COCHLEAR
IMPLANT
SIMULATION
versión 2.0
COCHLEAR
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SIMULATION
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El programa ``Cochlear Implant Simulation'' incluye básicamente 4 tareas: (1) Preparación la señal de audio a procesar; (2) configuración de los parámetros de simulación; (3) síntesis de la señal procesada; (4) almacenamiento del resultado. A continuación se describe cómo se realiza cada una de las funciones.
La señal de audio de entrada (la señal que recogería el micrófono del sistema de implante coclear) se prepara bien abriendo un fichero de audio, en formato ``wav'' o bien grabándola a través de cualquier fuente conectada a la tarjeta de sonido tal como un micrófono, por ejemplo (Nota: para grabar sonido es preciso configurar el mezclador de la tarjeta de sonido).
Para leer un fichero ``wav'' se puede hacer click en el icono ``Abrir'' de la aplicación. También puede hacerse seleccionando ``Abrir'' en la barra de menú ``Archivo'' o bien mediante la secuencia de teclas ``Ctrl+O''. En cualquiera de los casos aparece un diálogo que permite navegar por el sistema de ficheros e identificar los ficheros de audio con extensión ``wav''. Una vez identificado el fichero a procesar, es leído el programa mediante doble click o bien seleccionándolo y haciendo click en el botón de ``Abrir''. Una vez leído, el fichero seleccionado aparecerá dentro del listado ``WAVs no procesados''.
Para grabar una señal de audio basta con hacer click en el botón de grabación (botón rojo de la parte inferior ventana del programa). La grabación se puede detener pulsando el botón gris de la parte inferior de la ventana. El programa grabará desde la entrada de micrófono del ordenador y asignará un nombre de fichero a la señal grabada. El fichero correspondiente a la señal grabada aparecerá dentro del listado ``WAVs no procesados''.
Pulsando el botón verde de la parta inferior del programa se reproduce el fichero seleccionado (ya sea grabado o leído desde el sistema de ficheros). Se oirá por la salida de audio del ordenador.
La configuración de los parámetros de simulación se realiza a través de la ``ventana de configuración'' que se activa haciendo click en el icono ``Configurar''. También se activa seleccionando ``Configurar Parámetros'' en la barra de menú ``Preferencias'' o bien seleccionando la secuencia de teclas ``Ctrl+P''.
En la ``ventana de configuración'' se pueden modificar los distintos parámetros involucrados en la simulación. Los parámetros cuya configuración requiere un valor numérico (tasa, fMin, fMax, etc.) se pueden establecer desplazando la barra correspondiente o bien introduciendo el valor numérico en la ventana correspondiente. Los parámetros que requieren una opción binaria (Detección de envolvente, Sincronización, etc.) son seleccionados marcando la opción correspondiente. Más adelante se describe el significado de cada uno de los parámetros de configuración.
El software permite también la lectura y escritura de ficheros de configuración. Estos ficheros tienen extensión ``*.par''. Para leer o escribir estos ficheros debe hacerse click en ``Leer Parámetros'' o ``Guardar Parámetros'', respectivamente, en la barra de menú ``Preferencias''.
Para sintetizar la señal de audio tal y como sería percibida a través del implante coclear de acuerdo con la configuración establecida, debe marcarse el fichero original y a continuación hacer click sobre el botón ``Empezar Simulación'' situado en la parte inferior de la ventana. Durante un tiempo (que dependerá de la velocidad del ordenador utilizado) se procesará la señal, tras el cual aparecerá un nuevo fichero en el listado ``WAVs procesados''.
Los ficheros de audio resultantes de la simulación tienen asociados los parámetros utilizados para la simulación. Estos parámetros pueden desplegarse haciendo click sobre el icono ``+'' que figura junto a cada fichero.
Una vez finalizada la simulación, se puede marcar el fichero y haciendo click en el botón de reproducción (botón verde en la parte inferior) se puede escuchar el resultado de la simulación (la señal sintetizada) a través de la salida de audio del ordenador.
La señal sintetizada tiene asociado un nombre de fichero que es asignado automáticamente a partir del nombre del fichero de audio origen. Esta señal puede guardarse como fichero ``wav'' haciendo click en el icono ``Guardar'' o bien seleccionando la opción ``Guardar'' o ``Guardar Como'' en la barra de menú ``Archivo''. Las acciones ``Guardar'' y ``Guardar Como'' también se activan con la secuencia de teclas ``Ctrl+S'' y ``Ctrl+Shift+S'', respectivamente.
Si deseamos que alguno de los ficheros de audio desaparezca del listado ``WAVs procesados'' o ``WAVs no porocesados'' se deberá marcar el fichero y a continuación hacer click en el icono ``Cerrar'' o bien en la opción ``Cerrar'' de la barra de menú ``Archivo''. Si no ha sido previamente grabado, aparece un mensaje de advertencia para que no se pierda accidentalmente la señal sintetizada.
La ayuda se activa haciendo click sobre el botón de ``Ayuda'', o bien seleccionando ``Contenidos'' en la barra de menú de ``Ayuda'' o pulsando la tecla ``F1''.
