Hjärnan, den ultimata datorn, upphör aldrig att förvåna. Dess förmåga att anpassa sig till nya situationer och skapa ett fullgott resultat från en skadad sensor är remarkabel. En sensor, i det här fallet cochlea (hörselsnäckan), kan vara så trasig att dess funktion upphört. Då fungerar en vanlig hörapparat inte längre. Ändå kan hörselnerven stimuleras elektriskt och hjärnan kan lära sig att tolka dessa signaler som ljud.
Några olika processorenheter med batteripack till vänster och implantat till höger. På den övre ser man mottagarspolen tydligt. Vissa ljudprocessorer har en fjärrkontroll där man kan ställa ljudet för varje situation (eller stänga av det, tänk den som kunde det!).
Efter en dust med korridorerna på Huddinge sjukhus slår vi oss ned tillsammans med Gunnar Eskilsson, klinisk ingenjör på cochleaverksta’n. Han tar fram ett stort öra och börjar prata psykoakustik.
– Örat och hörseln är en alldeles fantastisk apparat. Cochlea är naturens mekaniska spektrumanalysator. Hörselnerverna är via vibrationsdetekterande hårceller kopplade till basilarmembranet, som är mjukt och vibrerar med i ljudvågen. Närmast trumhinnan är membranet tämligen styvt och svänger helst med i de högsta frekvenserna, medan det är betydligt sladdrigare längre in, där det favoriserar de låga frekvenserna, säger Gunnar Eskilsson.
Det är här cochlean sitter och det är här man för in implantatet. I verkligheten är cochleans diameter bara 5 mm, säger Gunnar Eskilsson, klinisk ingenjör.
Bara detta att vi förfogar över ett dynamiskt område på dryga 100 decibel, bättre än någon mikrofon, är förvånande och har intill nyligen varit svårt att förklara. Vi kan nästan höra atomernas Brownska rörelse i luften och det börjar inte göra ont förrän vi står nära en varvande jetmotor. Man vet att det är de inre hårcellerna inne i cochlea som detekterar basilarmembranets vibrationer när en ljudvåg fortplantas genom snäckan. När cellernas toppar rörs reagerar hörselnervcellen inunder och skickar iväg pulser.
Så här illa kan det se ut när hårcellerna har fått för mycket stryk av disco och MP3-spelare. De är avbrutna och tillknycklade.
Inbyggd förstärkare
Men hur går det till att höra ljud som är i stil med blodets brus i ådrorna, då trumhinnan inte rör sig mer än en atomdiameter? Intill de inre hårcellerna sitter tunna muskelproteiner, kallade de yttre hårcellerna. De reagerar också på den inkommande tryckvågen och rör sig av egen kraft, förstärker svaga vibrationer och underlättar för de inre hårcellerna att detektera svaga ljud. Som en bieffekt skapar örat egna, ej hörbara ljud som kallas otoakustiska emissioner. Örat har alltså en inbyggd logaritmisk förstärkare.
Ut ur cochlea kommer cirka 3 000 hörselnerver i en millimetertunn kabel som går vidare till hjärnans hörselcentrum. Den ”lägsta” nerven överför ett pulståg som aktiveras vid 20 hertz, medan motsvarande värde för den ”högsta” nerven är 20.000 hertz. Det blir ett steg om cirka 6,66 hertz per nervcell. Ändå kan pianostämmare och musiker höra skillnader på en cent (0,01 hertz). Det är uppenbart att skillnaden i repetitionsfrekvens mellan nerven för 1000 hertz och den för 1006,66 hertz har stor betydelse. Detta utnyttjas ännu hårdare i cochleaimplantat, som i dag bara förfogar över 22 elektroder (kanaler).
Implantatet är inte stort. Den långa ledaren innehåller elektroderna medan den korta är referenselektrod (jord).
Processor bakom örat
Implantatets styrenhet har en digital ljudprocessor som sitter bakom örat. Det har också en mikrofon och en spektrumanalysator som delar in ljudet mellan 100 och 8000 hertz i 22 band, tar ut toppvärdena och omvandlar till datapaket, vilka sänds in till elektroniken i implantatet. Liksom vid mp3-kodning är det inte de enskilda frekvenserna som överförs, utan bara toppvärdena.
Den inopererade elektroniken tar toppvärdena och kodar om dem till signaler kompatibla med nervpulserna, alltså mikrosekundlånga strömpulser på max en milliampere.
