13. konferencja. Tym razem pt.: „Inżynieria biomedyczna i kliniczna w otolaryngologii i audiologii”

Konferencja z udziałem prof. Krzysztofa Kochanka, sekretarza naukowego IFPS, dr hab. inż. Artura Lorensa, prof. IFPS i dr inż. Anity Obryckiej z Zakładu Implantów i Percepcji Słuchowej.

Według Światowej Organizacji Zdrowia inżynieria biomedyczna jest jedną z dziedzin najbardziej przyczyniających się do postępu w medycynie – zaznaczył na wstępie konferencji prof. Krzysztof Kochanek, inżynier i wybitny specjalista w zakresie obiektywnych badań słuchu, sekretarz naukowy IFPS, podkreślając że właśnie do współpracy z inżynierami prof. Henryk Skarżyński przywiązywał ogromną wagę, tworząc zespół nowopowstałego Instytutu Fizjologii i Patologii Słuchu. Dzięki jego wizji i zaangażowaniu wielu specjalistów, w tym współpracy lekarzy z inżynierami, w ciągu 25 lat IFPS zostało opracowanych i wdrożonych wiele innowacyjnych rozwiązań mających zastosowanie w diagnostyce, terapii i rehabilitacji słuchu, m.in. systemy multimedialne Słyszę … Mówię…. Wiedzę…., Kuba mikro, audiometr AS, Platforma Badań Zmysłów, system zdalnego dopasowywania implantu ślimakowego, system do telerehabilitacji, korektor mowy dla jąkających się, elektroda SRA, SZOK – system zintegrowanej obsługi komunikacyjnej, urządzenie do stymulacji percepcji słuchowej metodą Skarżyńskiego, stanowisko do badania kierunkowości słyszenia pacjentów implantowanych, protezka do ucha środkowego Skarżyńskiego, Krajowa Sieć Teleaudiologii, wreszcie ostatnie urządzenie – Kapsuła Badań Zmysłów.


Wejście inżynierii do medycyny nie było łatwe, zaznaczył prof. Krzysztof Kochanek, przypominając, że w otolaryngologii podejmowano niegdyś próby ustawiania parametrów procesora mowy przez lekarzy. Tymczasem jest to wysokospecjalistyczna procedura, która może zostać przeprowadzona jedynie przez inżyniera klinicznego.


Pooperacyjna kontrola funkcjonowania implantów słuchowych


W tegorocznym opracowaniu WHO na temat rosnącego problemu na świecie, jakim jest niedosłuch, podkreślono, że stosowany w jego leczeniu implant ślimakowy jest najskuteczniejszą ze wszystkich protez neuronalnych, jakie udało się dotychczas skonstruować, zaznaczał na wstępie swojego wystąpienia dr hab. n. o zdr. inż. Artur Lorens, prof. IFPS, kierownik Zakładu Implantów i Percepcji Słuchowej IFPS. W dokumencie tym WHO powołuje się na zamieszczony w IEEE Sensors Journal artykuł inżynierów – pionierów w dziedzinie implantów ślimakowych, którzy opracowywali metodą elektronicznego przetwarzania sygnału dźwięku na impulsy stymulujące nerw słuchowy: prof. Blake Wilsona i prof. Michaela Dormana, od lat współpracujących z IFPS (obydwaj należą do grona Przyjaciół po Wsze Czasy IFPS). Jednocześnie WHO podkreśliło, jak ważna dla postępu w medycynie jest interdyscyplinarna współpraca różnych specjalistów, w tym inżynierów biomedycznych z lekarzami.