Para salir de la aplicación se puede pulsar ``Ctrl+x'' o seleccionar ``Salir'' en la barra de menú de ``Archivo''.
Los parámetros de simulación que se pueden modificar y que van a modelar distintas situaciones con respecto a la forma en que el paciente implantado percibe el sonido son:
Este parámetro representa la tasa de estimulación para cada canal del implante coclear, es decir, el número de pulsos por segundo que se presenta en cada electro del implante. Durante el ajuste del procesador, se recomienda fijar este parámetro a un valor superior a 1000 pps (pulsos por segundo), ya que el tiempo de repolarización de las terminaciones nerviosas es del orden de 2 ms y valores de la tasa inferiores a 800 pps producirían una sincronización (indeseable) de la actividad neural con los pulsos de estimulación, en lugar de la sincronización (deseable) de la actividad neural con la señal de audio. El valor asignado a este parámetro influencia fuertemente la resolución temporal con que es percibida la señal de audio y afecta de forma importante la calidad de la señal percibida, particularmente para aquellos pacientes con una buena capacidad de sincronización. En el programa ``Cochlear Implant Simulation'', este parámetro se puede hacer variar entre 10 y 10000 pulsos por segundo.
Son los límites inferior y superior del rango espectral procesado por el sistema de implante coclear, expresado en Hz. fMin y fMax son utilizados para construir el banco de filtros. En la simulación (al igual que en un sistema de implante coclear), las componentes de frecuencia inferior a fMin o superiores a fMax no son procesadas. Teniendo en cuenta el rango espectral de la voz, es recomendable que fMin sea inferior a 350 Hz y fMax superior a 4000 Hz. En el programa ``Cochlear Implant Simulation'' fMin puede tomar valores entre 20 Hz y 5000 Hz, mientras que fMax puede estar entre 500 Hz y 10000 Hz, con la restricción de que fMin debe ser inferior a fMax.
Estos dos parámetros caracterizan la geometría del implante coclear. La longitud del implante coclear, expresada en mm, junto con el número de canales del implante coclear, se utilizan para determinar la distancia entre electrodos consecutivos y la posición de cada electrodo a lo largo de la cóclea. De esta forma se puede modelar el efecto de interacción entre canales (que va a depender de la dispersión del campo de corriente en torno a cada electrodo y de la separación entre electrodos consecutivos). Estos parámetros también permiten modelar el desplazamiento de frecuencias asociado a la estimulación con implante coclear, que va a depender de la diferencia entre la frecuencia central del filtro asociado a cada electrodo y la frecuencia asociada tonotópicamente a la posición en la que dicho electrodo está ubicado.
En el programa ``Cochlear Implant Simulation'' la longitud del implante coclear puede tomar valores entre 1 mm y 30 mm, mientras que el número de canales del implante coclear se puede hacer variar entre 1 y 50.
Este parámetro representa el número de electrodos insertados durante la cirugía. Se supone que el implante coclear va a estar correctamente programado y que este será el número de canales activos en el implante coclear. De este modo, en la práctica, este parámetro es usado para definir el número de bandas de frecuencia en las cuales se va a dividir el rango espectral definido por fMin y fMax. El número de bandas de frecuencia va a condicionar, en principio, la resolución espectral tonotópica, de modo que cuanto mayor es, mejor es la calidad con que es percibido el sonido. Sin embargo, la resolución espectral tonotópica se ve también fuertemente afectada por la interacción entre canales, debido a que la corriente insertada por los electrodos no está confinada y se dispersa en una región relativamente extensa. De este modo, para un número alto de bandas, la resolución espectral tonotópica se verá limitada más por la interacción entre canales que por el número de bandas.
El número de electrodos insertados en el implante coclear es utilizado también para determinar la posición de cada uno de los electrodos a lo largo de la cóclea y determinar así la frecuencia característica del punto en el cual se encuentra cada uno de los electrodos, con objeto de modelar el efecto de desplazamiento de frecuencias. El número de electrodos insertados debe ser menor o igual al número de canales del implante coclear.
Este parámetro es el número de canales que son activados en cada ciclo de estimulación para estrategias de codificación n-de-m. Cuando el procesador utiliza una estrategia de tipo CIS, este parámetro debe hacerse igual al número de electrodos insertados (el valor máximo que permite el programa).
Cuando se aplica una estrategia n-de-m, en cada ciclo de estimulación (de acuerdo con la tasa de estimulación establecida con el parámetro de tasa) se compara la energía de los distintos canales y únicamente los n canales con mayor energía son seleccionados para estimulación mientras que el resto de canales son descartados (la energía de los canales descartados se fija a un valor nulo). Cuando n se hace igual a m (estrategia CIS) todos los canales son seleccionados en cada ciclo de estimulación.
Cuando menor es n frente a m, peor es la calidad de la señal sintetizada, debido a la información que se suprime (por anularse los canales con menor energía). Las estrategias n-de-m se usan para permitir que la tasa de estimulación no se vea excesivamente reducida en los implantes con un elevado número de electrodos.
