Search

Cochlear implant (CI) enables verbal communication for patients with severeto-profound hearing impairment. With a CI, the hearing sensation is produced by stimulating the cochlear nerve (CN) with an intracochlear electrode array. The desired location of the electrode array is in the scala tympani (ST). The ST is surrounded by structures with poor conductivity. Thus, the current injected into an intracochlear electrode conducts along the ST, leading to a wide spread of the intracochlear electrical field (EF). In addition to the ability to stimulate the CN, CIs are equipped with versatile telemetry measurements. The spread of the intracochlear EF can be measured with the monopolar transimpedance matrix (TIMmp). For this measurement, current is injected into one electrode contact at a time, and the resulting potential difference is measured between every intracochlear electrode and the extracochlear reference electrode. The potential difference is further divided by the stimulating current, resulting in impedance according to Ohm’s law (𝑍 = 𝑈/𝐼). Every intracochlear is sequentially stimulated, resulting in a n × n matrix, where n is the number of electrode contacts in the electrode array. Depending on the implant manufacturer and the model of the electrode array, the number of intracochlear electrode contacts is 12–22. The responsiveness of the CN to electrical stimulation can be measured via the electrically evoked compound action potential (eCAP). The smallest current required to elicit a measurable neural response from the CN is called the eCAP threshold. The extent of neural activation can be estimated with the spread of excitation (SOE) measurement. Inner ear dimensions and the location of the electrode array affect these measurements. Therefore, these measurements may be used to estimate the intracochlear placement and note the successful insertion of the electrode array. Also, these measurements may be utilized in more individualized CI rehabilitation in the future. In Study I, the relationship between the intracochlear EF (TIMmp) and the extent of neural activation (SOE) was investigated. In addition, the effect of the cochlea diameter on these measurements was evaluated. The intraoperative TIMmp and SOE were measured for patients implanted with the Cochlear Nucleus CI522 or CI622 implant with the Slim Straight (SS) electrode array (Cochlear Ltd, Sydney, Australia). The SS electrode array consists of 22 separate electrodes. The measurements were conducted from electrodes 6, 11, and 19 that represent the basal, middle, and apical parts of the electrode array, respectively. The cochlea diameter was measured from the preoperative computed tomography (CT) images. For every measured electrode contact, the widths where the maximum amplitude of TIMmp and SOE halves were determined using an automated algorithm. These 50 % widths of TIMmp and SOE correlated between each other, indicating that intracochlear EF partially determines the extent of neural activation. Also, both of these measurements were inversely correlated with the cochlea diameter, which suggests that in larger cochlea, the electrical stimulation and the resulting neural activation is more local than it is in smaller cochleae. In Study II, the relationship between the intraoperative TIMmp and eCAP threshold was examined. These measurements were recorded intraoperatively from patients implanted with the Cochlear Nucleus CI522 or CI622 implant with the SS electrode array. The measurements were recorded from all 22 intracochlear electrodes to estimate the behavior of the measurements along the entire electrode array. The intracochlear EFs with a high peak were also wide. Further, when an electrode generates an EF with a high peak or a wide spread, the current required to elicit a neural response is lower at the corresponding electrode. These results indicate that the responsiveness of the CN to electrical stimulation is also dependent on the physical environment of the electrode array. In Study III, the effect of the inner ear dimensions on the responsiveness of the CN to electrical stimulation was evaluated. The patients were younger than two years and implanted with the Cochlear Nucleus CI522 or CI622 implant with the SS electrode array. The eCAP thresholds were measured intraoperatively from all 22 electrode contacts of the electrode array. The CN exits the cochlea through the bony cochlear nerve canal (BCNC) to the internal auditory canal. Therefore, in this study, the key inner ear dimensions were chosen to be the diameters of the cochlea and the BCNC as well as