Sistemas de petaca y retroauricular ATV 2002 Dpto

Sistemas de petaca y retroauricular ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 1

Cuándo es necesario el I. C. (criterios de selección de candidatos) • Sordera neurosensorial – No en sordera retrococlear: Implante de tronco cerebral – No en sordera de transmisión: (Pérdidas moderadas) Prótesis auditivas, reconstrucción cadena huesecillos • Sordera bilateral profunda • Incapacitante para comprensión de voz ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 2

Criterios de Inclusión Adultos • Sordera neurosensorial severa a profunda: – Sordera neurosensorial severa a profunda de 90 d. B o peor a 500 Hz, 1000 Hz y 2000 Hz sin prótesis en ambos oídos. • Estabilidad psicológica y expectativas realistas • Fluidez en lenguaje con comprensión de lectura y escritura. • Sin beneficio significativo de la amplificación en las mejores condiciones de adaptación posibles. – Puntuación menor o igual al 40% en frases sin apoyo. • Duración de la sordera en ambos oídos menor de 25 años. ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 3

Criterios de Inclusión Niños • Pérdida neurosensorial profunda bilateral con umbrales de 90 d. B o mayores a 1000 Hz sin beneficio funcional con audífono. • Menores de 2 años mostrarán evidencias electrofisiológicas de sordera bilateral profunda. • Deben completar un periodo de 3 a 6 meses con amplificación apropiada paralelamente a un programa de rehabilitación intensivo previo a I. C. ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 4

Umbrales auditivos prequirúrgicos 250 500 1 k 2 k 4 k 8 k 0 20 40 60 80 100 120 d. BSPL Asistido d. BHL Sin asistencia

Aportaciones del I. C. • Percepción de la voz • Percepción de otros sonidos • Limitaciones • Objetivo: comunicación oral – Desarrollo lingüístico en niños – Comunicación en adultos • Funcionamiento del I. C. ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 6

La señal de voz /sal/ ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 7

La señal de voz /s/ ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR /a/ /l/ 8

Espectro de las vocales /i/ /a/ /o/ /a/ cerrada /u/ /e/ ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 9

Espectro de las vocales /i/ /a/ /o/ /a/ cerrada /u/ /e/ ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 10

Formantes 1º y 2º en vocales 3000 freq. 2 o formante (Hz) 2500 2000 /e/ /i/ 1500 1000 500 200 /a/ /u/ 300 /o/ 400 500 600 700 800 900 1000 freq. 1 er formante (Hz) ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 11

Espectro de consonantes sonoras /m/ /l/ /n/ /y/ /ñ/ /R/ ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 12

Espectro de consonantes fricativas /s/ /z/ /sh/ /f/ /ss/ /j/ ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 13

Fonemas no estacionarios • Fonemas estacionarios: – vocales: /a/ /e/ /i/ /o/ /u/ – consonantes sonoras: /l/ /y/ /R/ /m/ /n/ /ñ/ – consonantes fricativas: /s/ /sh/ /ss/ /z/ /f/ /j/ • Fonemas no estacionarios: – Plosivas sordas: /p/ /t/ /k/ – Plosivas sonoras: /b/ /d/ /g/ – Otras consonantes: /ch/ /r/ ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 14

Espectrograma (representación tiempo - frecuencia) ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 15

Espectrograma (representación tiempo - frecuencia) m b o i a kom p r a R ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR pa n 16

Información relevante de la señal de voz: • Para reconocimiento de voz: – Envolvente espectral (formantes) – Evolución temporal de los formantes Información espectral de tiempo corto • Información complementaria: – Tono fundamental – Estructura fina del espectro ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 17

Cómo funciona el oído • Extrae información de la señal de audio. • Envía la información al cerebro en forma de estímulos nerviosos. • El implante coclear trata de imitar el mecanismo de conversión del sonido en potenciales de acción. ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 18

Características del oído humano • Configuración de la cóclea: 6. 000 células ciliadas internas 40. 000 terminaciones nerviosas Repolarización: 2 ms (400 - 500 disparos/seg) Conexión sináptica: sin interacción entre canales • Capacidad de un oído entrenado: – Resolución espectral: 1/9 tono – Resolución temporal: 400 - 500 Hz – Resolución de intensidad: 1 d. B ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 19

