COCHLEAR
IMPLANT
SIMULATION
version 2.0
COCHLEAR
IMPLANT
SIMULATION
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Le programme « Cochlear Implant Simulation » comprend essentiellement quatre tâches : (1) Préparation du signal audio à traiter ; (2) Configuration des paramètres de simulation ; (3) Synthèse du signal traité ; (4) stockage du résultat. Il est décrit à la suite comment se réalise chacune des fonctions.
Le signal audio d’entrée (le signal que recueille le microphone du système d’implant cochléaire) se prépare soit en ouvrant un fichier audio, en format « wav », soit en l’enregistrant par le microphone de l’ordinateur.
Pour lire un fichier « wav » on peut cliquer sur l’icône « Ouvrir » de l’application. Il peut aussi se faire en sélectionnant « Ouvrir » sur le menu « Fichier » ou bien en appuyant sur la combinaison des touches « Ctrl + O ». Dans tous les cas, il apparaît une fenêtre de dialogue qui permet de naviguer à travers du système de fichiers et d’identifier les fichiers audio avec extension « wav ». Une fois le fichier à traiter identifié, il est lu par le programme soit en double-cliquant, soit en le sélectionnant et en cliquant sur le bouton « Ouvrir ». Une fois lu, le fichier sélectionné apparaîtra dans la liste « WAVs Non Traités ».
Pour enregistrer un signal audio il suffit de cliquer sur le bouton d’enregistrement (bouton rouge de la partie inférieure de la fenêtre du programme). L’enregistrement peut s’arrêter en appuyant sur le bouton gris de la partie inférieure de la fenêtre. Le programme enregistrera à partir de l’entrée du microphone de l’ordinateur ou de l’entrée sélectionnée dans le « Contrôle d’enregistrement » de Windows (pour accéder, double-cliquer sur le haut-parleur de la barre des tâches et sélectionner « Enregistrement » dans le panneau « Propriétés » du menu « Options »). Le programme attribuera un nom de fichier au signal enregistré. Le fichier correspondant au signal enregistré apparaîtra dans la liste « WAVs Non Traités ».
En appuyant sur le bouton vert de la partie inférieure de la fenêtre, le fichier sélectionné se reproduit (soit enregistré par le microphone, soit lu depuis le système de fichiers). On l’écoutera à la sortie audio de l’ordinateur (haut-parleurs ou écouteurs).
La configuration des paramètres de simulation se réalise à travers de la « fenêtre de configuration » qui s’active en cliquant sur l’icône « Configurer ». Elle s’active aussi soit en sélectionnant « Configurer les Paramètres » dans le menu « Options », soit en appuyant sur la combinaison des touches « Ctrl + P ».
Dans la « fenêtre de configuration » on peut modifier les différents paramètres intervenant dans la simulation. Les paramètres dont la configuration demande une valeur numérique (taux, fMin, fMax, etc.) peuvent s’établir en déplaçant la barre correspondante ou bien en introduisant une valeur numérique dans la fenêtre correspondante. Les paramètres qui demandent une option binaire (Détection de l’Enveloppe, Synchronisation, etc.) sont sélectionnés en marquant l’option correspondante. Plus tard, on décrira ce que signifie chacun des paramètres de configuration.
Le logiciel permet aussi la lecture et l’écriture des fichiers de configuration. Ces fichiers ont l’extension « *.par ». Pour lire ou écrire ces fichiers on doit cliquer respectivement sur « Lire les Paramètres » ou « Enregistrer les Paramètres », dans le menu « Options ».
Pour synthétiser le signal audio comme il sera perçu au travers de l’implant cochléaire en accord avec la configuration établie, on doit sélectionner le fichier original et ensuite cliquer sur le bouton « Commencer la Simulation » situé sur la partie inférieure de la fenêtre. Pendant un certain temps (qui dépend de la vitesse de l’ordinateur utilisé) le signal sera traité, temps après lequel un nouveau fichier apparaîtra dans la liste « WAVs Traités ».
Les fichiers audio résultants de la simulation sont associés aux paramètres utilisés pour la simulation. Ces paramètres peuvent être montrés en cliquant sur l’icône « + » qui figure à coté de chaque fichier.
