Ingeniería electrónica interna de un sistema de
Implante Coclear.
Francisco Alberto González Marrero, Francisco Martín González, Belkis Morgalo
Santos, Juan Antonio Araujo Ruiz*
Centro de Neurociencias de Cuba. *Departamento de Información Científico Técnica, Centro Nacional de Investigaciones Científicas, Apartado Postal 6414, Ciudad de La Habana, Cuba.
RESUMEN: Los implantes cocleares (IC) son dispositivos que transforman los sonidos y ruidos del medio ambiente en energía eléctrica capaz de actuar sobre las aferencias del nervio coclear y desencadenar una sensación auditiva.
El objetivo de este artículo es revisar la evidencia científica disponible sobre los costes, efectividad, utilidad o beneficio de esta tecnología terapéutica.
La cuestión a la que se pretende responder es si esta tecnología, con los datos actuales, es capaz de proporcionar un beneficio para el sujeto implantado analizando la contribución relativa de los IC en la mejora de la audición de los pacientes con sordera, es decir, su efectividad, y, por otro lado, determinar su coste en salud (complicaciones, morbilidad, etc.) y su coste económico, y con ello analizar su eficiencia en comparación con la abstención u otra alternativa terapéutica. Como segundo propósito, se revisan aspectos de efectividad de la tecnología, selección de los candidatos, indicaciones, contraindicaciones, limitaciones de la tecnología, complicaciones asociadas a la misma, resultados, criterios de programación y rehabilitación, y los requisitos para la puesta en marcha de un programa de IC.
ABSTRACT: The cochlear implants (CI) are devices that transform the sounds and noises of the environment into electrical signal capable of acting on the cochlear nerve and provoke an auditory sensation.
The aim of this article is to check the scientific available evidence on the costs, efficiency, utility or benefit of this therapeutic technology.
The question to which it is tried to answer is if this technology, with the current information, is capable of providing a benefit for the well-established subject analyzing the relative contribution of the CI in the improvement of the hearing of the patients with deafness, that is to say, his efficiency, and, on the other hand, to determine his cost in health (complications, morbidity, etc.) and his economic cost, and with it to analyze his efficiency in comparison with the abstention or another therapeutic alternative.
As the second intention, there are checked aspects of efficiency of the technology, selection of the candidates, indications, contraindications, limitations of the technology, complications associated with the same one, results, criteria of programming and rehabilitation, and the requirements for the putting in march of CI's program.
Palabras clave: implante cóclear, estimulación eléctrica, sordera, bioelectricidad Key words: cochlear implant, electrical stimulation, bioelectricity
INTRODUCCIÓN
La generación de estímulos en el cuerpo humano, mediante el uso de electricidad, es una práctica que data de tiempos muy antiguos. Seligman en su artículo1 se remonta a la época de los egipcios, para encontrar los primeros indicios de la existencia de electricidad animal.
Sin embargo, el primer documento escrito en el que queda descrito la influencia terapéutica de la electricidad se debe a los romanos. Muchos años más tarde, en el siglo XVII, el investigador alemán Jan Swammerdam descubrió cómo era capaz de provocar un movimiento sobre el músculo de una rana, al ponerlo en contacto con un conductor compuesto por plata y cobre.
Bioelectricidad y estimulación eléctrica.
No es hasta finales del siglo XVIII, que son iniciados los primeros experimentos más revolucionarios, encabezados por los dos grandes científicos italianos Luigi Galvani y Alessandro Volta.
Alessandro Volta (1745-1827) notable físico italiano, realiza nuevamente los experimentos de Galvani, demostrando que la generación de electricidad por los dos metales, es un fenómeno externo, en estas demostraciones alrededor del año 1800 construyó la primera batería eléctrica , antecesora de las pilas y acumuladores actuales. La invención por parte de Volta de la pila suministró una fuente de electricidad de fácil uso. En su propio oído, en el canal auditivo externo, coloca dos electrodos con puntas redondeadas, hizo pasar entre ellos una corriente, y tuvo como consecuencia sensaciones auditivas.
El sistema de implante coclear.
El objetivo del sistema auditivo es convertir una onda de presión sonora en una señal bioeléctrica que será interpretada como sonido a nivel cerebral, una disfunción del oído medio es una pérdida conductiva, si no puede ser resuelta con medicamentos o quirúrgicamente, otra opción puede ser el uso de una prótesis auditiva -audífono-, que entrega la señal acústica amplificada al canal auditivo externo; pero, si la disfunción del oído medio es muy elevada, lo cual provoca que los restos de audición sean muy bajos o nulos, la amplificación que pueda proporcionar un audífono no reportará ningún beneficio. Para esas pérdidas auditivas severas o profundas, un implante coclear puede ser la solución.