Capacidad del oído humano • Resolución en frecuencia: 1/9 tono: – fo - 1. 013*fo 450 Hz - 456 Hz – rango de frecuencia: 20 Hz - 20. 000 Hz • Resolución en el tiempo: – limitado por tiempo relajación de células ciliadas y terminaciones nerviosas (~400 disparos por seg. ) • Resolución en intensidad: – Unos 10 niveles de intensidad entre THR-MCL asociados a las distintas terminaciones de cada neurona • Mecanismos de adaptación. ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 20

Limitaciones del implante coclear • No hay conexión sináptica: – Un electrodo estimula muchas fibras – Si se estimulan simultáneamente varios electrodos hay interferencia entre canales • Consecuencias: – Pocos electrodos (se representa sólo la envolvente espectral) – Alta tasa de estimulación – En cada instante sólo se estimula un canal ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 21

Percepción con Implante Coclear • Implante: varios electrodos (muchos menos de 4000) – ¿Por qué no más electrodos? – Intervalo de frecuencia 200 Hz - 8500 Hz • Respuesta en el tiempo: 1500. . . 3000 disparos/seg. • Respuesta a los distintos niveles de intensidad ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 22

Diseño de los Implantes Cocleares • Limitaciones acoplamiento entre electrodos y terminaciones nerviosas • Limitaciones: – procesamiento de señal – comsumo – tamaño • Posibilidades y límites: sonidos / voz ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 23

¿Cómo oye un implantado? • No se puede saber • Sólo unos pocos pacientes están en condiciones de hacer comparaciones • Observación indirecta (qué son capaces de hacer) • Teniendo en cuenta todo el proceso de estimulación se puede sintetizar la señal “tal y como la oiría un implantado” ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 24

Aportaciones del Implante Coclear • Percepción auditiva con calidad suficiente para comprensión del habla (sin ruido) • Para ello, antes hay que desarrollar. . – habilidades perceptuales – habilidades lingüísticas • Comprensión de la voz en ruido: difícil • Percepción de los distintos sonidos, música – proporciona toda la información temporal que un oído normal puede percibir (poca resolución espectral) ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 25

Estrategias de codificación • Analógicas: – Compressed Analog (Clarion) • Pulsátiles: – Extracción de características • F 0/F 1/F 2 • MPEAK (Cochlear) – Híbridas: • SMSP / SPEAK • N-of-M (Cochlear) (Medel) – Forma de onda: • ACE / CIS+ ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR (Cochlear Clarion Medel) 26

Estrategias Pulsátiles (Digitales) Extracción de Características MPEAK F 0/F 1/F 2 F 0/F 2 IP 1 Híbridas n-of-m ACE SPEAK SMSP IP 2 Forma de onda CIS+ Pre-procesamiento ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 27

Compressed Analog Adquisición de la señal Banco de filtros ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR compresion Estim. elec 1 compresion Estim. elec 2 compresion Estim. elec 3 compresion Estim. elec 4 compresion Estim. elec 5 Ajuste de niveles Estimulación 28

Compressed analog • Estimulación analógica (no pulsátil) • Estimulación simultánea de todos los electrodos (interacción entre canales) – Estimulación bipolar – Campo eléctrico de cercanía ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 29

F 0 / F 1 / F 2 • Estima parámetros: – F 0: tono fundamental (frecuencia) – F 1: primer formante (frecuencia y amplitud) – F 2: segundo formante (frecuencia y amplitud) • Estimula dos electrodos en cada ciclo: – los correspondientes a las frecuencias F 1 y F 2 – con las amplitudes estimadas para F 1 y F 2 – con la tasa de estimulación asociada a F 0 ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 30

F 0 / F 1 / F 2 1 k-3 k F 1 300 - 1 k F 0 0 - 270 Adquisición de la señal Generador de estímulos F 2 A 2 F 1 Ajuste de niveles Generador de estímulos Generador de pulsos Extracción de características ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR Selección de electrodos Estimulación 31

F 0 / F 1 / F 2 1 k-3 k F 1 300 - 1 k F 0 0 - 270 Adquisición de la señal Generadoruno de Selecciona entre canales 6 -20 estímulos F 2 A 2 F 1 Ajuste de niveles Generadoruno de Selecciona entre canales 1 -5 estímulos Generador de pulsos Extracción de características ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR Selección de electrodos Estimulación 32

