Introducción al centro alemán de la audición
de Hannover
Estrategias de codificación y adaptación en
implantes cocleares
Waldo NogueiraAuditory Prosthetic Group, Department of Otolaryngology, Medical University Hannover
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Objetivos
• 1) Introducción al DHZ-MHH
• 2) Presentar las estrategias de
codificación del sonido de una forma
técnica en un contexto histórico
• 3) Relacionar la adptación del implante
coclear con las estrategias de codificación
• 4) Ejemplo de un estudio en la MHH en
éste contexto basado en la estrategia FS4
DHZ-MHH• Departmento Otorrinolaringología/
Centro Alemán de la Audición
– 30 años de experiencia con implante
coclear
– El programa de implante coclear más
grande del mundo (10000 Impl. 2019)
– ~600 pacientes son implantados al
año
– Gran espectro de sistemas auditivos
• Implante coclear, Implante oído medio,
Audífonos
• ABI (auditory brainstem implant), AMI
(auditory midbrain implant)
Medizinische Hochschule Hannover
Universidad Médica de Hannover
4
Audiology
Surgery
(ENT)
DHZ (German Hearing
Center)
APG
0
50
100
150
200
250
300
350
400
1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
Patientenzuwachs an der MHH
Verlauf von 1984 bis 2013
(Erw=2858 Kinder=2294)
Erwachsene Kinder
Número de implantaciones de IC en la MHH
0
100
200
300
400
500
600
1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
Implantzahlen nach Implanttyp
Verlauf von 1984 bis 2013
Nucleus=4107 AB=2081 Medel=726 Digisonic=3
N = 6944
Nucleus AdvBionics MedEl Digisonic Reimplantationen
-300 -200 -100 0 100 200 300
1
4
7
10
13
16
19
22
25
28
31
34
37
40
43
46
49
52
55
58
61
64
67
70
73
76
79
82
85
88
91
Distribución edad en el momento de la implantación
Mujeres Hombres
DHZ: Centro Alemán de la Audición
Clínica
Médica
Diagnóstico
Rehabilitación
Pedagogía
Ingenieros
Adaptación
Implantes
Investigación
Empresas:
MED-EL
AB
Cochlear
Oticon
(Investigación
y servicio)
APG: Auditory Prosthetic Group
8
▪ Investigación Hearing4all
▪ Auditory Prosthetic Group
▪ El grupo empezó en Septiembre del 2013
como parte del Cluster de Excelencia
Hearing4alll
▪ Cubre los campos de:
▪ Procesado del sonido
▪ Modelaje de la audición aplicado a prótesis
auditivas
▪ Implante coclear, implantes electrico acústicos
▪ Psicoacústica
▪ Electrofisiología en humanos
Contenidos
1. Introducción
2. Fundamentos de la estimulación eléctrica
3. Resúmen histórico de las estrategias de codificación
4. Estrategias de codificación actuales
5. Resúmen
Advanced
Bionics
USA
Neurelec/Oticon
France
MEDEL
Austria
Cochlear
Australia
Fabricantes de IC y modelos en la MHH
Otros Fabricantes de IC
Cochlear-Implantat-System: IES (= „I Enjoy Sound“)
Sistema de Implante Coclear de China: Nurotron
Tests de habla
• Test de reconocimiento de números
• Freiburg: Test monosilábico
• En Alemania se decide implantar si la pérdida auditiva
es mayor que 65 dB HL alrededor de 500 Hz y el test
the monosílabos en silencio está por debajo del 60%
Tests de habla
• Test de frases/palabras abiertas: HSM
• 30 listas balanceadas de 20 palabras
• Se administra sin ruido de fondo a
