История многоканальной кохлеарной имплантации | Кузовков В.Е., Пудов В.И., Клячко Д.С.

В статье освещаются основные этапы развития кохлеарной имплантации и определяются основные аспекты создания кохлеарных имплантатов для пациентов с глухотой.

    Цель данной статьи: освещение основных этапов развития кохлеарной имплантации и определение основных аспектов создания кохлеарных имплантатов. 
    Путь от первых попыток Ингеборги и Эрвина Хохмайеров, основателей фирмы MED-EL, по созданию многоканального кохлеарного имплантата в 1975 г. до коммерческого жизнеспособного устройства был отнюдь не прост. Они начали исследование кохлеарных имплантатов в то время, когда одноканальное устройство Уильяма Хауса уже было успешно имплантировано. Их цель состояла в том, чтобы спроектировать электронный имплантат, который позволил бы пользователю не только слышать звуки, но и понимать речь. Читая литературу, они пришли к выводу, что, несмотря на многие неясности, существующих знаний [1] достаточно для разработки многоканального кохлеарного имплантата. Было известно, что высота тональных ощущений зависит от расположения стимулируемых нервных волокон внутри улитки (высота зависит от расположения) и от временной структуры возбуждающего сигнала (высота зависит от периодичности). Чтобы использовать обе возможности, нужна была стимуляция слухового нерва в нескольких местах при помощи сигнала, который также достаточно подробно представлял бы временную форму речевой волны с достаточной детализацией. 
    Первой попыткой была обработка речи по типу вокодера. Аудиосигнал приходилось делить на ряд частотных диапазонов, а выходной сигнал каким-то образом нужно было преобразовать в данные для стимулирующих импульсов, прилагаемых к многоканальному электроду, введенному в барабанную лестницу внутреннего уха.
    Восьмиканальный имплантат для импульсной стимуляции с максимальной частотой 10 000 импульсов в секунду на канал был компромиссом между технической осуществимостью и требованиями к обработке речи [2]. Электронная схема состояла из устройств низкой мощности со стандартными микросхемами, иные из которых при помощи определенных хитростей также выполняли аналоговые функции; например, 8 независимых источников тока питали электродные контакты. Они были установлены на тонкослойную стеклянную подложку и размещены в герметичном корпусе. Использовались разделительные конденсаторы на всех каналах для предотвращения любого непосредственного повреждения нерва. Данные по стимуляции и питание передавались чрескожно через неповрежденную кожу при помощи индукционной связи от внешнего высокочастотного генератора.
    Разработка многоканального интракохлеарного электрода практически не вызвала затруднений. Электрод был разработан для введения в улитку через круглое окно на глубину 22–25 мм; он состоял из двух рядов очень тонкой изолированной тефлоном проволоки, заключенной в силиконовый корпус, с шарообразными стимулирующими контактами. Проводки имели форму волны для большей гибкости и мягкости, а также для того, чтобы выдерживать напряжение при растяжении. Механическая конструкция была такова, что электрод сгибался в предпочтительной плоскости для облегчения введения. Имплантат был собран лично Ингеборгой и Эрвином Хохмайерами в Лаборатории гибридных схем Технического университета Вены. Все материалы, контактирующие с тканями, были биосовместимыми. Примечательно, что концепция дизайна данного имплантата предвосхищала современные устройства: она хорошо подошла бы для стратегии непрерывной чередующейся выборки (CIS), разработанной Блейком Уилсоном (см. пояснение далее), если бы на тот момент была известна.
    После относительно короткого периода разработки в течение двух лет 16 декабря 1977 г. и в марте 1978 г. устройство было имплантировано хирургом Куртом Бурианом в Вене (рис. 1). Когда пациенты впервые пришли в лабораторию для подключения к испытательной системе, Хохмайеры были очень взволнованы. Несмотря на некоторый имеющийся тиннитус (ушной шум), удалось продемонстрировать различение высоты тона в зависимости от расположения, а второй пациент был способен уверенно различать и определять каналы стимуляции.

    Анализируемые результаты привели к выводу, что на данной стадии и при отсутствии веры в оправданность чрескожного соединения необходимо было удостовериться в том, что стимулирующий сигнал не был ограничен имплантированными металлоизделиями или чрескожной передачей сигнала. Это также позволило бы в большей степени получать высоту звука в зависимости от периодичности. Был разработан ряд простых пассивных имплантатов с питанием через кожу, и в ближайшие годы четырехканальный имплантат получил широкое распространение. Четыре канала можно было стимулировать одновременно. В более ранних устройствах можно было переключаться между несколькими конфигурациями электродов, и после испытаний на пациентах было принято решение в пользу менее энергоемкой монополярной стимуляции – концепции, которая сейчас используется почти всеми разработчиками.
    Небольшой нательный аудиопроцессор для повседневного использования был настроен на канал, дающий наилучшие результаты. Первые несколько процессоров генерировали амплитудно-модулированный сигнал для импульсной стимуляции. С этим сигналом удалось показать некоторое понимание речи в ситуации открытого выбора без чтения по губам.
    Эти имплантаты были очень простыми в сборке. В первые годы схемы были погружены в эпоксидную смолу, используемую в кардиостимуляторах; позднее начали применяться герметичные керамические корпуса. За несколько лет было имплантировано около 500 устройств взрослым и детям.
    В 1979 г. И. и Э. Хохмайеры провели полгода в Стэнфордском университете и познакомились с Блэром Симмонсом и другими пионерами в области кохлеарной имплантации. Курсировали слухи о пациенте, который мог слышать неразборчивую речь и немного понимать ее без чтения по губам при помощи аналоговой стимуляции через чрескожное соединение [3]. Поскольку имплантаты фирмы MED-EL прекрасно подходили для данного типа сигнала, то в том же самом году было продемонстрировано некоторое понимание речи в ситуации открытого выбора в лаборатории путем широкополосной аналоговой стимуляции.
    Еще в 1979 г. 2 пациента получили соответствующую модификацию небольшого процессора для домашнего пользования, который позволил им в определенной степени понимать речь без чтения по губам в повседневной жизни всего через один канал четырехканального имплантата (рис. 2) [4]. 