„Zastosowanie implantu ślimakowego jest terapią multidyscyplinarną, której niezbędnym elementem jest zabieg chirurgiczny polegający na wprowadzeniu wiązki elektrod do ślimaka w celu zapewnienie bezpośredniej, elektrycznej stymulacji nerwu słuchowego”, czytamy także w standardach, które na podstawie 30 lat doświadczeń klinicznych w leczeniu głuchoty zostały opracowane przez zespół konsultanta krajowego w dziedzinie otorynolaryngologii i są firmowane przez Towarzystwo Otorynolaryngologów, Foniatrów i Audiologów Polskich i Polskie Towarzystwo Otolaryngologów Dziecięcych. Standardy te są zgodne z międzynarodowymi standardami, w opracowaniu których brał udział zespół Instytutu kierowany przez prof. Henryka Skarżyńskiego. – Obecnie we wszystkich obszarach, w których mamy do czynienia z wysokospecjalistyczną technologią, istnieje konieczność standaryzowania zarówno procedur zarówno medycznych, jak i inżynieryjnych, rehabilitacyjnych czy procedur ocen wyników pacjentów– podkreślał prof. Artur Lorens. – Jedynie przestrzeganie standardów gwarantuje bezpieczeństwo i najlepsze efekty leczenia z zastosowaniem implantu ślimakowego. W ramach tego leczenia po wprowadzeniu do ślimaka wiązki elektrod przez otochirurga konieczne jest zaprogramowanie systemu implantu przez inżyniera klinicznego (dobranie odpowiedniej stymulacji zakończeń nerwowych w uchu wewnętrznym) w taki sposób, aby zapewnić pacjentowi maksimum korzyści słuchowych.


Przypomnijmy, ślimak ma budowę tonotopową – tony wysokie powodują pobudzenia jego części podstawnej, natomiast tony niskie – części szczytowej. Kilkanaście kontaktów wszczepionej wiązki elektrod są rozmieszczone w taki sposób, ażeby ten naturalny mechanizm zastąpić. Nie jest to jednak proste. Po pierwsze, naturalny mechanizm odbiory dźwięku oparty jest na działaniu ok. 3,5 tysiąca komórek słuchowych, które u osób niesłyszących są zniszczone. Po drugie – prąd przesyłany z elektrod nie dociera punktowo do neuronów odpowiedzialnych za odbiór poszczególnych częstotliwości, lecz rozpływa się na większej przestrzeni, przez co rozdzielczość słuchu u użytkownika implantu jest dużo mniejsza. Inaczej mówiąc, wiele parametrów dźwięku, potrzebnych do jego identyfikacji nie jest odbieranych, przez co dźwięk dostarczany dzięki elektrycznej stymulacji nie jest kompletny. Na ile jest on zmieniony? 30 lat temu zakładano, że po wszczepieniu implantu pacjent będzie miał poczucie dźwięku, natomiast niemożliwie wydawało się, aby przy tak złej jakości odbieranego dźwięku rozumiał mowę. Uważano, że implant może się przydać jedynie do pomocy przy czytania mowy z ust. Szybko okazało się jednak, że pacjenci implantowani słyszą lepiej niż zakładano. Ten fenomen można wyjaśnić, odwołując się do wiedzy na temat plastyczności mózgu. Nie jest on biernym odbiornikiem informacji dźwiękowych – jeśli przez implant otrzymuje niepełną, czasem nawet bardzo ubogą, informację dźwiękową, potrafi szukać tych szczegółów, które są mu potrzebne do odkodowania sygnału, a nawet modyfikować sieci neuronalne i zmieniać pracę niektórych struktur w taki sposób, ażeby pacjenci mogli rozumieć mowę przez stymulację elektryczną nerwu słuchowego.


Jak podkreślał prof. Artur Lorens, dopasowanie zaczyna się już na etapie doboru przez otochirurga odpowiedniego dla pacjenta implantu ślimakowego (różne typy implantów, różne długości elektrody). Po operacji dopasowanie jest kontynuowane poprzez elektroniczne programowanie procesora mowy, współpracującego z częścią wszczepioną (procesor łączy się z wszczepionymi elektrodami za pomocą cewki/transmitera) po to, aby pacjent po operacji jak najlepiej słyszał dźwięki. Warto przy tym pamiętać, że każdy z takich pacjentów będzie słyszał nieco inaczej (ma inną historię choroby, inny ubytek komórek słuchowych i inną specyfikę pracy mózgu). Dopasowanie inżynieryjne polega więc na dobraniu odpowiedniego ładunku elektrycznego stymulującego ucho wewnętrzne (czyli prądu płynącego przez elektrody w ślimaku). Wielkość potrzebnego ładunku zależy od położenia elektrody względem zakończeń neuronalnych jak również od liczby tych zakończeń . Im odległość od neuronów jest większa, tym ładunek musi być większy.