Une fois la simulation terminée, on peut sélectionner le fichier et en cliquant sur le bouton de reproduction (bouton vert dans la partie inférieure), on peut écouter le résultat de la simulation (le signal synthétisé) par la sortie audio de l’ordinateur.
Le signal synthétisé a un nom de fichier qui est attribué automatiquement à partir du nom du fichier audio original. Ce signal peut être sauvegarder comme fichier « wav » soit en cliquant sur l’icône « Sauvegarder », soit en selectionant l’option « Sauvegarder » ou « Sauvegarder Sous » dans le menu « Fichier ». Les actions « Sauvegarder » et « Sauvegarder Sous » sont aussi activées respectivement par la combinaison de touches « Ctrl + S » et « Ctrl + Shift + S ».
Si on veut qu’un des fichiers audio disparaisse de la liste « WAVs Traités » ou « WAVs Non Traités », on devra sélectionner le fichier et ensuite cliquer sur l’icône « Fermer » ou bien sur l’option « Fermer » du menu « Fichier ». S’il n’a pas été sauvegardé au préalable, un message d’avertissement apparaît pour que le signal synthétisé ne se perde pas accidentellement.
L’aide s’active soit en cliquant sur le bouton « Aide », soit en sélectionnant « Contenu » dans le menu « Aide », soit en appuyant sur la touche « F1 ».
Pour quitter l’application on peut appuyer sur la combinaison « Ctrl + Q » ou sélectionner « Quitter » dans le menu « Fichier ».
Les paramètres de simulation vont modeler différentes situations par rapport à la façon dont le patient implanté perçoit le son. Les paramètres qui peuvent être modifiés sont les suivants :
Ce paramètre représente la fréquence de stimulation pour chaque canal de l’implant cochléaire, c’est-à-dire le nombre d’impulsions par seconde qui sont présentées dans chaque électrode de l’implant. Pendant le réglage du processeur, il est recommandé de fixer ce paramètre à une valeur supérieure à 1000 pps (impulsions par seconde), puisque le temps de repolarisation des terminaisons nerveuses est de l’ordre de 2 ms et que des valeurs de fréquence de stimulation inférieures à 800 pps produiraient une synchronisation (indésirable) de l’activité neuronale avec les impulsions, au lieu de la synchronisation (désirable) de l’activité neuronale avec le signal audio. La valeur attribuée à ce paramètre influence fortement la résolution temporelle avec laquelle le signal audio est perçu, ainsi que la qualité du signal perçue de façon importante, en particulier pour ces patients avec une bonne capacité de synchronisation. Dans le programme « Cochlear Implant Simulation », ce paramètre peut se changer entre 10 y 10000 impulsions par seconde.
Ces sont les limites inférieure et supérieure du rang spectral traité par le système d’implant cochléaire, exprimées en Hz. fMin et fMax sont utilisées pour construire la banque de filtres. Dans la simulation (de la même façon que dans un système d’implant cochléaire), les composants de fréquences inférieures à fMin ou supérieures à fMax ne sont pas traitées. Tenant compte du rang spectral de la voix, il est recommandé que fMin soit inférieure à 350 Hz et fMax supérieure à 4000 Hz. Dans le programme « Cochlear Implant Simulation » fMin peut prendre des valeurs entre 20 Hz et 5000 Hz, pendant que fMax peut être entre 500 et 10000 Hz, à condition que fMin soit inférieur à fMax.
Ces deux paramètres caractérisent la géométrie de l’implant cochléaire. La longueur de l’implant cochléaire, exprimée en mm, plus le nombre de canaux de l’implant cochléaire, sont utilisés pour déterminer la distance entre des électrodes consécutives et la position de chaque électrode le long de la cochlée. De cette façon, on peut modeler l’effet d’interaction entre les canaux (qui va dépendre de la dispersion du champ de courant autour de chaque électrode et de la distance entre des électrodes consécutives). Ces paramètres permettent aussi de modeler le déplacement de fréquences, associé à la stimulation avec un implant cochléaire, qui va dépendre de la différence entre la fréquence centrale du filtre associé à chaque électrode et la fréquence associée tonotopiquement à la position de l’électrode.