the crosssectional areas of the internal auditory canal and the CN. The anatomical dimensions were measured from preoperative CT and magnetic resonance images. The BCNCs were wider in larger cochleae. Also, thick CNs were found from internal auditory canals with large cross-sectional areas. The current required to elicit a measurable neural response was higher in larger cochleae and BCNC. As the diameters of the cochlea and BCNC correlated, the latter relationship between the eCAP thresholds and BCNC may be explained by the correlation between the cochlea and the eCAP thresholds. In Study IV, the effect of the scala dimensions and the distance between the scalar medial wall and the electrode (electrode-to-medial wall distance, EMWD) on the intracochlear EF measurements were assessed. Also, the usefulness of the electrical measurements for estimating the intracochlear electrode contact location was investigated. The experiment was conducted using six temporal bones, which were implanted sequentially with the Cochlear SS, Contour Advance and Slim Modiolar electrode arrays. After the implantation, the TIMmp and bipolar TIM (TIMbp) measurements and imaging with a cone-beam CT (CBCT) were conducted simultaneously. From the CBCT images, the scalar cross-sectional areas (SA) at the location of each electrode and EMWD were measured. In those cochleae with larger SA, the EF peak values were lower. The EFs generated by electrodes located in the vicinity of the scalar medial wall decayed with a steeper slope than did the EFs generated in more lateral positions. This finding indicates that when the electrode is located more proximally to the medial scalar wall, the electrical stimulation may become more focused. TIMbp correlated with both the SA and the EMWD. As the SA generally narrows from the basal to the apical direction and each electrode array has a typical intracochlear position, these measurements may be useful when assessing the successful implantation of the electrode array without imaging. These results suggest that the excitability of the CN depends on the dimensions and the physical properties, such as the dimensions and the conductivity, of the cochlea. Also, the EF measurements may be used to estimate the intracochlear location of the electrode array. In the future, the EF measurements may reduce the need for intra- and postoperative imaging. Sisäkorvaistute (SI) mahdollistaa vaikeasta kuulonalenemasta kärsivälle potilaalle kuulonvaraisen kommunikaation. Kuuloaistimus tuotetaan ärsyttämällä kuulohermoa suoraan elektrodiketjulla, jonka tavoiteltu sijainti on scala tympani (ST). Sitä ympäröivien rakenteiden heikon sähkönjohtavuuden vuoksi elektrodikontaktille syötetty virta johtuu ensisijaisesti ST:a pitkin, johtaen laajaan intrakokleariseen sähkökenttään. Stimuloivien ominaisuuksien lisäksi SI:ssa on valmiudet monipuolisiin sähköfysiologisiin mittauksiin. Intrakoklearista sähkökenttää voidaan mitata esimerkiksi monopolaarisella transimpedanssimatriisilla (TIMmp). Mittauksessa sähkövirtaa johdetaan yhdelle elektrodikontaktille kerrallaan, ja jännite-ero jokaisen intrakokleaarisen elektrodin ja ekstrakokleaarisen referenssielektrodin välillä mitataan. Mitattu jännite-ero jaetaan stimulaatioon käytetyllä sähkövirralla, jolloin Ohmin lain mukaisesti saadaan yksiköksi impedanssi (Z= U/I). Kun mittauksessa stimuloidaan jokaista intrakokleaarista elektrodia yksi kerrallaan, on lopputuloksena n × n matriisi, jossa n on elektrodikontaktien määrä elektrodiketjussa. Istutevalmistajasta ja -mallista riippuen elektrodikontaktien lukumäärä on 12–22. Fysiologisia mittauksia ovat kuulohermon ärtyvyyden herkkyyttä arvioiva kuulohermovastemittaus (electrically evoked compound action potential, eCAP) ja ärtyvyyden laajuutta mittaava hermoaktivaation laajuustutkimus (spread of excitation, SOE). Pienintä virtaa, joka tuottaa mitattavan vasteen kuulohermosta kutsutaan hermovastekynnykseksi (eCAP-kynnys). Elektrodin intrakokleaarinen sijainti ja sisäkorvan rakenteiden koko vaikuttavat edellä mainittuihin mittauksiin. Sähköfysiologisia mittauksia voidaan mahdollisesti tulevaisuudessa hyödyntää yksilöllisen istutekuntoutuksen suunnittelussa sekä elektrodin sijainnin ja onnistuneen implantoinnin arvioinnissa. Ensimmäisessä osatyössä tutkittiin intrakokleaarisen sähkökentän (TIMmp) ja kuulohermon aktivaation laajuuden (SOE) välistä yhteyttä. Lisäksi arvioitiin koklean koon vaikutusta kyseisiin mittauksiin. Mittaukset tehtiin Slim Straight (SS) -elektrodiketjun sisältävän Cochlear Nucleus CI522- tai CI622 -istutteen (Cochlear Ltd, Sydney, Australia) saaneille