پروتزهای شنوایی؛ مطالعه، طراحی و چالش‌های طراحی

مقدمه

انسان‌ها از روش‌های مختلفی برای دریافت اطلاعات از دنیای خارج و ایجاد ارتباط با یکدیگر استفاده می‌کنند. سه تا از مهمترین منابع دریافت اطلاعات برای انسان‌ها عبارتند از گفتگو، تصاویر و متن‌های نوشتاری. برای بسیاری از اهداف می‌توان گفت، گفتگو کارآمدترین و ساده‌ترین روش می‌باشد. در واقع ایجاد ارتباط از طریق سخن گفتن یکی از اساسی‌ترین توانایی‌های یک انسان بشمار می‌رود. متاسفانه حدود 10% از جمعیت در کشورهای توسعه‌یافته از مشکلات شنوایی رنج می‌برند. در بین انواع بیماری‌های جدی، ناشنوایی جامعه را بشدت تهدید می‌کند زیرا سبب ازهم‌گسیختگی اجتماع می‌گردد. امروزه روش‌های مختلفی برای کمک به بعضی از انواع ناشنوایان و بهبود فهم سخن وجود دارد. بدین منظور دستگاههای مختلفی برای تقویت صدا یا تحریک اعصاب شنوایی طراحی و تولید شده‌اند که هریک برای یک نوع از انواع ناشنوایان بکار می‌روند. در این گزارش ابتدا فرآیند شنیدن صدا و انواع بیماری‌های شنوایی را مورد بررسی قرار می‌دهیم و سپس به معرفی نحوه عملکرد و بخش‌های مختلف یکی از این دستگاهها به نام Cochlear Implant می‌پردازیم.
 

سیستم شنوایی

ساختمان گوش انسان

گوش انسان یک پردازشگر ماهر است بطوریکه در هر ثانیه بیش از یک بیلیون فرایند از قبیل فیلترینگ و فشرده‌سازی را با تنها توانی در حد میکرووات انجام می‌دهد. مسیر شنوایی به سه بخش اصلی تقسیم می‌گردد: گوش خارجی، گوش میانی و گوش داخلی. شکل 1 هریک از این سه بخش را نشان می‌دهد.

Cochlea

این قسمت یک بخش حلزونی‌شکل باریک‌شونده، مطابق شکل2، است که در گوش داخلی قرار گرفته است. وظیفه آن تبدیل امواج صدا به سیگنال‌های عصبی می‌باشد و شامل دو بخش اصلی به نام‌های basilar membrane و hair cell می‌باشد. در این بخش انواع مختلفی از پردازش سیگنال انجام می‌شود. Hair cellها با حرکت خود پالس‌هایی که باید به سمت مغز فرستاده شوند را تولید می‌کنند.

فرآیند شنیدن صدا

شنوایی از گوش خارجی آغاز می‌گردد، این بخش امواج صدا را جمع‌آوری می‌کند و آنها را به سمت گوش میانی سوق می‌دهد. پرده گوش ارتعاشات هوا را به یک سیستم شامل استخوان‌های کوچک در گوش میانی منتقل می‌کند. تغییرات فشار هوا از طریق استخوان‌های گوش میانی به یک جریان حرکتی در داخل Cochlea تبدیل می‌شوند. در این ناحیه hair cell ها حرکت basilar membrane را به پالس‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند. این سیگنال‌ها توسط عصب‌هایی که از Cochlea خارج می‌شوند پردازش می‌شوند و درنهایت سیگنال‌های شنوایی در مغز تحلیل می‌شوند و به یک پیام دارای معنی تبدیل می‌گردند.

Place theory

هنگامی‌که سیگنال ورودی وارد گوش داخلی می‌شود و دارای مولفه های فرکانسی مختلفی می‌باشد، موج نوسان کننده داخل cochlea طوری حرکت می‌کند که بر حسب مقادیر فرکانسی خود بیشترین جابجایی خود را در نقاط مختلف آن تولید می‌کند. در نتیجه cochlea نقش یک اسپکتروم آنالایزر را ایفا می‌کند و سیگنال ورودی را بر حسب مولفه‌های فرکانسی‌اش تقسیم می‌کند. یعنی مولفه‌های دارای فرکانس بیشتر، حداکثر دامنه نوسانات خود را در نقاط انتهایی آن و مولفه‌های دارای فرکانس کمتر حداکثر دامنه نوسانات خود را در نقاط ابتدایی آن دارند. این توزیع فرکانس در طول cochlea تئوری مکان نام دارد. شکل3 این مطلب را نشان می‌دهد.

3- انواع مشکلات شنوایی و راه‌حل‌های آن

مشکلات شنوایی به دو دسته اصلی تقسیم می‌گردند: Conductive و Sensorineural

Conductive:

در این نوع مشکلات، مسیر انتقال صدا در گوش میانی به دلایلی دچار مشکل شده است و انتقال صدا از گوش خارجی به Cochlea به درستی انجام نمی‌گیرد. برخی از این دلایل عبارتند از وجود یک مایع در مسیر، ایجاد یک سوراخ یا پارگی در پرده گوش و یا ناهنجاری در شکل استخوان‌ها. این قبیل مشکلات می‌توانند با جراحی‌هایی که استخوان‌ها را جابجا می‌کنند یا از طریق سمعک‌ها برطرف شوند. سمعک‌ها صدایی که از طریق گوش میانی به سمت Cochlea می‌رود را تقویت می‌کنند. شکل 4یک نمونه سمعک را نمایش می‌دهد.

