This copy is for personal use only - distribution prohibited. Wywołane potencjały słuchowe rejestrowane w opcji szybkiej prezentacji bodźca

Transkrypt

1 Wywołane potencjały słuchowe rejestrowane w opcji szybkiej prezentacji bodźca Evoked Auditory Potentials Recorded at Fast Stimulation Rates Wężyk Aleksandra, Morawski Krzysztof, Delgado Rafael, Pierchała Katarzyna, Niemczyk Kazimierz Klinika Otolaryngologii WUM, kierownik: prof. dr hab. Kazimierz Niemczyk, Warszawa, Poland Article history: Received: Accepted: Published: STRESZCZENIE: Precyzyjna diagnostyka odbiorczych uszkodzeń narządu słuchu jest nadal problematyczna ze względu na ograniczenia stosowanych do tej pory metod. W prezentowanej pracy przedstawiono główne założenia nowej metody badania wywołanych potencjałów słuchowych w opcji szybkiej prezentacji bodźca (continuous loop averaging deconvolution, CLAD), czyli techniki odczytywania poprzez dekonwolucję ( rozplatanie ) nałożonych na siebie odpowiedzi dzięki zastosowaniu matematycznego modelu opracowanego przez Delgadę i Ozdamara (2004). Taka opcja generowania i analizy potencjałów słuchowych wnosi nową jakość i staje się dobrym narzędziem do oceny procesów adaptacyjnych zachodzących w narządzie słuchu. SŁOWA KLUCZOWE: CLAD, dekonwolucja, słuchowe potencjały wywołane ABSTRACT: KEY WORDS: A precise diagnostics of hearing damages is still a challenge, especially because of limitations of present audiological methods. In this paper, the authors presented the main assumptions of the new method to record auditory responses evoked by high rate of acoustic stimulation. Continuous Loop Averaging Deconvolution (CLAD) is a technique for reading the overlapping recorded responses using the mathematical model of deconvolution developed by Delgado and Ozdamar (2004) and improved by Bohorquez and Ozdamar (2006). Such an option of acoustic stimulation and auditory evoked potential acquisition is getting a new tool for evaluation of the adaptation processes in the hearing organ. CLAD, deconvolution, auditory evoked potentials Uszkodzenia narządu słuchu stanowią największy odsetek schorzeń dotyczących zmysłów. Dzieje się tak ze względu na wyjątkową wrażliwość komórek słuchowych na czynniki fizyczne, chemiczne, a także procesy chorobowe. Audiologia oferuje wiele metod diagnostycznych, które w dużym stopniu ułatwiają ocenę stanu słuchu, jednakże dokładna ocena niedosłuchów odbiorczych wciąż może być problematyczna. Wykonana audiometria tonalna, audiometria impedancyjna, otoemisja akustyczna oraz analiza morfologii zapisu wywołanych potencjałów słuchowych z pnia mózgu (ABR) zazwyczaj dają nam w przybliżeniu odpowiedź, z jaką patologią mamy do czynienia. Chociaż na podstawie tak przeprowadzonej diagnostyki jesteśmy w stanie wskazać, czy dominującą komponentą jest uszkodzenie typu ślimakowego, czy pozaślimakowego, jednak jest to określenie nieprecyzyjne. Nie jesteśmy w stanie stwierdzić, jakie konkretne procesy na poziomie ślimaka i poza nim uległy uszkodzeniu. Nie można również precyzyjnie prognozować odnośnie do tempa postępu uszkodzeń w narządzie słuchu. Elektrofizjologiczne testy badania słuchu zazwyczaj bazują na technikach uśredniania przy częstości prezentacji bodźca zwykle do 30/sek. Prezentacje bodźca z częstością wysoką powodują nakładanie się odpowiedzi, które przestają być czytelne, natomiast tradycyjne częstości prezentacji bodźca są niewystarczające, by uwidocznić każdą patologię narządu słuchu [1-5]. 60 DOI: /