Z obserwacji klinicznych wynika, że wyniki terapii zależą nie tylko od dopasowania stymulacji elektrycznej do nerwu słuchowego (peryferyjna części układu nerwowego) lecz także od tego, jak mózg (część centralna układu) radzi sobie z informacją, która dociera do niego dzięki takiej stymulacji. Dlatego też opracowana w Zakładzie Implantów i Percepcji Słuchowej procedura dopasowanie procesora mowy (dobór parametrów stymulacji elektrycznej nerwu słuchowego) ma charakter neurokognitywny, czyli taki w którym uwzględniamy nie tylko mechanizmy neuronalne (wydolność zakończeń nerwowych w uchu wewnętrznym oraz kondycję nerwu słuchowego), lecz także mechanizmy związane z pracą mózgu i specyfiką przetwarzania informacji – na ile sprawne są funkcje poznawcze (funkcje umysłowe) i na ile mózg jest w stanie wykorzystać niepełne informacje napływające przez implant. Celem jest taki sposób stymulacji elektrycznej nerwu słuchowego, aby na skutek odpowiedniego pobudzenia w mózgu dochodziło do pożądanych zmian neuroplastycznych, których efektem będzie poprawa percepcji słuchowej rozumianej jako jedna z funkcji poznawczych czyli umysłowych zwanych również funkcjami kognitywnymi. Według American Speech-Language-Hearing Association (ASHA), największego na świecie towarzystwa audiologicznego, dopasowanie procesora mowy to proces, który rozpoczyna się od pogłębionej diagnostyki elektrycznie stymulowanej drogi słuchowej, a kończy optymalnym dla pacjenta zaprogramowaniem tego procesora. Systemu implantu ślimakowego nie da się zatem ustawić raz a dobrze. Pod wpływem stymulacji układ neuronalny zaczyna się bowiem stopniowo zmieniać. A zmieniając parametry tej stymulacji, można wpływać na te zmiany, zarówno u dorosłych, jak i u dzieci,. Pod wpływem bodźcowania, treningów słuchowych, dojrzewają struktury neuronalne i kształtują się kolejne funkcje słuchowe takie jak detekcja, dyskryminacja i identyfikacja sygnałów mowy. U dzieci niesłyszących od urodzenia związane jest to z tzw. plastycznością rozwojową. Im wcześniej zatem niesłyszącym dzieciom wszczepi się implant i im wcześniej rozpocznie się stymulacja plastycznego mózgu, tym większe są szanse na to, że mali pacjenci będą rozwijać mowę. Reasumując, dopasowanie neurokognitywne ma na celu maksymalne wykorzystanie plastyczności mózgu i dobraniu takich parametrów stymulacji, ażeby promować w nim odpowiednie zmiany umożliwiające rozumienie mowy.


W praktyce klinicznej niezbędne jest do tego odpowiednie oprzyrządowanie – inżynier kliniczny podłącza procesor do interfejsu i przy pomocy programu komputerowego dostosowuje poziomy stymulacji na poszczególnych elektrodach implantu w taki sposób, aby wywołać wrażenia słuchowe. I to w pełnym zakresie. Dzięki temu niesłyszący przed wszczepieniem implantu pacjent po operacji może obierać dźwięki prawie jak osoba z prawidłowym słuchem, a więc dźwięki ciche – jako ciche, a głośne – jako głośne.