Dans le programme « Cochlear Implant Simulation », la longueur de l’implant cochléaire peut prendre des valeurs entre 1 mm et 30 mm, alors que le nombre de canaux de l’implant cochléaire peut changer entre 1 et 50.
Ce paramètre représente le nombre des électrodes insérées pendant l’opération chirurgicale. On suppose que l’implant cochléaire va être correctement réglé et que ce paramètre sera le nombre des canaux actifs de l’implant cochléaire. De cette façon, dans la pratique, ce paramètre est utilisé pour définir le nombre de bandes de fréquence dans lesquelles on va diviser le rang spectral défini par fMin et fMax. Le nombre de bandes de fréquence va conditionner, d’abord, la résolution spectrale tonotopique, de façon à ce que plus grand il soit, meilleure soit la qualité dont le son est perçu. Cependant, la résolution spectrale tonotopique est aussi fortement affectée par l’interaction entre les canaux, dû au fait que le courant inséré par les électrodes ne soit pas interné et qu’il se disperse dans une région relativement étendue. De cette façon, pour un grand nombre de bandes, la résolution spectrale tonotopique sera plus limitée par l’interaction entre les canaux qe par le nombre des bandes.
Le nombre des électrodes insérées dans l’implant cochléaire est aussi utilisé pour déterminer la position de chacune des électrodes le long de la cochlée, ainsi que la fréquence caractéristique du point où se trouve chacune des électrodes, dans le but de modeler l’effet de déplacement de fréquences. Le nombre des électrodes insérées doit être mineur ou égal au nombre de canaux de l’implant cochléaire.
Ce paramètre est le nombre de canaux qui sont activés dans chaque cycle de stimulation par les stratégies de codage n-of-m. Quand le processeur utilise une stratégie de type CIS, ce paramètre doit être égal au nombre d’électrodes insérées (la valeur maximum qui permet le programme).
Lorsqu’on utilise une stratégie n-of-m, dans chaque cycle de stimulation (en accord avec la fréquence de stimulation établie par le paramètre fStimulation), on compare l’énergie des différents canaux et uniquement les n canaux avec le plus d’énergie sont sélectionnés pour la stimulation alors que le reste des canaux ne sont pas utilisés (l’énergie des canaux non utilisés se fixe à une valeur nulle). Lorsque n est égal à m (stratégie CIS) tous les canaux sont sélectionnés dans chaque cycle de stimulation.
Plus n est petit par rapport à m, plus la qualité du signal synthétisé est mauvaise, du fait que l’information soit supprimée (en annulant les canaux d’énergie inférieure). Les stratégies n-of-m sont utilisées pour permettre que la fréquence de stimulation ne soit pas excessivement réduite chez les implants ayant un grand nombre d’électrodes.
Ce paramètre est utilisé pour modeler l’interaction entre les canaux. L’interaction entre les canaux est modelée comme un transfert d’énergie d’un canal déterminé dans le bloc d’analyse vers les canaux adjacents dans le bloc de synthèse. Pour une électrode déterminée, « k », une partie du courant généré au cours de la stimulation va stimuler les terminaisons nerveuses proches à cette électrode, mais il y aura aussi une stimulation des terminaisons nerveuses proches aux électrodes « k+1 », « k-1 », « k+2 », « k-2 », etc. Dans la pratique, ceci réduit la résolution spectrale tonotopique. Plus les électrodes sont proches entre elles, plus l’interaction entre les canaux est importante. De cette façon, l’interaction (ou le transfert de courant) est plus grande entre l’électrode « k » et l’électrode « k+1 » que entre l’électrode « k » et celle « k+2 ».
Dans ce programme, on suppose que l’interaction est fonction de la distance entre les électrodes et qu’elle suit une fonction exponentielle caractérisée par un coefficient d’interaction. De cette façon, la contribution de l’électrode « A » aux terminaisons nerveuses associées à l’électrode « B » est calculée de la manière suivante :
Intensité(A)*exp(-Distance(A-B)/Coefficient.Interaction)
L’intensité observée sur les terminaisons nerveuses associées au niveau de l’électrode « B » sera l’addition des contributions de toutes les électrodes adjacentes. Lorsque la distance entre les électrodes est faible par rapport au coefficient d’interaction, il y a une forte interaction entre les différents canaux, ce qui rend difficile la discrimination entre le stimulus provenant de deux électrodes adjacentes (et qui limite la résolution spectrale tonotopique). Dans certaines études, on a estimé qu’une valeur raisonnable du coefficient d’interaction serait environ 2 ou 3 mm.