2 W tradycyjnych technikach uśredniania sygnału bodziec zawsze jest podawany ze stałą częstością, co ogranicza okno odczytu danych, które mogą być wykorzystane. Jeżeli poszczególna odpowiedź na każdy bodziec nie zdąży się zakończyć, zanim nastąpi następna stymulacja, nakładające się odpowiedzi stają się nieczytelne i niemożliwe staje się wyekstrahowanie korespondujących z sobą komponentów potencjałów. Co za tym idzie, taka odpowiedź jest nieprzydatna do diagnostyki niedosłuchu. W związku z tym częstość stymulacji jest ograniczana przez czas potrzebny do zarejestrowania odpowiedzi fizjologicznej. W przypadku chociażby metody ABR, w której odpowiedź trwa zwykle ms, maksymalna częstotliwość pobudzenia, która może być używana, jest ograniczona do zakresu 83,3-66,7 Hz [3-4]. Rozwiązaniem tej sytuacji została opracowana w Miami przez Delgadę i Ozdamara (2004), a potem udoskonalona przez Ozdamara i Bohorqueza (2006) metoda CLAD (continuous loop averaging deconvolution). Jest to technika odczytywania odpowiedzi w opcji szybkiej prezentacji bodźca poprzez zastosowanie tzw. dekonwolucji ( rozplatania ) nałożonych na siebie odpowiedzi i w konsekwencji ekstrahowania poszczególnych elementów morfologii zapisu z drogi słuchowej, a więc poszczególnych potencjałów i wartości ich latencji [6, 7]. Schematyczne ujęcie idei stymulacji i akwizycji odpowiedzi dla ABR, ASSR i CLAD przedstawiono na rycinie 1. Ryc. 1. Schemat stymulacji i akwizycji odpowiedzi dla ABR, ASSR i CLAD W 1982 r. Eysholdt i Schreiner wprowadzili rewolucyjną koncepcję ominięcia ograniczeń nałożonych przez konwencjonalne uśredniania. Przy użyciu sztucznie utworzonej sekwencji bodźców o długim czasie trwania (maximum lenght sequences, MLS) byli w stanie rozdzielić nakładające się odpowiedzi na pojedyncze potencjały [8]. Późniejsze badania wykazały słuszność i niezawodność tej metody oraz istnienia innych podobnych sekwencji (jak np. LGS legendre sequences) [9-11]. Te badania udowodniły, że generowana odpowiedź była identyczna z tą uzyskiwaną przy konwencjonalnym uśrednianiu. Później inni niezależni badacze rozszerzyli zakres zastosowania tej metody i udoskonalili proces pozyskiwania danych [11-15]. Zwłaszcza w przypadku pierwszej techniki można znaleźć doniesienia dotyczące jej klinicznego zastosowania. Opcje te opierają się na technikach uśredniania w celu polepszenia współczynnika sygnał/szum (SNR) i dają możliwość ukazania uzyskanej odpowiedzi, tak jak w technikach tradycyjnych. Istnieje zatem możliwość analizy morfologii zapisów i ich interpretacji zarówno jakościowej, jak i ilościowej, jednak istotnym ograniczeniem jest to, że sekwencja bodźcowania dla techniki MLS jest definiowana parametrem określanym jako minimalny interwał pulsu (minimum pulse interval, MPI), a nie średnia częstość bodźcowania. W praktyce oznacza to, że dla sekwencji MLS o charakterystyce L = 127 mamy 64 pulsy, przy czym np. dla MPI = 2 ms średnia częstość bodźcowania wynosi 251,97 Hz, jednak rozrzut częstości dla omawianej sytuacji rozciąga się od 15,748 Hz do 503,94 Hz [13, 16, 17]. W związku z tym zapis otrzymany w wyniku procesu uśrednienia powstał w rzeczywistości w odpowiedzi na bardzo różne częstości prezentacji bodźca o określonej średniej. W świetle procesów adaptacyjnych zachodzących na poziomie narządu słuchu częstość prezentacji 16 Hz i 500 Hz to zupełnie różne, nieporównywalne parametry, a obliczona średnia jest jeszcze jednym, trzecim parametrem. W związku z tym wszelkie analizy odpowiedzi w funkcji częstości bodźca, a zatem zjawiska adaptacji i inne, w zasadzie nie powinny być analizowane lub wynik z założenia będzie jedynie bardzo dużym przybliżeniem [9, 11, 13, 14]. Jedną z opcji pozwalających na badanie różnych procesów zachodzących w ślimaku oraz w drodze słuchowej jest manipulowanie bodźcem. Zastosowanie kliku lub tonu specyficznego częstotliwościowo pozwala nam, mówiąc w pewnym uproszczeniu, na badanie określonego miejsca na błonie podstawnej oraz związanych ze zjawiskiem monotopizmu adekwatnych włókien nerwowych. Stymulując ucho dźwiękami o różnym poziomie, możemy badać czułość narządu słuchu, wyznaczać progi słyszenia. Stosując odpowiednie obwiednie dla tonów bodźców specyficznych częstotliwościowo, możemy znacząco poprawić specyficzność częstotliwościową odpowiedzi. Częstość