protesis_coclear

Capıtulo 10

Protesis Cocleares: Una Introduccion

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CAPITULO 10. PROTESIS COCLEARES 21

10.1. Introduccion

La mejora en la percepcion del habla (Osberger et al.,2000;Anderson et al., 2002; Parkinson etal.,2002) que gozan los usuarios con perdida de audicion usando los sistemas de implante coclearde hoy, ubica a estos segundos luego de los marcapasos cardıacos como las protesis neuronalesmas exitosas. Mientras este exito se construye en el marco de los modernos avances en camposcomo la medicina, fisiologıa auditiva y psicofısica, ciencias materiales, ingenierıa electrica, ytecnologıa electronica, la idea del uso de electricidad para obtener sensaciones de audicion, datadel siglo XVIII (para pruebas orientadas alrededor de la audicion, ver Simmons,1996;Niparko andWilson,2000). El proposito de este capıtulo es introducir las bases para la implantacion coclear,discutir los beneficios asociados con los dispositivos vigentes, y proveer un ejemplo acerca decomo los investigadores enfocan su tarea en el mejoramiento de estos dispositivos.

10.2. Fundamento logico

El panel frontal de la figura 10.1 presenta un diagrama esquematico y simple del sistemaauditivo periferico humano. Las senales acusticas entrantes al canal auditivo son conducidas porel oıdo medio a la coclea donde la energıa mecanica del sonido es traducida a impulsos nerviososen las fibras del nervio auditivo. Por ejemplo, un tono alto causa efecto sobre la membrana basilarvibrando principalmente cerca de la base de la coclea. Estos causa sobre las celulas ciliadas quese libere el transmisor neural que obtiene picos electricos en el nervio haciendo contacto sinapticocon esas celulas. Para un tono bajo, la maxima vibracion de la membrana esta cerca del apicecoclear, y el numero de picos electricos conducidos por unidad de tiempo a traves de las fibrasnerviosas, tendera a incrementarse. Para senales acusticas mas complicadas como el habla, elpatron espacio-temporal de la actividad del pico en el arreglo de fibras nerviosas es mas complejo.Es este patron espacio-temporal de la actividad del pico que conduce las sensaciones de sonido deun oyente normal usadas para reconocer habla, disfrutar musica, e identificar/localizar fuentesde sonido.


Figura 10.1: Diagramas esquematicos del sistema auditivo periferico humano. Las senales acusti-cas entran al canal auditivo por la izquierda y estimulan la membrana timpanica (tımpano) paravibrar. Los 3 huesecillos del oıdo medio (martillo, yunque y estribo) conducen la senal acustica ala base de la coclea donde el extremo del estribo es asegurado con la membrana oval de la cocleaa traves del ligamento anular (representado por los cırculos a cada lado del extremo del estribo).La coclea es un canal es forma de espiral de aproximadamente 32 mm de largo que se convierteen hueso en el craneo temporal que es adherido con fluido. Para el proposito de este diagrama, lacoclea es desenrollada y representada por un tubo. La ventana circular, una segunda apertura dela base de la coclea, esta cubierta por una membrana que permite el desplazamiento de fluidoscomo respuesta a la vibracion del estribo. La membrana basilar recorre el largo de la cocleay esta “seteado” mecanicamente con el maximo desplazamiento vibracional en la base, el cualocurre para tonos de altas frecuencias y en el apice para tonos de baja frecuencia. Las lıneasverticales representan fibras nerviosas formando conexiones sinapticas con el sistema sensorialde celulas ciliadas situadas en el organo de Corti en la membrana basilar. El panel superiorrepresenta la condicion normal de audicion con un complemento total de celulas ciliadas (aprox.1500) y fibras nerviosas (aprox. 30000). El numero y la distribucion de celulas ciliadas y fibrasnerviosas para las afecciones moderadas y severas de audicion son mostradas en el panel medioe inferior.