potilaille SI-leikkauksen yhteydessä. Kyseisessä elektrodiketjussa on 22 elektrodia ja mittaukset tehtiin elektrodeilta 6, 11 ja 19, jotka edustavat elektrodiketjun tyvi-, keski- ja kärkiosia. Koklean koko mitattiin leikkausta edeltäneestä tietokonetomografiakuvasta (TT). Jokaiselle mitatulle elektrodikontaktille määritettiin automatisoidulla algoritmilla TIMmp- ja SOE-leveydet, joissa näiden mittausten huippuarvot puolittuvat. Nämä TIMmp- ja SOE-puoliintumisleveydet olivat keskenään verrannollisia viitaten, että intrakokleaarisen sähkökentän laajuus määrittää osittain kuulohermon aktivaation laajuuden. Molemmat puoliintumisleveydet olivat kapeampia suuremmissa kokleoissa, mikä voi tarkoittaa paikallisempaa intrakokleaarista sähkökenttää ja kuulohermon aktivaatiota. Toisessa osatyössä tutkittiin leikkauksen aikana mitatun intrakokleaaristen sähkökentän huippuarvon ja leveyden yhteyttä hermovastekynnykseen. TIMmp ja hermovastekynnykset mitattiin leikkauksen aikana potilailta, jotka saivat Cochlear Nucleus CI522- tai CI622 -istutteen, joka sisältää SS elektrodiketjun. Mittaukset tehtiin kaikilta 22 elektrodikontakteilta. Intrakokleaariset sähkökentät, joilla oli korkeat huippuarvot, olivat myös leveitä. Kun stimuloiva elektrodi tuottaa korkeahuippuisen tai leveän sähkökentän, kyseisellä elektrodikontaktilla tarvittava virta kuulohermovasteen saamiseksi on pieni. Löydös osoittaa, että kuulohermon ärtyvyyteen sähköiselle stimulaatiolle vaikuttaa sen kunnon lisäksi myös elektrodiketjun fyysinen ympäristö. Kolmannessa osatyössä tarkasteltiin keskeisten sisäkorvan rakenteiden kokoja ja niiden vaikutusta kuulohermon ärtyvyyteen. Hermovastekynnykset mitattiin SI-leikkauksen aikana alle 2-vuotialta lapsilta, joille asetettiin Cochlear Nucleus CI522- tai CI622 -istute, joka sisältää SS-elektrodiketjun. Kuulohermon kulkee ulos kokleasta koklean proksimaaliosassa sijaitsevan modioluksen luisen kuulohermon kanavan (MLK) kautta kuulohermon kanavaan. Siksi tutkimuksessa keskeisiksi arvioidut anatomiset mitat olivat koklean ja MLK:n halkaisijat sekä kuulohermon kanavan että kuulohermon poikkipinta-alat. Anatomiset mittaukset tehtiin leikkausta edeltäneistä TT- ja magneettikuvista. Suuremmissa kokleoissa oli leveämmät MLK:t. Lisäksi kuulohermot olivat paksumpia poikkipinta-alaltaan suuremmissa kuulohermon kanavissa. Suurista kokleoista ja kokleoista, joissa oli leveä MLK, vaadittiin enemmän virtaa mitattavan hermovasteen tuottamiseksi. Koska koklean ja MLK:n halkaisijat olivat verrannollisia keskenään, jälkimmäinen löydös eCAP kynnyksen ja MLK:n välillä selittynee koklean ja hermovastekynnysten välisellä yhteydellä. Neljännessä osatyössä tutkittiin koklean kanavan poikkipinta-alan sekä elektrodin ja scala tympanin mediaaliseinän välisen etäisyyden vaikutusta intrakokleariseen sähkökenttään. Lisäksi arviointiin kyseisten mittausten käyttökelpoisuutta elektrodin intrakokleaarisen sijainnin arvioinnissa. Kuusi kadaaveritemporaaliluuta implantoitiin Cochlear SS, Contour Advance ja Slim Modiolar elektrodiketjuilla. Implantoiduille kadaaveritemporaaliluille tehtiin samanaikaiset kartiokeila-TT-kuvaus sekä TIMmp ja bipolaari-TIM (TIMbp) -mittaukset. Kartiokeila-TT-kuvista mitattiin scalan kanavan poikkipinta-ala jokaisen elektrodin kohdalla. Lisäksi kuvista mitattiin jokaisen elektrodin etäisyys scalan mediaaliseinämästä. Kokleoissa, joiden kanavien poikkipinta-alat olivat suurempia, sähkökenttään huippuarvot TIMmp:lla arvioituna olivat pienempiä. Sähkökenttään heikkenemisnopeus oli puolestaan riippuvainen elektrodin ja scalan mediaaliseinämän välisestä etäisyydestä. Kun elektrodi oli lähempänä scalan mediaaliseinämää, oli sähkökentän heikkenemisen kulmakerroin suurempi. Löydös viittaa siihen, että elektrodin ollessa scalan mediaaliseinämän läheisyydessä, sähköinen stimulaatio voi olla paikallisempaa kuin lateraalisimmissa sijainneissa. TIMbp korreloi sekä koklean poikkipinta-alan että elektrodin ja scalan mediaaliseinämän välisen etäisyyden kanssa. Koska koklean poikkipinta-ala kapenee tyvestä kärkeä kohti ja jokaisella elektrodiketjulla on tyypillinen asento koklean sisällä, voidaan kyseisiä mittauksia mahdollisesti käyttää elektrodiketjun onnistuneen implantoinnin arvioinnissa ilman kuvantamistutkimuksia. Tulosten perusteella kuulohermon ärtyvyyteen ja ärtyvyyden laajuuteen vaikuttavat koklean fyysiset ominaisuudet, kuten koko ja sähkönjohtavuuteen vaikuttavat seikat. SI:n sähköisiä mittauksia voidaan käyttää hyödyksi elektrodiketjun sijainnin arvioinnissa, joka voi vähentää leikkauksen aikaisen tai sen jälkeisen kuvantamisen tarvetta tulevaisuudessa.