли к выводу, что, несмотря на многие неясности, существующих знаний [1] достаточно для разработки многоканального кохлеарного имплантата. Было известно, что высота тональных ощущений зависит от расположения стимулируемых нервных волокон внутри улитки (высота зависит от расположения) и от временной структуры возбуждающего сигнала (высота зависит от периодичности). Чтобы использовать обе возможности, нужна была стимуляция слухового нерва в нескольких местах при помощи сигнала, который также достаточно подробно представлял бы временную форму речевой волны с достаточной детализацией. 
    Первой попыткой была обработка речи по типу вокодера. Аудиосигнал приходилось делить на ряд частотных диапазонов, а выходной сигнал каким-то образом нужно было преобразовать в данные для стимулирующих импульсов, прилагаемых к многоканальному электроду, введенному в барабанную лестницу внутреннего уха.
    Восьмиканальный имплантат для импульсной стимуляции с максимальной частотой 10 000 импульсов в секунду на канал был компромиссом между технической осуществимостью и требованиями к обработке речи [2]. Электронная схема состояла из устройств низкой мощности со стандартными микросхемами, иные из которых при помощи определенных хитростей также выполняли аналоговые функции; например, 8 независимых источников тока питали электродные контакты. Они были установлены на тонкослойную стеклянную подложку и размещены в герметичном корпусе. Использовались разделительные конденсаторы на всех каналах для предотвращения любого непосредственного повреждения нерва. Данные по стимуляции и питание передавались чрескожно через неповрежденную кожу при помощи индукционной связи от внешнего высокочастотного генератора.
    Разработка многоканального интракохлеарного электрода практически не вызвала затруднений. Электрод был разработан для введения в улитку через круглое окно на глубину 22–25 мм; он состоял из двух рядов очень тонкой изолированной тефлоном проволоки, заключенной в силиконовый корпус, с шарообразными стимулирующими контактами. Проводки имели форму волны для большей гибкости и мягкости, а также для того, чтобы выдерживать напряжение при растяжении. Механическая конструкция была такова, что электрод сгибался в предпочтительной плоскости для облегчения введения. Имплантат был собран лично Ингеборгой и Эрвином Хохмайерами в Лаборатории гибридных схем Технического университета Вены. Все материалы, контактирующие с тканями, были биосовместимыми. Примечательно, что концепция дизайна данного имплантата предвосхищала современные устройства: она хорошо подошла бы для стратегии непрерывной чередующейся выборки (CIS), разработанной Блейком Уилсоном (см. пояснение далее), если бы на тот момент была известна.
    После относительно короткого периода разработки в течение двух лет 16 декабря 1977 г. и в марте 1978 г. устройство было имплантировано хирургом Куртом Бурианом в Вене (рис. 1). Когда пациенты впервые пришли в лабораторию для подключения к испытательной системе, Хохмайеры были очень взволнованы. Несмотря на некоторый имеющийся тиннитус (ушной шум), удалось продемонстрировать различение высоты тона в зависимости от расположения, а второй пациент был способен уверенно различать и определять каналы стимуляции.
Рис. 1. Первая имплантация многоканального кохлеарного имплантата
    Анализируемые результаты привели к выводу, что на данной стадии и при отсутствии веры в оправданность чрескожного соединения необходимо было удостовериться в том, что стимулирующий сигнал не был ограничен имплантированными металлоизделиями или чрескожной передачей сигнала. Это также позволило бы в большей степени получать высоту звука в зависимости от периодичности. Был разработан ряд простых пассивных имплантатов с питанием через кожу, и в ближайшие годы четырехканальный имплантат получил широкое распространение. Четыре канала можно было стимулировать одновременно. В более ранних устройствах можно было переключаться между несколькими конфигурациями электродов, и после испытаний на пациентах было принято решение в пользу менее энергоемкой монополярной стимуляции – концепции, которая сейчас используется почти всеми разработчиками.
    Небольшой нательный аудиопроцессор для повседневного использования был настроен на канал, дающий наилучшие результаты. Первые несколько процессоров генерировали амплитудно-модулированный сигнал для импульсной стимуляции. С этим сигналом удалось показать некоторое понимание речи в ситуации открытого выбора без чтения по губам.
    Эти имплантаты были очень простыми в сборке. В первые годы схемы были погружены в эпоксидную смолу, используемую в кардиостимуляторах; позднее начали применяться герметичные керамические корпуса. За несколько лет было имплантировано около 500 устройств взрослым и детям.