Figura 10.2: Diagrama esquematico de un sistema de implante coclear. El procesador de so-nido frecuentemente incluye un procesador de senal digital (chip) usada para implementar laestrategia de procesamiento de sonido que traduce la salida del microfono en instrucciones quecontrolan el estimulador implantado. La antena transmisora (el disco conectado mediante unfino cable al procesador detras de la oreja) y la antena receptora (como una moneda) incluyenun pequeno iman. Estos imanes presionan la antena transmisora contra la piel sobre el implante.El estimulador entrega corrientes electricas al arreglo de electrodos implantados de forma directapor las instrucciones enviadas por el procesador de sonido. Estas corrientes obtienen picos enlas fibras auditivas nerviosas en la region del respectivo electrodo. (La fotografıa de un vigenteprocesador de sonido y receptor/estimulador con arreglo de electrodos son usados con permisode “Advanced Bionics Incorporated”).

El panel central de la figura 10.1 representa la perdida de celulas ciliadas y fibras nerviosas,las cuales son la causa de la mayorıa de las deficiencias auditivas. Porque fibras nerviosas sincelulas ciliadas no seran excitadas por senales acusticas, no es difıcil imaginar que el patron deactividad de pico visto por el cerebro in esta situacion sera una version distorsionada de aquelproducido por el sistema de audicion normal. Dependiendo del numero de celulas ciliadas que seperdieron, individuos en esta categorıa de deficit pueden derivar en un gran beneficio respectode los clasicos auxilios auditivos que amplifican la senal acustica para restablecer mas de lascelulas ciliadas restantes. La condicion de defecto o profundo perjuicio auditivo es representadaen el panel inferior de la figura 10.1. Hay pocas celulas ciliadas y un numero insignificante defibras nerviosas se han degenerado. En este caso, un auxilio auditivo no ayudara porque haypocas(o no hay) celulas ciliadas para traducir la energıa sonora en los patrones de actividad depico que llevan la informacion de la senal acustica. Aquı es donde un implante coclear puedeser beneficioso. Los componentes basicos de un sistema de implante coclear son mostrados en lafigura 10.2. El procesador de sonido traduce la senal del microfono a instrucciones que controlarla unidad receptor/estimulador implantada en el hueso justo debajo de la piel detras de la orejadel paciente. Las instrucciones son transmitidas hacia el receptor/estimulador mediante la pielusando un transmisor modulador de RF (radio frecuencia). La energıa en la senal acarreada esusada para alimentar el receptor/estimulador, y las instrucciones controlan el estımulo electricoenviado a cada electrodo implantado en la coclea. Los implantes de hoy consisten en 16 a 24electrodos. En el caso de tonos bajos, el procesador de sonido traduce la senal de salida delmicrofono en instrucciones que resultan en el estimulador, manejando relativamente electrodosapicales y las faltantes fibras nerviosas estimuladas in la region apical de la coclea. Para uncomplejo estımulo como el habla, un set de estımulos mas complejos podrıa ser distribuidosobre muchos electrodos implantables, obteniendo un patron de actividad de pico mas complejoen el arreglo de fibras nerviosas faltantes. El reto es desarrollar estrategias de procesamiento


de sonido, estimuladores, y arreglos de electrodos que, para cualquier sonido del microfono,trabajen juntos para obtener patrones de actividad de pico en las fibras nerviosas que imitenaquellas que se podrıan generar en una audicion normal. Si esto puede ser posible, una personaque oye normalmente antes de los 20 anos, se vuelve sordo, y es implantado con aquel sistemapodrıa entender el habla con un pequeno entrenamiento. Desafortunadamente, los dispositivosno proveen ese nivel de performance para la mayorıa de los pacientes implantados.


Figura 10.3: En el panel superior, cada barra representa el puntaje de palabras monosılabas(test NU-6) de un paciente medido sin lectura de labios y luego usando su implante coclearpor al menos 3 meses. Los resultados son para un total de 36 pacientes implantados en el“Massachusetts Eye and Ear Infirmary” durante un periodo reciente de 8 meses. El panel inferiorpresenta puntajes de “oracion/recepcion” medidos en tres condiciones diferentes (1: paciente sinlectura de labios; 2: lectura de labios con el implante apagado; 3: lectura de labios con el implanteencendido) para los 5 pacientes mas pobres en performance mostrados en el panel superior. Lasoraciones CID usadas en este testeo son mas faciles que las palabras monosilabicas por su altocontexto (e.g. los puntajes de los sujetos 4 y 5 son sustancialmente mas altos en el caso delimplanto solo con oraciones que en el de palabras monosilabicas).