Obecnie dysponujemy technologią umożliwiającą nie tylko ustawianie parametrów stymulacji elektrycznej, lecz także kontrolę poprawności działania systemu implantu. „Czy system na pewno dobrze działa”, to jedno z pytań często zadawanych przez pacjentów. Odpowiedź na nie daje tzw badanie telemetryczne, którego wynik (skomplikowany wykres ilustrujący pomiary inżynieryjne) z pewnością nie byłby zrozumiały nie tylko dla pacjenta, lecz także lekarza, logopedy, czy pedagoga. Dla ułatwienia komunikacji „przetłumaczyliśmy go” więc, wykorzystując specjalną skalę od 0 do 4, dzięki której w prosty sposób można przekazać pacjentowi informację dot. poprawności działania systemu, przy czym 0 oznacza brak problemu, 1 – mały problem, 2-problem umiarkowany, 3- problem znaczny, a 4 – skrajnie duży problem. Taki sposób oceny wyników badań jest zgodny z Międzynarodową klasyfikacją funkcjonowania, niepełnosprawności i zdrowia (ang. International Classification of Functioning, Disability and Health, ICF).


Zgodnie z przyjętymi standardami na etapie diagnostyki i kontroli słuchu elektrycznego należy opierać się na wielu badaniach, w tym obiektywnych, do przeprowadzenia których nie jest potrzebna współpraca pacjenta. – Przy ocenie słuchu nie można opierać się tylko na testach behawioralnych czy obserwacjach – słuchać tego, co o swoim słyszeniu mówi sam pacjent, który – jak może się wydawać – najlepiej wie, jak słyszy. Z najnowszej wiedzy wynika, że pacjent może być przez swój plastyczny mózg „oszukiwany” – podkreślał prof. Artur Lorens, porównując to zjawisko do sytuacji, w której człowiek przebywający w ciemnym pomieszczeniu adaptuje się do braku światła, a kiedy później wychodzi na zewnątrz, nawet niewielka jego ilość wydaje się zbyt intensywna. Podobnie jest z dźwiękiem. Jeśli pacjent był pogrążony w ciszy przez 20-30 lat, to nawet niewielkie bodźcowanie może być na początku dla jego mózgu szokiem. Jeśli zatem pacjent twierdzi, że słyszy bardzo głośne dźwięki, nie wiadomo, czy faktycznie stymulacja jest zbyt silna, czy też mózg pacjenta daje komunikat wynikający z braku doświadczenia słuchowego. Odpowiedź na to pytanie zawiera wynik pomiarów potencjałów czynnościowych nerwu słuchowego. Podczas tego badania na wybrane elektrody implantu podawany jest impuls elektryczny, a na sąsiednich elektrodach rejestrowany sygnał bioelektryczny, który jest miarą reakcji nerwu słuchowego na bodziec. Taka rejestracja jest możliwa, gdyż w ślimaku wypełnionym płynem (środowisko przewodzące) możliwy jest przepływ ładunków – z elektrody, na którą podajemy impuls elektryczny, do nerwu słuchowego. Pod wpływem tego ładunku potencjał zewnętrzny błony komórkowej neuronów zmienia się z ok. 20 do minus 60 miliwoltów – powstaje wtedy tzw. szpilka, inaczej impuls neuronalny. Aktywowane włókna nerwu same staja się źródłem sygnału bioelektrycznego, który rejestrowany jest na elektrodzie znajdującej się obok elektrody stymulującej (tej, na którą podano bodziec). Dodatkowo oceniana jest morfologia sygnału rejestrowanego (kształt zapisu) oraz narastanie jego amplitudy przy zwiększaniu bodźca. W przypadku prawidłowo działającego nerwu słuchowego zwiększenie intensywności bodźca w określonym zakresie powoduje przyrost amplitudy sygnału bioelektrycznego. Niestety, u niektórych pacjentów, zwłaszcza tych, którzy długo byli odcięci od świata dźwięków, z powodu degeneracji części neuronów prawidłowy wzrost amplitudy sygnału nie występuje. Nieprawidłowe narastanie amplitudy świadczyć może o problemach z przepływem informacji o dźwięku przez nerw słuchowy. Zdiagnozowanie takich problemów pozwala na uniknięcie błędów przy programowaniu procesora, związanych na przykład z niepotrzebnym „podkręcaniem” bodźca poprzez zwiększenie amplitudy impulsów stymulujących. Silniejsze bodźcowanie jest w takich przypadkach bezowocne. Może nawet prowadzić do pogorszenia jakości słyszenia.
Dodatkowo wykonywane jest badanie odruchu mięśnia strzemiączkowego. Odruch ten jest mechanizmem chroniącym ucho wewnętrzne przed urazami akustycznymi. W momencie pojawienia się dźwięku o dużym natężeniu mózg wysyła sygnał powodujący skurcz włókien mięśnia strzemiączkowego i usztywnienie kosteczek słuchowych, a co za tym idzie – błony bębenkowej. Fale dźwiękowe, uderzając w tak usztywnioną błonę, są przez nią w większym stopniu odbijane. Do ucha wewnętrznego dociera zatem dźwięk znacznie osłabiony. Zapobiega to uszkodzeniu struktur ucha wewnętrznego odpowiedzialnych za słyszenie.


