cochlea-implantate clemens zierhofer christian doppler labor für aktive implantierbare systeme...
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Cochlea-Implantate
Clemens Zierhofer
Christian Doppler Labor für Aktive Implantierbare Systeme Institut für Angewandte PhysikUniversität Innsbruck
Cochlea-Implantat (CI-) System
Name:
Griech. Cochlea = Schnecke
Zweck:
Rehabilitation von vollständig tauben oder höchstgradig
schwerhörigen Personen
Funktionsprinzip:
Direkte elektrische Stimulation des Hörnervs (nervus acusticus)
Stimulationselektroden-array (implantiert)
Sprachprozessor(außen)
Stimulator(implantiert)
Sender(außen)
Komponenten eines CI-Systems
Elektrodenarray in Cochlea
Komponenten eines CI-Systems
Signalverarbeitung
SprachprozessorEnergieversorgung
HF
Implantat (Stimulator)
Stimulationselektrodenarray
Referenzelektrode
Sender
HF-Kanal (Haut)
HFHF
extern intern
Stimulator + Elektroden
Stimulator
Stimulator implaniert
Standard Stimulationsstrategie
"Continuous Interleaved Sampling (CIS)"
Frequenz-Ortsabbildung (Tonotopieprinzip)
CIS - Signal Processing
A/D
envelope log(e)*A+K
channelcoding
envelope log(e)*A+K
envelope log(e)*A+K
envelope log(e)*A+K
to rf-sender
mul
tipl
exer
N = 1
N = 2
N = 3
N = 12
Continuous-Interleaved-Sampling Strategy (CIS)
E1
E2
E3
E4
E11
E12
Application Specific Integrated Circuit (ASIC)
* Technology: standard 0.8m CMOS
* Number of gates: Ng ~ 20 000
* Chip size: A ~ 6 x 5 mm2
* Power consumption: P < 6 mW
TEMPO+ HDO-Sprachprozessor mit Sender
Psychometrische FunktionenPsychometrische Funktionen mit verschiedenen CI’s und von NormalhörendenSprachmaterial: HSM-Sätze
0
20
40
60
80
100
15 10 5 0 - 5 - 10 - 15
8 dB5 dB
Signal/Rauschverhältnis in dB
Proz
ent k
orre
kt
C40+ einseitig
C40+ beidseitig
Einkanal analog
Normalhörende
Wirtschaftliche Relevanz
Stimulatoren C40/C40+/PULSAR mit HDO-Sprachprozessor TEMPO+:
> 12.000 Patienten weltweit
Umsatz Fa. MED-EL:
> 40 Mio. EURO/Jahr
Verbesserungspotential bei CI's - Sprachverständnis bei Störgeräusch - Musik - Tonale Sprachen (chinesisch, vietnamesisch, etc.) - Lokalisation (bilateral)
Standard CIS-Strategie - In erster Linie: Kodierung von tonotoper Information - Zeitliche Information: nur Sprachgrundfrequenz - Sehr erfolgreich bei "westlichen" Sprachen (ohne Störgeräusch)
Ziel: Repräsentation von "Feinstrukturinformation"
- Zeitliche Information bis max. 1kHz
Beispiel
Band Filter Ausgang[550Hz - 880Hz]
5 ms
Beispiel
Band Filter Ausgang[550Hz - 880Hz]
5 ms
CIS @ 1.5kpulses/s
Beispiel
Band Filter Ausgang[550Hz - 880Hz]
5 ms
CIS @ 1.5kpulses/s
Neuer Ansatz:Abtastung mit "KanalspezifischenAbtastsequenzen"(CSSS)
Hüllkurven Information - Repräsentiert in Gewichten der einzelnen Abtastsequenzen
Feinstruktur Information - Repräsentiert in exakter zeitlicher Position der einzelnen Abtastsequenzen
CSSS - Konzept
Allgemeine Eigenschaft - Repräsentation von Feinstruktur erfordert "mehr" Pulse
Feinstruktur Konzepte
Grundlegende Frage - Ist CIS-Paradigma (i.e., auschließlich sequentielle Stimulation) ausreichend zur Repräsentation von Feinstruktur Information?
Äquivalente Pulse
T
Parallele Stimulation
T
mehr Information
Parallele Stimulation
geringere Versorgunsspannung
T
Parallele Stimulation
KANAL-NEBENSPRECHEN!
Bisher:
- Höhere räumliche Konzentration des elektrischen Feldes (Elektrodenkonfigurationen: bipolar, tripolar, etc.)
- Nachteil: Sehr hoher Leistungsverbrauch!
Neuer Ansatz:- Kontrolle über Potentialverteilung in Scala Tympani
- Ausgleichsrechnung bei gegebener (meßbarer) räumlicher Impulsantwort
Maßnahmen gegen Kanalnebensprechen
"Interaktionsmatrix" bei exponentieller Impulsantwort
1ee...eee
e1e...eee
ee1...eee
.....................
eee...1ee
eee...e1e
eee...ee1
dd2d)3N(d)2N(d)1N(
ddd)4N(d)3N(d)2N(
d2dd)5N(d)4N(d)3N(
d)3N(d)4N(d)5N(dd2
d)2N(d)3N(d)4N(dd
d)1N(d)2N(d)3N(d2d
H
Prinzip der Ausgleichsrechnung
Inverse Interaktionsmatrix H-1
0
0
ba0...000
aba...000
0ab...000
.....................
000...ba0
000...aba
000...0ab
1-H
Prinzip der Ausgleichsrechnung
Beispiel: Potentialverteilung in Scala Tympani bei Repräsentation eines Vokals
Enf
ernu
ng v
on B
asis
5ms
Enf
ernu
ng v
on B
asis