Устройство, принцип работы и основные характеристики кохлеарного импланта

Различные системы кохлеарных имплантов разных фирм в основе своей имеют сходную конструкцию, состоящую из имплантируемой и наружной частей. В имплантируемую часть входит приемник, решетку активнх электродов (до 22) и референтный электрод. Она является полностью автономной, не требует питания и внешних выводов. Корпус приемника изготовлен из прочных материалов таких, как керамика или титан. Наружная часть, включающая в себя речевой процессор, микрофон, радиопередатчик с магнитом, блок питания, по своему внешнему виду похожа на заушной слуховой аппарат.

Радиопередатчик притягивается к имплантированной части через кожу с помощью магнита. В некоторых моделях кохлеарных имплантов предусмотрена возможность замены магнита, при необходимости провести обследования методом МРТ или КТ. Последние модели кохлеарных имплантов позволяют проводить эти обследования без извлечения магнита.

Речевой процессор является главной и самой сложной наружной частью импланта. Он представляет собой малогабаритный специализиро- ванный компьютер.

Наружный корпус оснащен регуляторами позволяющими выбрать программу, уменьшить или увеличить громкость и д.р. Там также имеются специальные индикаторы, контролирующие работу импланта, в том числе индикатор разрядки батарей (обычно световой и звуковой). Специальный разъем позволяет подключить к системе такие внешние устройства, как телевизор, стационарный или мобильный телефон, FM-системы и т.п. Разработка дистанцонного пульта управления гораздо облегчила использование импланта. Пульт оснащен всеми необходимыми регуляторами, что позволило значительно уменьшить объем и вес внешней части.

Источником питания для кохлеарного импланта является одноразовые батареи или аккумуляторы.

Внутренняя часть импланта предназначена дли пожизненного использования и не требует замены в том числе ростом ребенка. Это обусловленно тем, что к моменту рождения ребенка внутреннее ухо у него сформировано и больше не растет.

Кохлеарные имплантаты работают по принципу применения тонотопической организации базилярной мембраны.

Тонотопическая организация заключается в том, что более низкие частоты проникают глубже и вызывают резонансные колебания частей мембраны, более близких к ее основанию, а более высокие частоты обладают меньшей проникающей способностью и вызывают резонанс более дальних частей мембраны, ближе к овальному окну. Колебания волосковых клеток улитки, расположенных на мембране, вызывают образование электрических сигналов, которые возбуждают соответствующие волокна слухового нерва.

При этом каждое волокно слухового нерва передает в мозг свою часть информации о звуках окружающего мира -- свой диапазон частот.

У больных с нейросенсорной тугоухостью обычно отмечается уменьшение количества волосковых клеток ввиду генетической мутации или повреждения их во время некоторых заболеваний, например, менингита. Кроме того, эти клетки могут повреждаться ввиду воздействия некоторых токсичных веществ, например, определенных лекарственных средств, либо просто под влиянием сильных звуков.

Принцип действия кохлеарных имплантатов заключается в том, что они обходят поврежденные волосковые клетки и непосредственно воздействуют на волокна слухового нерва, используя для этого электрические импульсы. Тем самым происходит как бы имитация работы волосковых клеток, и мозг может воспринимать звуки.

Звук, который воспринимает микрофон, проходит обработку, преобразовываясь в электрические сигналы. Характеристика этих сигналов зависит от частоты, амплитуды, его силы и так далее.

Стимуляция электродов происходит по особым сложным алгоритмам, так как если бы этот процесс шел беспорядочно, это могло бы привести к повреждению как самих электродов, так и слухового нерва. Для разделения звуков на частоты применяется «стратегия Фурье». Данный алгоритм учитывает входную силу и мощность звуков разной частоты, число задействованных электродов и другие факторы. Существуют и другие алгоритмы, которые применяются для лучшего распознавания гласных звуков, для чего в процессоре применяются определенные программные паттерны.

Для передачи преобразованного электрического сигнала с микрофона на процессор, подключенный к нерву, используется радиопередатчик. Это сделано для того, чтобы уменьшить возможность инфицирования при установке проводов и других передающих элементов. Преобразованные речевым процессором сигналы и переданные с помощью передатчика воспринимаются радиоприемником. Этот элемент имплантата помещается в толщу кости позади уха.