10.3. Performance

El panel superior de la figura 10.3 muestra performance medida en 36 pacientes implantadoscon un dispositivo reciente usando un test de palabras monosilabicas. Notar el amplio rango deperformance medida en estos pacientes (una persona normal puntua 100 % en esta tarea). Soloaquellos puntajes mejores al 70 % en esta tarea podrıan ser viables para llevar una conversacionrelativamente fluida sin lectura de labios (ej. usando el telefono). Esta claro que estos resultadosestan lejos de lo practicamente normal para los implantados y se podrıa hacer uno maravillosoporque aun en la peor performance son tıpicamente entusiastas acerca del beneficio que ellosreciben y usan su dispositivo todo el dıa, todos los dıas. El panel inferior de la figura 10.3 es masrepresentativo del beneficio ganado por estas pobres performances de los pacientes. Aquı, unamedida de reconocimiento frases en alto contexto (la mas comun en las comunicaciones de lavida diaria) es usada para caracterizar la performance de los 5 pacientes con peor performancedel panel superior para 3 condiciones de escucha: (1) implante solo; (2) lectura de labios solo; y(3) implante mientras hay lectura de labios (la condicion mas comun en la vida diaria). Notarque cuando la lectura de labios es combinada con la sensacion de sonido del implante, el beneficiopara la recepcion del discurso es generalmente mejor que la suma de los puntajes obtenidos paralos dos casos por separado. Aun en la peor performance de los sujetos son capaces de comunicarsea un nivel que produce movimientos en el mundo auditivo mucho mas facil y menos estresante.

Figura 10.4: Diagrama que ilustra sitios potenciales donde la informacion transferida puede serlimitada. Empezando por la izquierda s(t) representa una senal acustica (ej. discurso) transpor-tando informacion que debe ser transferida al cerebro (ultimo bloque). El sistema de implantecoclear (representado por el bloque “signal processing”) traduce s(t) en N canales de estimula-cion electrica, cada uno representado con una lınea iN. El bloque “nerve excitation” representala interaccion de estas senales estımulos con el arreglo de fibras nerviosas restantes para producirpatrones de actividad de pico que son interpretados por el cerebro.

10.3.1. Mejorando el rendimiento: Una perspectiva universal

Mientras los pacientes usan hoy sistemas de implantes cocleares debido a su beneficio en lacomunicacion cotidiana, un numero de grupos de investigacion estan trabajando en identificarfactores que limitan la performance y tecnicas de desarrollo para superar estas. La figura 10.4muestra una perspectiva general que ha sido exitosa. La senal acustica es representada por s(t), lacual incluye toda la informacion para ser transferida al cerebro en una forma que pueda utilizarse.El sistema de implante coclear traduce esta senal en un numero de senales estimulantes en laforma de las vigentes formas de onda que son entregadas a las restantes fibras nerviosas por loselectrodos implantables. Dependiendo del procesamiento de senal utilizado, la informacion totalrepresentada en este juego de senales de estimulacion, puedo o no incluir toda la informacion


de la senal acustica original. Si la senal obtenida es menor a la original, modificaciones enel procesamiento de la senal para eliminar informacion de distorsion puede ser un paso paraempezar en la mejora de la performance. Aun si el total de la informacion en la senal acusticaes transferida al patron de picos en las fibras nerviosas restantes, esto no significa que seaninterpretados apropiadamente por el cerebro. Por ejemplo, muchos de las estrategias actualesde procesamiento de sonido dividen el espectro de sonido en un numero (16 a 24) de analisisde banda que cada una maneja un electrodo intra-coclear diferente. Si el mapeo del canal deanalisis al canal de estimulacion fueran inversos(ej. Estımulo generado por canales de analisis debaja frecuencia se entregan a mas electrodos basales y en canales de salida de alta frecuencia amas electrodos apicales), es concebible que la informacion contenida se complete en las formasde onda del estımulo y en el patron de actividad de pico espacio-temporal en el arreglo de fibrasnerviosas, pero que el cerebro no sea capaz de interpretarlas apropiadamente.