MPEAK (Multi Peak) 4 k-6 k Electrodo 20 2. 8 k - 4 k Electrodo 17 2 k - 2. 8 k Electrodo 14 F 2 800 - 4 k F 1 300 - 1 k F 0 0 - 270 Adquisición de la señal Extracción de características Generador de estímulos F 2 A 2 F 1 Ajuste de niveles Generador de estímulos Generador de pulsos Selección de electrodos ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR Estimulación 33

Extracción de características • Presentan la información esencial para percibir la voz: – Tono fundamental (F 0) – Primer y segundo formante • Representación pobre de la voz • Sensibilidad a estimación de F 0, F 1 y F 2: – Respuesta pobre en condiciones de ruido ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 34

SMSP, SPEAK y N-of-M Selección de los N canales con mayor intensidad Adquisición de la señal Banco de filtros y detecc. envolvente ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR Selección de electrodos Ajuste de niveles Estimulación 35

• Implementaciones (alta tasa de estimulación): – SMSP: en cada ciclo, 6 -de-16 canales – SPEAK: en cada ciclo, 6 -de-20 canales – N-of-M: en cada ciclo, 2 -de-12 a 11 -de-12 • Ventajas: – Mejor representación que extracción de carac. – Menos sensible a ruido de fondo • Inconvenientes: – Se pierde información (canales con menos energía) • Compromiso: – Número de canales - tasa de estimulación ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 36

CIS: Continuous Interleaved Sampling Adquisición de la señal Banco de filtros y detecc. envolvente ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR Ajuste niveles Generación estímulos 37

• Implementaciones (alta tasa de estimulación): – ACE (Nucleus): hasta 8 canales – CIS (Clarion): hasta 8 canales – CIS+ (Medel): hasta 12 canales • Ventajas: – Todos los electrodos estimulados en cada ciclo con alta tasa de estimulación – Mejor representación de la señal de audio – Mejor resolución en intensidad – Mayor sensibilidad ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 38

• Tendencias en estrategias de codificación: – Reducir extracción de características – Alta tasa de estimulación • Todas las estrategias actuales (CA, SPEAK, CIS) proporcionan resultados satisfactorios: – Envolvente espectral – Resolución temporal – Resolución en intensidad • Prestaciones: – Representación audio suficiente para comprender voz • Limitaciones: música y ruido • Los implantes en el futuro ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 39

¿Qué es programar el I. C. ? • Ajustar los parámetros del sistema de implante coclear para que el paciente obtenga un aprovechamiento óptimo: – Parámetros de estimulación – Parámetros de representación del sonido ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 40

Montaje para programar I. C. Transmisor Ordenador para acceder al procesador ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR Interface Procesador 41

Programación del procesador • Parámetros ajustables: – conexión de electrodos – niveles de estimulación en cada electrodo • Umbrales de percepción: THR • Máximos niveles de confort: MCL – parámetros especiales • Objetivos: – adaptar la estimulación a los valores particulares de cada paciente – proporcionar la máxima calidad de audición ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 42

Importancia del ajuste • Electrodos activados: – La banda útil se reparte entre los electrodos activos. Si un electrodo no es funcional debe desconectarse • Umbrales de percepción: – Para tener sensibilidad (20 - 30 d. B) y para poder discriminar niveles de volumen • Máximos niveles de confort: – Para escuchar los sonidos fuertes (80 - 110 d. B) fuertes pero sin llegar a sensación de dolor ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 43

Dificultades del ajuste • Colaboración paciente - programador • Capacidad / tiempo de atención del paciente • Capacidad de expresión del paciente • Descripción del paciente subjetiva • Tolerancia del paciente a imprecisión • Evolución fisiológica del paciente • Objetivos mínimos cubiertos ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 44

Influencia de la programación en la capacidad de percepción • El número de electrodos – rango de frecuencia • Electrodos no funcionales conectados – excepciones transitorias • • Electrodos con estimulaciones colaterales Sobre-estimación de umbrales Infra-estimación de umbrales Desajustes de MCL ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 45