Ett implantat utan hölje. Det är ungefär 2 cm brett och består av ett kretskort. Denna sida av kortet, som vänder inåt mot skallbenet, domineras helt av jättechipen som tar emot kodad, frekvensbandsuppdelad information utifrån och omvandlar den till nervpulser. Det är en stark processor. Pinnarna längst ned går vidare till elektroderna.
På andra sidan, den som vänder utåt, sitter den stora mottagarspolen för kraft och ljuddata (gul) och den lilla sändarspolen för retursvar (röd). De stora svarta kondensatorerna glättar matningsspänningen från spolen. Den fyrkantiga biten är magneten som håller fast sändarspolen utanpå huden.
Pulserna matas ut på elektroderna, antingen single-ended, med kroppen som motpol, eller differentiellt, mellan två elektroder. Implantatet kan testa kopplingen genom att fyra av nerver och mäta den nervpuls som blir resultatet. Mätvärdena kan ge ledtrådar till hur ljudprocessorn ska programmeras för en viss individ.
Med-Els programmeringsbox med en processor ovanpå som just nu får nya parametrar. Processorn är det lilla inramade grå blocket. Den svarta delen är bara ett kontaktdon som pluggas ur, varefter processorn pluggas in på sin batteripack. Den grå rundeln är sändarspolen.
Med-El CLstudio är ett program som används för att anpassa ljudprocessorer för varje patient. Här visas ett 12-kanalers implantat. Kanal 1 som ger basljud har sin undre tröskel ställd till 77,1 CU (clinical units = några mikrocolumb), alltså det värde under vilket nervändarna inte aktiveras. Toppvärdet (MCL, Maximum Comfortable Level) ligger på 717 CU, ett värde när det låter högt men inte obehagligt. Pulslängden ligger på 26,67 mikrosekunder. De övriga kanalerna går mot stigande frekvenser.
En liten bit ur programmet Intraop NRT från Cochlear, det program som visar loggresultatet från implantatets egna mätningar av aktionspotentialer i hörselnerverna. Implantatet provar med pulser med ökande ström och spelar in potentialen kring nerverna, som sprider sig ut i vävnaden omkring. Den börjar på 186 CU (clinical units = några mikrocolumb), och då händer inte mycket. Först vid 204 CU börjar man se ett svar. Pulsen läggs på vid 0 mikrosekunder varefter förstärkaren väntar i 170 mikrosekunder (för att inte se sin egen puls) och börjar sedan registrera. Den röda kurvan visar ett tydligt, negativt svar från nerven efter 300 mikrosekunder och pulsen har klingat ut efter 510 mikrosekunder. ”22” betyder att vi just nu mäter på kanal 22. Dessa svar loggas och kan jämföras med senare mätningar för att se trender.
Uppdateringsfrekvensen
Strategierna varierar, men man kan normalt inte stimulera alla elektroder man egentligen borde stimulera samtidigt, eftersom det kan resultera i att olika närliggande signaler upphäver varandra (channel interaction). I stället delar man in tiden i tidsfönster och bestämmer att maximalt 10 av 22 elektroder får stimuleras under varje fönster, nämligen de tio som har de högsta spektrala topparna just då. Dessa ska då ligga på ”långt” avstånd från varandra.
Under nästa tidsfönster stimulerar man tio andra. Varje elektrod uppdateras med ungefär 1200 hertz och med tio elektroder i taget blir det 12 kilohertz, vilket är den så kallade uppdateringsfrekvensen. De allra modernaste systemen kan komma upp i 80 kilohertz.
De bifasiska pulserna som stimulerar nervändarna. Den negativa pulsen gör själva stimulationen och den positiva jämnar ut laddningen i vävnaden efteråt. Annars kan man få metalljonvandring från elektroderna ut i kroppen och det kan bli otrevligt inuti cochlea. Varje puls är i det här exemplet 100 mikrosekunder och matar ut 1 mA och PRF är 1052 Hz. Det betyder inte att patienten hör 1052 Hz utan att en nervände som ”betyder ” en viss frekvens stimuleras så ofta. Pulserna ser lite ”tjocka” ut, eftersom amplituden varierar med ljudet i rummet. Varje puls ger en energi på 0,1 mikrocolumb.
Bättre hörsel drar mer ström
En ökad uppdateringsfrekvens ger oftast bättre hörselintryck, men drar också mera ström. Man kan välja att optimera för bättre hörsel eller lägre batteriförbrukning och inte oväntat väljer de flesta att byta batteri oftare.
