Faculté des sciences

Implantable hearing systems : development and evaluation of two concepts

Stieger, Christof ; De Rooij, Nicolaas (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2006 ; 1916.

For the treatment of hearing impairments, various types of hearing devices and surgical methods exist. However, these methods are not adequate for all types of hearing losses and patients' needs. Depending on the design, some of the inherent shortcomings could be reduced by implantable hearing systems. In implantable hearing systems, the output is generated by an implantable transducer, i.e. the... More

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    Résumé
    Le traitement de la surdité est basé soit sur l’appareillage acoustique soit sur la microchirugie otologique. Ces méthodes ne sont toutefois pas efficaces pour tous les types de défauts auditives. Dans certains cas une amélioration est possible par des systèmes auditives implantables. Ces systèmes possèdent tous un transducteur implantable qui correspond au haut-parleur des prothèses acoustiques conventionnelles. Dans cette thèse deux principes de transducteur implantable ont été développés et évalués. Le premier transducteur (CLT) est construit pour la réhabilitation des default auditif de la perception (neurosensorielle) et se greffe dans l’oreille moyenne. Il est composé d’une bobine fixée au marteau et d’un aimant permanent attaché au bord de la cavité de l’oreille moyenne. Le deuxième transducteur (DACS) a été développé pour la réhabilitation des surdités mixed ayant, en plus une composante de transmission. Dans ce système les vibrations sonores sont transmises directement au liquide de l’oreille interne à l’aide d’un prothèse de stapedectomie qui est relié au amplificateur électromécanique (transducteur). La géométrie des transducteurs a été élaborée à partir d’images tomographiques de crânes. Leur caractérisation a été étudier au moyen d’un Laser Doppler Vibromètre (LDV), sur un modèle mécanique de grandeur nature ainsi que sur des os temporaux pour le CLT et sur des crânes pour le DACS. En plus, la performance du DACS a, pu être confirmée lors de l’opération de trois patients. Pour son implantation, un nouvel abord chirurgical de l’oreille moyenne a été développé. Finalement, le CLT a été optimisé à l’aide de simulations numériques. Les simulations numériques ont montré que le CLT peut, soit être optimisé au niveau de l’amplification, soit au niveau de la procédure d’alignement de la bobine et de l’aimant. ¨Les mesures sur le modèle mécanique ont permis de mettre en évidence les paramètres ayant une grande influence sur l’amplification. Pour les hautes et basses fréquences les résultats sont encourageants, mais dans les fréquences moyennes c’est-à-dire dans les fréquences du langage, l’amplification reste faible. Le but principal qui consiste à développer un transducteur implantable avec une chirurgie invasive minimale est atteint. Mais les performances insuffisantes de l’amplification ont conduit à l’abandon du développement de ce transducteur. Le système DACS a été implanté à trois patients. L’amplification mesurée pendant l’opération était de plus de 125 dB SPL sur toutes les fréquences. L’audition des patients implanté est par la suite considérablement améliorée grâce au système DACS. L’amélioration était supérieur à celle obtenu par seulement l’appareillage acoustique ou par l’intervention chirugicale de stapedectomy. En raison de ces résultats favorables le développement du DACS est poursuivi.
    Summary
    For the treatment of hearing impairments, various types of hearing devices and surgical methods exist. However, these methods are not adequate for all types of hearing losses and patients' needs. Depending on the design, some of the inherent shortcomings could be reduced by implantable hearing systems. In implantable hearing systems, the output is generated by an implantable transducer, i.e. the equivalent of the loudspeaker of a conventional hearing aid. Two principles of implantable hearing systems have been evaluated and developed in this thesis. One of the presented transducers (i.e. contactless transducer, CLT) is intended for the rehabilitation of sensorineural hearing loss and couples to ossicles of the middle ear. It consists of a coil and magnet, both implantable in the middle ear in a minimally invasive manner. The second (i.e. DACS) is intended for the rehabilitation of severe combined perceptive and conductive hearing loss. It couples directly to the inner ear fluid by means of an amplified stapes prosthesis. Computer tomography (CT) scans of isolated human heads were used to generate morphometrical data. These data defined transducer geometry. Computer simulation were used to optimize the CLT. Both transducers have been measured and evaluated using Laser Doppler vibrometry (LDV). For the CLT those measurements where performed on a mechanical middle ear model and on human temporal bones. For the DACS isolated human heads were measured and because of favourable results the system was implanted in three patients. Audiological tests were performed pre- and post-operatively for the DACS. Optimization showed that CLT can be constructed to generate maximal output and to facilitate the implantation procedure. Mounting parameters have an important influence on the output of the CLT. The overall output is high for low frequencies and high frequencies but it was insufficient in the middle frequency range which is particularly important for speech intelligibility. The primary goal of a minimally invasive implantable transducer was reached with the CLT, but an overall high output was not obtained. Therefore, this concept was not pursued. DACS is an abbreviation for Direct Acoustical Cochlear Stimulation. It was implanted in three patients. The newly developed surgical procedure was applied without any unexpected troubles. The generated output of all transducers at 1 mW was more than 125 dB SPL for the entire audiological relevant frequency range. All patients showed significantly improved hearing with the implanted DACS. Such results could hardly have been reached with a conventional hearing aid or surgical intervention alone. Because of the favourable first results, further development or the DACS is undertaken.