Resumen de la teoría del sistema.
El sistema de implante coclear procesa la señal de audio mediante un dispositivo electrónico y estimula diferentes puntos de la membrana basilar de la cóclea, los cuales son los encargados de la decodificación de la señal acústica. Esto se debe a la distribución de frecuencias2, que existe en dicha membrana.
Sistema de implante coclear.
Los sistemas de implante coclear, desde los de un solo punto de estimulación3,4, hasta los sistemas que poseen varios puntos de estimulación, todos poseen una estructura similar al que se muestra en la Fig. 2. Hoy día son los sistemas de varios puntos de estimulación son los más utilizados. La señal de audio es captada por un micrófono y enviada a un dispositivo que realiza el procesamiento de la misma mediante diferentes algoritmos, obteniendo a su salida una señal que es enviada al dispositivo implantado mediante interfaces de comunicaciones de radio frecuencia.
La señal de estimulación es función de la señal de entrada y obedece a la representación de la forma de onda y la extracción de las características de esta señal de audio.
En los sistemas actuales de procesamiento digital, de forma general existen dos tipos de estimulación, analógica discreta y pulsátil. Existen diferentes estrategias de estimulación de acuerdo al fabricante del sistema, sin muchos cambios en la concepción del hardware, existiendo diferencias en la integración, comunicación de radio frecuencia, software de procesamiento y desarrollo de electrodos de estimulación.
Fig. 2
La comunicación entre el procesador externo y el interno se realiza a través de una interfase de radiofrecuencia bidireccional. El sistema de telemetría bidireccional de radiofrecuencia está formado por dos partes acopladas magnéticamente (mediante bobinas). Estos sistemas tienen dos canales independientes de comunicación. Hacia la parte interna se transmiten datos como una señal moduladora de una portadora de radio frecuencia (RF), constituyendo esta RF, la energía con lo cual se alimentará totalmente el sistema interno. El sistema interno transmite hacia la parte externa respuesta de comandos determinados, en la Fig. 3 se observa un diagrama.
Sistema
externo
Sistema
interno
Bobina
TX1
Bobina
RX2
Tx parámetros
Rx datos
Tx Modulador
Rx parámetros
Bobina
RX1
interno
Bobina
TX2
Fig. 3-Acoplamiento inductivo entre la parte interna y externa
En la Fig. 4 se observa el conexionado del sistema externo e interno. El Procesador externo está conectado a través de una línea a un dispositivo acoplador, el cual es ubicado convenientemente, para la transmisión y recepción desde el dispositivo implantado; además el dispositivo acoplador posee el micrófono para la captación de la señal de audio.
Fig. 4-Conexión del procesador interno y externo
a-cable de conexión, b-parte exterior de la oreja, c-procesador externo, d-antena transmisora, e-estimulador coclear, f-ventana oval, g-cóclea, h-nervio auditivo
Las estrategias de procesamiento, en su mayoría dividen en bandas de frecuencia del espectro de la señal a procesar, con un ancho de banda limitado al rango de comunicación oral entre personas, normalmente como máximo hasta 6KHz. Se procesan tantas bandas de frecuencias como canales de estimulación, destacándose varias estrategias de procesamiento en dependencia del fabricante específico5. En sus inicios los sistemas de procesamientos estaban formados por circuitos discretos y se realizaban de forma que el diseño del hardware era la estrategia que se deseaba realizar, en la actualidad los diseños son mas abiertos, se utilizan dispositivos programables6 y circuitos especializados en el procesamiento digital de la señal de audio, como los DSP (Digital Signal Processor) en la Fig. 5 se muestra un diagrama de un sistema de procesamiento digital para un procesador externo.
