OtoControl-2.0: Op weg naar een betere afstelling van Cochleaire Implantaten

Een Cochleair Implantaat (CI) is een in het slakkenhuis (cochlea) van het binnenoor aangebrachte electrode met ongeveer zestien tot twintig onafhankelijke elektrische contacten die de auditieve zenuw door middel van precies gecodeerde elektrische pulsen kunnen activeren. Het ongelooflijke hiervan is dat een volledig dove gebruiker hiermee weer kan leren horen, ondanks het feit dat (1) het aantal kanalen (maximaal 20) volledig in het niet valt bij dat van een normaalhorende (die beschikt over meer dan 3000 binnenste haarcellen), (2) de elektrische pulstreinen die uit elk elektrode contact komen in de verste verte niet lijken op de natuurlijke activatie die via buitenste en binnenste haarcellen in het gezonde oor via het slakkenhuis naar de gehoorzenuw worden overgebracht, en (3) dat de elektrische signalen van elk contact zich over een groot gebied uitspreiden, waardoor vele auditieve zenuwen tegelijk worden geactiveerd in plaats van alleen dié zenuwen die direct onder het contact liggen. Desondanks kunnen dove gebruikers weer leren om spraak te verstaan, normaal meedoen op school en op het werk, en weer volledig meedraaien in onze hoog-communicatieve samenleving. Een waarlijk wonder en prachtig staaltje van technisch vernuft én van de plasticiteit van onze hersenen!

Een CI bestaat uit verschillende componenten: een externe processor, die het geluidssignaal ontvangt, ontleedt in zijn verschillende frequentiecomponenten, en vervolgens via de zender (een spoel) doorstuurt naar het onderhuids aangebrachte implantaat als zestien amplitudegemoduleerde signalen. Het implantaat codeert en stuurt deze modulaties vervolgens als pulstreinen naar de zestien elektrode contacten. Figuur 1 illustreert schematisch de werking van het CI.

Figuur 1 (A) Het CI. De processor bevindt zich achter de oorschelp en bevat o.a. een microfoon. Het geluid wordt in de processor verwerkt en doorgestuurd naar de zender (spoel) die op de huid is gezet en magnetisch bevestigd aan het onderhuids aangebrachte implantaat. Het implantaat is verbonden met de elektrode die in het slakkenhuis is geschoven, en verdeelt het verwerkte signaal over de contacten. (B) Een complex spraakgeluid wordt door de processor ontleed in de tijdsafhankelijke frequentiecomponenten, hier weergegeven als een zogeheten spectrogram (tijd-frequentie plaatje) van het woord ‘sound’. Van het spectrogram wordt vervolgens de omhullende bepaald en verdeeld over de (hier 16) elektrode contacten, waarbij elk contact een beperkt frequentiegebied beslaat: apicaal (achter in het slakkenhuis) de lage frequenties, basaal (voorin) de hoge frequenties. Elke elektrode produceert vervolgens een hoogfrequente pulstrein (ongeveer 1200 Hz) waarvan de amplitude de omhullende van het signaal volgt. Elk van deze gemoduleerde pulstreinen produceert sterk wisselende elektrische velden die de eronder gelegen auditieve zenuwcellen doen activeren. De neurale activiteit wordt vervolgens verder in de hersenen verwerkt, wat leidt tot een auditieve waarneming. (C) Ligging van de 16 elektrode contacten in het slakkenhuis.               Bron: figuur A: Wikipedia.

Ondanks het grote succes van het CI in de bestrijding van doofheid, is het nog verre van perfect. Een van de problemen is dat het verstaan van spraak niet voor elke CI-gebruiker even goed gaat. Bovendien is de oorzaak van deze variabiliteit niet eenduidig. Het kan liggen aan de effectiviteit van de contacten om de zenuw te activeren, aan cognitieve of taalbeperkingen van de gebruiker, aan de algehele gezondheid van de auditieve zenuw zélf (en de verdere verwerking ervan in de hersenen), óf aan de coderingsstrategie die de geluidssignalen over de contacten verdeelt. Dit laatste noemt men ‘fitting’. Het is cruciaal voor een optimale aanpassing van het CI aan het auditief systeem van de gebruiker. Het meest waarschijnlijk is dat het een combinatie betreft van al deze factoren. 