Модели имплантов разных производителей отличаются числом электродов, расстоянием между ними, длиной электродного носителя, стратегиями обработки речевых сигналов, энергопотреблением, размерами и рядом других технических деталей. Основные характеристики, определяющие разборчивость воспринимаемой речи, -- это количество электродов и стратегии обработки речевых сигналов. В современных си- стемах кохлеарных имплантов ведущее влияние на разборчивость речи оказывает стратегия обработки ее процессором, скорость стимуляции, вид стимуляции.

Современные системы кохлеарных имплантов имеют от 8 до 24 электродов. Различные причины у разных пациентов обуславливают количество активных электродов. Их активность в разные промежутки времени зависит от стратегии. Каждый электрод передает определенное количество информации в диапазоне частот звуковых сигналов. Число и расположение электродов определяют частотный. Диапазон в разных системах составляет от 300-5500 Гц до 180-10000 Гц. Для передачи речевого сигнала достаточно 8-12 электродов.

Разборчивость речи определяется способом кодирования (преобразо- вания речевых звучаний в электрические импульсы). Возможные стратегии кодирования сигналов:

- Аналоговые стратегии;

- Стратегии выделения речевых признаков;

- SPEAK-стратегия;

- CIS-стратегия;

- АСЕ-стратегия.

При аналоговой - серия полосовых фильтров перекрывает весь спектральный диапазон речевых звучаний, и детальное спектральное описание передается через соответствующий фильтр на связанный с ним электрод без предварительного выделения каких- либо специфических признаков. Сегмент речи проходит через каждый полосовой фильтр и, в зависимости от частот при достижении определенной амплитуды сигнала, активируются соответствующие электроды.

Стратегия выделения речевых признаков основана на выделении определенных акустических характеристик речевых сигналов, являющихся коррелятами лингвистической информации. Так, например, частота основного тона (F0) и ее колебания передают надсегментную информацию, информацию о фонетическом признаке звонкости-глухости. Дифференциальными признаками гласных являются положения спектральных максимумов или формантных частот F1 и F2. Эти признаки усиливаются с помощью полосовой фильтрации и передаются на соответствующие электроды. При этом одновременно активируется не более 4 электродов.

При использовании SPEAK-стратегии, основанной также на выделении спектральных максимумов, электроды активируются в зависимости от того, какие фильтры получают сигнал выше порогового уровня, а также от заданных порогового и максимального комфортного уровня. Количество одновременно активируемых электродов при данной стратегии меняется от 3 до 10.

SPEAK-стратегия кодирования хорошо передает информацию о гласных звуках речи, но плохо передает информацию о быстрых изменениях в речевом сигнале и его временной структуре, что очень важно для различения согласных фонем. Показано, что при распознавании речевых сигналов человек использует анализ как спектральной, так и временной структуры этих сигналов (Физиология речи, 1976; Smith et al., 2002). Причем в условиях искажений распознавание речи, основанное на анализе временной структуры, оказывается более эффективным. Поэтому в КИ последнего поколения применяется непрерывная чередующаяся стратегия быстрого кодирования (CIS-стратегия) у основным принципом которой является стимуляция всех электродов за каждый цикл, но не одновременно (Wilson et al., 1991). Это обеспечивает максимальную частоту стимуляции слухового нерва до 83000 имп/с. При этом передаются спектральные и временные характеристики речевых сигналов, в том числе информация о переходных процессах и огибающей сигналов, что обеспечивает значительно более качественную передачу как фонемы, так и интонационно-ритмических ха- рактеристик речи. CIS-стратегия используется в КИ «Combi 40/40+», «Тетро+», «Opus 1», «Opus 2» («MED-EL», Австрия), процессорах «ESPrit 3G», «Nucleus Freedom» («Cochlear», Австралия). В системах КИ «Auria.», «Harmony» («Advanced Bionics», США) используются стратегии HiResR, HiResRFidelity 120™, подобные CIS-стратегии.

ACE-стратегия объединяет SPEAK- и CIS-стратегии. Эта стратегия используется в процессорах «ESPrit 3G», «Nucleus Freedom» («Cochlear», Австралия).

В некоторых системах КИ есть возможность использовать разные стратегии кодирования (КИ «Nucleus-22/24», «Freedom», фирма «Cochlear»). Несмотря на очевидное преимущество быстрой стратегии кодирования, часть пациентов, которые использовали SPEAK, при переходе на новые модели процессоров, позволяющих использовать более совершенные быстрые стратегии, предпочитали продолжать пользоваться SPEAK-стратегией.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   Скачать   След >