Cochleaimplantat – uppgradera hörseln

Jörgen Städje
1 månad sedan

Hallå? Hör du inte vad jag säger? Uppgradera hörapparaten! Tanka ned nya releasen. Patienter med så skadad hörsel att de har liten nytta av sin hörapparat kan idag ges hörseln åter med ett mikrokirurgiskt ingrepp och en implanterad digital signalprocessor.

Det är här cochlean sitter och det är här man opererar in implantatet. I verkligheten är cochleans diameter bara 5 mm, säger Gunnar Eskilsson, klinisk ingenjör.

Hjärnan, den ultimata datorn, upphör aldrig att förvåna. Dess förmåga att anpassa sig till nya situationer och skapa ett fullgott resultat ifrån en skadad sensor är remarkabel. En sensor, i det här fallet cochlea (hörselsnäckan) kan vara så trasig att dess funktion upphört. Då fungerar en vanlig hörapparat inte längre. Ändå kan hörselnerven stimuleras elektriskt och hjärnan kan lära sig tolka dessa signaler som ljud.

Efter en dust med korridorerna på Huddinge sjukhus slår vi oss ned tillsammans med Gunnar Eskilsson, klinisk ingenjör på cochleaverksta’n, tar fram ett stort öra och börjar prata psykoakustik.

– Örat och hörseln är egentligen en alldeles fantastisk apparat, börjar Gunnar. Cochlea är naturens mekaniska spektrumanalysator. Hörselnerverna är via vibrationsdetekterande hårceller kopplade till basilarmembranet, som är mjukt och vibrerar med i ljudvågen. Man vet att de inre hårcellerna inne i cochlea, detekterar basilarmembranets vibrationer, när en ljudvåg fortplantas genom snäckan. När cellernas toppar rörs reagerar hörselnervcellen inunder och skickar iväg pulser.

Närmast trumhinnan är membranet tämligen styvt och svänger helst med i de högsta frekvenserna, medan det är betydligt sladdrigare längre in, där det favoriserar de låga frekvenserna.

Bara detta att vi förfogar över ett dynamiskt område på dryga 100 dB, bättre än någon mikrofon, är förvånande och har intill nyligen varit svårt att förklara. Vi kan nästan höra atomernas Brownska rörelse i luften och det börjar inte göra ont förrän vi står nära en varvande jetmotor.

Så här illa kan det se ut när hårcellerna har fått för mycket stryk av disco och MP3-spelare. De är avbrutna och tillknycklade.

Men hur går det till att höra ljud som är i stil med blodets brus i ådrorna, då trumhinnan inte rör sig mer än en atomdiameter? Jämte de inre hårcellerna sitter det tunna muskelproteiner, kallade de yttre hårcellerna. De reagerar också på den inkommande tryckvågen och rör sig av egen kraft, förstärker svaga vibrationer och underlättar för de inre hårcellerna att detektera svaga ljud. Som en bieffekt skapar örat egna, ej hörbara ljud som kallas otoakustiska emissioner. Örat har alltså en inbyggd logaritmisk förstärkare.

Ut ur cochlea kommer cirka 3000 hörselnerver i en enmillimeters kabel som går vidare till hjärnans hörselcentrum. Den ”lägsta” nerven överför ett pulståg som aktiveras vid 20 Hz och den ”högsta” vid 20.000 Hz. Det blir ett steg om cirka 6,66 Hz per nervcell.

Ändå kan pianostämmare och musiker som undertecknad höra skillnader på en cent (0,01 Hz). Det är uppenbart att skillnaden i repetitionsfrekvens mellan nerven för 1000 Hz och den för 1006,66 Hz har stor betydelse. Detta utnyttjas ännu hårdare i cochleaimplantat som idag bara förfogar över 22 elektroder (kanaler).

Signalbehandling

Alltihop börjar med en digital ljudprocessor. Processorn, som sitter bakom örat, har en mikrofon och en spektrumanalysator som delar in ljudet mellan 100 och 8000 Hz i 22 band, tar ut toppvärdena och omvandlar till datapaket, vilka sänds in till elektroniken i implantatet. Det är som MP3-kodning, det är inte de enskilda frekvenserna som överförs, endast toppvärdena i ett antal diskreta frekvensband.

Implantatet är inte stort. Den långa ledaren innehåller elektroderna medan den korta är referenselektrod (jord).

Ett implantat utan hölje. Det är ungefär 2 cm brett och består av ett kretskort. Denna sida av kretskortet, som vänder inåt mot skallbenet, domineras helt av jättechipen som tar emot kodad, frekvensbandsuppdelad information utifrån och omvandlar den till nervpulser. Det är en stark processor. Pinnarna längst ned går vidare till elektroderna.