Sensorineural:

این نوع ناشنوایی‌ها به دلیل ایجاد مشکل در hair cellها یا از بین فتن آنها بوجود می‌آیند. از شایع ترین عوامل این مشکل در معرض صدای بلند قرار گرفتن یا استفاده از داروهای سنگین می‌باشد. شکل 5 ، چهار تصویر بزرگ شده از داخل گوش را نشان می‌دهد بطوریکه در اولین تصویر Hair Cellها سالم هستند و در 3 تصویر بعدی روند از بین رفتن آنها نشان داده شده است.
سمعک‌ها به این نوع ناشنوایان کمکی نمی‌کنند. یکی از روش‌هایی که می‌تواند برای کمک به این نوع ناشنوایان بکار رود استفاده از دستگاه Cochlear Implant می‌باشد. این دستگاه در بخش‌های بعدی توضیح داده خواهد شد.
شکل 6 یک نمونه نمودار شنوایی برای یک فرد مشخص را نشان می‌دهد. در این نمودار محور عمودی بیانگر شدت یا بلندی صدا بر حسب دسیبل می‌باشد و نمودار افقی تغییرات فرکانس سیگنال صدا را نشان می‌دهد. هریک از منحنی‌ها مربوط به یک گوش فرد هستند.
نکته: رنج دینامیکی گوش انسان به شرح زیر است.
رنج فرکانس: Hz 20 تا KHz20
رنج شدت: 1 تا 1012
در نتیجه محور عمودی معمولا در بازه 0 تا 120 دسیبل عددگذاری می‌گردد.
همانطور که در شکل دیده می‌شود در هر فرکانس یک مقدار آستانه برای شدت صدا وجود دارد که شدت‌های زیر آن مقدار، قابل شنود برای فرد مورد نظر نیستند. برای هر فرد این مقدار آستانه امری مهم برای تعیین میزان ناشنوایی آن می‌باشد.
ناشنوایی عمیق: (2)
به حالتی که فرد شنوایی خود را به میزان 90 دسیبل یا بیشتر از دست داده باشد ناشنوایی عمیق می‌گویند. یعنی آستانه شنوایی برای او 90دسیبل یا بیشتر از آن باشد. سمعک‌ها نمی‌توانند به این نوع ناشنوایان کمکی کنند و دستگاه Cochlear Implant برای آنان بکار می‌رود. (آستانه شنوایی برای یک فرد سالم بین 20 تا 30 دسیبل می‌باشد.)
 

Cochlear Implant (CI)4-

4-1- معرفیCI

Cochlear implant یک دستگاه الکترونیکی است که از طریق تحریک الکتریکی گوش داخلی، بخشی از شنوایی را به ناشنوایان عمیق برمی‌گرداند. در واقع این دستگاه مسیر معمولی شنوایی انسان را بای‌پس می‌کند و مستقیما سلول‌های حسی اعصاب شنوایی را با دادن یک سیگنال الکتریکی به آرایه‌ای از الکترودها که توسط یک عمل جراحی در cochlea کاشته شده است، تحریک می‌کند. در نتیجه در کمک به ناشنوایان از نوع sensorineural که در آنها hair cell ها از بین رفته‌اند ولی اعصاب شنوایی سالم هستند می‌تواند کاربرد داشته باشد.
این دستگاه الگوهای فرکانسی سیگنال صدا را به الگوهای تحریک الکترودی مناسب برای تحریک اعصاب شنوایی تبدیل می‌کند.

4-2- تاریخچه CI

قبل از سال 1960 تحقیقاتی در مورد تحریک الکتریکی انسان‌ها انجام شده بود. در سال 1960 مطالعاتی در مورد تحریک الکتریکی گوش انسان انجام گرفت و این روند ادامه یافت تا در سال 1970 اولین قطعه کاشتنی برای تحریک بلند مدت طراحی گردید. و با انجام مطالعات و تحقیقات سرانجام در سال 1980 تولید تجاری قطعه‌ی CI آغاز گردید. در سال 1985 سازمان آمریکایی FDA (3) اولین تائیدیه برای کاشت دستگاه در بزرگسالان را صادر نمود. و در سال 1990 این اجازه‌نامه را برای کاشت دستگاه در کودکان نیز صادر نمود. امروزه CI بعنوان یک قطعه پزشکی مطمئن و موثر برای افرادی که ناشنوایی عمیق دارند و سمعک کمک چندانی به آنان نمی‌کند قابل استفاده می‌باشد.