Na początku badania sondę urządzenia pomiarowego umieszcza się w przewodzie słuchowym. Następnie wykonuje się pomiar tympanometryczny, podczas którego mierzone jest odbicie fali dźwiękowej od błony bębenkowej przy zmianie ciśnienia w przewodzie słuchowym. Badanie to pozwala na sprawdzenie podatności błony bębenkowej i stanu ucha środkowego. Następnie inżynier za pomocą transmitera przyłożonego do odbiorczej części implantu ślimakowego podaje impulsy elektrycznie na elektrody odpowiedzialne za stymulacje niskich, średnich oraz wysokich częstotliwości i za pomocą specjalnego oprogramowania w komputerze sprawdza, czy pojawiają się reakcje wskazujące na usztywnianie błony bębenkowej, czyli odruch mięśnia strzemiączkowego.


U osób z głębokim niedosłuchem odruch ten nie występuje. U pacjentów z implantem ślimakowym w wyniku stymulacji elektrycznej może pojawić się ponownie. Sama obecność odruchu mięśnia strzemiączkowego nie wpływa na słyszenie osoby implantowanej. Świadczy jednak o tym, iż dźwięki docierające przez nerw słuchowy do ośrodkowej części drogi słuchowej są przez nią analizowane i mogą zostać zinterpretowane jako głośne. To oznacza, że mózg dźwięki dostarczane przez implant odbiera w podobny sposób jak te docierające przez prawidłowo działające ucho, a implant w znacznym stopniu zastępuje jego uszkodzone elementy.


Badanie elektrycznie wywołanego odruchu mięśnia strzemiączkowego wskazuje, jakie poziomy stymulacji muszą być podane na poszczególnych elektrodach, aby wywołać wrażenie głośnego dźwięku. Wartości te u jednej osoby mogą być nawet kilkukrotnie wyższe niż u innej, co potwierdza konieczność dopasowywania parametrów stymulacji indywidualnie do potrzeb każdego pacjenta. Badanie odruchu mięśnia strzemiączkowego jest szczególnie istotne u małych dzieci i osób, które nie są w stanie ocenić, czy dane dźwięki są dla nich ciche czy głośne.


Wyniki badania odruchu mięśnia strzemiączkowego nie zawsze pokrywają się z tym, jak słyszy pacjent. Szczególnie zauważalne jest to u osób z długotrwałym niedosłuchem. Pomiar może wskazywać, iż dźwięki odbierane są przez mózg jako głośne (odruch mięśnia strzemiączkowego jest rejestrowany), jednak sam badany określa je jako średnie lub nawet ciche. Możliwa jest również sytuacja odwrotna. Pacjent sygnalizuje, że słyszane dźwięki są już na poziomie bardzo głośnym, a badanie odruchu mięśnia strzemiączkowego tego nie potwierdza. Dlatego, by uniknąć błędnych wniosków, w każdym przypadku otrzymany wynik należy porównać z rezultatami innych badań.