podawania bodźca również w sposób znaczący wpływa na morfologię zapisów. W praktyce w przypadku analiz w okienkach czasowych od 12 do 15 ms w technikach konwencjonalnych teoretycznie nie możemy stymulować szybciej niż odpowiednio od 66,7 do 83 Hz. Częstość stymulacji zależy od interwału czasowego między bodźcami (interstimulus interval, ISI). Skrócenie wartości ISI oznacza wzrost częstości stymulacji. Przekroczenie tych częstości spowodowałoby nałożenie się pojedynczych odpowiedzi i czyniłoby zapis nieinterpretowanym. Do niedawna nie było metody, która przezwyciężyłaby to ograniczenie. W 2001 r. Jewett [16] przedstawił model matematyczny POLSKI PRZEGLĄD OTORYNOLARYNGOLOGICZNY, TOM 4, NR 2 (2015), s

3 Ryc. 2. Idea generowania sekwencji bodźców i sposobu akwizycji odpowiedzi słuchowych. o nazwie WAAD (Wrap Around Avarage Doconvolution), którego sednem była specjalnie zaprojektowana sekwencja reakcji zachodzących na siebie czasowo. Metoda ta działa jednak tylko dla kilku specjalnie zaprojektowanych sekwencji, a są one generowane metodą prób i błędów, po długich i żmudnych obliczeniach. Nowa technika szybkiej prezentacji bodźca i analizy zapisów odpowiedzi w opcji CLAD rozwiązuje wcześniej omawiane problemy, generując impulsy w opcji szybkiej prezentacji bodźca (do 1000/s) oraz umożliwiając uśrednienie otrzymanych odpowiedzi po przeprowadzeniu procesu wyekstrahowania pojedynczych nałożonych na siebie odpowiedzi słuchowych. Urządzenie, stworzone przez zespół badaczy złożony z lekarzy i inżynierów, ma za zadanie przekształcić sczytane bodźce na ciągi matematycznych równań z dużą liczbą niewiadomych, które to z kolei są przekształcane w czytelne odpowiedzi potencjały słuchowe. Liczba niewiadomych koresponduje z ilością sczytywanych danych. Gdy wszystkie warunki są spełnione, równanie zostaje rozwiązane, nawet jeśli sygnał jest bardzo słaby. Wynika to z tego, iż w metodzie CLAD otrzymuje się setki danych w krótkim odstępie czasu, dzięki czemu proces uśredniania przebiega wiarygodnie. Opcja CLAD jest oparta na dwóch prostych założeniach, mianowicie że pojedyncza odpowiedź na bodziec akustyczny jest niezależna od innych oraz że odpowiedź kompleksowa jest prostą sumą arytmetyczną pojedynczych odpowiedzi powstałych w następstwie pojedynczych stymulacji. Model matematyczny wyekstrahowania pojedynczych zapisów z odpowiedzi kompleksowej został dokładnie opisany przez autorów tej techniki (Delgado i Ozdamar, 2004), a potem uzupełniony i udoskonalony (Ozdamar i Bohorquez, 2006) [6, 7]. Ta autorska metoda współdziała ze wspomnianymi urządzeniami SmartEP, będącymi kompletną platformą służącą do rejestracji i gromadzenia sczytanych potencjałów wywołanych. Na rycinie 2 schematycznie przedstawiono powyżej opisany sposób generowania sekwencji bodźców i sposobu akwizycji odpowiedzi słuchowych. W metodzie CLAD, podobnie jak w innych technikach dekonwolucji, podstawowym założeniem jest to, iż otrzymana odpowiedź na każdy bodziec jest dokładnie taka sama, niezależnie od odstępu między bodźcami, a odpowiedź komplekso- 62

4 wa jest prostą sumą arytmetyczną pojedynczych odpowiedzi powstałych w następstwie pojedynczych stymulacji. Zgodnie z tym założeniem sumaryczna odpowiedź jest przedstawiana w postaci równania matematycznego, co po opracowaniu pozwala na zdefiniowanie poszczególnych, zachodzących na siebie zliczeń. Co więcej, zapisy powinny być prowadzone w taki sposób, aby żadne dane nie zostały utracone, tak by nie wprowadzać dodatkowych niewiadomych w równaniach dekonwolucji. Dlatego też są one zapisywane przy użyciu swego rodzaju bufora w kształcie pętli, w której dane są rejestrowane w sposób ciągły podczas sekwencji prezentacji bodźca (ryc. 2). Uzyskane równania stanowią podstawę procesu dekonwolucji. Należy jednak pamiętać, że nie każdy bodziec jest wykorzystywany przy opracowywaniu odpowiedzi. Oprogramowanie CLAD automatycznie określa, czy dana