Per questo articolo si ringrazia Laura Cesari e Pasquale Ricciardi Clinical specialist di Advanced Bionics

LO STIMOLATORE

Nel 1987 Advanced Bionics (AB) in collaborazione con l’Università di California in San Francisco (UCSF) ed il Research Triangle Institute (RTI) nel North Carolina da inizio alla sperimentazione del primo IC del suo gruppo. Nel 1993 nasce la prima generazione di Impianto Cocleare di Advanced Bionics che prende il nome di Clarion C1. Il C1 aveva un involucro di ceramica con un array di 8 coppie di elettrodi di stimolazione definito “lateral wall” ossia la forma dell’array è tale da posizionarsi sulla parete laterale della coclea. Questo sistema supportava diverse strategie di stimolazione tra cui la strategia analogica Compressed Analog (CA), utilizzata con successo nei dispositivi Ineraid, la Simultaneous Analog Stimulation(SAS) e la strategia digitale Continuous Interleaved Sampling (CIS), sviluppata dai ricercatori del RTI e successivamente evoluta nella Paired Pulsatile Sampler (PPS) caratterizzata da una stimolazione in parte sequenziale ed in parte simultanea. Nel 2001 la seconda generazione di impianti CLARION (CII) è caratterizzata da un’architettura tecnologica versatile ed estremamente potente. L’array di elettrodi è costituito da 16 elettrodi di stimolazione rivolti verso il modiolo e sono separati da materiale dielettrico per ridurre le correnti longitudinali: a ciascuno di essi è associato un generatore di corrente indipendente consentendo, così, di implementare, oltre la stimolazione sequenziale (in cui viene stimolato un elettrodo alla volta), quella simultanea (dove gli elettrodi possono stimolare contemporaneamente) o quella parzialmente simultanea. Il sistema CII permette di potere usufruire di tutte le strategie di stimolazione sviluppate da AB quindi è in grade di supportare oltre alle strategie HiRes anche le strategie dei canali virtuali. Nel 2003 viene introdotta la terza generazione di impianti Advanced Bionics chiamata HiResolution™: il guscio della parte impiantata (HiRES 90K) è in titanio-silicone resiliente alle deformazioni sospeso su una flangia appoggiata al bordo dell’alloggiamento osseo, con il magnete rimovibile per poter effettuare indagini di risonanza magnetica. Oltre all’utilizzo del Titanio sono state migliorate le dimensioni e le forme dell’array, infatti, con HiRes 90K il chirurgo ha la possibilità di potere scegliere tra due tipologie di array:

• HiFocus 1J: la forma dell’array è tale da posizionarsi sulla parete laterale della coclea (lateral wall) (Figura 1)

Figura 1 Elettrodo HiFocus 1J

• HiFocus Helix: la forma dell’array è tale da avvolgere il modiolo (perimodiolare) (Figura 2)

Figura 2 Elettrodo HiFocus Helix

Entrambi gli array hanno gli elettrodi HiFocus che permettono di focalizzare la stimolazione verso il modiolo limitando al massimo le interazione elettromagnetiche tra i singoli elettrodi di stimolazione. Nel 2015 AB integra una nuova tecnologia nel ricevitore dando vita alla generazione di HiRES 90K Advantage. La nuova tecnologia permette di avere performance maggiori riducendo il consumo di batterie da parte del processore. Inoltre AB realizza un nuovo array denominato HiFocus Mid Scala (MS). Il Mid Scala presenta una forma nuova dell’array e in particolare i primi cinque elettrodi sono perimodiolari mentre i restanti 11 si posizionano tra il modiolo e la parete laterale. Le dimensioni e la forma particolare riducono notevolmente le forze di inserzione e quindi è particolarmente utile ai chirurghi che prediligono la tecnica soft surgery ossia di conservazione dei residui uditivi. Per questa tipologia di array AB ha realizzato uno strumento di inserimento che ne facilità l’inserzione nella coclea (Figura 3).  

