Erfahrungen mit elektrischer Stimulation des Hörnervs mittels

Erfahrungen mit elektrischer
Stimulation des Hörnervs mittels Ohrkanal- und
Promontoriumselektroden
N. Dillier
Otorhinolaryngologische Klinik Universität und Kantonsspital Zürich und Institut
für biomedizinische Technik der Universität und ETH Zürich
L. J. Leifer
Mechanical Engineering and Design Division, University of Stanford, California
USA
Th. Spillmann
Otorhinolaryngologische Klinik Universität und Kantonsspital Zürich
Experiences with electrical stimulation of the auditory nerve by ear canal and
promontory electrodes
Abstract. Experiments with electrical stimulation have been performed on 6 normal hearing and 20 deaf subjects by means of a saline bridge electrode in the
outer ear canal or a needle electrode on the promontory. 70 percent of the deaf
subjects had reproducible hearing sensations which were of so-called electroneural type in contrast to the electrophonic sensations of the normal hearing
subjects. The differences between saline and needle electrodes are discussed.
Experiences avec stimulation electrique du nerf auditif par des electrodes en
l'oreille exterieure et sur le promontoire
Rasumöe. Des expöriments avec de la stimulation electrique ont öte executes
chez 6 sujets entendants normalement et 20 sujets sourds en mettant une electrode d'argent dans une solution NaCI dans l'oreille exterieure ou une elöctrode
d'electrocochleographie sur le promontoire. 70 pourcent des sujets sourds ont
eus de röponses acoustiques du type electroneural comparees aux sensations electrophoniques des sujets normaux. Les differences entre les electrodes saline et
promontoire sont discutees.
Einleitung
Elektrischer Strom von Audiofrequenz, mittels verschiedenartiger Elektrodentypen durch den Kopf eines menschlichen Beobachters geleitet,
kann Hörempfindungen hervorrufen. Seit der erstmaligen Entdeckung
dieses Phänomens durch VOLTA im Jahre 1800 (SIMMONS 1966) haben
viele Forscher versucht, elektrische Stimulation zur Diagnose, zur
Ausschaltung von Ohrkrankheiten, zur Heilung von Gehörlosigkeit oder
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zur Erforschung der Hörvorgänge allgemein zu verwenden (als Autoren
in diesem Zusammenhang seien erwähnt MICHELSON & MERZENICH,
HOUSE et al., CHOUARD et al., KIANG & MOXON und für einen ausführlichen Überblick speziell SIMMONS 1966).
Eine Grosse Anzahl Experimente hat gezeigt, dass es im wesentlichen
zwei Grundtypen von auditiven Reaktionen auf elektrische Stimulation
gibt. Der hauptsächlichste Effekt ist der sogenannte elektrophonische
Effekt (STEVENS et al., FLOTTORP, MOXON 1971), welcher charakterisiert ist durch gute Frequenzdiskrimination und eine Schwellwertskurve
mit ähnlichem Verlauf wie bei akustischer Reizung. Der Effekt lässt sich
erklären als elektromechanische Umwandlung des Reizes in der
Cochlea selbst oder am Elektroden-Gewebe-Übergang und anschliessende normale mechanoelehtlische Transformation durch die Haarzellen im Innenohr. Ein Trommelfell oder eine intakte Gehörsknöchelchenkette ist dabei nicht nötig.
Die zweite Art von Gehörsempfindungen, die ich mit dem Ausdruck
elektroneuraler Effekt bezeichnen möchte, ist charakterisiert durch
einen sehr schmalen dynamischen Bereich und das Fehlen von Frequenzunterscheidung. Es wird nur ein undifferenziertes kontinuierliches
oder rhythmisches Geräusch wahrgenommen. Man darf annehmen,
dass bei dieser Art von Tonempfindungen durch den elektrischen Strom
direkt einzelne Nervenfasern erregt werden, wobei die räumliche Verteilung dieser Nervenfasern längs der Basilarmembran die spektrale Verteilung des Rauschens bestimmt. Diese Stimulationsart ist die Basis für
eine elektrische Gehörsprothese für sensorineural taube Patienten.
Unser Ansatz für die Entwicklung einer solchen Prothese wurde bereits
beschrieben (LEIFER et al.).
