polski przeglą d otorynolaryngologiczny 2 (2013) 194 198 Dostępne online www.sciencedirect.com ScienceDirect journal homepage: www.elsevier.com/locate/ppotor Artykuł oryginalny/original research article Analiza wyników percepcji słuchowej w nowej strategii MP3000 i konwencjonalnych strategiach kodowania The analysis of speech perception in the new MP3000 speech coding strategy and conventional strategies Michał Kida 1, *, Lidia Mikołajewska 2, Krzysztof Morawski 2, Magdalena Lachowska 2, Zuzanna Łukaszewicz 2, Katarzyna Bieńkowska 2, Kazimierz Niemczyk 2 1 Medicus Aparatura i Instrumenty Medyczne Sp. z o.o. S.K.A., Wrocław, Polska 2 Katedra i Klinika Otolaryngologii WUM, Kierownik: prof. dr hab. med. K. Niemczyk, Warszawa, Polska informacje o artykule abstract Historia artykułu: Otrzymano: 25.09.2013 Zaakceptowano: 04.10.2013 Dostępne online: 22.10.2013 Słowa kluczowe: implant ślimakowy rozumienie czas życia baterii procesor Keywords: Cochlear implant Speech understanding Battery lifetime Speech processor The following article includes the description of an evaluation of new speech coding strategy based on psycho-acoustic masking model. New strategy stimulate smaller number of channels in comparison of active channel's number. The strategy is based on standard ACE strategy. The difference is the psycho-acoustic masking model which recognize the most important components from the audio signal. The study was designed as a prospective multi-centre clinical study in 7 European language areas. 247 patients from 37 Cochlear Implant Centers took part into the research. The article includes only results of Warsaw group it means 10 patients, experienced users of Nucleus implants and Freedom speech processors. The speech perception was tested using monosyllabic test in quiet at 65dBSPL and speech test in noise. The results shows that new strategy has no influence on speech perception but significant increase battery lifetime in comparison with standard strategies. 2013 Polish Otorhinolaryngology - Head and Neck Surgery Society. Published by Elsevier Urban & Partner Sp. z o.o. All rights reserved. Wstęp W systemach implantów ślimakowych główną funkcją procesora dźwięku jest przetworzenie i zakodowanie przychodzącego sygnału akustycznego [1]. Kiedy do procesora dociera dźwięk rozpoznawalny jako mowa ludzka, system przetwarza go na odpowiedni kod stymulujący system słuchowy. Strategia kodowania jest to algorytm, według którego procesor dźwięku przetwarza i koduje * Adres do korespondencji: Medicus Aparatura i Instrumenty Medyczne Sp. z o.o. S.K.A., ul. Grabiszyńska 251a, 53-234 Wrocław, Polska. Tel.: +48 609 162 022, fax: +48 71 437 21 11. Adres email: mkida@medicus.com.pl (M. Kida). 2084-5308/$ see front matter 2013 Polish Otorhinolaryngology - Head and Neck Surgery Society. Published by Elsevier Urban & Partner Sp. z o.o. All rights reserved. http://dx.doi.org/10.1016/j.ppotor.2013.10.003
polski przeglą d otorynolaryngologiczny 2 (2013) 194 198 195 Tabela I Wybrane dane kliniczne grupy badanej Table I Patients clinical data Pacjent Inicjały Wiek Czas trwania niedosłuchu Czas użytkowania implantu ślimakowego Strategia kodowania Liczba aktywnych elektrod 1 AD 41 20 lat 14 miesięcy ACE 22 2 BB 60 20 lat 10 miesięcy ACE 22 3 FC 63 15 lat 5 lat ACE 22 4 ZM 60 40 lat 4 lata ACE 22 5 CK 45 20 lat 6 lat ACE 14 6 TW 42 5 lat 8 miesięcy ACE 22 7 SZ 38 35 lat 17 miesięcy ACE 22 8 SZ 49 25 lat 18 miesięcy ACE 22 9 PE 52 26 lat 4 lata ACE 22 10 MR 60 12 miesięcy 12 miesięcy ACE 22 dochodzący sygnał akustyczny na sygnał elektryczny i przesyła go do implantu ślimakowego [2]. Odpowiednie dopasowanie procesora, a zatem też wybór strategii kodowania dźwięku, jest jednym z czynników determinujących efekty