SNR = 0, 5, 10 dB
• Se presenta una frase y el sujeto la repite
• El resultado se da en % de palabras
correctas
Tests de habla• OLSA: Test matricial adaptativo
• Umbral de recepción del habla (SRT)
Rendimiento de la audición con el implante coclear
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
FES HSM en silencio HSM en ruido@10 dB SNR
% c
orr
ecta
s
n=480
Duración de la sordera < 10 años
Generación más moderna del sistema
de IC (todos los fabricantes)
FES: Monosílabos
HSM: Frases abiertas‚Ist das Flufzeug gestartet‘
Rendimiento de la audición con el implante coclear
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
FES HSM en silencio HSM en ruido@10 dB SNR
% c
orr
ecta
s
n=480
Duración de la sordera < 10 años
Generación más moderna del sistema
de IC (todos los fabricantes)
FES: Monosílabos
HSM: Frases abiertas‚Ist das Flufzeug gestartet‘
Rendimiento en
Ruido debe mejorar
William House (1923 – 2012), in 1970 (3M Implant)
William House Jack Urban (right)3M Single-
Electrode Implant
Implante coclear con un único electrodo
Amplificador
340 hasta 2700 Hz
Filtro
Paso Banda
Micrófono Modulación Electrodo
AMPortadora
16kHz
Implante coclear con un único electrodo
Zeng 2004
Inte
ligib
ilid
ad
de
l H
ab
la e
n S
ilen
cio
[%]
Inteligibilidad del habla
Implante coclear multicanal
Clark Extracción de Características 1978
Implante coclear multicanal
El primer procesador del habla para el implante multicanal
Implante coclear multicanal
Contenidos
1. Introducción
2. Fundamentos de la estimulación eléctrica
3. Resúmen histórico de las estrategias de codificación
4. Estrategias de codifiación actuales
5. Resúmen
Standard (31 mm) FLEXSOFT (31 mm)
FLEX28 (28 mm)
FLEX24 (24 mm)
FLEX20 (20 mm)
Medium (24 mm)
Compressed (15 mm)
Contour Advance
Slim Straight
Straight
Hybrid L24
Cochlear (22 Contacts) MEDEL (12 Contacts)
Advanced Bionics (16 Contacts)
Arrays de electrodos
Longitud cóclea vs array electrodos
Imagen médica (CT)
para cada paciente en
la MHH (Pre- y Post- operación)
FLEXSOFT (31 mm)
FLEX28 (28 mm)
FLEX24 (24 mm)
FLEX20 (20 mm)
Compressed (15 mm)
MEDEL (12 Contacts)
Nogueira (2016), Frontiers
MED-EL & Würfel 2014
Modo de Estimulación
Estimulación Monopolar
- Un electrodo intracoclear se conecta a un electrodo de referencia extracoclear
de tal manera que la corriente fluye entre ambos electrodos.
- Estimulación simultánea de múltiples electrodos no es deseada porque causa
interacción entre los canales.
Referencia
Electrode
Activo
Estimulación con pulsos bifásicos
+
-
Duración Pulso- La cantidad de carga define la sonoridad
(duración del pulso y amplitud)
Am
plit
ud
- Tasa de estimulación (Pulse rate)
- La densidad de carga debe ser
limitada (depende de la carga inyectada
y de la dimensión de los electrodos)
Distancia Pulso Tasa de Estimulación
- Pulso balanceados en carga
Ésto puede causar una reacción irreversible alrededor de los electrodos,
incluyendo cambios en el nivel de PH, desprendimiento de partes del material de
los electrodos y formación de complejos proteina-metal
Interfaz Electrodo-Impedància
ρ : resistivity
: Dielectric constant
