Audiologische Akustik

Weiterentwicklungen von Codierungsstrategien & neuronaler Ankopplung elektronischer Hörschnecken-Prothesen (Cochlea Implantate)

Quelle: Fa. Med-El

1. Kurze Einführung in die Thematik

Im Folgenden soll sehr kurz die Funktionsweise und der Aufbau des Cochlea Implantates dargestellt werden.

Das Cochlea Implantat

Das Cochlea Implantat (CI) ersetzt die Funktion des Innenohres. Sprache und Geräusche werden durch ein Mikrofon aufgefangen, im Sprachprozessor verarbeitet und als elektrische Impulse über die Sendespule zum Implantat im Innenohr gesendet. Diese Hörsignale werden an das Gehirn weitergeleitet. Das CI ist eine Hörprothese, die operativ in die Schädeldecke und das Innenohr eingesetzt wird. Es ermöglicht tauben, ertaubten und hochgradig schwerhörigen Menschen wieder zu hören bzw. hören zu lernen.

Das CI besteht aus folgenden Teilen:

• Der Sprachprozessor (2) wird wie ein Hörgerät hinter dem Ohr getragen. Er wandelt die akustischen Signale (Mikrofon 1) in elektrische Impulse um.
• Die Sendespule (3) wird hinter dem Ohr auf die Kopfhaut aufgesetzt und sendet zum Empfänger/Stimulator, der operativ in den Schädelknochen eingesetzt wurde.
• Die Stimulationselektroden (4) werden bei der Operation in die Hörschnecke eingebracht. Der auditorische Nerv leitet die Signale an das auditorische System.

 

2. Ziele der Vorhabens

2.1 Verbesserung der Codierungsstrategien

Der Sprachprozessor wandelt mit Hilfe von bestimmten Codierungsstrategien Schall in einen elektrischen Code um. Diese Codierungsstrategien basieren auf Erkenntnissen aus den Bereichen (Neuro-)Physiologie, Neurowissenschaft, Informationstechnologie und Physik. Das oberste Ziel ist dabei die Verbesserung der Trage- und Hörqualität des Patienten (bis zum „natürlichen“ Höreindruck). Bisher ist z.B. die Abbildung von Musik mit Implantaten nur unzureichend möglich.

Ein wichtiger Gesichtspunkt ist die Codierungsanpassung der elektrischen Reize an physiologische Gegebenheiten. Ein noch unbehandeltes Feld ist die Übertragung der Verarbeitungsmechanismen der Neurone im Nucleus cochlearis (das auf die Cochlea nachfolgende Kerngebiet) auf die Codierungsstrategien von Cochlea Implantaten. Um festzustellen, ob eine solche Anpassung auch in der Realität eine Verbesserung im Höreindruck darstellt, sollen psychoakustische Experimente durchgeführt werden.

Zum Teil lassen sich diese Fragen durch Ausmessen von elektrischen Feldern, die von Mehrkanal-Reizelektroden abgegebenen werden, oder durch Feldsimulationen beantworten. Damit soll festgestellt werden, ob die generierten Pulse überhaupt zu dem idealisierten Feld am Nerv führen können.

Eine eher grundlegende Frage ist der Zusammenhang zwischen Reizrate und Reizort. Bisher übliche Reizstrategien stimulieren den Hörnerven mit einer konstanten Rate an verschiedenen Elektrodenorten. Jedoch ist bekannt, dass nicht nur die Lage der Stimulation in Bezug auf den Hörnerven die Tonhöhe bestimmt (Ortskodierung), sondern auch die Korrelation zwischen räumlicher und zeitlicher Codierung die Tonhöhe bestimmt. Daher soll untersucht werden, ob sich bei Übereinstimmung der Reizrate mit der jeweiligen, neuronal vorbestimmten Ortsfrequenz eine optimale Stimulation ergibt, und ob durch diese Codierung eine Verbesserung in der Übertragung von harmonisch-komplexen Tönen erzielt werden kann. Erst durch den Einsatz einer neuartigen Ansteuerung, die kürzlich im Universitätsklinikum Frankfurt zum Einsatz gebracht werden konnte, ist diese Fragestellung zu bearbeiten.