sekwencja jest pożądana, czy też nie, i następnie generuje odpowiednie równania dekonwolucji. Dzięki temu unika się interpretacji danych wadliwych. Jak to przedstawia rycina 2, na kolejnym etapie równania te są dostarczane do modułu akwizycji danych (w który jest wyposażone każde urządzenie SmartEP), a następnie są one dekonwoluowane podczas procesu rejestracji odpowiedzi lub po jej zakończeniu w trybie offline. W zależności od stosunku sygnału do szumu (SNR) może być wymagane uśrednianie. W tych przypadkach cykl jest powtarzany wymaganą liczbę razy, a dane są dodawane do bufora równocześnie [6, 7, 18]. Ryc. 3. Zapis bodźców zarejestrowanych za pomocą ABR, przed procesem dekonwolucji i po nim Powyższa technika może być z powodzeniem zastosowana zarówno do wykonywania pomiarów ABR, ECochG, jak i MLR. Jej wyższość nad klasycznymi metodami ujawnia się właśnie przy szybszej prezentacji bodźca, co skutkuje wydłużeniem latencji odpowiedzi, a tym samym świadczy o zmęczeniu się układu i istnieniu patologii, niewidocznych przy bodźcowaniu tradycyjnym z częstością do 30/s. Na rycinie 3 przedstawiono Ryc. 4. Zapis bodźców zarejestrowanych za pomocą ECohG, przed procesem dekonwolucji i po nim sekwencję zapisów ABR dla częstości prezentacji bodźca 195/s przed procesem dekonwolucji i po nim. Widać, iż całkowicie nieczytelne ponakładane poszczególne fale przed procesem dekonwolucji nie nadają się do interpretacji, podczas gdy ta sama odpowiedź po procesie dekonwolucji jest czytelna i można ją analizować jak tradycyjny zapis ABR z uwzględnieniem obecności poszczególnych fal i wartości ich latencji. Analogiczną sytuację przedstawiono na rycinie 4, gdzie przedstawiono POLSKI PRZEGLĄD OTORYNOLARYNGOLOGICZNY, TOM 4, NR 2 (2015), s

5 Ryc. 5. Redukcja amplitudy potencjału AP przy zachowanej relatywnie stałej wartości SP zapisy ECochG dla trzasku o poziomie stymulacji 65 db nhl i wzrastającej częstości prezentacji bodźca. Uwidoczniono, że dla szybkich prezentacji bodźca zapisane odpowiedzi nie są czytelne z racji ich ponakładania, a po przeprowadzeniu procesu dekonwolucji potencjał sumacyjny (SP) i czynnościowy (AP) jest dobrze czytelny. Rycina 5 ukazuje, jak wraz ze wzrostem częstości bodźca dochodzi do redukcji amplitudy AP Piśmiennictwo przy zachowanej relatywnie stałej wartości SP. Zmiany wartości i wzajemnych relacji amplitud i latencji poszczególnych potencjałów odzwierciedlają zachodzące na poziomie ślimaka procesy adaptacyjne i zmęczeniowe [18-19]. Podsumowując, technika CLAD umożliwia dostosowanie stymulacji zarówno do pacjenta, jak i do preferowanego badania. Ze względu na to jest to niezastąpione narzędzie do oceny procesów adaptacyjnych narządu słuchu. W przeciwieństwie do wcześniej opracowanych metod umożliwia generowanie powtarzalnych bodźców, które nawet jeśli są słabe, to ze względu na dopracowaną metodę uśredniania pozwalają na prawidłowy odczyt i interpretację odpowiedzi [6, 7, 18]. Ta umiejętność pozwoli naukowcom rozwinąć swoją pracę i oceniać odpowiedzi z narządu słuchu, niedostępne wcześniej w przypadku stosowania prostszych technik. Możliwości, jakie oferuje metoda CLAD, wykraczają poza pomiary audiologiczne. Metodę dekonwolucji można zastosować dla dowolnej technologii wymagającej uśredniania uzyskanych sygnałów, jakimi są potencjały wywołane, ale także rezonans magnetyczny, systemy akustyczne, sonar, radar, szeroko pojęte urządzenia elektryczne i układy hydrauliczne. 1. Azzena G.B., Conti G., Santarelli R., Ottoviani F., Paludetti G., Maurizi M.: Generation of human auditory steady-state responses (SSRs) I: Stimulu s rate effects, Hear Res., 1995; 83: Morawski K., Hryciuk A., Morawski R., Niemczyk K.: Wstęp do elektrofizjologii klinicznej obwodowej części narządu słuchu, Pol. Przegl. Otolaryngol., 2012; 01(1): Morawski K., Hryciuk A., Kuźmińska M., Niemczyk K.: Śródoperacyjne monitorowanie słuchu w czasie operacji usuwania guza okolicy kąta mostowo- -móżdżkowego, Pol. Przegl. Otolaryngol., 2011; 0(0): Pierchała K., Morawski K., Łukawska I., Niemczyk K.: Znaczenie badań elektrofizjologicznych w diagnostyce guzów nerwu VIII, Otolaryngol. Pol., 2011, 65: Lachowska M., Morawski K., Niemczyk K.: How we do it: Low frequency specific hearing monitoring during hybrid cochlear implantation, Pol. Przegl. Otorynolaryngol. 