    В 1979 г. И. и Э. Хохмайеры провели полгода в Стэнфордском университете и познакомились с Блэром Симмонсом и другими пионерами в области кохлеарной имплантации. Курсировали слухи о пациенте, который мог слышать неразборчивую речь и немного понимать ее без чтения по губам при помощи аналоговой стимуляции через чрескожное соединение [3]. Поскольку имплантаты фирмы MED-EL прекрасно подходили для данного типа сигнала, то в том же самом году было продемонстрировано некоторое понимание речи в ситуации открытого выбора в лаборатории путем широкополосной аналоговой стимуляции.
    Еще в 1979 г. 2 пациента получили соответствующую модификацию небольшого процессора для домашнего пользования, который позволил им в определенной степени понимать речь без чтения по губам в повседневной жизни всего через один канал четырехканального имплантата (рис. 2) [4]. 
Рис. 2. a – один из первых пациентов; б – первый четырехканальный имплантат и его процессор для домашнего пользования, предназначенный для широкополосной аналоговой стимуляции
    В связи с очень низким энергопотреблением имплантата и внешней обработкой был разработан первый заушный процессор для кохлеарного имплантата COMFORT (рис. 3).
Рис. 3. Система COMFORT
    Результаты, полученные в 1980 г. при использовании метода стимуляции, известного как одноканальная широкополосная аналоговая стратегия, были гораздо лучше, чем при использовании имплантата House; фактически результаты были не хуже, чем при использовании любого другого имплантата того времени, несмотря на то что в них не использовалась высота тона в зависимости от места расположения. Глубинной причиной успеха этих имплантатов, вероятнее всего, была высокая гибкость и длина электрода, позволяющие довольно глубоко вводить электроды, так что самые глубокие каналы могли достигать волокон апикальной области улитки [5].
    В начале 1990-х годов логичным казалось обогатить информацию о периодичности низкочастотного аналогового канала информацией о высоте в зависимости от расположения на дополнительных каналах. В 1991 г. пациенту хирургическим путем был установлен одобренный комбинированный аналогово-импульсный восьмиканальный имплантат [6]. Первые результаты не показали существенного улучшения.
    В это время Блейк Уилсон только что опубликовал работу, в которой предлагалась новая стратегия кодирования под названием CIS (непрерывная чередующаяся выборка). Развивая гибкий подход, был предложен имплантат (позднее названный COMBI 40), специально разработанный для надежного применения быстрой стратегии CIS [7]. Это было предложено на 3-й Международной конференции по кохлеарной имплантации, которая была организована в Инсбруке в апреле 1993 г. Эта конференция также обозначила конец эры широкополосных аналоговых кохлеарных имплантатов.
    Восьмиканальная система COMBI 40 была впервые имплантирована в январе 1994 г. Таким образом, развитие прошло полный цикл от раннего восьмиканального имплантата через широкополосные аналоговые устройства до новой многоканальной системы, хотя и на гораздо более сложном уровне. Разработка нового имплантата оказалась хорошей идеей, как показали отличные результаты многоцентрового клинического исследования. Система генерировала 1500 импульсов в секунду на канал (всего 12 000 импульсов в секунду) и приводила в действие электрод длиной 30 мм (рис. 4) [8].
Рис. 4. а – система имплантации COMBI 40 с электродом длиной 30 мм; б – электрод охватывает большую часть длины улитки, достигая ее апикальной части, как показывает рентгенограмма
    В начале 1990-х годов системы кохлеарной имплантации, сходные с описанной выше, были готовы к глобальному распространению среди взрослых и детей. Лишь четырем из множества ранних исследовательских групп на базе университета удалось разработать коммерчески реализуемые устройства. С тех пор сфера кохлеарной имплантации бурно развивается, ей посвящено множество публикаций, клинических исследований, фундаментальных исследований, попыток реабилитации, продолжается прогресс в хирургии и усовершенствуются устройства (рис. 5).
Рис. 5. Пациенты-первопроходцы
    В 1997 г. в Санкт-Петербургском НИИ уха, горла, носа и речи начались операции по установке многоканальных систем кохлеарной имплантации. На сегодняшний день более 4000 успешных операций проведено в стенах ФГБУ СПб НИИ ЛОР Минздрава России.
    Показания к применению существенно расширились. Сегодня пользователем кохлеарного имплантата может быть ребенок в возрасте нескольких месяцев и взрослый; человек с билатеральными имплантатами; пациент с частичной глухотой, использующий одновременно электрическую и акустическую стимуляцию, или человек с нормальным и неслышащим ухом (односторонней глухотой). Кроме этого были разработаны слуховые стволомозговые имплантаты для лиц, не имеющих функционального слухового нерва или улитки.