***

4-3- شرایط بیمار برای استفاده از CI

باید توجه شود همه‌ی افراد ناشنوا کاندیدای مناسب برای استفاده از این دستگاه نیستند. شرایطی که فرد ناشنوا باید داشته باشد تا این دستگاه بتواند به او کمک کند به شرح زیر است:
فرد دارای ناشنوایی عمیق، دوطرفه(هردو گوش ناشنوا باشند) و از نوع sensorineural باشد.
سمعک‌ها به فرد کمک زیادی نکنند.
فرد از لحاظ پزشکی توانایی تحمل یک عمل جراحی 2 تا 3 ساعته را داشته باشد.
فرد دارای اعصاب شنوایی سالم باشد.
فرد دارای Cochlea سالم باشد.
همانند هر دستگاه کاشتنی دیگر که نیاز به عمل جراحی دارد، در استفاده از CI نیز ریسک‌هایی وجود دارند که برخی از آنها به شرح زیر هستند:
عفونت: که برای جلوگیری از آن به بیمار پیشنهاد می‌گردد قبل از عمل واکسن مننژیت را تزریق کند.
آسیب به عصب صورت: (4) این عصب از گوش میانی عبور می‌کند و ممکن است طی عمل به آن آسیب برسد.
از دست دادن تعادل: ارگان کنترل کننده تعادل انسان به cochlea متصل است در نتیجه ممکن است به آن آسیب برسد که البته در صورت رخداد موقتی است.
ازکار افتادن دستگاه.

4-4- فاکتورهای شخصی موثر در عملکرد CI

علت ناشنوایی
سن ناشنوا شدن(قبل از آموختن مهارت سخن گفتن یا بعد آن)
مدت ناشنوایی
سن عمل جراحی
درصد ناشنوایی
عملکرد اعصاب شنوایی
انگیزه فردی و میزان پشتیبانی خانواده

4-5- اجزای مختلف CI

Cochlear implant شامل دو بخش خارجی و داخلی (کاشتنی) می‌باشد. اجزای مختلف هر بخش به صورت زیر است.
بخش خارجی: میکروفن، پردازشگر سیگنال و فرستنده
بخش داخلی: گیرنده و آرایه‌ای از الکترودها
وظیفه‌ی بخش خارجی پردازش صداهای اطراف و وظیفه‌ی بخش داخلی تحریک سلول‌های Cochlea می‌باشد. بخش داخلی طی یک عمل جراحی توسط یک جراح در داخل سر قرار می‌گیرد. این بخش شامل آرایه‌ای از الکترودها است که درون Cochlea تعبیه می‌شود. عمق جاسازی الکترودها با توجه به شرایط cochlea متفاوت است. ماکزیمم عمق جاسازی mm25 است. تعداد الکترودها می‌تواند بین یک یا مجموعه‌ای از الکترودها باشد. دلیل استفاده از مجموعه‌ی الکترودها این است که بتوان عصب‌های شنوایی مختلف در نقاط مختلف Cochlea را تحریک نمود. زیرا عصب‌های مختلف در نقاط مختلف cochlea پاسخشان نسبت به تحریک متفاوت است. در نتیجه با افزایش تعداد کانال‌ها فهم صدا بهتر می‌گردد. (البته توجه شود که به علت پدیده تداخل الکتریکی بین کانال‌ها که بعدا توضیح داده خواهد شد، تعداد کانال‌ها از یک حد معینی نمی‌تواند بیشتر شود زیرا اثر معکوس خواهد گذاشت.) طبق تئوری مکان که قبلا مطرح شد فرکانس صدایی که می‌تواند توسط انتهای(5) cochlea دریافت شود بالااست و فرکانس صدایی که می‌تواند توسط نوک(6) Cochlea تحریک شود پایین است درنتیجه الکترودهای نزدیک به نوک cochlea با فرکانس‌های کم و الکترودهای نزدیک به ته cochlea با فرکانس‌های زیاد تحریک می‌گردند. شکل 7 نحوه قرارگرفتن آرایه‌ی الکترودها درcochlea و توزیع فرکانس تحریک در نقاط مختلف آن را نمایش می‌دهد. شکل 8 نیز توزیع فرکانس مرکزی هر کانال را برای یکCI با 12 کانال در داخل cochlea نشان می‌دهد. در شکل 9 بخش‌های مختلف دستگاه نشان داده شده‌اند:
در شکل 10 نیز قسمت‌های مختلف CI که در پشت گوش و در داخل سر بیمار تعبیه شده است را می‌توان به خوبی دید.
برخی از مشخصه‌های یک CI که انواع مختلف آن را ازهم متمایز می‌کند عبارتند از:
طراحی الکترودها: تعداد الکترودها، فاصله بین هر دو الکترود و ساختار آن‌ها
نحوه تحریک: به صورت سیگنال پالسی یا آنالوگ
لینک انتقال انرژی و دیتا: پوستی(7) یا ماورا پوستی(8)
سیگنال پروسسینگ: نحوه استخراج پارامترها
نکته: یک مسئله دیگر در مورد الکترودها، انتخاب بین تحریک بصورت monopolar یا bipolar می‌باشد. همانطور که شکل 11 نشان می‌دهد در نوع اول یک الکترود در هر مکان قرار می‌گیرد و یک الکترود مرجع در مکانی دورتر بعنوان الکترود زمین برای همه‌ی الکترودها قرار می‌گیرد. در نوع دوم الکترود اصلی و الکترود مرجع(زمین) نزدیک یکدیگر قرار می‌گیرند.

