Краткое введение в проблему кохлеарной имплантации

Ланцов А.А., Петров С.М., Пудов В.И
Вестн. оторинолар.- 1998.-2.

Единственным способом слуховой реабилитации больных с тяжелой степенью тугоухости и глухотой периферического типа является кохлеарная имплантация (КИ), т.е. метод протезирования улитки с целью как можно более полного восстановления утраченной функции восприятия и переработки звуковой информации периферическим отделом слухового анализатора. КИ - это воплощение последних научно-технических достижений в областях медицины, физиологии и биофизики слуха, электронной техники и технологических процессов высокого уровня. В настоящее время этот способ получил широкое распространение за рубежом, где прооперировано более 20 000 пациентов (сейчас более 100 000).
Несмотря на 40-летнюю историю КИ, в нашей стране проведены единицы таких операций и далеко не все ЛОР-специалисты имеют достаточно отчетливое представление о ней. В настоящей публикации коротко изложена история, основные принципы КИ и более подробно освещены последние разработки в этой области.
Идея КИ заключается в переработке звукового сигнала в электрические импульсы с последующей стимуляцией слухового нерва через электроды, введенные в барабанную лестницу улитки. Следовательно, кохлеарный имплант предназначен как можно полнее заместить периферическую обработку сигнала, происходящую на пути от ушной раковины до слухового нерва. Если представить механизмы, задействованные на периферии слухового анализатора, можно понять всю грандиозность задачи, с которой столкнулись создатели кохлеарного импланта. О сложности проблемы КИ говорит хотя бы тот факт, что динамический диапазон восприятия акустических сигналов равен 120 дБ, а для электрического тока, стимулирующего слуховой нерв, он составляет всего лишь 10-20 дБ, т.е. отличается более, чем в 100 000 раз [8].
Разработка имплантов представляет сложную научно-техническую проблему и требует высоких технологий для их создания. В настоящее время основными производителями кохлеарных имплантов являются Австралия, Австрия, США, Франция и Голландия. Самым распространенным среди пользователей на настоящее время является имплант фирмы «Nucleus» (Австралия), но в последние годы все шире выходит на мировой рынок имплантов австрийская фирма «Med-el». Используемая в Австрии система кодирования речевого сигнала была разработана в США и также применяется в других имплантах, в частности, в американском «Clarion».

Историческая справка

Исследовательские работы по воздействию электрического тока на слуховую систему человека были начаты в тридцатых годах Г.В.Гершуни. А первые эксперименты по КИ или по электродному протезированию, проводимому с целью слуховой реабилитации глухих пациентов начались в 1957 году с имплантации двум больным экстракохлеарных, одноэлектродных (одноканальных) имплантов - электрод при этом располагался в области промонториума и амплитуда электрических стимулов соответствовала амплитуде огибающей речи (см. [7]). Позднее были разработаны интракохлеарные импланты: одно- и многоэлектродные (до 22 электродов). Во многих первых разработках передача информации на электроды проводилась по проводам, выведенным через кожу (например, американский «Ineraid»). Последние модели имплантов - многоканальные (многоэлектродные) системы с индуктивной (беcпроводной) связью между внешней и имплантируемой частями кохлеарного импланта.
В России в 80-х годах группой проф.М.Р.Богомильского была проведена большая работа по созданию отечественной системы КИ [3]. И хотя был изготовлен опытный образец импланта, включающий речевой процессор и многоканальный электрод, промышленного производства и практического применения их налажено не было. В настоящее время работы по кохлеарной имплантации проводятся в Москве в Научном центре аудиологии и слухопротезирования (рук.-проф. Г.А.Таварткиладзе) с использованием импланта «Nucleus-22» австралийской фирмы «Nucleus»: до последнего времени было проведено 12 операций. Начаты они также в С.-Петербургском НИИ ЛОР (дир.- чл.-корр. АМН А.А.Ланцов) с имплантации австрийской модели импланта «Combi-40» двум пациентам.