słuchowe u użytkowników implantów ślimakowych. Celem dopasowania procesora jest takie dobranie parametrów urządzenia, aby system implantu ślimakowego zapewniał optymalną i komfortową stymulację nerwu słuchowego użytkownika. Procesor analizuje i zamienia na sygnał cyfrowy sygnał akustyczny odbierany przez mikrofony. Następnie sygnał przesyłany jest przez cewkę nadawczą do odbiornika/stymulatora implantu. W czasie sesji dopasowania klinicysta dobiera minimalną ilość jednostek prądowych (pobudzenia elektrycznego) niezbędnych do wywołania wrażenia dźwięku u pacjenta (,,T level ) oraz maksymalną ilość jednostek (,,C level ) odpowiadającą za komfortowy poziom słyszenia tak zwany próg komfortu. Powyższe wartości (progi T i C) determinują dynamiczny zakres (dynamic range) stymulacji dla każdego kanału. Cel pracy musiał korzystać na co dzień z procesora Nucleus Freedom ze sterownikiem zausznym oraz spełniać poniższe założenia: powyżej 12. roku życia (w przypadku osób niepełnoletnich wymagana była zgoda rodziców na udział w badaniu), minimalny okres korzystania z implantu ślimakowego 6 miesięcy oraz minimum miesiąc korzystania z procesora Freedom, zdolność do odczytania i zapisania wyników oraz oceny testów wykonywanych w projekcie, odpowiednia zdolność rozumienia dająca możliwość porównania konwencjonalnej oraz badanej strategii kodowania. Z badań wykluczono pacjentów, którzy na co dzień korzystali ze strategii kodowania CIS, mających wszczepione dwa implanty ślimakowe, pacjentów z dodatkowymi obciążeniami uniemożliwiającymi ocenę nowej strategii oraz pacjentów oczekujących zbyt wiele od nowej strategii. Charakterystyka badanej grupy pacjentów przedstawiona została w tabeli I. W tabeli zawarto wybrane dane dotyczące historii niedosłuchu oraz sytuacji każdego z pacjentów zaproszonych do badania. Celem badania była ocena percepcji za pomocą nowej strategii kodowania MP3000 u użytkowników implantów ślimakowych korzystających dotychczas z konwencjonalnych strategii (ACE/SPEAK). Według założeń, nowa technika kodowania dźwięku powinna pozwolić na uzyskanie porównywalnych korzyści jak strategie konwencjonalne w odniesieniu do rozumienia w ciszy i hałasie, przy jednoczesnym zredukowaniu poboru energii z baterii przez system implantu ślimakowego. Założeniem dodatkowym była analiza preferencji stosowania strategii MP3000 przez doświadczonych użytkowników implantów ślimakowych Nucleus. Materiał Materiał stanowiła grupa 10 pacjentów w wieku 38 62 lat (średnia 51 lat), użytkowników implantów ślimakowych. Pacjenci zaproszeni do badania byli użytkownikami implantów ślimakowych typu Nucleus 24 i Nucleus Freedom, korzystającymi z systemu implantu ślimakowego od minimum sześciu miesięcy. Każdy z zaproszonych pacjentów Metoda Badania przeprowadzono w 1., 4., 8., 10., 12., 14. tygodniu od chwili włączenia pacjenta do badania, w określonych strategiach kodowania według schematu ABABA, gdzie A oznaczało standardową strategię kodowania ACE, natomiast B nową strategię MP3000. Harmonogram wizyt pacjentów przedstawiono w tabeli II. W celu oceny percepcji w metodzie zastosowano szereg testów w ramach audiometrii. Percepcję testowano za pomocą testów jednosylabowych Pruszewicza dla poziomu sygnału równego 65 db SPL. Numery list słów testów monosylabowych dobrane zostały w sposób losowy dla każdego pacjenta. Testy przeprowadzono w skalibrowanej kabinie ciszy. Testowano słyszenie zarówno przy wykorzystaniu strategii standardowej (ACE), jak i nowej MP3000. Badano również stopień rozumienia zdań w hałasie, dla poziomu sygnału 65 db SPL, SNR 10 db. Wyniki oceniano na podstawie specjalnie zaimplementowanych kwestionariuszy korzyści pacjentów w różnych strategiach kodowania. Prowadzono zapis godzin działania baterii.