MOXON (1971) konnte bei Experimenten mit Katzen bei elektrischer Stimulation am runden Fenster sowohl den Effekt des elektrophonischen
Hörens (durch Messung der mechanischen Bewegung des runden
Fensters bei elektrischer Stimulation) als auch des elektroneuralen
Hörens (charakterisiert durch extrem kurze Latenz und steile Intensitätsfunktion der Entladungen von einzelnen Nervenfasern) nachweisen
(KIANG & MOXON 1972). Diese physiologischen Gegebenheiten müssen
selbstverständlich bei der Entwicklung einer Prothese in Betrachtung
gezogen werden. Entsprechende Modellsimulationen wurden deshalb
auch von uns durchgeführt (DILLIER & LEIFER 1976).
Das Thema des jetzigen Vertrages ist jedoch nicht direkt die Entwicklung oder der aktuelle Stand der Gehörsprothese mit elektrischer Stimulation, sondern die Frage der Voruntersuchung eines Implantationskandidaten, d. h. die Abklärung, ob der Patient überhaupt noch elektrisch
erregbare Hörnervfasern bes.tzt. Im folgenden soll das von uns angewandte Testverfahren und die Resultate der Untersuchung von 20 einund beidseitig gehörlosen Probanden beschrieben werden.
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Methode und Apparatur
Figur 1 zeigt die hauptsächlichen Teile der verwendeten Apparatur. Es
können damit pulsartige oder kontinuierliche Signale beliebiger Frequenz und Kurvenform erzeugt werden. Es besteht die Möglichkeit, die
Frequenz automatisch zu erhöhen und kontinuierliche Schwellwertkurven aufzunehmen, eine Art elektrische Bekesy-Audiometrie. Der
Patient bestimmt dabei selbst per Knopfdruck die Stromamplitude,
welche gleichzeitig auf einem XY-Plotter aufgezeichnet werden kann.
Der Patient ist elektrisch durch einen optoelektronischen oder induktiven batteriebetriebenen Stimulusisolator vollständig von der übrigen
Apparatur und vom Netz getrennt. Ausserdem kann er jederzeit per
Knopfdruck das Stromsignal ausschalten. Er liegt bei der Untersuchung
auf einem Liegebett in einer schalldichten Kammer. Über Mikrofon
können Kommentare in den angrenzenden Kontrollraum übertragen
und auf Tonband aufgenommen werden.
Als Stimulationselektroden werden entweder ein mit Watte umwickelter
Silberdraht verwendet, der in den mit Salzlösung aufgefüllten äusseren
Gehörgang eingelegt wird (Brennermethode, STEVENS 1937), oder eine
Cochleographienadel, welche durch das Trommelfell gestossen und auf
das Promontorium aufgesetzt wird (dazu wird das Trommelfell mittels
lontophorese anästhesiert).
Als Referenzelektroden wurden AgCl-Hautelektroden an Stirn und
gegenüberliegendem Mastoid benutzt. Figur 2 zeigt eine gemessene
•
BEKESY - AUDIOMETER FOR ELECTRICAL 31':MULATION
FREO.GEN. GATE
WAVEFORM AYFLIFIER LIMITER ISOLATION ELECTRODE
f
PATIENT
7RAMP GEN.
n
I
4-117BURST GEN. XY-PLOTTER INTEGRATOR MONITOR
RESPON:',E
Fig. 1
Apparatur zur Erzeugung und Kontrolle der elektrischen Stimulation. Es können
Signale variabler Frequenz, Amplitude und Kurvenform erzeugt werden. Die
automatische Frequenz- und Amplitudensteuerung war erst gegen Schluss dieser Untersuchung verfügbar.
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Impedanzkurve mit einer Salzelektrode. Auf der Figur ist auch
erkennbar, dass die Impedanz durch eine weitere grossflächige Handelektrode verringert werden kann. Dadurch lassen sich in vielen Fällen
Druck- oder Stichempfindungen auf der Stirn oder dem Mastoid verringern. Solche Nebeneffekte treten bei höheren Stromintensitäten aber
auf jeden Fall auf. Es kann auch zu Schwindelgefühlen, Muskelzucken,
Geschmacks- und allgemeinen Schmerzempfindungen kommen. Vor
allem bei der Promontoriumselektrode treten diese Effekte sehr abrupt
ein oder auch beim Vorhandensein einer Gleichspannungskomponente,
die z. B. bei Kupferelektroden durch Elektrolyse entstehen kann.