Parámetros ajustables: • Parámetros de estimulación: – Determinación de electrodos funcionales – Rango dinámico de cada electrodo: umbral y máximo nivel de confort • Parámetros de representación del sonido: – – – Modo de estimulación Estrategia de codificación Bandas de frecuencia asignadas a electrodos Tasa de estimulación Mapeo de intensidad, volumen, sensibilidad ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 46

Determinación de electrodos funcionales – – Electrodos dentro de la cóclea en zona poco inervada Electrodos fuera de la cóclea Estimulación colateral ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 47

Rango dinámico de cada electrodo • Rango dinámico eléctrico: es el intervalo comprendido entre – Umbral (THR): mínima estimulación eléctrica que detecta el paciente – Máximo nivel de confort (MCL): máxima estimulación eléctrica que tolera el paciente • El rango dinámico debe establecerse para cada electrodo independientemente ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 48

100 d. B MCL • Mapeo del rango dinámico acústico al eléctrico 20 d. B Rango dinámico acústico ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR THR Rango dinámico eléctrico 49

Ejemplo de rango dinámico Ecualización de canales 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 zona apical ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR zona basal 50

Ejemplo de rango dinámico Crecimiento de niveles en zona basal 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 zona apical ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR zona basal 51

Parámetros relacionados con la representación del sonido: • Modo de estimulación • Estrategia de codificación • Bandas de frecuencia asignadas a electrodos • Tasa de estimulación • Mapeo de intensidad • Volumen • Sensibilidad • Programas para situaciones especiales ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 52

Modo de estimulación Configuración eléctrica de los electrodo extracoclear alejado monopolar bipolar + 1 tierra comun bipolar +2 ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR bipolar Inactivo Activo Referencia 53

Modo de estimulación Distribución de la corriente eléctrica monopolar tierra comun bipolar Inactivo Activo Referencia bipolar + 1 bipolar +2 ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 54

Estrategia de codificación • Clarion – Compressed Analog – CIS • Cochlear – MPEAK – SPEAK – ACE • Medel – N-of-M – CIS ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 55

Bandas de frecuencia asignadas a electrodos I. C. máx (200 Hz - 10 k. Hz) I. C. típ. (300 Hz - 5 k. Hz) Tel. (350 Hz - 3. 5 k. Hz) Voz (200 Hz - 6 k. Hz) Rango espectral audición (20 Hz - 20 k. Hz) 20 Hz 200 Hz 2 k. Hz 20 k. Hz • Rango espectral • Distribución de los filtros en frecuencia: (Ancho de banda y frecuencia central de cada canal) – Lineal, logarítmica, lin-log. . – Elegida libremente por el programador ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 56

Tasa de estimulación • Es el número de estímulos por segundo en cada electrodo • Mejor cuanto más alta – Tiempo de repolarización: 2 ms – Conviene que sea superior a 800 o 1000 disparos por segundo • Limitada por: – Tecnología del procesador – Número de electrodos activos en cada ciclo de estimulación – Duración de los pulsos eléctricos ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 57

Nivel estim. eléctrico Mapeo de intensidad (maplaw) MCL THR 20 d. B 100 d. B Rango dinámico acústico ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 58

Nivel estim. eléctrico Mapeo de intensidad (maplaw) MCL THR 20 d. B 100 d. B Rango dinámico acústico ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 59

Niveles estimados Control de volumen MCL utilizado THR 0 0% 100% Nivel de volumen ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 60

Niveles estimados Control de volumen MCL THR 0 0% 75% 100% Nivel de volumen ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 61

Nivel estim. eléctrico Control de sensibilidad MCL THR 20 d. B 100 d. B Rango dinámico acústico ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 62

Nivel estim. eléctrico Control de sensibilidad MCL THR 20 d. B 100 d. B Rango dinámico acústico ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 63

Nivel estim. eléctrico Control de sensibilidad MCL THR 20 d. B 100 d. B Rango dinámico acústico ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 64

Resultados en Implantes Cocleares • Factores que afectan: – Edad de implantación – Nivel de lenguaje previo a sordera – Experiencia auditiva previa a sordera – Otros factores: • • Habilidades intelectuales Entorno social-familiar Presencia de otras patologías Etc. . ATV 2002 – Dpto. Electrónica y Tecn. Computadores - UGR 65

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