4-6- مراحل عملکردCI

میکروفن خارجی سیگنال‌های صدا را دریافت می‌کند.
این سیگنال‌ها توسط یک پردازشگر سیگنال به یک سری پالس‌های الکتریکی تبدیل می‌شوند.
این پالس‌ها توسط مدار فرستنده به گیرنده در بخش داخلی فرستاده می‌شوند.
مدار گیرنده آنها را به الکترودها می‌فرستد.
الکترودها اعصاب شنوایی را تحریک می‌کنند.
اعصاب شنوایی این پالس‌ها را به سمت مغز می‌فرستند.
مغز این سیگنال‌ها را تحلیل می‌کند و بعنوان صدا تشخیص می‌دهد.

4-7- بخش پردازشگر سیگنال

سیگنال صدا شامل اطلاعات صوتی مختلفی می‌باشد. ازجمله پیک‌های تابع انتقال تارهای صوتی، نرخ تحریک تارهای صوتی و انرژی سیگنال صدا. پردازشگر سیگنال، سیگنال ورودی را دریافت می‌کنند و آن را به باندهای مختلف فرکانسی تقسیم می‌کند و پارامترهای مختلف سیگنال‌های صدا را استخراج می‌کنند و پس از تبدیل آنها به یک سری سیگنالهای الکتریکی آنها را به سمت الکترودهای مناسب هدایت می‌کند. برای پردازش سیگنال می‌توان از هریک از روش‌های آنالوگ یا دیجیتال استفاده کرد. مسائل مهم در طراحی پردازشگر سیگنال عبارتند از سایز، حجم و مصرف توان آن. البته امروزه در CIهای تجاری از روش پردازش سیگنال دیجیتال استفاده می‌شود. در این نوع ابتدا توسط یک مبدل آنالوگ به دیجیتال، سیگنال به دیتای دیجیتال تبدیل می‌شود و سپس به پردازشگر تحویل داده می‌شود. مزیت استفاده از پردازشگر دیجیتال انعطاف‌پذیری آن و حساسیت کمتر نسبت به نویز است. اما یک مشکل اصلی این روش مصرف توان بالای آن و بیشتر بودن وزن و حجم آن نسبت به نوع آنالوگ می‌باشد. زیرا در این روش بیشتر از آنچه که لازم است دیتای دیجیتال تولید می‌گردد.(یعنی همه‌ی آن بخش‌هایی که در مرحله‌ی بعد، مدار پردازشگر آنها را فیلتر و فشرده‌سازی می‌کند.)
توجه شود که پس از انجام عمل جراحی و گذشت مدت زمان مناسب که جراحات و ورم‌کردگی ناشی از عمل بهبود یافت، زمان پروگرام کردن دستگاه فرامی‌رسد. بدین منظور برای هر کانال باید حداقل مقدار تحریک الکتریکی که صدا شنیده می‌شود(T level ) و حداکثر مقدار تحریکی که صدای بلندی تولید می‌کند ولی به گوش آسیب نمی‌رساند(C level ) را تعیین نمود. اطلاعات مربوط به T level و C levelدر یک فایل مربوط به بیمار بنام MAP ذخیره می‌گردد. این عمل اهمیت ویژه‌ای دارد و در صورت عدم دقت کافی ممکن است سبب کاهش فهم صدا گردد.
جدول 1 یک نمونه از اطلاعات ثبت شده در فایل MAP مربوط به یک بیمار را نشان می‌دهد:

4-8- بخش کدبرداری سیگنال

یکی از مهمترین بخش‌های پردازشگر سیگنال قسمت کدبرداری صدا می‌باشد. در واقع مهمترین تفاوت بین دستگاههای مختلف کاشتنی در نحوه پردازش سیگنالی است که برای تبدیل سیگنال صدا به پالس‌های الکتریکی بکار می‌رود. وظیفه‌ی این قسمت استخراج پارامترهای مختلف سیگنال صدای ورودی و تعیین دامنه پالس‌های جریانی است که به قسمت داخلی منتقل می‌شوند. این استراتژی بر پایه این باور است که استفاده‌کنندگان CI تنها با دریافت مهمترین خصوصیات سیگنال صدا که به آنها ارائه می‌شود می‌توانند درکی از سخن داشته باشند. برای کدبرداری سیگنال، استراتژی‌های مختلفی ارائه شده است و هر پردازشگر با توجه به نیازهای خود یک نوع آن را برمی‌گزیند. برخی از این روش‌ها به شرح زیر می‌باشند:
Continuous Interleaved Sampling (CIS)
Compressed Analog (CA)
Feature-Based Speech Processor (FBSP)
Spectral Maxima Sound Processor (SMSP)
Spectral Peak (SPEAK)
..............
هریک از این روش‌ها ویژگی‌های خاص خود را دارد. در بین این روش‌ها CIS نسبت به بقیه روش‌ها پرکاربردتر می‌باشد. در ادامه به توضیح دو روش اول می‌پردازیم.
(Continuous Interleaved Sampling(CIS
بلوک دیاگرام این روش مانند شکل12 است.
در این روش برای تحریک از پالس‌های جریان استفاده می‌شود. مراحل کار بدین صورت است که ابتدا سیگنال ورودی به یک AGC داده می‌شود و سپس به یک مجموعه‌ای از فیلترها شامل n فیلتر میان‌گذر می‌رود(تعداد فیلترها بسته به نوع طراحی متفاوت است) و بر حسب بازه‌ی فرکانسی آنها تقسیم می‌گردد. از این مرحله به بعد n کانال وجود دارد که در هریک از آنها پوش سیگنال فیلتر شده توسط یک یکسوساز تمام موج که به دنبالش یک فیلتر پایین گذر قرارگرفته است محاسبه می‌شود و پس از آن یک فشردگی در سیگنال انجام می‌گیرد تا رنج آن در رنج دینامیکی مناسب گوش انسان قرار گیرد. در نهایت اطلاعات بدست آمده با یک سری پالس‌های بای‌فیزیک مادوله می‌شوند تا یک سری پالس‌های بای‌فیزیک که دامنه آنها متناسب با دامنه سیگنال ورودی بوده و با یک دیگر به صورت غیرهمپوشان هستند بدست آید و به سمت الکترودها فرستاده شود. دلیل اینکه در این روش از پالس‌های غیرهمپوشان استفاده می‌شود این است که از برهم‌کنش میان الکترودهای هر مسیر که به علت جمع برداری میدان‌های هریک بوجود می‌آید جلوگیری شود. این پدیده تداخل الکتریکی بین کانال‌ها نام دارد. این به این معنی است که پاسخ عصبی یک تحریک توسط جریان تحریک مسیر دیگر نیز تاثیر بپذیرد. این برهم‌کنش سبب کاهش فهم صدا می‌گردد. در این روش در هر لحظه فقط یک الکترود تحریک می‌کند. و این یک ویژگی مهم روش CIS می‌باشد. در شکل 13 یک نمونه از پالس‌های بای‌فیزیک مورد استفاده در این روش برای یک حالت دارای چهار کانال نشان داده شده است.
شکل 14 نیز یک نمونه پالس‌های نهایی تولید شده(یعنی بعد از مادوله کردن پوش دامنه سیگنال‌های فیلتر شده با پالس‌های بای‌فیزیک) در هر مسیر را برای سیلاب "sa" نشان می‌دهد.
برخی از پارامترهای موثر بر نحوه عملکرد سیستم عبارتند از: تعداد کانال‌ها، ترتیب تحریک کانال‌ها، (9) مرتبه‌ی هریک از فیلترهای میان‌گذر و پایین‌گذر، فرکانس قطع فیلترها، نوع تابع فشردگی و مقادیر پارامترهای آن، عرض پالس برای پالس‌های مادوله‌کننده و نرخ تحریک.

بخش Compression

فشرده‌سازی دامنه‌های پوش یک بخش ضروری در این روش می‌باشد زیرا دامنه‌های صوتی را به دامنه‌های الکتریکی تبدیل می‌کند. رنج دامنه‌های صوتی گفتگو، خیلی بیشتر از رنج دینامیکی بیمار است در نتیجه عملیات فشرده‌سازی لازم می‌باشد. (در اینجا منظور از رنج دینامیکی فاصله‌ی بین دامنه الکتریکی T level و C level می‌باشد.) رنج دامنه صوت در گفتگو ممکن است بین dB30 تا dB50 تغییر کند حال آنکه رنج دینامیکی بیمار ممکن است به کوچکی dB 5 باشد. در نتیجه بخش فشرده‌کننده یک تابع غیر خطی می‌باشد تا دامنه صوتی را به رنج دینامیکی الکتریکی بیمار تطبیق دهد. معمولا از تابع فشرده‌ساز لگاریتمی برای این کار استفاده می‌شود. تابع مورد نظر به‌صورت زیر است:
Y = A log(1+C□ ) +B
که در آن، عبارت □ بر دامنه صوتی(خروجی آشکار ساز پوش) دلالت میکند. و A ، B ، C مقادیر ثابتی هستند و Y بیانگر دامنه‌ی فشرده شده الکتریکی(خروجی بخش فشرده‌ساز) می‌باشد.
یک تابع فشرده‌ساز دیگر که می‌تواند بکار رود به صورت زیر می‌باشد:
Y = Ax p +B , p<1
مقادیر ثابت A و B طوری انتخاب می‌گردند که رنج صوتی ورودی با رنج دینامیکی الکتریکی بیمار تطبیق یابد.
مزیت استفاده از این تابع آن است که می‌توان شکل و شیب فشردگی را به سادگی با تغییر مقادیر نما (p) تعیین نمود.
ترتیب تحریک کانال‌ها: یعنی کانال‌های مختلف با چه ترتیبی تحریک می‌گردند. می‌توان این ترتیب را طوری انتخاب نمود که تداخل بین کانال‌ها حداقل شود. بعنوان مثال یک ترتیب قابل استفاده apex-to-base order نام دارد. در این حالت ابتدا کانال‌های با فرکانس کمتر و سپس کانال‌های با فرکانس بیشتر تحریک می‌شود. البته دقت شود که این ترتیب برهم‌کنش بین کانال‌ها را حداقل نمی‌کند.
Compressed Analog(CA)
یک نمونه بلوک دیاگرام 4کانالی از این روش به صورت شکل 15 می‌باشد.
این استراتژی از سیگنال‌های پیوسته آنالوگ برای تحریک اعصاب استفاده می‌کند. ابتدا سیگنال توسط یک AGC فشرده می‌شود و سپس توسط فیلترها به چهار باند فرکانسی مجاور تقسیم می‌گردد. و هریک به یک تقویت کننده با گین قابل تنظیم رفته و در نهایت چهار سیگنال آنالوگ به طور همزمان به سمت چهار الکترود فرستاده می‌شوند.
نرخ پالس(10)
به تعداد پالس‌هایی که در هر ثانیه به هریک از الکترودها می‌رسند نرخ پالس گویند. واحد سنجش آن pps می‌باشد. این ویژگی تاثیر مهمی در فهم سخن دارد. تحریک‌های با نرخ پالس بالا نسبت به تحریک‌های با نرخ پالس پایین عملکرد بهتری دارند. و در مقایسه‌ی بین دو روش CIS و CA، روش CIS عملکرد بهتری دارد زیرا این روش دارای نرخ پالس‌های بالاتری می‌باشد.