    Заключение

    Обратим еще раз внимание на основные аспекты создания и развития кохлеарных имплантатов.
    I. Создание имплантата, который не налагал бы ограничений на сигнал, используемый для стимуляции, чтобы интеллект системы заключался в компоненте, находящемся вне организма, и мог быть легко усовершенствован. Имплантат должен использовать стимулирующий сигнал, содержащий большое количество информации, тогда как извлечение звуковой информации должен выполнять мозг пациента, а не устройство. По нашему мнению, мозг выделяет речь из сигнала намного надежнее, чем любая электронная схема. Насколько известно, определение отличительных характеристик речи в самих кохлеарных имплантатах больше не используется.
    II. Бережное отношение к чувствительным структурам внутри улитки. Разрабатываемые фирмой MED-EL электроды с самого начала были мягкими и гибкими. Уже самому первому пациенту имплантировали тонкие проводки волнообразной формы.
    III. Использование всей длины улитки, в т. ч. ee апикальной области, для стимуляции должно привести к широчайшему диапазону слуховых ощущений по высоте, включая очень низкий тон, и позволить избежать длительного процесса адаптации, обусловленного неоднократным картированием воспринимаемого диапазона высоты тона.
    IV. Эргономика при повседневном применении устройства пользователями имеет важнейшее значение для принятия и распространения имплантатов. В числе прочего постоянная работа над снижением энергопотребления вывела фирму MED-EL на путь создания заушных и носимых отдельно беспроводных аудиопроцессоров вместо нательных, а в конечном итоге будут разработаны полностью имплантируемые системы.
Литература
1. Kiang N.Y.S., Moxon E.C. Physiological consider¬ations in artificial stimulation of the inner ear // Ann. Otol. Rhinol. Laryngol. 1972. Vol. 81. P. 714–730.
2. Desoyer I., Hochmair E. Implantable eight-channel stimulator for the deaf // Proc. Eur. Solid State Circuits Conference. 1977. P. 87–89.
3. Michelson R.P., Schindler R.A. Multichannel cochlear implant. Preliminary results in man // Laryngoscope. 1981. Vol. 91. P. 38–42.
4. Hochmair-Desoyer I.J., Hochmair E.S., Burian K., Fischer R.E. Four years of experience with cochlear prostheses // Med. Prog. Technol. 1981. Vol. 8. P. 107–119.
5. Tyler R.S. Open-set word recognition with the 3M/Vienna single-channel cochlear implant // Arch. Otolaryngol. Head Neck Surg. 1988. Vol. 114. P. 1123–1126.
6. Hochmair-Desoyer I.J., Zierhofer C., Hochmair E.S. New hardware for analog and combined analog and pulsatile sound-encoding strategies // Prog. Brain Res. 1993. Vol 97. P. 291–300.
7. Helms J. et al. Evaluation of performance with the COMBI40 cochlear implant in adults: a multicentric clinical study // ORL J. Otorhinolaryngol. Relat. Spec. 1997. Vol. 59. P. 23–35.
8. Hochmair I. et al. Deep electrode insertion in cochlear implants: apical morphology, electrodes and speech perception results // Acta Otolaryngol. 2003. Vol. 123. P. 612–617.
9. Schoen F., Mueller J., Helms J., Nopp P. Sound localization and sensitivity to interaural cues in bilateral users of the Med-El Combi 40/40+ cochlear implant system // Otol. Neurotol. 2005. Vol. 26. P. 429–437.

Только для зарегистрированных пользователей

зарегистрироваться

Поделитесь статьей в социальных сетях

Порекомендуйте статью вашим коллегам

Предыдущая статья
Следующая статья

Авторизируйтесь или зарегистрируйтесь на сайте для того чтобы оставить комментарий.

зарегистрироваться авторизоваться
Наши партнеры
Boehringer
Jonson&Jonson
Verteks
Valeant
Teva
Takeda
Soteks
Shtada
Servier
Sanofi
Sandoz
Pharmstandart
Pfizer
 OTC Pharm
Lilly
KRKA
Ipsen
Gerofarm
Farmak
Egis
Зарегистрируйтесь сейчас и получите доступ к полезным сервисам:
  • Загрузка полнотекстовых версий журналов (PDF)
  • Медицинские калькуляторы
  • Список избранных статей по Вашей специальности
  • Видеоконференции и многое другое

С нами уже 50 000 врачей из различных областей.
Присоединяйтесь!
Если Вы врач, ответьте на вопрос:
Ликвор это:
Нажимая зарегистрироваться я даю согласие на обработку моих персональных данных
Зарегистрироваться
Если Вы уже зарегистрированы на сайте, введите свои данные:
Войти
Забыли пароль?
Забыли пароль?