Cochlear Implants: From Model to Patients

Transcriptie

1 Samenvatting

2 Cochlear Implants: From Model to Patients Cochleaire implantatie (CI) is een inmiddels geaccepteerde vorm van revalidatie voor dove en ernstig slechthorende patiënten. CI-dragers krijgen een deel van hun gehoor terug door directe elektrische stimulatie van de gehoorzenuw. Door middel van moderne cochleaire implantaten is voor de meeste gebruikers spraakverstaan weer mogelijk evenals telefoneren. Er zijn echter nog steeds veel onbeantwoorde vragen over het optimale ontwerp van het cochleaire implantaat, stimulatieparadigma s, inregelmethodes en objectieve meetmethodes. Met de ontwikkeling van een realistisch computermodel van de geïmplanteerde cochlea, zoals beschreven in dit proefschrift, kunnen deze vragen worden geanalyseerd vanuit een fundamenteel gezichtspunt. Dit realistische computermodel maakt de analyse van klinische protheses mogelijk en geeft inzicht in de afwijkingen tussen resultaten behaald bij mensen en proefdieren. Inzichten die voortkomen uit het model worden gebruikt bij de verbetering van de klinische praktijk. Als gevolg van het gebruik van het model zijn de eigenschappen van een verbeterd elektrodeontwerp vastgesteld en later getest in een studie op rotsbeenderen. Hoofdstuk 1 gaat in op de uitgangspunten van een cochleair implantaat en blikt terug op de ontwikkeling van deze prothese van een experimenteel apparaat tot een zeer geaccepteerd commercieel product. Aan het eind van dit hoofdstuk wordt de inhoud van dit proefschrift beschreven. Hoofdstuk 2 beschrijft het basisprincipe van het modelleren van cochleaire implantaten door middel van een model in twee stappen. De eerste stap is het modelleren van de elektrische geleiding door de cochlea, ook bekend als het volumegeleidingsprobleem. De tweede stap is het simuleren van het gedrag van de zenuwvezels in reactie op de potentiaal verstoring berekend in de eerste stap. Dit tweestappenmodel wordt overal in dit proefschrift gebruikt. De introductie van het spiraalvormige cochleamodel maakt het mogelijk excitatiedrempels en spatiële selectiviteit in de geïmplanteerde cochlea te voorspellen. De uitkomsten van het model, die verschillen laten zien tussen de excitatiegebieden van de verschillende elektrodelocaties, worden vergeleken met elektrofysiologische experimenten. Wij concluderen dat zij goede overeenkomsten laten zien. Hoofdstuk 3 geeft een gedetailleerde beschrijving van het volumegeleidingsmodel met een uitleg hoe de spiraalvormige cochleaire meshes en de implantaatontwerpen in dit proefschrift zijn gegenereerd. De meshes bieden de flexibiliteit om klinisch relevante onderwerpen te onderzoeken. Door middel 276

3 Samenvatting van het model van een caviacochlea zijn de isolerende effecten van de membranen die de scala tympani omringen onderzocht. De beschreven meshgenererendesoftware is flexibel genoeg om te worden gebruikt voor de meer uitdagende creatie van het menselijk cochlea. Hoofdstuk 4 beschrijft de potentiaal distributie- en stroompaden in het spiraalvormige cochleaire model zoals beschreven in de voorgaande hoofdstukken. De relatief goed geleidende scala tympani blijken inderdaad zeer belangrijk te zijn. Het exponentiële verval (J e z ) van de stroom geeft echter alleen maar een goede omschrijving van het verreveldgedrag. In de nabijheid van de elektrodes, dan wel in de nabijheid van de gemakkelijkst te prikkelen vezels, worden hogere stroomdichtheden gevonden die het beste omschreven kunnen worden met een sferische spreiding van de stroom (J 1 R 2 ). We concluderen dat de stroomspreiding langs de scala tympani en diens afhankelijkheid van de positie van de stroombron in de cochlea goed wordt omschreven door de superpositie van het sferisch en exponentieel verval. Hoofdstuk 5 beschrijft de vergelijking tussen de resultaten van een computermodel van het caviacochlea en een realistisch model van het menselijk cochlea. Beide zijn geïmplanteerd met een model van een HiFocus cochleair implantaat. Hierbij wordt rekening gehouden met de aanzienlijke anatomische verschillen in grote, locatie in het rotsbeen en de complete geometrie van de cochlea en de gehoorzenuw van beide soorten. Het blijkt dat een goed ontworpen perimodiolaire elektrode resulteert in stimulatiedrempels en een hoge spatiële selectiveit zonder een verlaging van het dynamisch bereik. In de tweede winding van het menselijk cochlea zijn de resultaten echter minder gunstig. Evenals bij de cavia verlaagt cross-turn stimulatie het dynamisch bereik in de perimodiolaire positie substantieel. We concluderen dat het klinische succes van cochleaire implantatie bij de mens en de veelbelovende resultaten met de modiolaire elektrode grotendeels afhankelijk zijn van de typisch menselijke cochleaire anatomie. De klinische evaluatie van de HiFocus elektrodearray met de positionering van het elektrodepositioneringssysteem gecombineerd met de CII-implantaatelektronica is beschreven in hoofdstuk 6. De spraakperceptiescores op CVCwoorden zijn, zonder het gebruik van spraakafzien, geobserveerd bij tien postlinguaal doofgeworden patiënten. Na n week waren alle patiënten in staat de telefoon functioneel te gebruiken. Aan het eind van het onderzoek (3 tot 11 maanden na afloop) was de gemiddelde CVC-fonemenscore 84% (woordscore 66%). De Fonemen herkenningsdrempel (50% van de uitvoering in stilte) wordt bereikt voor Signal-to-Noise ratio s tussen 0 en -5 db. NRI-waarnemingen 277