فیلترهای میان‌گذر

همانطور که گفته شد یک بخش مهم در قسمت پردازشگر سیگنال بانک فیلتر است. این بخش شامل مجموعه‌ای از فیلترهای میان‌گذر می‌باشد. وظیفه‌ی آن تقسیم نمودن سیگنال ورودی به بازه‌های فرکانسی معین می‌باشد. هر فیلتر یک فرکانس مرکزی مشخص دارد که باید قابل برنامه‌ریزی باشد. امروزه در سیستم‌های موجود با توجه به دیجیتال بودن پردازشگر معمولا از فیلترهای دیجیتال استفاده می‌گردد. این بانک فیلتری پیچیده‌ترین و پرمصرف‌ترین بخش در پردازشگر می‌باشد. به همین خاطر تلاش‌ها و مطالعات بسیاری برای طراحی کم‌ مصرف این بخش صورت می‌گیرد. برای مثال شکل 16 یک نمونه از بخش پایه‌ای فیلتر آنالوگ را که در یک مقاله ارائه گردیده نشان می‌دهد.
این فیلتر میان‌گذر با توپولوژیGm-C طراحی گردیده که دارای فرکانس مرکزی قابل برنامه‌ریزی می‌باشد و شامل یک فیلتر مرتبه اول بالاگذر(بخش اول) و یک فیلتر مرتبه اول پایین‌گذر(بخش دوم) می‌باشد. برای تولید فیلترهای مراتب بالاتر می‌توان تعدادی از این فیلترها را با استفاده از یک بافر پشت سر هم قرار داد. شکل 17 Gm مورد استفاده در این ساختار را نشان می‌دهد؛ که برای حل برخی مشکلات آن از جمله رنج خطی پایین، از تعدادی ترانزیستور دیگر استفاده شده و در نهایت یک مجموعه 13 ترانزیستوری را تشکیل می‌دهد.
شکل 18 پاسخ فرکانسی یک فیلتر مرتبه 4 که با این توپولوژی طراحی گردیده و دارای فرکانس مرکزی قابل برنامه‌ریزی می‌باشد را نشان می‌دهد. همان‌طور که دیده می‌شود این فیلتر رنج شنوایی گوش انسان را به خوبی پوشش می‌دهد.

4-9- مدار فرستنده و گیرنده

همانطور که می‌دانیم CI دارای دو بخش داخلی و خارجی می‌باشد که بنحوی باید بین ایندو ارتباط برقرار گردد. پس از اینکه مدار خارجی دیتا را پردازش کرد و سیگنال تحریک مناسب را تولید نمود باید دیتا را به مدار داخلی ارسال کند تا به الکترودهای مربوطه برساند. و همچنین برای تامین توان موردنیاز مدار داخلی نمی‌توان از باتری‌های معمولی استفاده نمود زیرا تعویض مرتب باتری‌ها امکان‌پذیر نیست. امروزه CIها و همچنین دیگر قطعات الکترونیکی کاشتنی(بویژه قطعات پرمصرف) از یک لینک رادیویی (11) برای ارسال دیتا و توان به مدار داخلی استفاده می‌کنند. همانند شکل 19 این لینک شامل یک سیم‌پیچ اولیه بعنوان فرستنده در خارج و یک سیم‌پیچ ثانویه بعنوان گیرنده در داخل سر می‌باشد که توسط پوست سر از هم جدا شده‌اند.

انتقال دیتا

برای انتقال سیگنال پردازش شده به بخش داخلی، مدار فرستنده سیگنال مورد نظر را با یک سیگنال حامل با فرکانس معین مادوله می‌کند و توسط لینک القایی به داخل می‌فرستد. مدار گیرنده سیگنال را دریافت می‌کند و پس از دمادوله کردن آن جریان تحریک بدست می‌آید و به سمت الکترود مناسب فرستاده می‌شود.
نکته: به منظور جلوگیری از اثرات جذب پوستی و آسیب‌های درازمدتی که ممکن است به انسان برسد، فرکانس سیگنال حامل در لینک القایی از یک حد معین نمی‌تواند بیشتر در نظر گرفته شود (معمولا فرکانس حامل زیر MHz 30 درنظر گرفته می‌شود.) در نتیجه نرخ انتقال دیتا محدود می‌گردد زیرا با هر فرکانس حامل معین برای هر روش مدولاسیون یک حداکثر نرخ انتقال دیتا وجود دارد.