04/2014; DOI: /j.ppotor Delgado R.E., Ozdamar O.: Deconvolution of evoked responses obtained at high stimulus rates, J. Acoust. Soc. Am. 2004; 115 (3): Ozdamar O., Bohórquez J.: Signal-to-noise ratio and frequency analysis of continuous loop averaging deconvolution (CLAD) of overlapping evoked potentials, J. Acoust. Soc. Am., 2006; 119 (1): Eysholdt U., Schreiner C.: Maximum length sequences a fast method for measuring brainstem evoked responses. Audiology, 1982, 21: Li H.F., Chan F.H.Y., Poon P.W.F., Hwang J.C., Chan W.S.: Maximum length sequence applied to the measurement of brainstem auditory evoked responses, J. Biomed. Eng., 1988; 10: Burkard R., Shi Y., Hecox K.E.: A comparison of maximum length sequences and legendre sequences for the derivation of brainstem auditory evoked responses at rapid rates of stimulation, J. Acoust. Soc. Am., 1990; 87: Picton T.W., Champagne S.C., Kellet A.J.C.: Human auditory evoked potentials using maximum length sequences, Electroencephal. Clin. Neurophysiol, 1992; 84: Chan F.H.Y., Lam F.K., Poon P.W.F., Du M.H.: Measurement of human BAERs by the maximum length sequence technique, Med. Biol. Eng. Comp., 1992; 30: Lasky R.: Maximum length sequence auditory evoked brainstem responses in human newborns and adults, J. Am. Acad. Audiol., 1992; 3: Marsh R.: Signal to noise constraints on maximum length sequence auditory brain stem responses, Ear Hear., 1992; 13: Burkard R.: Gerbil brain-stem auditory evoked responses to maximum length sequences, J. Acoust. Soc. Am. 1994; 95: Jewett D.L., Larson-Prior L.S., Baird W.: A novel techniques for analysis of temporally-overlapped neural responses, Evoked Response Audiometry XVII Biennial Symposium IERASG 2001,

6 Jirsa R.: Maximum length sequences auditory brainstem responses from children with auditory processing disorders, J. Am. Acad. Audiol., 2001; Bohorquez J., Ozdamar O., McNeer R., Morawski K.: Clinical Application of Evoked Potential Continuous Loop Averaging Deconvolution (CLAD), McGordon A., Li C., Lin W.C. et al.: 25th Southern Biomedical Engineering Conference 2009, IFMBE Proceedings 24, [19] Shi Y., Hecox K.E.: Nonlinear system identification by m-pulse sequences: Application to brainstem auditory evoked responses, IEEE Transactions on Biomedical Engineering 1991; 38: Word count: 1632 Tables: Figures: 5 References: 19 Access the article online: DOI: / Full-text PDF: Corresponding author: Krzysztof Morawski, Klinika Otolaryngologii WUM, ul. Banacha 1a, Warszawa; morawski@neurotology.pl Copyright 2015 Polish Society of Otorhinolaryngologists Head and Neck Surgeons. Published by Index Copernicus Sp. z o.o. All rights reserved Competing interests: The authors declare that they have no competing interests. Ethics/Etyka: The work described in this article have been carried out in accordance with The Code of Ethics of the World Medical Association (Declaration of Helsinki) for experiments involving humans; EU Directive 2010/63/EU for animal experiments; Uniform Requirements for manuscripts submitted to Biomedical journals. The own research were conducted according to the Good Clinical Practice guidelines and accepted by local Bioethics Committee, all patients agreed in writing to participation and these researches. Cite this article as: Wężyk A., Morawski K., Delgado R., Pierchała K., Niemczyk K.: Evoked Auditory Potentials Recorded at Fast Stimulation Rates. Pol Otorhino Rev 2015; 4(2): POLSKI PRZEGLĄD OTORYNOLARYNGOLOGICZNY, TOM 4, NR 2 (2015), s