: Electric field constant
Flujo de corriente dentro de la cóclea
Klinke & Hartmann (1979)
Flujo de corriente dentro de la cóclea
Tang (2011)
Simulación de la distribución de voltage dentro de la cóclea
Nogueira (2016), Frontiers
Monopolar Stimulation:
Electrodograma vs Neurograma
Neurograma NormooyentesElectrodograma Implante Coclear
Estimulación acústica vs. eléctrica
Normo Oyentes Audición con
IC
alta
reducida altaSincronicidad
Actividad Espontánea
120 dB 12 dBRango dinámico
3500 IHC ~10 canalesResolución frecuencial
simultánea codificadaPatrón estimulación temporal
➔ Es necesario un nuevo procesado del sonido para IC
inexistente
estrechaEstimulación Espacial ancha
Contenidos
1. Introducción
2. Fundamentos de la estimulación eléctrica
3. Resúmen histórico de las estrategias de codificación
4. Estrategias de codifiación actuales
5. Resúmen
t
Envolvente
Hilbert 1912: Decomposición de la Senal
En componentes oscilatorias rápidas + lentas
Estructura fina
Habla
Pitch & Localización
Fonética Acústica – Formantes Vocales
Jussen et al., 1994
F3
F2
F1
F0F2 (principios de los 1980‘s)
AGC
Pulse-
generator
1000 4000 Hz
F2Zero-cross
EnvelopesA2
270 Hz
F0Zero-cross Pulse-
rate
/a/
F0 = 140 Hz
F0F2 (principios de los 1980‘s)
- La frecuencia fundamental del hablante (F0 < 280 Hz) se usa como tasa de
estimulación
- El segundo formante (entre 800 y 4000 Hz) determina que electrode se
estimula
- La corriente de estimulación es proporcional a la amplitud estimada para el
segundo formante
- Sólo un electrodo es estimulado en cada ciclo de estimulación
- Claramente, ésta estrategia fue diseñada para codificar señales de habla
Características de la estrategia F0F2:
F0F1F2 (1985)
AGC
Pulse-
generator
280 1000 Hz
F1Zero-cross
EnvelopeA1
1000 4000 Hz
F2Zero-cross
EnvelopeA2
F0Zero-cross Pulse-
rate
/a/
270 Hz
F0F1F2 (1985)
Características de la estrategia F0F1F2:
- La frecuencia fundamental del hablane (F0 < 280 Hz) es usada como tasa de
estimulación
- Electrodos 1 a 5 son usados para transmitir el 1er formante (entre 280 y 1000
Hz)
- Electrodos 6 a 20 son usados para transmitir el 2ndo formante (entre 1000 y
4000 Hz)
- Dos electrodos son estimulados en cada ciclo de estimulacion
- La corriente de estimulación es proporcional al 1er y 2ndo formante
- Claramente, ésta estrategia fue diseñada para codificar señales de habla
MPEAK (Finales 1980‘s)
AGC
Pulse-
generator
300 1000 Hz
F1Zero-cross
EnvelopeA1
800 4000 Hz
F2Zero-cross
EnvelopeA2
270 Hz
F0Zero-cross Pulse-
rate
2 2,8 kHz
Envelope
2,8 4 kHz
Envelope
4 6 kHz
EnvelopeElectrodo 1
Electrodo 4
Electrodo 7
1 4
7
F1
F2
MPEAK (Finales de los 1980)
Characterísticas de la estrategia MPEAK (Multipeak-Strategy):
- La estrategia está basada en la estrategia F0F1F2 (Permite el
reconocimiento de vocales)
- Introduce tres filtros de alta frecuencia:
- El problema de selección errónea de características persiste
Estimulación
Eletrodo
Región de
Frecuencias
7 2-2,8 kHz
4 2,8-4 kHz
1 4-4,7 kHz
Compressed Analog (CA)
Amplificador
100 700 Hz
Paso
Banda
Micrófono Electrodos
700 1400 Hz
1400 2300 Hz
2300 5000 Hz
G1
G2
G3
G4
AGC