Figura 10.5: El diagrama de bloques ilustra la estrategia de procesamiento de un sonido analogi-co usado por el sistema de implante coclear “Ineraid”. El control de ganancia automatico (AGC)actua para comprimir niveles de entrada del microfono bajo un criterio especıfico. Esto es impor-tante porque la intensidad del sonido varia bajo un rango de 120 dB, mientras el rango del nivelde estımulo que produce sensaciones de sonido desde el umbral hasta un volumen confortablepara un electrodo de un implante intra-coclear es raramente mejor que 24 dB. La respuestas demagnitud de los 4 filtros analogicos pasa-banda usados para dividir el espectro de sonido en 4segmentos son mostradas en el ultimo grafico. La salida de cada filtro es convertida de una ondade voltaje a una forma de onda de corriente (V/C ) a una fuente conversora y luego entregadaa su respectivo electrodo intra-coclear de estimulacion. El camino de retorno para todos loselectrodos es un electrodo lejano ubicado en el musculo temporal.

10.3.2. Mejorando el rendimiento

A modo ilustrativo de como uno puede identificar un factor sospechoso de informacion distor-sionada y luego implementar un cambio en el procesamiento de sonido destinado a corregirlo, un


caso es presentado en el cual fue util disminuir la informacion en las formas de onda del estımuloen un esfuerzo de para eliminar distorsiones que ocurren en el punto de “nerve excitation” mos-trado en la figura 10.4. El panel superior de la figura 10.5 ilustra la estrategia de procesamientode sonido usada para 14 pacientes que seguiremos en este ejemplo. La informacion en la senalacustica contenidos en este ancho del procesador (100 a 4000 Hz) se conserva sustancialmentecuando uno combina la senal entregada con los electrodos. Por ejemplo, si las formas de ondade corriente son sumadas y usadas para manejar un amplificador de audio, una persona nor-mo oyente facilmente puntuara 100 % en el test de palabras monosilabicas usado para generarla informacion de la figura 10.3. Las formas de onda analogicas de estımulo entregadas por laestrategia de procesamiento de la figura 10.5 a los electrodos implantados en respuesta a unaentrada vocal son mostradas en la figura 10.6. La magnitud total del canal III es mayor que lade los canales II y IV, y el canal I es la menor magnitud de estımulo.

Figura 10.6: La forma de onda superior representa un segmento de 18 ms de la senal de entradaentregada por el AGC de un sistema de procesamiento de 4 canales (ver figura 5) para la vocal“a”. Las siguientes 4 formas de onda representan las vigentes formas de onda entregadas porcada canal en respuesta en la senal de entrada. La lınea vertical marca un punto que es discutidoa continuacion.

En el tiempo marcado por la lınea vertical, la magnitud del estımulo del canal II es negativamientras que la del canal III es positiva. Porque los electrodos asociados a los canales II y IIIestan separados por solo 3 mm de fluido altamente conductor (70 ohm-cm comparado con los300 ohm-cm de tejido blando y los 5000 ohm-cm del hueso), es muy probable que el sustancialpotencial negativo que se genera por el estımulo en el canal II individualmente podra ser mascancelable por el potencial negativo que el generado en el canal III tambien individualmente.Esto significa que aunque ambos canales estan alimentados por senales en una significante bandade energıa, el resultado de la suma de potencial a traves de los electrodos es en total un muy