Een van de grote problemen om deze variabiliteit aan te pakken is echter het gebrek aan harde data van CI-gebruikers op grond waarvan solide voorspellingen gedaan kunnen worden over het effect van verschillende aanpassingen in de fitting. Dit komt onder andere doordat verschillende klinieken verschillende methoden hanteren, weinig mogelijkheden hebben om uitgebreide, hoogkwalitatieve metingen te verrichten (vanwege hoge kosten voor de gezondheidszorg, en vereiste, maar veelal afwezige, expertise), en derhalve vaak gebruik moeten maken van persoonlijke (subjectieve) ervaringen van de CI-gebruiker die echter lastig te kwantificeren zijn. Daarnaast heeft elk contact een aantal parameters (zo’n vijf) die moeten worden ingesteld, zodat het aantal af te regelen parameters in de buurt van de 100 komt. Handmatig de beste fitting vinden is daarom onbegonnen werk.

Elk spectrogram van een complex geluid, zoals spraak in (A), kan worden opgebouwd met elementaire abstracte bouwste-nen die elk een specifieke modulatie in tijd en frequentie beschrijven. Dit zijn de spectro-temporele rippels waarvan er enkele zijn getoond in (B), en ook te herkennen in (A). (C) Alle humane spraak kan in deze “rippel-wereld” worden weergegeven langs de assen die de temporele en spectrale modulaties van de rippels aangeven. Je kunt zien dat spraak vooral temporele modulaties tot ongeveer 12 Hz en spectrale modulaties tot ±10 cycli/kHz bevatten. Het is dus van belang dat CI-gebruikers dergelijke rippels goed kunnen horen. In het OtoControl-2.0 project gebruiken we een grote set van dergelijke rippels om CI-gebruikers op te laten reageren, en hun reactietijden mee te meten.

Mijn onderzoeksgroep heeft onlangs van NWO-TTW (Toegepaste en Technische Wetenschappen) een grote subsidie ontvangen om in project OtoControl-2.0 te kunnen onderzoeken hoe we deze verschillende factoren van elkaar kunnen onderscheiden en karakteriseren, en om de fitting zodanig af te kunnen stemmen dat de CI-gebruiker de best mogelijke aanpassing van het CI krijgt. Daartoe werken we samen met een zestal ziekenhuizen uit binnen- en buitenland om bij een grote groep van zo’n 180 CI-gebruikers een groot aantal gestandaardiseerde metingen uit te gaan te voeren met als doel hieruit een beter begrip te krijgen hoé de fitting voor elke gebruiker optimaal te krijgen. 

Deze experimenten omvatten onder andere de bepaling van de precieze ligging van de elektrode in de cochlea door neuro-imaging, meting van de elektrische kwaliteit van alle contacten, en de respons van de auditieve zenuw op een enkele puls van elk contact. Daarnaast zullen we een groot aantal reactietijd-experimenten gaan uitvoeren door gebruik te maken van speciale geluiden (zogenaamde ‘spectro-temporele rippels’) waarop de CI-gebruiker zo snel mogelijk moet reageren. Deze experimenten kan de gebruiker ook thuis verrichten via een door ons (samen met CI-fabrikant Advanced Bionics uit Hannover) ontwikkelde app, waardoor we een enorme hoeveelheid objectieve respons data van elke CI-gebruiker kunnen verzamelen.

Waarom rippels? Figuur 2 illustreert het idee van spectro-temporele rippels, die kunnen worden opgevat als de elementaire bouwstenen van elk geluid, inclusief spraak. Het voordeel van het gebruik van dit soort abstracte geluiden is dat ze geen enkele cognitieve betekenis hebben, waardoor we moeilijk meetbare en sterk variabele factoren als ‘cognitie’, ‘syntax’ en ‘taalkennis’ kunnen omzeilen. Door te meten hoe goed een CI-gebruiker een bepaalde rippel kan horen, kunnen we zien in hoeverre een bepaalde spectrale en/of temporele modulatie door zijn/haar auditief systeem kan worden verwerkt.

Als deze rippel dan een belangrijke bijdrage blijkt te leveren aan humane spraak (Figuur 2C), dan zegt dat dus ook iets over hoe goed (dat element van) spraak door het auditief systeem van de CI-gebruiker kan worden verwerkt. 

We meten de gevoeligheid van de luisteraar op vele rippels door de reactietijden te meten die hij/zij nodig heeft om de start van zo’n rippel te detecteren. Het idee is dat hoe langer en hoe variabeler deze reactietijd is, des te moeilijker het is voor het auditief systeem om dat specifieke geluid te verwerken. Uit eerdere studies in mijn laboratorium aan vele verschillende rippels bij normaalhorende luisteraars is gebleken dat reactietijden inderdaad heel precies en betrouwbaar deze moeilijkheidsgraad kunnen meten. Een voorbeeld hiervan is geïllustreerd in Figuur 3A.