انتقال توان

همانطور که گفته شد برای تامین توان بخش داخلی از لینک القایی استفاده می‌شود بطوریکه سیگنال RF توسط مدار فرستنده به مدار گیرنده فرستاده می‌شود و مدار گیرنده برای تولید یک ولتاژ DC، سیگنال موردنظر را ابتدا به یک یکسوساز و سپس به یک رگولاتور ولتاژ می‌دهد تا ولتاژ DC مطلوب بدست آید.
شکل 20 این روند را نشان می‌دهد.
یک مسئله مهم که در طراحی لینک القایی باید مورد توجه قرار گیرد بالا بودن راندمان انتقال توان لینک می‌باشد. بطوریکه بیشترین درصد توان انتقالی به مدار داخلی برسد و مقدار کمی حین انتقال تلف شود. با توجه به مقالات، مدار معادلی که می‌توان برای لینک انتقال توان در نظر گرفت به صورت شکل 21 است.
که در این مدار L1 و L2 دو سلف موردنظر هستند با فاکتور تزویج K، همچنین دو به ترتیب دو مقاومت سری سلف‌ها هستند. راندمان انتقال توان در این مدار به صورت زیر تعریف می‌گردد:

با توجه به فرمول بدست آمده برای راندمان و پس از محاسبه‌ی آن بر حسب المان‌های موجود در مدار باید مقادیر اپتیمم برای آنان و فرکانس حامل محاسبه گردد.

4-10- مصرف توان در بخش‌های مختلف CI

مصرف توان در یک CI می‌تواند در سه شاخه‌ی اصلی آن تقسیم گردد. این سه شاخه عبارتند از: میکروفن، پردازشگر سیگنال و الکترودهای تحریک کننده‌ی اعصاب شنوایی. در این بین، قسمت پردازشگر سیگنال که امروزه در دستگاههای تجاری به صورت دیجیتال طراحی می‌گردد بخش مهمی از مصرف توان را دربر می‌گیرد. مسائلی که باید در رابطه با توان در یک CI مورد توجه قرار گرفته شوند در سه نکته زیر خلاصه می‌شوند:
لینک القایی: راندمان انتقال توان لینک القایی باید بالا باشد تا اکثر انرژی انتقالی به مدار داخلی برسد. در غیر این صورت بخشی از آن حین انتقال تلف می‌شود.
مدار تحریک: با توجه به میزان جریان مورد نیاز برای تحریک اعصاب شنوایی، مدار تحریک باید دارای راندمان بالایی باشد.
قسمت پردازشگر سیگنال: همانطورکه گفته شد این بخش مصرف توان بالایی دارد. در طراحی این بخش باید توجه نمود تا قسمت‌های مختلف آن تاجای ممکن کم مصرف طراحی گردند. بعنوان مثال فیلترهای موجود در این قسمت پیچیده‌ترین و مهمترین بخش مصرف کننده‌ی توان آن هستند که باید سعی شود فیلترهای کم مصرف‌تر با پیچیدگی کمتر طراحی شود. همچنین یک روش دیگر استفاده از پردازش سیگنال آنالوگ می‌باشد زیرا همانطور که گفته شد روش‌های آنالوگ کم‌ مصرف تر هستند.

4-11- روند تولیدات آینده

با توجه به مقالات خوانده شده در این زمینه یکی از تمایلات برای رسیدن به آن در آینده، طراحی و ساخت CI های تمام‌کاشتنی می‌باشد. برخی از دلایل علاقمندی به تولید دستگاه تمام‌کاشتنی عبارتند از:
CI تمام‌کاشتنی مشکل محدود بودن نرخ انتقال دیتا را ندارد.
همانطور که قبلا گفته شد به علت جلوگیری از اثرات جذب پوستی روی بدن انسان فرکانس حامل از یک حد معینی نمی‌تواند بیشتر باشد در نتیجه نرخ انتقال دیتا محدود می‌گردد ولی با قرار گرفتن قسمت پردازشگر در داخل سر لازم است تنها سیگنال‌های باند صدا با یک نرخ انتقال پایین از میکروفن خارجی به سمت داخل فرستاده شوند.
CI تمام‌کاشتنی از لحاظ ظاهری برای بیمار مشکلی تولید نمی‌کند.
در CI تمام‌کاشتنی بین داشتن و نداشتن دستگاه از لحاظ زیبایی و ظاهری تفاوتی نیست و این یک امتیاز بزرگ است زیرا استفاده‌کنندگان CI نمی‌خواهند متفاوت به نظر برسند.
CI تمام‌کاشتنی محدودیت‌های عملی ندارد.
بر خلاف نمونه‌های موجود این دستگاه که برخی محدودیت‌های عملی مانند: عدم قابلیت استفاده از دستگاه در مواقع باران و شنا و مانند اینها را دارند، CI تمام‌کاشتنی از این لحاظ مشکلی ندارد.
ولی یک نکته مهم که طراحی این نوع از CIها را دچار مشکل نموده است بیشتر بودن مصرف توان آن نسبت به انواع موجود در بازار می‌باشد. زیرا اگر مصرف توان هر بخش را قبل و بعد از کاشته شدن داخل سر یکسان فرض کنیم به علت 100% نبودن راندمان انتقال توان لینک القایی، لازم است برای تامین انرژی مورد نیاز آن المان، مقدار بیشتری انرژی به داخل فرستاده شود. در نتیجه مصرف توان این نوع CIها مسئله ساز است. و برای طراحی آن باید سعی شود بخش‌های مختلف آن تاجای ممکن کم‌ مصرف طراحی گردد. بویژه در طراحی بخش پردازشگر سیگنال که همانطور که اشاره شد بخش مهمی از مصرف توانCI را دربر می‌گیرد باید دقت شود که کم‌ مصرف طراحی گردد.