Показания

Показанием к КИ является тяжелая степень тугоухости и глухота, связанные с поражением Кортиева органа. Таким образом, операция может быть проведена только тем пациентам, у которых повреждение коснулось только рецепторного аппарата улитки, поскольку для работы импланта абсолютно необходима сохранность слухового нерва. Слуховые аппараты для восприятия речи таким больным не помогают. Для отбора кандидатов на КИ проводятся различные пробы и исследования (более подробно см. [1,2,3,4]) и, естественно, что у кандидата не должно быть противопоказаний к собственно оперативному вмешательству. Большое значение имеет также владение речью и личное расположение пациента к КИ, а также его готовность к сотрудничеству в период послеоперационной реабилитации.
Достаточно четкий критерий для прогностики результата КИ отсутствует. Предпочтительно проводить имплантацию позднооглохшим взрослым, но операции по КИ проводят и детям, тугоухим от рождения, в возрасте от 2 лет. Что касается позднооглохших взрослых, то у них отчетливо выражена мотивация (они знают чего лишены), речь не разрушена и, наконец, интактны центры слухового анализатора. У детей, проимплантированных в раннем возрасте (до 5-6 лет), имеется возможность успешной слуховой реабилитации. При больших сроках глухоты возникают проблемы, связанные с возможными органическими изменениями, связанными со слуховой депривацией.

Структура кохлеарного импланта

Собственно имплант состоит из наружной и имплантируемой частей. Наружная - это микрофон, речевой процессор (РП) и передатчик. Микрофон воспринимает и передает сигналы в РП, который крепится на одежде пациента как карманный слуховой аппарат. В РП производится переработка речевого сигнала в импульсы, которые по проводу подаются на передатчик, удерживаемый с помощью магнита за ухом пациента. Передатчик по радиоканалу передает информацию на приемник.
Имплантируемая часть включает в себя приемник с индукционной катушкой и цепочку электродов - до 22. Приемник имплантируется под кожу в углубление, сделанное в височной кости, а цепочка электродов вводится в барабанную лестницу на глубину до 30 мм через отверстие около круглого окна. Имплантируемая часть не имеет никаких внешних разъемов, питание ее и передача информации происходит по радиоканалу. На настоящее время имеются больные более 10 лет пользующиеся кохлеарным имплантом без претензий к имплантированной части.
Операция проводится под общим наркозом, продолжительность ее - до 3 часов. На следующий день пациенты встают и передвигаются без проблем. Выписка через 3-5 дней, первое включение и настройка РП производятся через один месяц.
Поскольку в кохлеарных имплантах производится переработка звукового сигнала в электрические стимулы, в имплантах используются различные стратегии кодирования - аналоговая и CIS- стратегия.

Стратегии кодирования

Аналоговая стратегия
Работы по КИ начинались с аналоговой стратегии кодирования. При одноканальном импланте амплитуда электрического сигнала соответствующим образом отражала огибающую речевого. Далее были разработаны многоканальные импланты. В этом случае речевой сигнал разделяли фильтрами на несколько полос и амплитуда электрического сигнала, подаваемого на каждый электрод, соответствовала огибающей каждой частотной полосы речевого сигнала.
В случае аналоговой стратегии, на электроды, введенные в улитку электрические сигналы подаются одновременно. Однако дальнейшие исследования показали, что одновременная стимуляция всех электродов имеет недостатки. Поскольку имплант находится в токопроводящей жидкости (перилимфе), электрические стимулы, подаваемые на соседние электроды могут накладываться друг на друга, ослабляя (в противофазе) или усиливая (в фазе) полезный, несущий информацию, сигнал. Естественно такое «взаимодействие» каналов искажает передаваемую картину речевого сигнала.
Для исключения влияния каналов друг на друга в США была разработана стратегия последовательной подачи стимулов на электроды - CIS стратегия (Сontinious Interleaved Sampling strategy) [9].