196 polski przeglą d otorynolaryngologiczny 2 (2013) 194 198 Tabela II Harmonogram wizyt pacjentów Table II Evaluation visits schedule Wizyta Audiometria słowna Dopasowanie procesora Ocena zużycia baterii Kwestionariusz korzyści pacjenta 1. (tydzień 1.) X X X X 2. (tydzień 4.) X X X X 3. (tydzień 8.) X X 4. (tydzień 10.) X X 5. (tydzień 12.) X 6. (tydzień 14.) X W przeprowadzonym badaniu wykorzystano specjalne oprogramowanie stosowane tylko do badań naukowych Custom Sound 1.4. Oprogramowanie to miało dostęp do aktualnej bazy danych pacjentów oraz wszystkich parametrów wykorzystywanych w poprzednich wersjach Custom Sound dostępnych komercyjnie. Dodatkowym parametrem była możliwość zastosowania strategii MP3000 oraz kombinacji algorytmów ułatwiających słyszenie w trudnych warunkach akustycznych,,smart Sound. Powyższa wersja nie była stosowana u pacjentów odwiedzających klinikę w celu standardowych wizyt dopasowania procesora. Badanie użyteczności stosowania oprogramowania przeprowadzone zostało na podstawie analizy kwestionariuszy klinicznych. Zastosowanie nowej strategii MP3000 ma znaczący wpływ na zmniejszenie zużycia baterii przez system implantu ślimakowego. Na podstawie prowadzonych dzienników odnotowano różnicę rzędu 20% na korzyść MP3000 [(Ryc._1)TD$FIG] Wyniki Wszyscy pacjenci ukończyli badania i nie odnotowano żadnych przypadków niepożądanych. W trakcie trwania projektu każdy z uczestników odbył po sześć wizyt, podczas których ustawiano parametry procesora przy wykorzystaniu nowej strategii kodowania. Percepcję rozumienia badano na podstawie testów jednosylabowych i zdaniowych. Jednym z założeń badania było sprawdzenie różnicy w czasie zużycia baterii procesora przy zastosowaniu obu strategii. W tym celu każdy z uczestników projektu powadził dziennik czasu działania baterii, zapisując dokładną ilość godzin działania urządzenia na jednym pełnym zestawie baterii. Wyniki testów słownych monosylabowych przedstawiają ryciny 1 i 2. U trojga pacjentów (P1, P2, P3) zauważono ponad 10- -procentową poprawę rozumienia w nowej strategii kodowania dźwięku MP3000. W dwóch przypadkach strategia standardowa (ACE) okazała się skuteczniejsza (P4 i P7). W pozostałych nie było dużych różnic między rozumieniem w obu strategiach. Wyniki tych testów zdaniowych w szumie są przedstawione na rycinach 3 oraz 4. U żadnego z pacjentów nie stwierdzono znaczącej poprawy rozumienia w strategii MP3000. Różnice w poziomie rozumienia nie przekroczyły 10%. Jednym z istotnych elementów przeprowadzonego badania było sprawdzenie wpływu nowej strategii kodowania na czas działania baterii w procesorze, mierzony w godzinach. Wszyscy uczestnicy badania korzystali z procesorów ze standardowymi sterownikami na trzy baterie. Wyniki przedstawione zostały na rycinie 5. Ryc. 1 Wyniki rozumienia w testach monosylabowych w zależności od strategii kodowania Fig. 1 Monosyllabic speech tests results in relation to different speech coding strategies [(Ryc._2)TD$FIG] Ryc. 2 Uśrednione wyniki rozumienia w testach monosylabowych w zależności od strategii kodowania Fig. 2 Average monosyllabic speech tests results in relation to different speech coding strategies
[(Ryc._3)TD$FIG] polski przeglą d otorynolaryngologiczny 2 (2013) 194 198 197 Ryc. 3 Wyniki rozumienia w testach zdaniowych w hałasie w zależności od strategii kodowania Fig. 3 Sentence speech tests in noise results in relation to different speech coding strategies względem ACE. Dodatkowym elementem badanym w doświadczeniu były preferencje użytkowników. Po zakończeniu projektu każdy z pacjentów mógł zdecydować, przy której strategii kodowania pozostanie. W badanej grupie pięcioro użytkowników implantów zdecydowało się na strategię MP3000, pięcioro zaś postanowiło korzystać z poprzedniej, sprawdzonej technologii. [(Ryc._5)TD$FIG] Omówienie i wnioski Uzyskane wyniki wskazują na brak wyraźniej różnicy w poziomie rozumienia przez doświadczonych użytkowników implantów ślimakowych przy wykorzystaniu obu strategii. Nowy, testowany algorytm MP3000 nie przynosi istotnych zmian w rozumieniu i jest