Characteristics of the CA-Strategy:
- Cuatro filtros paso banda entre 300 y 5000 Hz
- Estimulación simultánea de 4 electrodos intracocleares
- Estimulación monopolar (Más tarde mejorada con estimulación
bipolar)
- Mejor rendimiento que un sistema con un único electrode
- Mejor rendimiento que la estrategia F0F2
- Problema: Fuerte interacción entre canales
Compressed Analog (CA)
Zeng 2004
Inte
ligib
ilid
ad
de
l h
ab
la e
n s
ilen
cio
[%
]Inteligibilidad del habla
CIS (Beginning of 1990‘s)
AGC
n
A1
A2
A3
1
2
3
An
Continuous Interleaved Sampling
CIS (Principios 1990)
Características de la estrategia CIS:
- 8 filtros paso banda desde 250 hasta 5500 Hz
- 60 dB rango dinámico => Es comprimido/mapeado en el rango dinámico
específico de cada paciente
- Estimulación con pulsos bifásicos cuadrados con una duración de 75 µs/fase
- La tasa de estimulación para cada electrodo es alrededor de 833 Hz
- Está basado en un principio similar al Vocoder de Dudley (ver siguiente
trasnparencia)
El Vocoder de los Laboratorios Bell (H. Dudley, 1939)
Bell Labs Records, Dec. 1939
Vocoder de 10 canales (H. Dudley 1939)
Ejemplo con frecuencia fundamentalEjemplo sin frecuencia fundamental
Bandas de Frecuencia usadas por los sistemas de MED-EL
Ejemplo de compresión usada por los sistemas de MED-EL
120
0
Nivel presión
sonoral [dB SPL]
Normal hearing / Acoustic Cochlear-Implant / Electric
Intensidad
Corriente [µA]
THR: threshold level
MCL: most
comfortable level
100
400
Pre-procesado
12 dB120 dB 40-65 dB
Entrada de la senal en el pre-procesado
SPEAK (Principios de 1990‘s)
AGC
20
A1
A2
A3
1
2
3
250 Hz
A20
10000 Hz
Selección
de los 5-
10
mayores
A
Compresion
Spectral Peak
„n-of-m“
Selección de Maximos
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000 5500Frequenz [Hz]
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000 5500Frequenz [Hz]
-5
0
10
20
26
20
10
/eh/
Inte
nsity [d
B]
Inte
nsity [d
B]
SPEAK (Principios de 1990‘s)
- Rango frecuencias mayor (250 hasta 10000 Hz)
- 20 canales
- Solo 5-10 canales con mayor energía (máximos) son seleccionados
para la estimulación.
- La cantidad de información requiere tiempo que causa una
reducción de la tasa de estimulación
- Tasas de estimulación hasta 250 Hz (limitado por la tecnología del
implante Mini-22)
Características de la estrategia Speak:
Zeng 2004
Inte
ligib
ilidad d
el H
abla
en S
ilencio
[%]
Inteligibilidad del Habla
ACE (Mediados de los 1990)
AGC
22
A1
A2
A3
1
2
3
250 Hz
A22
8000 Hz
Selección
de 1-16
mayores
A
Compresion
Advanced Combination Encoder
Modificación de la estrategia SPEAK
- Más canales
- Tasas de estimulación más altas
Inteligibilidad del Habla
Zeng, Trends In Amplification 2004:8:1-34
Spe
ech
inte
lligib
ility
in q
uie
t [%
]
Imagen de un Osciloscopio capturado
con una estrategia de 8 canales
833 pps
Detector box del sistema de MEDEL
Salida de los circuitos del Implante:
Como se configura el implante en la rutina clínica?
Parametros Básicos:
- Comfortable (MCL) Level: Maximo valor de corriente que es percibido
como comfortable.
- Threshold (THR) Level: El mínimo nivel de corriente que puede ser
percibido.