Die Impedanzkurve zeigt kapazitiven Verlauf, d. h. dass bei Rechteckspannungspulsen eine hohe Stromspitze entsteht, während bei Strompulsen ein langsamer Spannungsanstieg erfolgt (s.Fig. 3). Unser Stimulusisolator liefert Konstantstrom. In einigen der ersten Versuche wurde
aber auch eine Konstantspannungsstimulation benutzt. Die Ladung pro
Puls (Stromamplitude mal Pulsbreite) kann in diesen Fällen wegen der
verzerrten Kurvenform nicht genau bestimmt werden. Die Werte aus
diesen Messungen wurden deshalb für die nachfolgenden Mittelwertsberechnungen nicht berücksichtigt.
1c. k
CURRENT STIMULATION
VCLTACE STIMULATION
ms
CURRENT
', TLTAC.F.
Fig. 3
Vergleich von Strom- und Spannungsstimulation bei Rechteckpuls-Kurvenform.
Bei Stromstimulation erfolgt gradueller Spannungsanstieg, bei Spannungsstimulation bilden sich hohe Stromspitzen.
10.(.c/P)
.
IMFEGANGE OF
B
SALINE ELX'IRODE
•
:N EAR 7ANAL
♦
•
CHARGE PER PULSE FOR
A
4911141111IL
•
• •
Välte•
00.0
PAIN THRESHOLD
A
HEARING THRESHOLD
•
NORMAL SUBJECT
11111111199
A
A
•elek.
•
I. k
13-0
i
ELECTROPHONIC HEARING
I.
IM
.0.0
''''
•
••
AA
AA A
A
Al&A
A•A
STEVENS (1937)
•
IN
A
CH) ZAR CANAL VS .MASTOID
AND FOREHEAD
A_A ADDITIONAL HAND
ELWIRODE
♦
0.2k
0.2 k
lo HZ
2o HZ
loo HZ
200 42
1 kHZ
2 kHZ
lo kHZ
Fig. 2
Impedanzkurven mit Salzelektrode im äusseren Gehörgang. Vergleich zwischen
der Messung von Stevens (1937) und unserer Elektrode mit und ohne grossflächige Referenzelektrode in der Hand.
42
0.2
lo HZ
2o HZ
loo HZ
Zoo HZ
1 kHZ
2 kHZ
lo kH
Fig. 4
Schwellwertkurven eines Normalhörenden bei elektrischer Stimulation. Schwellwert des elektrophonischen Hörens und der Unbehaglichkeit. Man beachte den
geringen dynamischen Bereich (maximal 14 dB).
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Resultate
Unsere Erfahrungen mit elektrischer Stimulation des Gehörs begannen
im Frühjahr 1974. Erste Experimente waren darauf angelegt, bereits in
der Literatur vorhandene Angaben über Empfindungen und Stimulusparameter zu bestätigen. Bis zum jetzigen Zeitpunkt haben wir in 30 Experimenten mit normalhörenden (6), schwerhörigen und gehörlosen
(davon 5 einseitig taub) Versuchspersonen Salz- oder Nadelelektroden
verwendet.
Die Hörempfindungen bei Normalhörenden konnten durchwegs als
elektrophonisch charakterisiert werden (Fig. 4), die übrigen Versuchspersonen hatten teils gemischte Empfindungen (vor allem bei Personen
mit Resthören im Audiogramm liegt immer ein Verdacht auf Elektrophonie vor), meistens aber durchaus echte, auf direkter Nervstimulation
basierende Hörempfindungen.
lo.
lo.(uC/P)
ei, CURRENT AMPLITUDE (mA)
PAIR THRESHOLD (A.C.)
-
'HARGE PER SECOND (mA)
ELECTRONEURAL HEARING(F.d
0—C 7...ARGE PER PERIOD
PAIN THRESHOLD (A.G.)
LS7ÜL CHARGE FM PULSE
_1.
ELECTRONEURAL HEARING (F.W.)
HZ
o HZ
oo HZ
2oc HZ
1 kHZ
kHZ
Fig. 5
Vergleich von Unbehaglichkeitsschwelle (bei einer Person ohne Hörempfindungen) und Hörschwelle (elektroneural) bei einer anderen Person. Im einen Fall
wurde mit vollem Rechtecksignal, im anderen Fall mit Rechteckpulsen gleichbleibender Pulsbreite stimuliert. Die Stromamplitude bei Vollwellenstimulation
geteilt durch die Frequenz kann verglichen werden mit der Ladung pro Puls bei
Rechteckpulsstimulation; die Ladung pro Puls bei Pulsstimulation multipliziert
mit der Pulsrepetitionsrate ist vergleichbar mit der Stromamplitude bei Vollwellenstimulation.