porównywalny pod tym względem za standardowo wykorzystywaną strategią ACE [3]. Różnice w poziomie rozumienia nie [(Ryc._4)TD$FIG] Ryc. 5 Wyniki czasu funkcjonowania baterii podczas stosowania dwóch różnych strategii kodowania, p<0,05 Fig. 5 Battery life in relation to two different speech coding strategies, p < 0.05 Ryc. 4 Uśrednione wyniki rozumienia w testach zdaniowych w hałasie w zależności od strategii kodowania Fig. 4 Average sentence speech tests results in noise in relation to different speech coding strategies przekraczały 5% w większości przypadków. Jedynie u pacjentów nr 3 i 4 różnica w poziomie identyfikacji testów monosylabowych przekroczyła 20%. Z powodu zbyt małego materiału nie przeprowadzono szczegółowej analizy statystycznej. Prace nad rozwojem nowych strategii kodowania dźwięku są niezwykle istotne ze względu na nowe wyzwania, jakie niesie ze sobą technologia implantów ślimakowych [4]. Takimi wyzwaniami są lepsze rozumienie w hałasie, rozpoznawanie i możliwość czerpania przyjemności ze słuchania muzyki przez użytkowników implantów, zmniejszenie zużycia baterii i wiele innych. Przedmiotem przeprowadzonego badania była analiza możliwości zmniejszenia kosztów użytkowania systemu implantu ślimakowego. W przyszłości planowane są kolejne testy nad przydatnością strategii MP3000 i jej wpływem, między innymi, na odbiór muzyki. Algorytm przetwarzania dźwięku MP3000 zbliżony jest do algorytmów obróbki danych wykorzystywanych w popularnych odtwarzaczach MP3. Udowodniono, że
198 polski przeglą d otorynolaryngologiczny 2 (2013) 194 198 redukcja ilości informacji przetwarzanych przez procesor nie wpływa negatywnie na jakość odbieranego dźwięku. Być może w przyszłości uda się tak dopasować parametry procesora i parametry samej strategii kodowania dźwięku, aby zmaksymalizować możliwości percepcji muzyki. Aspekt ten jest niezwykle istotny dla pacjentów, którzy stracili słuch w trakcie swojego dorosłego życia. W tym momencie implanty ślimakowe dają głównie możliwość powrotu do świata dźwięków, możliwości rozumienia oraz pełnej komunikacji językowej. Poprawny odbiór muzyki, umożliwiający czerpanie z niej przyjemności, jest elementem, który nie u wszystkich pacjentów zaimplantowanych udaje się osiągnąć. Na przeszkodzie ku temu stają ciągle, między innymi, bariery technologiczne, takie jak niedoskonałość przetwarzania dźwięku na sygnał elektryczny w procesorze. Konflikt interesu/conflict of interest Nie występuje. Finansowanie/Financial support Nie występuje. Etyka/Ethics Treści przedstawione w artykule są zgodne z zasadami Deklaracji Helsińskiej, yrektywami EU oraz ujednoliconymi wymaganiami dla czasopism biomedycznych. Podsumowanie pismiennictwo/references Zastosowanie strategii MP3000 umożliwia podwyższenie efektywności baterii wykorzystywanych w procesorach o około 20%, nie zmniejszając przy tym jakości dźwięku czy stopnia zrozumienia. Wyniki percepcji słuchowej uzyskane w strategii ACE i MP3000 wykazały, że efektywność obydwu strategii jest porównywalna. Znaczne różnice indywidualne wskazują na potrzebę najlepszej dla danego pacjenta strategii kodowania. Z całą pewnością MP3000 może być wykorzystywana w przyszłości jako strategia alternatywna dla ACE, a po dalszych badaniach być może nawet jako strategia podstawowa dla nowych użytkowników implantów ślimakowych. Wkład autorów/authors' contributions [1] Nogueira W, Buchner A, Lenarz T, Edler B. A psychoacoustic NoMf Type Speech Coding Strategy for Cochlear Implants. EURASIP Journal on Applied Signal Processing 2005;18:3044 3059. [2] Clark G. Cochlear Implants Fundamentals and Applications. NY: Springer; 2003: 381 432. [3] Buechner A, Beynon A, Szyfter W, Niemczyk K, Hoppe U, Hey M, et al. Clinical evaluation of cochlear implant sound coding taking into account conjectural masking functions, MP3000 TM. Cochlear Implants Int 2011;12(4): 194 204. [4] Buechner A, Nogueira W, Edler B, Lenarz T. Chronic results from a psychoacoustic model based strategy, Wiener Medizinische Wochenschrift 156. Jahrgang, Supplement 119, PE6-O4, 2006. Według kolejności.