Este parámetro se utiliza para modelar la interacción entre canales. La interacción entre canales es modelada como una transferencia de energía desde un determinado canal en el bloque de análisis hacia los canales adyacentes en el bloque de síntesis. Para un electrodo determinado, ``k'', una parte de la corriente generada en la estimulación va a estimular las terminaciones nerviosas próximas a este electrodo, pero habrá también una estimulación de las terminaciones nerviosas próximas a los electrodos ``k+1'', ``k-1'', ``k+2'', ``k-2'', etc. En la práctica, esto reduce la resolución espectral tonotópica. La interacción entre canales se hace más importante cuanto más próximos están unos electrodos de otros. De este modo, la interacción (o transferencia de corriente) es mayor entre el electrodo ``k'' y el electrodo ``k+1'' que entre el electrodo ``k'' y el ``k+2''.
En este programa se ha asumido que la interacción es función de la distancia entre los electrodos y que sigue una función exponencial caracterizada por un coeficiente de interacción. De este modo, la contribución del electrodo ``A'' a las terminaciones nerviosas asociadas al electrodo ``B'' se calcula como:
La intensidad observada en las terminaciones nerviosas asociadas al electrodo ``B'' será la suma de las contribuciones desde todos los electrodos adyacentes. Cuando la distancia entre electrodos es pequeña frente el coeficiente de interacción, hay una interacción fuerte entre los distintos canales, lo que hace que la discriminación entre el estímulo procedente de dos electrodos adyacentes resulte difícil (y limita la resolución espectral tonotópica). En algunos estudios se ha estimado que un valor razonable para este coeficiente estaría en torno a 2 o 3 mm.
Este parámetro sólo tiene aplicación en caso de haber seleccionado Estimulación Electro-Acústica (EAS). La Estimulación Electro-Acústica consiste en la combinación de un audífono y de un implante coclear. La frecuencia de corte determina el rango de frecuencias que es procesado por el audífono (frecuencias inferiores a la frecuencia de corte) y el rango espectral procesado por el implante (desde la frecuencia de corte hasta fMax). En este caso, el banco de filtros para el implante coclear se diseña utilizando este rango espectral. Este parámetro puede tomar valores entre 20 Hz y 5000 Hz.
En la mayor parte de los sistemas de implante coclear, el banco de filtros utiliza filtros de respuesta impulsiva infinita (IIR) y la detección de envolvente se realiza rectificando y filtrando paso-baja la salida de cada filtro del banco. Para simular esta situación se debe seleccionar Rect-LP+IIR. Otros sistemas de implante coclear utilizan para cada canal una pareja de filtros de respuesta impulsiva finita (FIR) (lo que evita la distorsión de fase de los IIR) y obtienen la envolvente mediante la transformada de Hilbert (lo que proporciona una mejor representación de la evolución temporal de la envolvente). Para simular este caso se debe seleccionar Hilbert+FIR.
Este parámetro sirve para modelar la capacidad de sincronización de la actividad nerviosa con el estímulo presentado. Puede tomar valores comprendidos entre 0.0 y 1.0, correspondiendo 0.0 a una mala capacidad de sincronización y 1.0 a una buena capacidad de sincronización. Seleccionando sincronización buena, se representa una situación en la que la lesión del nervio auditivo no es excesiva y es posible para el paciente extraer información temporal a partir del patrón de estimulación. Seleccionado sincronización mala se representa una situación en la que la lesión del nervio auditivo es más importante, lo que hace que se pierda gran parte de la información temporal. Ambas situaciones se modelan a través del proceso de síntesis usando como señal de excitación para la síntesis un ruido blanco gaussiano (en el caso de mala sincronización) o bien una secuencia de impulsos situados en cada máximo local de la envolvente para cada canal (en el caso de buena sincronización). En esta última situación se puede representar el hecho de que cuando la situación es buena, la mayor parte de las descargas del nervio auditivo se producen cuando la energía alcanza un máximo en la señal de audio. Ambas señales de excitación (ruido blanco gaussiano y tren de pulsos) son combinadas en función del parámetro de sincronización, representando situaciones intermedias entre ``mala sincronización'' y ``buena sincronización''.
La Estimulación Electro-Acústica (EAS) combina la estimulación eléctrica (a través del implante coclear) con la estimulación acústica (a través del audífono). Esta técnica es útil en pacientes que mantienen restos auditivos en las frecuencias graves. Cuando se selecciona este parámetro en la simulación, se separa el rango espectral correspondiente a la parte de estimulación acústica (hasta la frecuencia de corte) y la parte de estimulación eléctrica (desde la frecuencia de corte a fMax). La señal sintetizada en este caso es la suma de la parte correspondiente a estimulación acústica y la señal resultante de simular el funcionamiento del implante coclear usando el rango espectral definido por la frecuencia de corte y fMax.
Activando esta opción, el programa utiliza para la síntesis un banco de filtros con frecuencias distintas de las usadas por el procesador. Las frecuencias usadas para síntesis son determinadas de acuerdo con la teoría tonotópica, teniendo en cuenta la posición de cada electrodo a lo largo de la cóclea.