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Der Toncharakter des perzipierten Rauschens änderte sich mit der Intensität des Stimulus, eine Änderung der Repetitionsfrequenz bewirkte
eine Lautheitsveränderung. Bei Rechteckpulsstimulation nimmt die
Ladung pro Puls in Funktion der Frequenz leicht ab, bei voller Sinusstimulation steigt die Stromstärke exponentiell an, die Stromstärke dividiert durch die Frequenz (gewissermassen die übertragene Ladung pro
Periode) hat aber ebenfalls eine abfallende Charakteristik (als Beispiel
siehe Fig. 5).
Tabelle I zeigt die Mittelwerte und Standardabweichungen für 14 gehörlose Probanden, welche auditive Empfindungen hatten und dazu die
Werte von Probanden, welche nur Schmerz- oder taktile Empfindungen
hatten. Man beachte die sehr geringe Differenz zwischen Hör- und
Schmerzschwelle und die grossen Streuungen.
Zu unserem nicht geringen Erstaunen waren die Resultate mit beiden
Elektrodenarten ziemlich übereinstimmend für eine breite Anzahl Kurvenformen, Amplituden, Pulsbreiten und Repetitionsraten, allerdings mit
zwei grossen Unterschieden: Die Ladung pro Puls beim Schwellwert
war für die Salzelektrode um einen Faktor 10 bis 50 grösser als bei der
Promontoriumsnadel. Der dynamische Bereich zwischen Hören und
Schmerz war nichtsdestoweniger äquivalent für die beiden Elektroden
(maximal 6 DB), wobei bei der Nadelelektrode die Schmerzempfindung
rein subjektiv unangenehmer und stärker ist. Der zweite Unterschied betrifft die Positionsempfindlichkeit der Promontoriumselektrode. Im Gegensatz dazu ergab die Salzelektrode übereinstimmende Resultate auch
bei kleinen Positionsänderungen.
Die Taubheit der 15 beidseitig fand 5 einseitig gehörlosen Probanden
hatte verschiedene Ursachen (s. Tabellen II und III), jedoch konnte bei
keiner Krankheitsgruppe grundsätzlich Hören durch elektrische Stimulation ausgeschlossen werden. In einem Fall (G. B.) wurden mit der
Salzelektrode nur Nebeneffekte wahrgenommen, jedoch konnten mit
der Nadelelektrode vorübergehende Hörempfindungen hervorgerufen
Tabelle I
Schwellwerte des Hörens und der Unbehaglichkeit
Frequenz (Hz)
Hören (µC/Puls)
Unbehaglichkeit (µC/Puls)
11
250
500
1000
2000
4000
0.30
0.31
0.25
0.27
0.21
0.40
0.36
0.31
0.29
0.28
0.088
0.193
0.124
0.166
0.079
0.139
0.147
0.124
0.114
0.124
45
Diskussion
Tabelle II
Patientenuntersuchungen mit positiven Resultaten
Patient
links/ Ursache
rechts
R.W. (m) 1943 L
L.M. (m) 1941 L+ R
B.D. (f) 1907 L+R
H.A. (m) 1911 L+R
S.G. (m) 1927 L+R
G.A. (m) 1952 L+ R
Sc.G.(m) 1935 L+ R
R.A. (f) 1957 L+R
G.L. (f) 1958 L+R
C.R. (f) 1956 L+R
S.I (m) 1936 L + R
F.W. (m) 1919 R
C.G. (m) 1937 R
W.H. (f) 1936 L
Streptomycin
Gentamycin
Neomycin
Meningitis
Meningitis
Felsenbeinfraktur
Trauma
Mondini Deformität
Congenital
Congenital
Otosclerose
Meniere
Unbekannt
Hörsturz
(vasculäre Ursache)
Resultate
Ladg.
Frequenzbereich (Hz) Puls (µC)
30-10 000 0.1-3.0
NS r (EP 1)
400— 8 000 0.25-1.0
NSr+l
20— 5 000 0.1-0.3
NSI+r
15-10 000 0.5-3.2
NS r (?)