Figura 3 Strumento Inseritore per Elettrodo MS

  L’impianto HiRES90K ADVANTAGE ha ricevuto l’approvazione FDA e CE per l’esecuzione di Risonanza Magnetica (RM) a 0,3T e 1,5T con e senza la rimozione del magnete. Nel 2017 AB lancia la generazione HiRES ULTRA. La differenza tra questo dispositivo e l’HiRES 90K Advantage è principalmente nella forma del ricevitore interno il quale è stato notevolmente assottigliato rendendolo molto versatile specie per i pazienti pediatrici (Figura 4).

Figura 4 Ricevitore Stimolatore modello HiRES ULTRA

  L’Impianto HiRES ULTRA è dotato di magnete rimovibile. Può essere lasciato in sede per RMN a 1,5T seguendo il protocollo di bendaggio, o può essere rimosso per scansioni a 1,5T o 3T.  Per l’impianto HiRES ULTRA AB ha realizzato un nuovo array denominato Slim J. L’elettrodo Slim J presenta una forma tale da posizionarsi sulla parete laterale della coclea (lateral wall).Grazie design dell’elettrodo ed alle sue dimensioni è progettato per la preservazione delle strutture fini della coclea. Garantisce la copertura del ganglio spirale ed  ha la stessa profondità di inserzione di HiFocus Mid-Scala (420°) (Figura 5).  

Figura 5 Design dell’elettrdo Slim J

Tabella riassuntiva del portfolio ellettrodi AB con caratteristriche tecniche  

LE STRATEGIE DI CODIFICA

Dalla nascita degli IC, ad oggi, sono state sviluppate più strategie atte a migliorare l’apprendimento sonoro per i soggetti portatori di IC. Le prime strategie utilizzavano il principio dello studio frequenziale dello stimolo sonoro, ossia, il processore sonoro effettuava una vera e propria analisi del segnale d’ingresso per ricavarne le bande nelle quali si concentrava la massima energia (per il parlato equivalenti alle aree formantiche). Il valore delle bande determina le intensità di corrente, la frequenza della stimolazione e la selezione degli elettrodi. Con una strategia di questo tipo si ottengono buoni risultati in ambienti di base non rumorosi, mentre in quelli rumorosi, queste strategie potrebbero fallire a causa della sovrapposizione del rumore al segnale parlato che rende difficile l’analisi spettrale. Oggi si utilizzano strategie a campionamento continuo del segnale d’ingresso che ricercano una risposta desincronizzata del nervo acustico in modo da emulare il funzionamento naturale della coclea. In questo paragrafo si descriverà l’evoluzione delle singole strategie sviluppate da AB.

Strategia Simultaneous Analog Stimulation (SAS)

La SAS può essere considerata l’unica strategia di tipo analogica in quanto la stimolazione elettrica non è costituita da impulsi bifasici ma da onde sinusoidali. Questa tipologia di stimolazione rende la sensazione sonora molto armonica ma di contro la sommazione elettrica tende a stimolare il nervo facciale.  Tecnicamente la SAS prevede in ingresso di un AGC con un tempo d’attacco lungo in modo da non smorzare troppo il segnale sonoro e una frequenza di compressione bassa in modo da ridurre le distorsioni. La modalità di stimolazione è di tipo bipolare ossia l’elettrodo di riferimento è prossimo a quello di stimolazione riducendo al minimo le interazioni elettromagnetiche.  

Strategia Continuous Interleaved Sampler (CIS)