analógico
AMPLIFICADOR DE
MICROFONO
FILTRO PASA ALTO
(PREENFASIS)
CONTROL AUTOMATICO DE
GANANCIA (AGC)
FILTRO ANTIALIASING
PROCESAMIENTO
DIGITAL
CONVERSION
ANALOGICO/DIGITAL
señal de audio
La señal de audio a la salida del micrófono es adecuada mediante circuitos analógicos, convirtiéndose a formato digital para después ser procesada y enviada al procesador interno como parámetros de un patrón de estimulación dado .El procesamiento digital se puede realizar, con un DSP de alta velocidad como el Motorola DSP56027, en la actualidad hay gran variedad de procesadores que pueden ser utilizados, una de las características principales para ser usados en esta aplicación, es tener alta velocidad de procesamiento y bajo consumo. Unas de las grandes ventajas de la utilización de un dispositivo programable para la realización de los filtros pasa bandas es la posibilidad de poder ejecutar muchos algoritmos de diferentes tipos y el fácil ajuste de la prótesis a los parámetros del sujeto. La adecuación de la prótesis con el sujeto se ejecuta conectando el procesador externo a una computadora, esto se realiza mediante una interfase de comunicación específico. En la computadora se usa un programa a fin para realizar el ajuste de la ganancia y otros parámetros de los diferentes filtros pasa banda, quedando esto posteriormente programado en el procesador externo.
Procesador interno
El procesador interno, al demodular la señal de radio frecuencia obtiene, mediante un formato serie, los parámetros para su trabajo, además, los datos para la estimulación, ésta se realiza mediante electrodos colocados en el interior de la cóclea, habiendo un espaciamiento entre electrodos consecutivos que oscila, entre 4mm y 0.75mm dependiendo del fabricante2 y cantidad de electrodos. Esta señal de estimulo es del tipo bifásica8, Fig. 6. Los electrodos insertados en la cóclea son de platino y presentan diferentes geometrías en dependencia del fabricante del sistema, la conexión de los electrodos con el procesador interno se realiza a través de un cable de varias vías.
En la Fig. 7 se observa la ubicación de los electrodos en la cóclea.
Fig. 6- Señal de estímulo bifásica
CÓCLE
A
cables de conexión ápice base NERVIO AUDITIVOSUJETO
electrodo Procesador internoCONCLUSIONES
Los sistemas de implantes cocleares en la actualidad tienen una estructura similar a la explicadas anteriormente. Actualmente se trabaja el los sistemas de implante de dos canales donde se estimulen ambas cócleas a la vez, esto permitirá mejoras en la audición, sobre todo por la disminución de ruido. También se trabaja arduamente en el diseño de un sistema totalmente implantable, todo lo anterior es un reto a la tecnología. Ahora se estudian con mayor rigor científico nuevas estrategias de procesamiento y estimulación para lograr una sensación de audición en los pacientes más cercana a la natural.
El actual costo elevado de los implantes cocleares representa una barrera insuperable para quienes viven en circunstancias más restringidas, por lo que no debemos solamente mejorar la calidad de los implantes, sino también esforzarnos para reducir su costo.
Tal vez el mayor reto de todo sea lograr un sistema de implante de bajo costo que esté al alcance de todos los necesitados de este equipamiento. Es obvio, que el implante coclear es el mejor remedio hoy día para la sordera total, y se han llegado a resultados altamente satisfactorios.
Bibliografía
1. Lee J. Se!igman, “Physio!ogica! stimu!ators: From e!ectric fish to programmab!e imp!ants,” IEEE Trans BME, 29, n.4 April, 1982
2. Introduction to cochlear implants, Philipos C. Loizou, Tutorial article on cochlear implants that appeared in the IEEE Signal Processing Magazine, pages 101-130, September 1998.
3. "Cochlear Implants: Do We Need Multiple Electrodes?" Or, Compelling Logic: Single Electrode Implants Are A Superior Solution, Monographs about AllHear cochlear implants
4. Single Channel versus Multi-Channel Cochlear Implants Aimee Gross, M.S., CCC-A, Clinical Specialist, MED-EL Corporation7/15/2002.
5. Signal Processing for Cochlear Prosthesis: A Tutorial Review,Philipos C. Loizou. Departmdllt of Applied Scidllce Ulliversity of Arkallsas at Little Rock Little Rock, AR 72204-1099, U.S.A
6. Development of a speech processor for laboratory experiments with cochlear implant patients O. Poroy and P. C. Loizou,Department of Electrical Engineering University of Texas at DallasP.O. Box 830688, EC 33Richardson, Texas 75083-0688.
7. DSP56002 24-BIT DIGITAL SIGNAL PROCESSOR,USER’S MANUAL, Motorola, Inc.Semiconductor Products Sector,DSP Division,6501 William Cannon Drive, West,Austin, Texas 78735-8598.
8. J. Lilly, J. R. Hughes, E. C. Alvord, J. Thelma and W. Galkin, “Brief, non injurious electric waveform for stimulation of the brain,” Science, 121, 468-469, 1955.