pequeno estımulo y una pequena actividad neural en ese punto de tiempo. Esto representa unadistorsion de la magnitud deseada de estimulacion y el patron de actividad neuronal deseada.Fue por lo tanto hipotetizado que este tipo de interaccion entre electrodos puede ser un factorque limite la performance (Eddington et al., 1978; Wilson et al., 1991). La figura 10.7 es undiagrama de bloques de una estrategia de procesamiento de sonido para un SIC designada paraminimizar la suma de los potenciales a traves de los electrodos (Wilson et al., 1991). En estaestrategia de procesamiento, cualquier rectificacion seguida por filtrado pasa-bajo (frecuencia decorte entre 200 y 400 Hz) o deteccion de cuadratura (ej. usando la Transformada de Hilbert)son usadas para extraer la envoltura proveniente de cada salida de los filtros pasa-banda. Laamplitud de la envoltura modula un portador (tren de impulsos bifasicos; tıpicamente 2000pulsos por segundo) para producir la forma de onda del estımulo que (despues de la compresionde amplitud) es entregada al electrodo del implante. Notar que los 2 portadores de tren de pulsosilustrados en la figura 10.7 estan compensados en tiempo por lo que hay un solo pulso por vez.Esto es cierto a traves de todos los portadores de la estrategia de procesamiento del SIC. Ası,una estrategia de 4 canales usando portadores 2-kpps limita la duracion de los pulsos bifasicosportadores a 125 microsegundos para hacer esto posible para los pulsos de los 4 portadores aser intercalados. Porque los pulsos de la estimulacion no se solapen a traves de los canales, laprobabilidad de que los campos generados por cada canal interactuen es muy reducida. Estosignifica que las distorsiones resultantes de estas interacciones podrıan ser reducidas. Mientrasla estrategia del SIC puede reducir la distorsion por la interaccion de los campos, esto aparejaun costo. Informacion significativa es descartada cuando el enmascarador es extraıdo de la salidade cada filtro pasa-banda.

Figura 10.7: Diagrama de bloques que representa la estrategia de procesamiento de sonido deestimulacion intercalada continua (CIS). La salida del microfono s(t) es particionada en N ca-nales por filtros pasa-banda. La senal de envoltura extraıda de la senal de salida de cada filtropasa-banda es usada para modular un tren de pulsos bifasicos. Este tren de pulsos modula-dos en amplitud (e(t) es luego comprimido y convertido a una forma de onda conocida(ej.i(t)=a1*log(e(t))+b1 donde a1 y b1 son seleccionados para que el rango este mapeado a unrango de valores conocidos correspondientes al umbral y al vigente valor que obtiene un ni-vel maximo confortable de sensacion sonora ). Las formas de onda en la parte superior ilustransenales a varios niveles de procesamiento de una vocal (a) como senal de entrada para un analisiscon un filtro pasa-banda con frecuencia central de aproximadamente 1400 Hz.

Esto es claro cuando se compara la forma de onda ejemplo para xi(t) en la figura 10.7 con elejemplo de la ei(t): la fina estructura aparente a la salida del filtro pasa-banda esta perdida dela forma de onda del enmascarador. La pregunta es si la informacion perdida transportada enla estructura fina podra estar mas compuesta por la eliminacion de distorsion producida por la


interaccion de los campos. Para testear si la estrategia CIS mejora la performance, proveemosuna version utilizable de la estrategia a 14 sujetos que han usado la estrategia analogica de lafigura 10.5 por lo menos 12 meses. Antes de que cada usuario fuese elegido para usar el sistemaCIS, medimos su habilidad para entender una lista de oraciones estandar(sin lectura de labios).El resultado de este test para cada sujeto es mostrado en barras en la figura 10.8. En cada dıade cambio de estrategia para los sujetos, el reconocimiento de las oraciones fue tambien medidousando el sistema de procesamiento CIS. Los resultados para el dıa 1 de testeo de oraciones en lacondicion CIS esta representada por cırculos abiertos en la figura 10.8; notar que para la mayorıade los sujetos (i.e.,8 de 14)la performance decrece sustancialmente con la nueva estrategia deprocesamiento de sonido. Aunque los resultados iniciales fueron desalentadores, cada sujetoacepto darle una nueva chance al nuevo sistema y usarlo por varios meses. Los resultados deltest como mucho a 12 meses usando el sistema CIS son indicados con cırculos llenos en la figura10.8 y muestran una sustancial mejora para 13 o 14 sujetos.

Figura 10.8: Grafico del resultado (porcentaje de palabras correctamente identificadas) medi-das para cada uno de los 14 pacientes en tres condiciones de audicion. El puntaje de palabrasfue medido usando CUNY (Boothroyd et al. 1985) (high context) oraciones sin lectura de la-bios(audio solo). La altura de la barra representa el puntaje medido luego de por lo menos 12meses de experiencia con la estrategia de procesamiento de sonido original(ver figura 10.5) .Los cırculos blancos indican los puntajes medidos el dıa que empezaron a usando la estrategiapulsatil de procesamiento de sonido, los cırculos negros identifican puntajes medidos luego depor lo menos 12 meses de escucha con el sistema pulsatil.. Notar que cuando los sujetos cambia-ron a la nueva estrategia de procesamiento , solo 4 puntuaron mejor que con el sistema originalpulsatil analogico. Luego de 12 meses, 13 de los 14 sujetos puntuaron sustancialmente mejor conel sistema pulsatil. (Fuente: adaptado de Rabinowitz in Eddington).