CIS - стратегия
Для объяснения CIS-стратегии кодирования речевого сигнала в качестве прототипа мы будем опираться на систему «Combi-40» австрийской фирмы «Med-El». Основные параметры «Combi-40» следующие: 8 каналов, частота стимуляции - 1500 имп/с на канал, длительность стимулов от 40 до 640 мкс. В качестве стимулов использованы биполярные прямоугольные импульсы без постоянной составляющей.
Для простоты изложения сути CIS-стратегии рассмотрим 4-канальный имплант с глубиной погружения последнего электрода 28 мм, расстоянием между ними 8 мм и частотой стимуляции по каждому каналу 1000 имп/с.
Примем, что электрод раздражает равные по длине отрезки базилярной мембраны. В таком случае, в соответствии с тонотопической организацией улитки [4] стимулируемые каждым электродом частотные полосы будут следующие: 1: 4,2-20 кГц, 2: 1,8-4,2 кГц, 3: 0,7-1,8 кГц и 4: 0,1-0,7 кГц. В соответствии с этими частотными границами спектр речевого сигнала разделяется фильтрами на 4 полосы. Затем каждая из них пропускается через выпрямитель и сглаживающий фильтр, в результате чего получается огибающая каждой из четырех частотных полос. Поскольку частота стимуляции в одном канале равна 1000 имп/с, то в данный 1-миллисекундный отрезок времени измеряется энергия в каждом частотном диапазоне и в соответствии с ее значением в каждом канале вырабатывается импульсный стимул.
И вот, собственно, CIS-стратегия: в течение одной миллисекунды в последовательные четверти миллисекунды поочередно в каждый канал подаются электрические стимулы, по амплитуде соответствующие энергии, содержащейся в соответствующей частотной полосе.
Исходя из представленного изложения можно видеть, что основные характеристики речевого сигнала кодируются и передаются следующим образом. Частота - по месту расположения электрода по длине базилярной мембраны, энергия речевого сигнала в данной полосе частот - величиной амплитуды электрического импульса и тонкая временная структура речи - соответствием огибающей речевого сигнала уровню стимуляции в каждую миллисекунду времени. Таким образом решается основная задача кохлеарной имплантации - максимальное приближение картины электрической стимуляции к частотной, амплитудной и временной структуре речи.

Сравнение трех типов имплантов «Clarion», «Nucleus» и «Ineraid», использующих разные стратегии кодирования, выявило преимущество CIS-cтратегии [6].

Первое включение, результаты протезирования

Параметры электрических стимулов устанавливаются при первом включении, т.е. спустя месяц после операции. К речевому процессору через согласующее устройство подключается компьютер и аудиологом проводится определение порога восприятия и комфортного уровня громкости в каждой частотной полосе. Эти параметры вводятся в процессор и пациент готов воспринимать звук.
Некоторые пациенты после первого включения очень быстро начинают воспринимать живую речь, некоторым необходимы занятия с педагогом. Во всех случаях имплант помогает больным при участии чтения с губ. В некоторых случаях пациенты получают возможность общаться по телефону.
Настоящая публикация предназначена для изложения общего представления о КИ и ни в коей степени не претендует на глубокое освещение всех вопросов, связанных с многогранной проблемой кохлеарной имплантации.

Список литературы

1. Базаров В.Г., Савчук Л.А., Карамзина Л.А. и др. Кохлеарная имплантация // Журн. ушн., нос. и горл. бол.- 1993.- N 2.-C. 6-15.
2. Богомильский М.Р., Сапожников Я.М. Основные принципы отбора больных для кохлеарной имплантации // Вестн. оторинолар. 1983.- N 3.- С.7-11.
3. Богомильский М.Р., Ремизов А.Н. Кохлеарная имплантация. М.: Медицина, 1986.- 176 с.
4. Таварткиладзе Г.А., Белянцева И.А. Фроленков Г.И. и др. Показания к кохлеарной имплантации // Методические рекомендации N95/209.- М.: 1995.- 24 с.
5. Цвикер Э., Фельдкеллер Р. Ухо как приемник информации.- М.: Связь, 1971.- 256 с.
6. Gantz B.J., Tyler R.S., Woodworth G. Preliminary results with Clarion cochlear implant in poslingually deaf adults // Annals Otol.- 1995.- N9.- part 2.- Suppl.166.- p.268-269.
7. House W.F. Cochlear implants // Annals Otol.- 1976.- Vol. 85, N3.- part 2.- Suppl. 27.- P. 1-93.
8. Kiang N.Y.S., Moxon E.C. Physiological consideration in artificial stimulation of the inner ear // Annals Otol.- 1972.- Vol. 81, N5.- P. 715-730.
9. Wilson B.S., Finley C.C., Lawson D.T. et al. Better speech recognition with cochlear implants // Nature.-1991.-N 352.- P.236-238.