La strategia CIS prevede una stimolazione con impulsi bifasici di tipo monopolare ossia l’elettrodo di riferimento è esterno alla coclea e generalmente è posizionato o sulla mastoide o nell’alloggiamento. L’ampiezza degli impulsi è modulata dall’inviluppo della corrispondente forma d’onda filtrata. La frequenza di stimolazione degli elettrodi varia da un minimo di 100 impulsi al secondo (pps) a un massimo di 2500 pps per canale ed è definita in modo da ottenere una migliore comprensione del parlato. In genere un’alta frequenza di stimolazione porta a risultati migliori rispetto ad una bassa. L’algoritmo della strategia CIS prevede di stimolare tutti gli elettrodi indipendentemente dalla frequenza del segnale sonoro. Quindi se la frequenza del segnale sonoro rientra in una banda frequenziale, i corrispondenti elettrodi stimoleranno a una determinata intensità di corrente che dipende oltre dall’inviluppo dell’onda sonora anche dai livelli elettrici definiti dalla mappa del soggetto. Altrimenti se la frequenza del segnale sonoro non rientra in una determinata banda frequenziale, i corrispondenti elettrodo stimoleranno a livello di soglia. Quindi per questa determinata strategia i livelli di soglia del soggetto ricoprono un ruolo importante e corrispondono alla massima intensità elettrica che non genera una sensazione sonora. Questa strategia tenta di simulare i così detti “impulsi incondizionati”¹ della coclea. Ossia in un soggetto normo-acusico si è osservato che la coclea stimola anche le aree nervose del nervo acustico che non rientrano nelle frequenze del segnale sonoro. La stimolazione elettrica non è di tipo sequenziale ma per ridurre al minimo le interazioni elettromagnetiche l’ordine di stimolazione degli elettrodi è alternato ad esempio elettrodo 1, 5, 2, 6, 3, 7, 4, 8. La CIS prevede otto elettrodi di stimolazione  

Strategia HiRes

La strategia HiRes è un’evoluzione della strategia CIS e prevede la stimolazione continua del nervo acustico e l’intensità elettrica di stimolazione dipende dall’intensità del segnale sonoro. La strategia HiRes prevede una elevata frequenza di stimolazione che può arrivare fino a 80000 impulsi/sec e quindi sfrutta il principio stocastico del nervo acustico, ossia avendo una forte frequenza di stimolazione c’è una buona probabilità di trovare delle aree neurali pronte per essere depolarizzate. La stimolazione è di tipo sequenziale in modo da simulare la cosiddetta “onda viaggiante” della coclea. La strategia HiRes si suddivide in:

• HiRes-S(sequenziale) Si prevede di stimolare il nervo in modo sequenziale partendo dall’elettrodo apicale fino a raggiungere l’elettrodo basale in modo da simulare l’onda viaggiante della membrana basilare la trasduzione naturale della coclea.
• HiRes-P(parallela) Il ricevitore suddivide virtualmente l’array di 16 elettrodi in 2 array di 8 elettrodi indipendenti (1…..8 e dal 9….16) e stimola in modo sequenziale e contemporaneo un elettrodo per array ottenendo, a parità di intensità elettrica di stimolazione, un aumento della sensazione di loudness.

Per la stimolazione HiRes la soglia corrisponde alla massima intensità elettrica per cui il paziente non percepisce nessuna sensazione sonora  

Strategia HiRes Fidelity 120

La strategia HiRes Fidelity 120 è l’evoluzione della strategia HiRes e sfrutta l’interazione elettromagnetica dei campi magnetici generati dalla stimolazione elettrica del nervo. Infatti, la stimolazione elettrica genera un campo elettromagnetico che depolarizza le aree del nervo acustico in prossimità dell’elettrodo di stimolazione. Stimolando in contemporanea due elettrodi adiacenti i campi magnetici generati dai singoli elettrodi interagiscono tra loro generando un unico campo magnetico che vede il suo picco in un area intermedia tra i due elettrodi fisici. Variando l’intensità dell’uno e altro elettrodo il picco massimo si sposta verso l’elettrodo con intensità maggiore. Così facendo è stato dimostrato², che è possibile ottenere almeno 8 sensazioni frequenziali diverse per ogni coppia di elettrodi avendo 16 elettrodi fisici di stimolazioni. Quindi con 15 coppie di elettrodi otteniamo 120 canali virtuali di stimolazione. Anche la strategia Fidelity 120 si suddivide in:

• Fidelity 120 S: prevede di stimolare il nervo in modo sequenziale partendo dall’elettrodo apicale fino a raggiungere l’elettrodo basale in modo da simulare l’onda viaggiante nella trasduzione naturale della coclea.
• Fidelity 120 P: il ricevitore suddivide virtualmente l’array di 16 elettrodi in 2 array di 8 elettrodi indipendenti (1…..8 e dal 9….16) e stimola in modo sequenziale e contemporaneo un elettrodo per array ottenendo, a parità di intensità elettrica di stimolazione, un aumento della

  L’elevata risoluzione spettrale del segnale di ingresso ha aperto le porte ad una ulteriore strategia, CLEARVOICE³, permettendo di enfatizzare il parlato in presenza di rumori di fondo stazionari.  