På andra sidan, den som vänder utåt, sitter den stora mottagarspolen för kraft och ljuddata (gul) och den lilla sändarspolen för retursvar (röd). De stora svarta kondensatorerna glättar matningsspänningen från spolen. Den fyrkantiga biten är magneten som håller fast sändarspolen utanpå huden.

Några olika processorenheter med batteripack till vänster och implantat till höger. På den övre ser man mottagarspolen tydligt. Vissa ljudprocessorer har en fjärrkontroll där man kan ställa ljudet för varje situation (eller stänga av det, tänk den som kunde det!).

Den inopererade elektroniken tar toppvärdena och kodar om dem till signaler kompatibla med nervpulserna, alltså mikrosekundlånga strömpulser på max en milliampere. Pulserna matas ut på elektroderna, antingen single-ended, med kroppen som motpol, eller differentiellt, mellan två elektroder. Implantatet kan dessutom testa kopplingen genom att fyra av nerver och mäta nervpulsen som blir resultatet. Mätvärdena kan tas ut, användas statistiskt och ge ledtrådar till hur ljudprocessorn ska programmeras för en viss individ.

Här är den röntgenbild man tar efter avslutad operation. Bilden tas genom ögonen, för det är minst ben som skymmer där. Det här är en patient med bilaterala implantat (en för varje öra). Elektroniken och mottagarspolen (annan modell än kretskorten ovan) syns tydligt vid A och ledaren som går vidare mot cochlea vid B. Du ser hur detta 12-kanalers implantat har virat ihop sig snyggt inuti cochlea vid C. Notera den grova kanten på ögonhålan vid D och näshålan vid E. Skulle cochlea vara missbildad, som visas i F, kanske elektroden bara når in med 4-5 kontaktpunkter, men märkligt nog kan det fungera hjälpligt ändå.

Uppdateringsfrekvens

Strategierna varierar, men man kan normalt inte stimulera alla elektroder man egentligen borde stimulera samtidigt, eftersom det kan resultera i att olika närliggande signaler upphäver varandra (channel interaction). Istället delar man in tiden i tidsfönster och bestämmer att maximalt 10 av 22 elektroder får stimuleras under varje fönster, nämligen de tio som har högsta spektrala toppar just då. De ska då ligga på ”långt” avstånd från varandra. Under nästa tidsfönster stimulerar man tio andra. Varje elektrod uppdateras med ungefär 1200 Hz och med tio elektroder i taget blir det 12 kHz, den sk uppdateringsfrekvensen. De allra modernaste systemen kan komma upp i 80 kHz.

Så här ser de bifasiska pulserna ut som stimulerar nervändarna. Den negativa pulsen gör själva stimulationen och den positiva jämnar ut laddningen i vävnaden efteråt. Annars kan man få metalljonvandring från elektroderna ut i kroppen och det kan bli otrevligt inuti cochlea. Varje puls är i det här exemplet 100 μs och matar ut 1 mA och PRF är 1052 Hz. Det betyder inte att patienten hör 1052 Hz utan att en nervände som ”betyder” en viss frekvens stimuleras så ofta. Pulserna ser lite ”tjocka” ut, eftersom amplituden varierar med ljudet i rummet. Varje puls ger en energi på 0,1 μCo.

En ökad uppdateringsfrekvens ger oftast bättre hörselintryck, men drar mera ström. Man kan välja att optimera för bättre hörsel eller lägre batteriförbrukning och inte oväntat väljer de flesta att byta batteri oftare.

Tummen upp

Vid operationen görs ett snitt bakom örat och kirurgen tar en mycket liten borr och borrar ett hål genom skallbenet, genom mellanörat och precis fram till cocleas undre del, och just precis in genom väggen på denna. Genom detta hål, cirka 2 cm långt, för man in elektrodtampen, mest på känn och får den att följa cochleas spiral, varv på varv. Det kan tyckas vara en nästan omöjlig uppgift, men det fungerar. På Huddinge gör man det på cirka 100 patienter per år, varav 30 stycken är barn.

En av dem är Örjan Larsson, som kommer in på kontoret med ett leende på läpparna.

Örjan Larssons hårceller i cochlea hade gått sönder fullständigt och han blev helt döv. Med implantatet hör han numera tämligen normalt. Sändarspolen sitter fast utanpå huden med magneten som finns i implantatet.