Ce paramètre est mis en application seulement si on a sélectionné la Stimulation Electro-Acoustique (EAS soit Electric-Acoustic Stimulation en anglais). La Stimulation Electro-Acoustique consiste en l’association d’un audiophone et d’un implant cochléaire. La fréquence de coupure détermine le rang de fréquences qui est traité par l’audiophone (des fréquences inférieures à la fréquence de coupure) et le rang spectral traité par l’implant (depuis la fréquence de coupure jusqu’à fMax). Dans ce cas, la banque de filtres pour l’implant cochléaire est conçue en utilisant ce rang spectral. Ce paramètre peut prendre des valeurs entre 20 Hz et 5000 Hz.
Dans la plupart des systèmes d’implant cochléaire, la banque de filtres utilise des filtres à réponse impulsionnelle infinie (IIR) et la détection de l’enveloppe est réalisée par un redressement et un filtrage passe-bas à la sortie de chaque filtre de la banque. Pour simuler cette situation, on doit sélectionner Rect-LP+IIR. D’autres systèmes d’implant cochléaire utilisent pour chaque canal un couple de filtres à réponse impulsionnelle finie (FIR) (ce qu’évite la distorsion de phase des filtres IIR) et obtiennent l’enveloppe grâce à la transformée de Hilbert (ce qui fournit une meilleure représentation de l’évolution temporelle de l’enveloppe). Pour simuler ce cas, on doit sélectionner Hilbert+FIR.
Ce paramètre sert à modeler la capacité de synchronisation de l’activité nerveuse avec le stimulus présenté. Il peut prendre des valeurs entre 0.0 et 1.0, 0.0 correspondant à une mauvaise capacité de synchronisation et 1.0 à une bonne capacité de synchronisation. En choisissant « bonne synchronisation », on représente une situation où la lésion du nerf auditif n’est pas excessive et où il est possible pour le patient d’obtenir l’information temporelle à partir de la configuration de stimulation. En choisissant « mauvaise synchronisation », on représente une situation où la lésion du nerf auditif est plus importante, ce qui provoque la perte de la plupart de l’information temporelle. Les deux situations sont modelées par le processus de synthèse en utilisant comme signal d’excitation pour la synthèse un bruit blanc gaussien (cas de mauvaise synchronisation) ou bien une séquence de pulses situés sur chaque maximum local de l’enveloppe pour chaque canal (cas de bonne synchronisation). Dans cette dernière situation, on représente le fait que la plupart des décharges se produisent quand l’énergie atteint à un maximum dans le signal audio. Les deux signaux d’excitation sont combinés en fonction du paramètre de synchronisation en représentant des situations intermédiaires entre une « mauvaise synchronisation » et une « bonne synchronisation ».
La Stimulation Electro-Acoustique (EAS) combine la stimulation électrique (par l’implant cochléaire) avec la stimulation acoustique (par l’audiophone). Cette technique est utile chez les patients qui conservent des restes auditifs dans les fréquences graves. Lorsqu’on sélectionne ce paramètre dans la simulation, on sépare le rang spectral correspondant à la partie de stimulation acoustique (jusqu'à la fréquence de coupure) et la partie de stimulation électrique (depuis la fréquence de coupure jusqu’à fMax). Le signal synthétisé dans ce cas est l’addition du signal de la partie correspondante à la stimulation acoustique et du signal qui résulte de la simulation du fonctionnement de l’implant cochléaire dans le rang spectral défini entre la fréquence de coupure et fMax.
En activant cette option, le programme utilise pour la synthèse une banque de filtres de fréquences différentes à celles utilisées par le processeur. Les fréquences utilisées pour la synthèse sont déterminées en accord avec la théorie tonotopique, en tenant compte de la position de chaque électrode le long de la cochlée.