(A) Voorbeeld om de gevoeligheid van het auditief systeem van een normaalhorende proefpersoon te bepalen door middel van reactietijden. Hier reageerde de luisteraar op dezelfde rippel voor vier verschillende luistersituaties: horen met beide oren (BIN) gaf de kortste reactietijden, terwijl luisteren met een gesimuleerd hoortoestel (HA) de langste reactietijden liet zien. Verder: MON = horen met één oor, en CI = horen met een gesimuleerde CI. N.B. de luisteraar kon onder alle situaties het geluid prima horen. Tóch waren de reactietijden systematisch verschillend. (B) Een volledig auditief gevoeligheidsprofiel van normaalhorende luisteraars voor temporele en spectrale modulaties is bepaald door de reactietijden op 88 (8 spectrale x 11 temporele combinaties) verschillende rippels te meten. De kleurcode geeft aan wat de gemiddelde reactietijd was voor elke rippel. De wit-gestreepte lijn geeft dié rippels aan die voor spraak belangrijk zijn (als in Fig. 2C).

Figuur 3 laat zien dat reactietijden systematisch variëren met de geluidskwaliteit (A) én met de spectro-temporele eigenschappen van de rippels (B). In Figuur 3A kun je ook goed zien dat reactietijden niet altijd hetzelfde zijn. Dit is een belangrijk aspect van onze hersenen: zelfs als de stimulus iedere keer precies hetzelfde is, is de verwerking in ons brein ‘ruizig’ en levert een iets andere reactietijd op. Dit betekent dat als je ‘de’ reactietijd wilt bepalen, een stimulus een aantal keer zal moeten worden herhaald.

Door de data op een speciale manier te plotten valt de hele verdeling van reactietijden op een rechte lijn. De helling van die lijn is dan een maat voor de ruis. We zien in de figuur dat alleen het gemiddelde verschuift met de luistercondities: verder naar rechts naarmate deze ‘moeilijker’ worden verwerkt door het auditief systeem. We vinden hetzelfde voor de binaurale verwerking van verschillende rippels: de gemeten lijnen lopen allemaal parallel, en alleen hun gemiddelde hangt af van de rippel parameters. Figuur 3B laat zien dat we hiermee de volledige spectrale en temporele gevoeligheid van de luisteraar voor willekeurig complexe geluiden in kaart kunnen brengen.

Naar Optimale CI fitting. Voor CI-gebruikers kunnen we op dezelfde manier het individuele spectro-temporeel gevoeligheidsprofiel bepalen door hun reactietijden te meten op een groot aantal rippels. Het doel van het OtoControl-2.0 project is om dit profiel met name voor het spraakgebied zo goed mogelijk te krijgen. Met andere woorden: de fitting van het CI moet zodanig worden dat de reactietijden voor deze rippels zo kort mogelijk worden en met zo weinig mogelijk variabiliteit (dat wil zeggen: steile lijnen, en zo ver mogelijk naar links, zoals BIN in Figuur 3A). We willen dit bereiken door gerichte kleine veranderingen in de fitting aan te brengen en het effect daarvan op de reactietijden te meten. Door de responsies van CI-gebruikers op deze manier systematisch in kaart te brengen gaan we een geavanceerd computermodel ontwikkelen dat de best mogelijke fitting kan voorstellen voor elke individuele CI-gebruiker. Een dergelijk model zal met statistische (machinelearning) technieken gebruik gaan maken van de hele set van electrode metingen, anatomie, én reactietijden, om de ongetwijfeld complexe relatie tussen de fitting van het CI, de individuele eigenschappen van het auditief systeem, en de resulterende reactietijden te kunnen ontrafelen.

Doordat de CI-gebruikers een groot deel van de reactietijd experimenten met de door ons ontwikkelde app simpelweg thuis kunnen uitvoeren, verspreid over meerdere dagen en zelfs maanden, kunnen we grote hoeveelheden data verzamelen met een naar verwachting hoge voorspellende waarde. Dit soort metingen zijn in de kliniek gewoonweg niet mogelijk. We hopen hiermee uiteindelijk de huidige vooralsnog kwalitatieve en subjectieve procedures voor CI-fitting in de kliniek te vervangen door solide kwantitatieve en meer objectieve procedures om daarmee de luisterervaring van elke CI-gebruiker zo optimaal mogelijk te krijgen.