– Du vet väl om att du har en massa MIPS inopererade under huden?
– Det är väl inte den värsta Power PC:n, men den är väldigt avancerad. Kiselytan är ganska biffig.
– Vad hände med dig?
– Det vet jag inte. Det började redan i femårsåldern. Troligtvis har hörselcellerna gått sönder mer och mer tills jag inte längre kunde uppfatta några ljud och hörapparaten till sist blev obrukbar. Nu har jag en Esprit 3G från australiska Cochlear, med 22 elektroder. Musik har blivit mycket bättre. Jag är fortfarande punkare. Men nu hör jag mycket bättre och kan lyssna på annat än punk. En oktav är fortfarande en oktav för mig. Ett par veckor efter operationen kunde jag använda telefon. Det har jag inte kunnat på flera år.

Anpassningar

Det räcker inte med att bara operera in ett implantat. Det måste anpassas efter patientens speciella förhållanden.

Med-El CLstudio är ett program som används för att anpassa ljudprocessorer för varje patient. Här visas ett 12-kanalers implantat. Kanal 1 som ger basljud har sin undre tröskel ställd till 77,1 CU (clinical units = några μCo), alltså det värde under vilket nervändarna inte aktiveras. Toppvärdet (MCL, Maximum Comfortable Level) ligger på 717 CU, ett värde när det låter högt men inte obehagligt. Pulslängden ligger på 26,67 μs. De övriga kanalerna går mot stigande frekvenser.

Gunnar Eskilsson i full färd med att rätta till en patients hörsel. De nya parametrarna tankas in i ljudprocessorn.

Med-Els programmeringsbox med en processor ovanpå som just nu får nya parametrar. Processorn är det lilla inramade grå blocket. Den svarta delen är bara ett kontaktdon som pluggas ur, varefter processorn pluggas in på sin batteripack. Den grå rundeln är sändarspolen.

En liten bit ur programmet Intraop NRT från Cochlear, det program som visar loggresultatet från implantatets mätningar av aktionspotentialer i hörselnerverna. Implantatet provar med pulser med ökande ström och spelar in potentialen kring nerverna, som sprider sig ut i vävnaden omkring. Den börjar på 186 CU (clinical units = några μCo), och då händer inte mycket. Först vid 204 CU börjar man se ett svar. Pulsen läggs på vid 0 ms varefter förstärkaren väntar i 170 μs (för att inte se sin egen puls) och börjar sedan registrera. Den röda kurvan visar ett tydligt, negativt svar från nerven efter 300 μs och pulsen har klingat ut efter 510 μs. ”22” betyder att vi just nu mäter på kanal 22. Dessa svar loggas och kan jämföras med senare mätningar för att se trender.

Specialfallet Michael Chorost

Amerikanen Michael Chorost letade upp ny programvara till sitt 16-kanalersimplantat, grälade med forskare och programmerare och kunde till sist gå från total dövhet till att uppskatta Maurice Ravels musikstyck “Bolero” igen. Läs artikeln ”My Bionic Quest for Boléro” på wired.com (https://www.wired.com/2005/11/bolero/). Med 121 virtuella kanaler kunde han till sist urskilja toner som låg 30 Hz ifrån varandra, från tidigare 70 Hz, men det ska sägas att det här är ett specialfall.

Nästa generation?

Nästa revolution blir när man kan göra ett kontaktdon som kan sättas in direkt i hörselnerven och ersätta cochlea. Då kanske hörseln kan återställas ännu bättre än idag.

Den bioniska människan rycker närmare. Varför nöja sig med 20-20.000 Hz? Med DSP:ernas hjälp skulle vi kunna få superhörsel och höra allt från infraljud till ultraljud, höra delfiner och klara helium speech direkt och få ut mycket mer av världen, än med vanliga, gammaldags människoöron.

Överlägsna öronfakta

Så här ser implantatet ut från sidan. Notera dessutom fyllningarna i tänderna.

Patienter som är helt döva men en gång varit hörande kan få hörseln tillbaka.
Idag har implantaten 22 elektroder. Med virtuella kanaler kan man komma upp över 100.
Processkraften ökar hela tiden, algoritmerna blir bättre och läkarvetenskapens förståelse för hörseln ökar. Som en följd hör implantatpatienter allt bättre.
Man räknar med att ett av tio döva barn i USA har implantat, men att andelen kommer att öka till ett av tre.
Givetvis har det skett andra förbättringar, som bättre batterilivslängd och bättre brus- och bullerdämpning för att för bättra taluppfattbarheten i bullrig miljö.