Damit ist die Frankfurter Arbeitsgruppe erstmals in der Lage zu untersuchen, inwieweit es möglich ist, mehrere Tonhöhenperzepte simultan zu übertragen. Im Bereich der Musikwahrnehmung ließe sich damit der psychoakustische Forschungskomplex der „Tonhöhenintervall-Abbildung“ näher beleuchten.

Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt ist die Energieeffizienz der Sprachprozessoren. Je ökonomischer der Prozessor arbeitet, desto länger kann der Patient das CI mit einer Batterieausstattung betreiben. Dieser Aspekt lässt sich zusätzlich in Codierungsstrategien mit einbeziehen. Besonders wichtig wird dieser Aspekt bei voll implantierbaren Systemen, bei denen keine permanente Stromversorgung von außen zur Verfügung steht.

2.2 Verbesserung der neuronalen Ankopplung

Das Elektrodendesign spielt in verschiedener Hinsicht eine wesentliche Rolle für die Anwendung der Implantate. Sowohl das mikrochirurgische Einbringen des Implantates in die Gehörschnecke als auch die nachfolgende Lage des Implantates in der Gehörschnecke stellen an die Eigenschaften der Elektrode hohe Anforderungen.

Die chirurgische Insertion verlangt ein gutes Handling der Elektrode, während durch die Anatomie der Cochlea wiederum ein hohes Maß an Flexibilität an die Elektrode erforderlich ist. Auch eine eventuelle Reimplantation und Restgehörerhaltung (Stichwort: soft-surgery) sind durch den Einsatz neuer Techniken, die eine weitgehend atraumatische Insertion ermöglichen, leichter möglich.

Im Universitätsklinikum stehen für die Bearbeitung der Fragestellungen alle Möglichkeiten durch eine Vielzahl an Kliniken und Laboren offen. Zur Lagekontrolle bzw. Insertions-Präzisionanalyse der eingeführten Elektrode stehen Untersuchungsmethoden der Radiologieabteilung zur Verfügung. Um diese Analysen ohne Patientenbelastung vorab durchzuführen, ist ein sog. Felsenbeinlabor in der HNO vorhanden. In diesem Labor können Cochlea-Schnitte mit inserierter Elektrode erstellt werden. Damit soll geklärt werden, ob die erwartete Lage der Elektrode sich in der in-situ Lage wiederfindet.

Aus physikalischer Sicht wünschenswert ist eine nahe Lage der Elektrode an den Fasern des Hörnervens. Je dichter die Elektrode an den Fasern liegt, desto kontrollierter ist die räumlich/zeitliche Übermittlung der Impulse. Dazu sollen Feldberechnungen und die oben schon erwähnten Experimente durchgeführt werden. Eine enge Verzahnung von Theorie und Experiment in verschiedensten Disziplinen ermöglich erst diese Untersuchungen.

Das Universitätsklinikum in Frankfurt zeichnet sich unter anderem durch eine exzellente Umgebung des Schwerpunktes Neurowissenschaften aus. So ist die theoretische Seite u.a. durch das „Frankfurt Institute of Advanced Science (FIAS)“, die experimentelle Seite durch  verschiedenste Zentren und Arbeitsgruppen (z.B.: MPI für Hirnforschung, Interdisziplinäres Zentrum für Neurowissenschaften) abgedeckt. Eingebettet in diesen neurowissenschaftlichen Kontext bieten sich für das hier vorgestellte Projekt exzellente Entwicklungsmöglichkeiten, deren Erfolge wiederum den Neurowissenschaften im Allgemeinen enorm nützlich sein werden.

Das CI ist die derzeitig einzige, annähernd voll funktionelle Sinnesprothese und stellt somit ein komplexes Brain-Computer-Interface (BCI) dar. Die zu erwartenden technischen Erkenntnisse in der Stimulation und der Physiologie lassen sich auch auf andere Therapieformen innerhalb der Neurowissenschaften übertragen.

Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Uwe Baumann