HiRes Optima

L’algoritmo di funzionamento di HiRes Optima è simile alla strategia Fidelity 120 ottimizzandone però i consumi energetici. Infatti generalmente i generatori di corrente elettrica degli impianti cocleari hanno una tensione di 8V mentre la strategia Optima abbassa la tensione a 4V per ottenere gli stessi campi magnetici della strategia Fidelity 120. In tal modo la percezione acustica è uguale mentre il consumo della batteria migliora sensibilmente. HiRes Optima si suddivide in due tipologie di stimolazione:

• HiRes OPTIMA-S: prevede di stimolare il nervo in modo sequenziale partendo dall’elettrodo apicale fino a raggiungere l’elettrodo basale in modo da simulare l’onda viaggiante della coclea.
• HiRes OPTIMA-P: il ricevitore suddivide virtualmente l’array di 16 elettrodi in 2 array di 8 elettrodi indipendenti (1…..8 e dal 9….16) e stimola in modo sequenziale e contemporaneo un elettrodo per array ottenendo, a parità di intensità elettrica di stimolazione un aumento della

BIBLIOGRAFIA

1. Loizou P. Introduction to cochlear implants”, IEEE Signal Processing Magazine, pp.101-130, september 1998.
2. Büchner A, Lenarz T, Boermans PP, et al Benefits of the HiRes 120 coding strategy combined with the Harmony processor in an adult European multicentre study Helbig S, Frachet B, Gallego S, Truy E, Jeffs E, Morant A, Marco J. Acta Otolaryngol. 2012 Feb;132(2):179-87.
3.  Dingemanse JG, Goedegebure A. Application of Noise Reduction Algorithm ClearVoice in Cochlear Implant Processing: Effects on Noise Tolerance and Speech Intelligibility in Noise in Relation to Spectral Resolution. Ear Hear. 2015 May-Jun;36(3):357-67
   4. Brendel M, Geißler G, Fredelake S, Büchner A.Microphone Location Effects on Speech Perception Using the T-Comm for Off-ear Sound Processors. Submitted to CI international
   5. Naída CI Q70 Beamforming Technology: Unrivalled Performance in Noise Advanced Bionics white paper
     ¹ Holtkamp V. Cochlear Implants Under Impact Loading. Evaluation of Accident Scenarios, Determination of Load Limits, and Development of a Standardizable Test Procedure. Dissertation accepted by the Senate of Hannover Medical School, May 19, 2004.   ² Blasco, M.A. and M.I. Redleaf, Cochlear Implantation in Unilateral Sudden Deafness Improves Tinnitus and Speech Comprehension: Meta-Analysis and Systematic Review. Otology & Neurotology, 2014.   ³ Tokita, J., C. Dunn, and M.R. Hansen, Cochlear implantation and single-sided deafness. Current opinion in otolaryngology & head and neck surgery, 2014.   ⁴ Vlastarakos, P.V., et al., Cochlear implantation for single-sided deafness: the outcomes. An evidence-based approach. European archives of oto-rhino-laryngology, 2014. 271(8): p. 2119-26.   ⁵ Lenarz T, Beerling T, Vanpoucke F. (2010) Experience with an Advanced Bionics minimally traumatic electrode array in a 3-D force measurement system. Presentation at the 11th International Conference on Cochlear Implants and Other Implantable Auditory Technologies, Stockholm, Sweden, June 30–July 3, 2010.   ⁶ Rebscher SJ. (2013) HiFocus™ Mid-Scala Electrode Design. AB White Paper.   ⁷ Soda-Merhy A, Gonzalez-Valenzuela L, Tirado-Gutierrez C. Residual hearing preservation after cochlear implantation: Comparison between straight and perimodiolar implants. Otolaryngol Head Neck Surg. 2008;139:399–04   ⁸ Filipo R, Mancini P, D’Elia C, Barbara M. (2004) Objective measurement (NRI) from intracochlear electric stimulation in Clarion CII adult implantees. Coch Imp Int Supplement 5:25-7.   ⁹ Büchner A, Frohne-Büchner C, Gärtner L, Lesinski-Schiedat A, Battmer RD, Lenarz T. (2006) Evaluation of Advanced Bionics High Resolution mode. Int J Audiol 45:407-16.   ¹⁰Buechner A, Brendel M, Krüeger B, Frohne-Büchner C, Nogueira W, Edler B, Lenarz T. (2008) Current steering and results from novel speech coding strategies. Otol Neurotol. 29:203-7.   ¹¹Rubinstein JT, Wilson BS, Finley CC, Abbas PJ. (1999) Pseudospontaneous activity: stochastic independence of auditory nerve fibres with electrical stimulation. Hear Res 127:108-18.   ¹²Firszt JB, Koch DB, Downing M, Litvak L. (2007) Current steering creates additional pitch percepts in adult cochlear implant recipients. Otol Neurotol. 28(5):629-36   ¹³Buechner A, Brendel M, Saalfeld H, Litvak L, Frohne-Buechner C, Lenarz T. (2010) Results of a pilot study with a signal enhancement algorithm for HiRes 120 cochlear implant users. Otol Neurotol 31:1386-90.   ¹⁴Dawn Burton Koch, Andrew Quick, Mary Joe Osberger, Aniket Saoji, Leonid Litvak (2014) Enhanced Hearing in Noise for Cochlear Implant Recipients:  Clinical Trial Results for a Commercially Available Speech Enhancement Strategy. Otology and Neurotology 35:803-809   ¹⁵Rene H. Gifford, Lawrence J. Revit (2010) Speech Perception for Adult Cochlear Implant Recipients in a Realistic Background Noise:  Effectiveness of Preprocessing Strategies and External Options for Improving Speech Recognition in Noise. Journal of the American Academy of Audiology 21:441-451   ¹⁶Gunnar Geissler, Iris Arweiler, Phillipp Hehrmann, Thomas Lenarz, Volkmar Hamacher, Andreas Büchner (2015) Speech Reception Threshold Benefits in Cochlear Implant Users with an Adaptive Beamformer in Real Life Situations. Cochlear Implants International  16(2):69-76   ¹⁷Agrawal S. (2014) Technologies for improving speech understanding in noise in cochlear implant recipients. Presentation at the 14^th Symposium on Cochlear Implants in Children, 11-13 Dec. 2014, Nashville TN   ¹⁸Buechner A, Dyballa K-H, Hehrmann P, Fredelake S, Lenarz T. Advanced beamformers for cochlear implant users in challenging listening conditions. Submitted to Otology & Neurotology, 2013.   ¹⁹Independent study. Schulte, M. (2013) DECT CP1 study, Hearing Center Oldenburg, Germany.   ²⁰Wolfe J, Koch D. Evaluation of ClearVoice with Digital Adaptive Remote Microphone Technology. Poster presentation at the 13th International Conference on Cochlear Implants and Other Implantable Auditory Technologies, 18-21 June 2014, Munich, Germany.   ²¹Morais M, Wolfe J. Benefit of a speech enhancement strategy and a digital adaptive remote microphone system for understanding speech in quiet and in noise. Presentation at the 14th Symposium on Cochlear Implants in Children, 11-13 December 2014, Nashville, TN.   ²²Wolfe J, Morais M, Shafer E, Agrawal S, Koch D. Evaluation of speech recognition in cochlear implant recipients using adaptive, digital remote microphone technology and a speech enhancement sound processing algorithm. Accepted for publication in the Journal of the American Academy of Audiology, 2015.

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