4 Cochlear Implants: From Model to Patients worden bereikt met zowel de wisselende polariteit als het forward masking paradigma. Het NRI-systeem, alhoewel wat traag, geeft goede resultaten en biedt de mogelijkheid om I/O curves te meten en de neurale spreiding te bepalen. Het onderzoek zoals beschreven in hoofdstuk 7 evalueert het effect van de duur van een post-operatieve follow-up op de waarde van de pre-operatieve voorspellers. De prestatieresultaten van een groep van 91 patiënten, geïmplanteerd tussen 2000 en 2005 met een HiRes90K of CII-implantaat met een HiFocus I elektrodearray, wordt geëvalueerd door middel van de uni-variate lineaire regressieanalyse en de multiple regressieanalyse gebaseerd op het Iowa voorspellend model. Het verschil in de leercurve tussen patiënten met een lange en korte duur van doofheid, of het verschil in implantatieleeftijd laat een afhankelijkheid zien van de postoperatieve ervaring op het relatieve belang van de voorspellende factoren. Om die reden moeten voorspellende modellen gebaseerd worden op follow-up tijden van minimaal twee jaar om patiënten die langzamer herstellen de mogelijkheid te geven hun maximale prestatieniveau te benaderen. Wanneer gebruik gemaakt wordt van niet gecontroleerde retrospectieve onderzoeken, zou de meervoudige regressieanalyse gebruikt moeten worden om de invloed van bijvoorbeeld, het ontwerp van het elektrodearray of de implantatieleeftijd op de spraakbegripscores te achterhalen. Daarmee wordt het effect van andere parameters zoals de duur van de doofheid gereduceerd. Hoofdstuk 8 beschrijft de uitbreiding van het menselijk cochleamodel met het vermogen om responsen terug te kunnen meten. Dit model wordt gebruikt om de bijdrage van de individuele enkele vezel bijdragen (SFAP) aan de ecap te onderzoeken bij wisselende stimulatieniveaus. De bijdrage van de individuele vezel laat zien dat bij hoge stroomniveaus centraal gelegen vezels in het excitatiegebied, dicht bij de stimulerende elektrode, een a-typische reactie vertonen zonder een duidelijke negatieve piek in de SFAP. Het aantal vezels met a-typische reacties neemt bovendien toe met het stimulatieniveau. Als gevolg hiervan neemt de algehele ecap-amplitude af boven een zeker stimulatieniveau. Dit verschijnsel werd eerder waargenomen, maar werd altijd beschouwd als een waarnemingsartefact. Hoofdstuk 9 beschrijft een uitgebreid modelonderzoek naar de consequenties van de exacte locatie van het elektrodearray in de scala tympani. Het doel van dit hoofdstuk is het bepalen van de optimale plaatsing met betrekking tot drempel, dynamisch bereik en spatiële selectiviteit voor zowel gedegenereerde als niet-gedegenereerde cochleae. Het model voorspelt een verlaagde 278

5 Samenvatting drempel, toegenomen dynamisch bereik en hogere spatiële selectiviteit voor de peri-modiolaire positie aan het basale einde van de cochlea. Hierbij treedt minimale invloed op van neurale degeneratie. Aan het apicale einde van de array (1,5 cochleaire windingen), waren het dynamisch bereik en de spatiële selectiviteit beperkt als gevolg van het optreden van cross-turn stimulatie. Uitzondering hierop is de situatie waarbij geen neurale degeneratie optreedt en de elektrodearray langs de laterale wand van de scala tympani is geplaatst. De voordelen van ecap-waarnemingen met betrekking tot intra-operative plaatsingsoptimalisatie zijn onderzocht. De ecap-simulaties geven aan dat een grote P 0 piek optreedt voor het N 1 P 1 complex wanneer de vezels niet zijn gedegenereerd. De afwezigheid van deze piek kan gebruikt worden als een indicator voor neurale degeneratie. Gebaseerd op de ontwerpcriteria zoals beschreven in hoofdstuk 9 is een ontwerpwijziging in de huidige HiFocus elektrodearray voorgesteld met een perimodiolaire positie van de elektrodearray voor de basale contacten, terwijl een laterale positie verkregen moet worden voor meer apicale posities. De initiële studie op rotsbeenderen met prototype elektrodes die tegemoed komen aan deze criteria is beschreven in hoofdstuk 10. De prototype elektrodes zijn geplaatst in menselijke rotsbeenderen en de positie van de contacten is geverifieerd met hoge resolutie CT-scans voorafgaand aan zorgvuldige dissectie en documentatie van het insertie trauma. De nieuwe elektrode is in staat de gewenste positie in te nemen met minimale schade aan intracochleaire structuren. Hoofdstuk 11 beschrijft zowel de mogelijkheden van het huidige model als de toekomstige stappen voor de ontwikkeling van een patiëntspecifiekmodel met directe klinische gevolgen voor de individuele patiënt. Enkele van de lopende ontwikkelingen die leiden tot een nieuwe generatie cochleaire implantaten zijn toegelicht. Er wordt geconcludeerd dat het modelleren met behulp van computers een theoretische richtlijn kan geven waarlangs nieuwe experimenten en nieuwe ontwikkelingen voor cochleaire implantaten kunnen verlopen. 279

6