Jak zaznaczył prof. Artur Lorens, zespół Instytutu od 20 lat prowadzi badania odruchu mięśnia strzemiączkowego u osób z implantem, a wyniki zostały opublikowane w międzynarodowych czasopismach naukowych ORL i Cochlear Implant International.


Przyjęte standardy odnoszą się także do harmonogramu kontroli przewidzianych u pacjentów po wszczepieniu implantu. Powinny one odbywać się w regularnych odstępach czasu, by monitorować poprawność działania tego urządzenia, a także postępy pacjenta w zakresie słyszenia, percepcji mowy, również wyników szkolnych i komunikacji. Istnieje wymóg stosowania wystandaryzowanych zestawów takich badań, aby umożliwić porównywanie kolejnych wyników badań takich jak np. audiometria w wolnym polu, której celem jest wyznaczenie progu słyszenia w całym paśmie stymulowanych częstotliwości. W trakcie tego badania pacjent przebywa wewnątrz dźwiękoszczelnej kabiny. Znajduje się w niej głośnik, przez który specjalista podaje z komputera dźwięki (tony) o różnych częstotliwościach. Ilekroć pacjent usłyszy jakikolwiek dźwięk, sygnalizuje go naciśnięciem przycisku.


Innym z wystandaryzowanych badań jest skalowanie głośności. Podczas tego badania prezentowane są dźwięki o różnych poziomach, a zadaniem pacjenta jest określenie głośności na touchpadzie. Na podstawie odpowiedzi osoby badanej inżynier kliniczny może, odnosząc się do wyników uznawanych za normę, ocenić uzyskany wynik i ocenić poprawność dopasowania systemu implantu. Kolejnym badaniem kontrolnym wykonywanym zwłaszcza u zaimplantowanych dzieci jest test dyskryminacji dźwięków z otocznia, a także testy słowne, wykorzystywane w formie gry komputerowej. Testy te zostały przygotowywane w ramach grantu europejskiego, koordynowanego przez Instytut Fizjologii i Patologii Słuchu.


Najnowszym badaniem pozwalającym na sprawdzenie rozwoju słuchowego pacjenta z implantem jest test zdolności lokalizacyjnych, sprawdzający czy i w jakim stopniu pacjent z implantem jest w stanie określić, z jakiego kierunku płynie dźwięk.


Reasumując, zgodnie z przyjętymi standardami w procedurze dopasowania przewidziano: badania diagnostyczne słuchu elektrycznego, programowanie procesora mowy na podstawie wcześniej uzyskanych wyników oraz poradnictwo oparte o ścisłą współpracę z pacjentem. – W Zespole Implantów i Percepcji Słuchowej przywiązujemy do poradnictwa szczególną wagę, bowiem pacjenci poszukujący informacji dotyczących implantów m.in. w internecie, nierzadko spotykają się z fałszywymi informacjami – podkreślał prof. Artur Lorens.

Przez 30 lat naszej pracy ustaliliśmy optymalne interwały pomiędzy kolejnymi wizytami kontrolnymi – pierwsze sprawdzenie i korekta ustawień odbywa się 4 miesiące po aktywacji implantu, kolejne – po 8, 14 i 24 miesiącach. Z naszych doświadczeń wynika, że zmiany stymulacji w takich interwałach wspomagają proces dopasowania się mózgu do stymulacji elektrycznej – mówił prof. Artur Lorens, zaznaczając, że od 2007 r. w IFPS możliwe jest zdalne programowanie procesora mowy (telefiting). Od tamtej pory powstała sieć ośrodków współpracujących z Instytutem, w których możliwe jest wykonanie tej procedury – pierwsza w świecie Krajowa i Międzynarodowa Sieć Teleaudiologii.
Wdrożona w Instytucie procedura dopasowania implantu metodą neurokognitywną była walidowana, czyli oceniana poprzez badania wieloośrodkowe, w których uczestniczyły zespoły naukowe z całego świata.


Konferencja zakończyła się wykładem dr inż. Anity Obryckiej poświęconym rozwojowi słuchowemu dziecka po wszczepieniu implantu ślimakowego.