پي‌نوشت‌ها:

1. دانشجوی دکتری مهندسی برق
2. Profoundly deaf
3. Food and Drag Administration
4. Facial nerve
5. Base
6. Apex
7. Percutaneous connection
8. Transcutaneous connection
9. Stimulation order
10. Pulse rate
11. RF link

مراجع:
[1] Zwolan,T.A., Kileny, P.R.“Cochlear Implants for the Profoundly Deaf”, Proceedings of Sixth Annual IEEE Symposium on Computer-Based Medical System, Page(s): 241 - 246, 1993.
[2] Wei-bing, C., Ling-hong, Z.,Wang lin-jing, Xiao zhong-ju.“ The Development of Six-channel Speech Processor for Cochlear Implant Based on DSP”, the 2nd international conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering, Page(s): 1613 - 1616, 2008.
[3] David J. Edell, James W. Heller, Del Petraitis. “Cochlear Implant Technology”, 18th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, Page(s): 2180 – 2181, Amsterdam, 1996.
[4] Talha J. Ahmad, Hussnain Ali, Muhammad Asim Ajaz , Shoab A. Khan.“Efficient Algorithm development of CIS Speech Processing Strategy for Cochlear Implants”, 31st Annual international Conference of the IEEE EMBS Minneapolis, Page(s): 1270 – 1273, Minnesota, USA, 2009.
[5] Rouiha Kouachi, Bachir Djedou, Ali Bouchaala. “Analysis of Speech Processing Strategies in Cochlear Implants”, Journal of Computer Science, 2008.
[6] Songping Mai, Chun Zhang, Mian Dong, Zhihua Wang. “A cochlear system with implant DSP”, IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, 2006.
[7] Zhihua Wang, Songping Mai,Chun Zhang, Hong Chen,“ Design Practice of Power-oriented Integrated Circuits for Biomedical Implant Systems”, 14th IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems, Page(s): 78 - 81 , 2007.
[8] Stat u.Ay, Fan-Gang Zeng, Bing J.Sheu.“hearing with bionic ears” , IEEE Circuits and Devices Magazine, Volume: 13, Page(s): 18 - 23 , 1997.
[9] N.batel, T.kermezli,“Optimization of power supply by external field in a cochlear implant”, International Journal of Engineering Science and Technology Vol. 2(5), 2010.
[10] Rahul Sarpeshkar, Christopher Salthouse. “An Ultra-Low-Power Programmable Analog Bionic Ear processor”, IEEE transactions on biomedical engineering, VOL. 52, page(s): 711-727, April 2005.
[11] LinJing Wang, Linghong Zhou, YueJing Xu. “Computer simulation of multichannel CIS strategy for cochlear implant”, 3rd IEEE International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering, Page(s): 1 – 4, 2009.
[12] Philipos C. Loizou. “Speech processing in vocoder-centric cochlear implants”, Cochlear and Brainstem Implants, vol 64, Page(s): 109–143, 2006.
[13] Philipos C.loizou. “Mimicking the human ear”, IEEE signal processing Magazine, page(s):101-130 September 1998.
[14] NIDCD Fact Sheet, National Institute on Deafness and Other Communication Disorders, “cochlear implant”.
[15] SHHH-Self Help for Hard of Hearing People, “when hearing aids are not enough”.
[16] Sheila Hitchen, “Basic Audiology”, ppt file
[17] Karl Grosh, Niranjan Deo. “Mechanical-electrical-acoustical modeling of the cochlea”, Bose Corporation, ppt file
[18] Mohamed Ghorbel, Ahmed Ben Hamida, “CMOS RF Powering System for Cochlear Implant”, International Conference on Signals, Circuits and Systems, Page(s): 1 - 4, 2009.
[19] Pam George. “Deaf and Hard-of-Hearing (D/HH) students in the mainstream setting”, ppt file
[20] Robert Alexander Fearn. “Music and picture perception of cochlear implant recipients”, PhD thesis, school of physics, faculty of science, university of new south Wales, December 2001.
[21] Zhihua Wang, Songping Mai, Chun Zhang. “Power Issues on Circuit Design for Cochlear Implants”, 4th IEEE International Symposium on Electronic Design, Test & Applications, page(s):163-166, 2008.
[22] Dr. Easterbrooks, “Cochlear Implants ”, Georgia State University Series, ppt file, Part 2, Presentation 1,July 2001.
[23] Christopher D. Salthouse, Rahul Sarpeshkar, “A Practical Micro power Programmable Band pass Filter for Use in Bionic Ears”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, VOL. 38, NO. 1, January 2003.