NSI+r(+EP?) 10— 3 000 0.2-0.4
200— 8 000 0.4-0.5
NSI+r
500— 8 000 0.3-0.5
NS I + r (+EP?) 20— 9 000 0.05-3.5
800— 2 000 0.2
NSI+r
20— 5 000 0.2-0.4
NSI+r
20— 8 000 0.2-0.4
NSI+r
1-10 000 0.15-5.0
NS r (EP 1)
300— 5 000 0.2-0.6
NS r
30— 500 0.05-1.5
NS I (EP r)
Tabelle III:
Patientenuntersuchungen mit negativen Resultaten
Patient
links/rechts
Ursache
A.G. (m) 1941
B.K. (f) 1954
G.B. (f) 1946
B.H. (f) 1917
S.H. (f) 1948
P.G. (m) 1921
L+R
L+R
L+R
L+R
L+R
R
Meningitis
Meningitis
Congenital
Labyrinthitis
Otitis media
Kleinhirnbrückenwinkeltumor
Resultate
(NS?)
werden. In den übrigen Fällen, wo mit beiden Arten stimuliert wurde (11
Experimente), erwies sich die Salzelektrode der Nadel gegenüber
durchaus als gleichwertig, wenn nicht sogar überlegen.
In zwei Fällen wurden im gegenüberliegenden Ohr deutlich reproduzierbare Hörempfindungen hervorgerufen. Für einen dieser Patienten
(W. R.), der seit einem Jahr einseitig gehörlos war, war dies die erste
Hörempfindung in diesem Ohr seit seiner Ertaubung.
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Die oben dargelegten Resultate scheinen den Autoren zu bestätigen,
dass trotz der offensichtlichen Mängel und Schwierigkeiten die elektrische Stimulation mittels Salzelektrode eine brauchbare Methode ist zur
ersten Abklärung, ob im Hörnerv noch elektrisch erregbare Fasern vorhanden sind.
Die Methode ist im Vergleich zur Stimulation des runden Fensters
(CHOUARD) oder des Promontoriums (HOUSE, BRACKMANN) relativ
einfach und schmerzlos und für den Patienten (mit intaktem Trommelfell!) völlig ungefährlich. Selbstverständlich kann bei negativem Ergebnis (nur Schmerzempfindungen) nicht ausgeschlossen werden, dass der
Nerv nicht trotzdem durch eine eingepflanzte Elektrode (in der Cochlea
oder im Modiolus) stimuliert werden kann, da sich ja die Bereiche der
Schmerz- und Hörempfindung überschneiden (Tabelle I).
Die Resultate stimmen überein mit Resultaten von FLOTTORP und STEVENS, jedoch bestehen Divergenzen mit den Ergebnissen der Gruppe
von HOUSE, wonach bei tauben Probanden Hörempfindungen nur zwischen 30 und 120 Hz hervorgerufen werden können, bei normalhörenden jedoch nicht. Unsere Resultate ergeben Hörempfindungen bei
Sinuston- und Rechteckpulsstimulation im Frequenzbereich zwischen
10 Hz bis 10 kHz bei Gehörlosen und Normalhörenden (meistens zwischen 300 Hz und 4 kHz), wobei genau unterschieden werden muss zwischen elektrophonischem und elektroneuralem Hören wie oben beschrieben.
Mit dem von uns entwickelten elektrischen Bäkäsy-Audiometer kann in
relativ kurzer Zeit eine SchwellWertskurve des elektrophonischen oder
elektroneuralen Hörens bestimmt werden. Nach unseren jetzigen Erfahrungen besteht zwischen diesen Kurven und den jeweiligen Audiogrammen jedoch kein direkter Zusammenhang. Um diese und andere Fragen
zu klären, sind zurzeit weitere Untersuchungen an gehörlosen und normalhörenden Probanden im Gange in Zusammenarbeit mit dem Institut
für biomedizinische Technik der ETH und der Universität Zürich.
Zusammenfassung
Experimente mit elektrischer Stimulation an 6 normalhörenden und 20
gehörlosen Probanden wurden mittels Salzelektrode im Ohrkanal oder
Nadelelektrode am Promontorium durchgeführt. 70 Prozent der gehörlosen Probanden hatten reproduzierbare Hörempfindungen, welche im
Unterschied zu den elektrophonischen Empfindungen Normalhörender
von sogenannt elektroneuraler Art (basierend auf direkter Nervreizung)
waren. Die Unterschiede zwischen Salz- und Nadelelektrode werden
diskutiert.
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