Vid operationen görs ett snitt bakom örat och kirurgen tar en mycket liten borr och borrar ett hål genom skallbenet, genom mellanörat och precis fram till cochleas undre del, och just precis in genom väggen på denna. Genom detta hål, cirka 2 cm långt, för man in elektrodtampen, mest på känn, och får den att följa cochleas spiral, varv på varv. Det kan tyckas vara en nästan omöjlig uppgift, men det fungerar. På Huddinge gör man det på cirka 100 patienter per år, varav 30 stycken är barn.
En av dem är Örjan Larsson, som kommer in på kontoret med ett leende på läpparna.
Örjan Larssons hårceller i cochlea hade gått sönder fullständigt och han blev helt döv. Med implantatet hör han numera tämligen normalt. Sändarspolen sitter fast utanpå huden med magneten som finns i implantatet.
Du vet väl om att du har en massa MIPS under huden?
– Det är väl inte den värsta Power PC:n, men den är väldigt avancerad. Kiselytan är ganska biffig.
Vad hände med dig?
– Det vet jag inte. Det började redan i femårsåldern. Troligtvis har hörselcellerna gått sönder mer och mer tills jag inte längre kunde uppfatta några ljud och hörapparaten blev obrukbar. Nu har jag en Esprit 3G från australiska Cochlear. Musik har blivit mycket bättre. Jag är fortfarande punkare, men nu hör jag mycket bättre och kan lyssna på annat än punk. Ett par veckor efter operationen kunde jag använda telefon. Det har jag inte kunnat på flera år.
Här är den röntgenbild man tar efter avslutad operation. Bilden tas genom ögonen, för det är minst ben som skymmer där. Det här är en patient med bilaterala implantat (ett för varje öra). Elektroniken och mottagarspolen syns tydligt vid A och ledaren som går vidare mot cochlea vid B. Du ser hur detta 12-kanalers implantat har virat ihop sig snyggt inuti cochlea vid C. Notera den grova kanten på ögonhålan vid D och näshålan vid E. Skulle cochlea vara missbildat, som visas i F, kanske elektroden bara når in med 4-5 kontaktpunkter, men märkligt nog kan det fungera hjälpligt ändå.
Hörselrevolution väntar
Nästa revolution blir när man kan göra ett kontaktdon som kan sättas in direkt i hörselnerven och ersätta cochlea. Då kanske hörseln kan återställas ännu bättre än i dag.
Den bioniska människan rycker närmare. Varför nöja sig med 20–20.000 hertz? Med dsp:ernas hjälp skulle vi kunna få superhörsel och höra allt från infraljud till ultraljud, höra delfiner och klara helium speech direkt och få ut mycket mer av världen, än med vanliga, gammaldags människoöron.
Så går du vidare
» Hörselns funktion: sv.wikipedia.org/wiki/H%C3%B6rsel
» Karolinska Sjukhuset: www.karolinska.se/ci
» Implantattillverkare: www.medel.com/english/index.php
» www.cochlear.se
» www.advancedbionics.com
» www.ucihs.uci.edu/hesp/publications/Trend_Zeng.pdf
» www.cochlea.org
» 147.162.36.50/cochlea/cochleapages/theory/main.htm
Ljudexempel:
» www.utdallas.edu/~loizou/cimplants/cdemos.htm
Otoakustiska emissioner (mycket intressant, läs noga):
» www.est-med.com/OAE/understanding-using_OAE%20von%20Kemp.pdf
Specialfallet Michael Chorost
Så här ser implantatet ut från sidan. Notera fyllningarna i tänderna.
Den nästan döve Michael Chorost letade upp ny programvara till sitt 16-kanalersimplantat, grälade med forskare och programmerare och kunde till sist gå från total dövhet till att uppskatta Ravels Bolero igen. Läs artikeln ”My Bionic Quest for Boléro” på wired.com. Med 121 virtuella kanaler kunde han till sist urskilja toner som låg 30 hertz ifrån varandra, från tidigare 70 hertz, men det ska sägas att det här är ett specialfall.
3 öronbedövande hörselfakta
» Patienter som är helt döva men en gång har varit hörande kan få hörseln tillbaka.
» I dag har implantaten 22 elektroder men virtuellt kan man komma upp i över 100.
» Processkraften ökar hela tiden, algoritmerna blir bättre och läkarvetenskapens förståelse för hörseln ökar. Som en följd hör implantatpatienter allt bättre.
Gunnar Eskilsson på Huddinge Sjukhus i full färd med att rätta till en patients hörsel. De nya parametrarna tankas in i ljudprocessorn.