El precedente ejemplo ilustra un desafıo de investigacion en la mejora de performance delos sistemas del implantes cocleares: ese desafıo es la promesa de una nueva estrategia de pro-


cesamiento de sonido no revelada por el agudo test de laboratorio. En algunos casos, es solodespues que el cerebro de un sujeto le da la posibilidad de adaptarse al nuevo tipo de entradausando el dispositivo por varias semanas o meses , que el beneficio es aparente. En el ejemplo delCIS, el beneficio para la mayorıa de los sujetos fue aparentemente luego de 1 o 2 meses de uso,pero no en el inicial testeo de laboratorio. En situaciones similares a esta, un fuerte fundamenteteorico es requerido antes que los sujetos e investigadores inviertan en el esfuerzo necesario paraconducir una evaluacion longitudinal.

10.4. El futuro

La historia sugiere que la estabilidad incremente en la performance de la percepcion del ha-bla observada a traves de los 30 anos pasados continuara mientras los investigadores continuenidentificando factores que hoy limitan la performance y enfoquen sus esfuerzos en disenar nuevossistemas que lidien con esas limitaciones. Un area de investigacion reciente es la de reparar lafina estructura de tiempo descartada por el sistema CIS descrito previamente. La limitacion esclara-pero el diseno de sistemas de estimulacion que restauren esa informacion en una formaen una forma que puede ser codificada en respuestas neurales en estimulacion electrica es undesafıo pendiente. Un esfuerzo considerable se dirige tambien a procesadores de sonido paraimplantes bilaterales en un esfuerzo para restaurar los beneficios que la gente normo-oyente re-cibe de los 2 oıdos (e.j. localizacion de fuentes de sonido y mejor recepcion del habla cuandoruidos simultaneamente ruido y senal estan separados espacialmente). Recientemente, los dosimplantes son tratados como dos sistemas independientes y asıncronos. Nuevos sistemas estandesarrollando estimulacion coordinada a traves de los oıdos para una mejor representacion de20 microsegundos de sensibilidad asociada con oıdos de escucha normal. La coordinacion deestimulacion electrica en un oıdo y la entrada acustica en el mismo oıdo desplantado es tambienperseguida. Algunos implantados tienen significativa audicion residual que puede ser usada pa-ra transmitir informacion adicional al cerebro. Testeando en un numero pequeno de pacientesmuestra que la combinacion de estimulacion acustica y electrica puede a veces mejorar la re-cepcion del habla en condiciones ruidosas. Estos resultados motivaron el trabajo en estrategiasde procesamiento electro-acusticas y en sistemas de electrodos que pueden ser implantados conmınimo dano a la audicion residual. En adicion al enfoque en mejorar la claridad auditiva, eltrabajo tambien continua para hacer los dispositivos fısicos mas funcionales y esteticamenteagradables. Los dispositivos han avanzado mucho de los tamanos grandes, cajas torpes usadasen cinturones con cables por debajo de la ropa para salir a la altura del cuello para conectarsea microfonos y las unidades de acoplamiento inductivo a un lado de la cabeza. Las unidadesde hoy estan detras de la oreja y continuan mejorando para un decremento en tamano y peso.Los proximos anos probablemente se vera la primera unidad de implante total con baterıas in-ternas que seran recargadas mientras se lee o incluso dormidos. En su conjunto, los avances delpasado y la energıa de hoy en los equipos de investigacion y desarrollo apuntan a un futuro quepromete incluso aclarar la audicion para disminuir el padecimiento de la perdida de audicionsenso-neuronal. El aporte a la calidad de vida con estos avances hara a los implantes coclearesuna de las protesis neurales mas exitosas por muchos anos siguientes.

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