    В связи с очень низким энергопотреблением имплантата и внешней обработкой был разработан первый заушный процессор для кохлеарного имплантата COMFORT (рис. 3).

    Результаты, полученные в 1980 г. при использовании метода стимуляции, известного как одноканальная широкополосная аналоговая стратегия, были гораздо лучше, чем при использовании имплантата House; фактически результаты были не хуже, чем при использовании любого другого имплантата того времени, несмотря на то что в них не использовалась высота тона в зависимости от места расположения. Глубинной причиной успеха этих имплантатов, вероятнее всего, была высокая гибкость и длина электрода, позволяющие довольно глубоко вводить электроды, так что самые глубокие каналы могли достигать волокон апикальной области улитки [5].
    В начале 1990-х годов логичным казалось обогатить информацию о периодичности низкочастотного аналогового канала информацией о высоте в зависимости от расположения на дополнительных каналах. В 1991 г. пациенту хирургическим путем был установлен одобренный комбинированный аналогово-импульсный восьмиканальный имплантат [6]. Первые результаты не показали существенного улучшения.
    В это время Блейк Уилсон только что опубликовал работу, в которой предлагалась новая стратегия кодирования под названием CIS (непрерывная чередующаяся выборка). Развивая гибкий подход, был предложен имплантат (позднее названный COMBI 40), специально разработанный для надежного применения быстрой стратегии CIS [7]. Это было предложено на 3-й Международной конференции по кохлеарной имплантации, которая была организована в Инсбруке в апреле 1993 г. Эта конференция также обозначила конец эры широкополосных аналоговых кохлеарных имплантатов.
    Восьмиканальная система COMBI 40 была впервые имплантирована в январе 1994 г. Таким образом, развитие прошло полный цикл от раннего восьмиканального имплантата через широкополосные аналоговые устройства до новой многоканальной системы, хотя и на гораздо более сложном уровне. Разработка нового имплантата оказалась хорошей идеей, как показали отличные результаты многоцентрового клинического исследования. Система генерировала 1500 импульсов в секунду на канал (всего 12 000 импульсов в секунду) и приводила в действие электрод длиной 30 мм (рис. 4) [8].

    В начале 1990-х годов системы кохлеарной имплантации, сходные с описанной выше, были готовы к глобальному распространению среди взрослых и детей. Лишь четырем из множества ранних исследовательских групп на базе университета удалось разработать коммерчески реализуемые устройства. С тех пор сфера кохлеарной имплантации бурно развивается, ей посвящено множество публикаций, клинических исследований, фундаментальных исследований, попыток реабилитации, продолжается прогресс в хирургии и усовершенствуются устройства (рис. 5).

    В 1997 г. в Санкт-Петербургском НИИ уха, горла, носа и речи начались операции по установке многоканальных систем кохлеарной имплантации. На сегодняшний день более 4000 успешных операций проведено в стенах ФГБУ СПб НИИ ЛОР Минздрава России.
    Показания к применению существенно расширились. Сегодня пользователем кохлеарного имплантата может быть ребенок в возрасте нескольких месяцев и взрослый; человек с билатеральными имплантатами; пациент с частичной глухотой, использующий одновременно электрическую и акустическую стимуляцию, или человек с нормальным и неслышащим ухом (односторонней глухотой). Кроме этого были разработаны слуховые стволомозговые имплантаты для лиц, не имеющих функционального слухового нерва или улитки.

    Заключение

    Обратим еще раз внимание на основные аспекты создания и развития кохлеарных имплантатов.
    I. Создание имплантата, который не налагал бы ограничений на сигнал, используемый для стимуляции, чтобы интеллект системы заключался в компоненте, находящемся вне организма, и мог быть легко усовершенствован. Имплантат должен использовать стимулирующий сигнал, содержащий большое количество информации, тогда как извлечение звуковой информации должен выполнять мозг пациента, а не устройство. По нашему мнению, мозг выделяет речь из сигнала намного надежнее, чем любая электронная схема. Насколько известно, определение отличительных характеристик речи в самих кохлеарных имплантатах больше не используется.
    II. Бережное отношение к чувствительным структурам внутри улитки. Разрабатываемые фирмой MED-EL электроды с самого начала были мягкими и гибкими. Уже самому первому пациенту имплантировали тонкие проводки волнообразной формы.
    III. Использование всей длины улитки, в т. ч. ee апикальной области, для стимуляции должно привести к широчайшему диапазону слуховых ощущений по высоте, включая очень низкий тон, и позволить избежать длительного процесса адаптации, обусловленного неоднократным картированием воспринимаемого диапазона высоты тона.
    IV. Эргономика при повседневном применении устройства пользователями имеет важнейшее значение для принятия и распространения имплантатов. В числе прочего постоянная работа над снижением энергопотребления вывела фирму MED-EL на путь создания заушных и носимых отдельно беспроводных аудиопроцессоров вместо нательных, а в конечном итоге будут разработаны полностью имплантируемые системы.

Поделитесь статьей в социальных сетях