- Rango Dinámico: Diferencia entre el nivel MCL y THL
Baja frecuencia Alta frecuencia
Array Electrodos
Implante
Dynamic Range
MCL-Levels
THR-Levels
Contenidos
1. Introducción
2. Fundamentos de la estimulación eléctrica
3. Resúmen histórico de las estrategias de codificación
4. Estrategias de codifiación actuales (Estudio MHH)
5. Resúmen
- Streaming de secuencias pre-definidas- Posibilidad de utilizar trigger- Posibilidad de utilizar estimulación
bilateral
• MEDELResearch Interface Box (RIB)
User
Matlab
GUI
RIB II Isolation BoxPC
Interfaz de Investigación IC
Análisis de frecuencias en la cóclea
Principio Básico: Principio de Periodicidad:
Boenninghaus, Lenarz:
Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde (2007) Hellbrück, Ellermeier: Hören (2004)
FSP
Channel-Specific Sampling
Sequences CSSS
Fine Structure Processing
Fa. Medel
CIS
MEDEL Estrategia de codificación
Fine structure-Strategy (FSP)
Canales CIS-con transmisión
de la envolvente
Patrón de estimulación (Electrodograma) :
Se úsan de 2 a 4 canales
de estructura fina
(información hasta 1000
Hz)
Fa. Medel
Resultados: Inteligibilidad del habla
Müller et al., 2012
With FSP only minimally better than with CIS+/HDCIS
El. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
mid
freq.149 262 409 602 851 1183 1632 2228 3064 4085 5656 7352
Rate
Información de estructura fina Información de la envolvente
FS4
Principios de MEDEL para codificar la estructura fina:
Nueva Generación: FS4
Nueva generación: FS4
Rate
FSP
FS4
FS4 HR
LR
El. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
m.
Freq.149 262 409 602 851 1183 1632 2228 3064 4085 5656 7352
Rate
Rate
Estudio en la MHH comparando FS4 LR (low rate) and FS4 HR (high rate)
0102030405060708090
100
F0F2 (1981) F0F1F2 (1984) MPEAK (1989) SPEAK (1994) ACE (1999) HiRes / ACE-RE(aktuell)
% k
orre
kt
7 x
20 x
100 x
Stimulation-
rate
* ceiling effect
Efecto de la tasa de estimulación
Efecto tasa estimulación
Información de la Envolvente
El. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
m.
Freq.149 262 409 602 851 1183 1632 2228 3064 4085 5656 7352
Rate
Estrategias de codificación que codifican mayoritariamente la información
de la envolvente (ejemplo: HDCIS):
Tras 3 meses de uso continuado (n=9):
HSM test de frasesFreiburg test
monosílabos
*
Resultados: Inteligibilidad del habla
OLSA (mensa noise)OLSA (Olnoise)
*
Me
jor
Resultados: Inteligibilidad del habla
Después de 3 meses de uso continuado (n=9):
1970 1980 1990 2000
F0F2
F0F1F2
MPEAKACECIS
SAS
HiRes
single channel multi channel
Feature extraction Vocoder
SPEAK
2010
FSP
FS4
HiRes120
CA
SMSPMP3000
2020
single
channel
CIS+
HDCIS
Resúmen
DHZ: Centro Alemán de la Audición
Clínica
Médica
Diagnóstico
Rehabilitación
Pedagogía
Ingenieros
Adaptación
Implantes
Investigación
Empresas:
MED-EL
AB
Cochlear
Oticon
(Investigación
y servicio)
Muchas Gracias!
VoCoder
• DEMO: DeHoCI Simulator
Caracterización
de la interfaz
Eléctrico
Acústica
Respuestas
Subjetivas
Medias
Psicoacústicas
Individualización
de los parámetros
(Reducción de
Ruido)
Objetivo: Optimizar
individualmente la
inteligibilidad de la música y
el habla para usuarios de IC
Tecnología: Personalización
Estado del Arte:
Procesado del
Sonido (Reducción
de Ruido)
APG, http://auditoryprostheticgroup.weebly.com
Er hat heute einen Arzttermin.
Ist das Flugzeug gestartet?
F0/F2 ACE
Ejemplo: F0/F2 y „ACE“
F0F2(in noise)
• Objetivos del APG
– Mejorar la inteligibilidad del habla en ruido así como la percepción
musical para usuarios de imlante coclear
• Cómo? Dos posibilidades
– Tecnología: Modificar el Procesador del implante coclear (IC)
– Art: Crear contenidos específicamente para usuarios de IC
Auditory Prosthetic Group (APG)
APG, http://auditoryprostheticgroup.weebly.com
