Electrode arrays and tonotopic matching of cochlear implants

Thumbnail Image

Files

Tuomela_Saana_2025.pdf (1.29 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-05-16

Department

Major/Subject

Bioinformaatioteknologia

Mcode

ELEC3016

Degree programme

Sähkötekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

32

Series

Abstract

Cochlear implant (CI) is a surgically implanted neural prosthesis that is used to treat severe hearing impairments. Electrode array that is inserted into cochlea transmits frequency information there in a way that mimics the natural tonotopic organization of cochlea, i.e. frequencies being encoded in different cochlear regions. The stimulating contacts along electrode array are distributed in a tonotopic manner such that lowest frequencies are transmitted via apical contacts and highest frequencies via basilar contacts. This thesis is a literature review on the structure and operation of CI electrodes, as well as their frequency encoding. The aim of the thesis is to collect basic information on the contemporary electrodes, as well as examine the extent of their tonotopic mismatch, factors in the electrode design contributing to this mismatch and challenges associated with reducing it. Contemporary CI electrode arrays come with different designs and lengths, and they can be broadly divided into two types depending on their positioning in the cochlea. Both have their own advantages and disadvantages, and the used electrode type is chosen based on the patient’s needs. There is considerable variation in hearing outcomes between CI recipients, but most of them report sound sensations to be abnormally high-pitched and distorted. Frequencies are typically transmitted to a cochlear location encoding higher frequencies, which causes tonotopic mismatch. The extent of tonotopic mismatch is variable and depends on the electrode length, anatomy of the recipient’s cochlea as well as adaptation capabilities of the recipient. The mismatch can be reduced by using longer electrode arrays, as they provide greater cochlear coverage and thus enable frequencies to be transmitted closer to the cochlear region where they are encoded. Allocating frequencies to stimulating contacts in a way that aligns better with the natural tonotopy is being investigated as well.

Sisäkorvaistute on kirurgisesti asennettava neuroproteesi, jolla pystytään palauttamaan kuuloaisti vaikeasti kuulovammaisille ja kuuroutuneille henkilöille. Äänen taajuuksien havainnoiminen on sisäkorvaistutteen käyttäjillä usein merkittävästi epätarkempaa kuin normaalisti kuulevilla ihmisillä. Simpukan sisälle asennettavalla istutteen elektrodiketjulla kohdistetaan taajuusinformaatiota simpukan eri alueille sen luonnollista tonotopiaa mukaillen. Tonotopialla viitataan siihen, että eri taajuudet tuottavat ääniaistimuksen eri kohdassa simpukkaa. Tämä otetaan huomioon elektrodille hajautetuilla simpukkaa sähköisesti stimuloivilla kanavilla: korkeimmat taajuudet välitetään elektrodien alkupäässä olevien kanavien kautta ja matalimmat kärjen kanavien kautta. Työ on kirjallisuuskatsaus sisäkorvaistutteen elektrodien rakenteesta, toiminnasta ja taajuuksien välittymisestä niiden kautta. Aineistona on kolmen oppikirjan lisäksi vertaisarvioituja tutkimusartikkeleita. Istutteiden nopean kehityksen vuoksi lähteiksi on pyritty valitsemaan mahdollisimman tuoreita, 2000-luvulla julkaistuja artikkeleja. Tavoitteena on koota perustiedot nykyisin saatavilla olevista elektrodeista ja selvittää, miten paljon istutteen avulla havaitut taajuudet eroavat äänen todellisesta taajuudesta, mitkä tekijät elektrodien rakenteessa aiheuttavat taajuuspoikkeamaa ja millaisia haasteita tämän poikkeaman pienentämiseen liittyy. Havaitun äänen laadussa on suuria eroja istutteen käyttäjien kesken, mutta yleisesti ottaen ääniaistimukset havaitaan todellista korkeataajuisempina. Tämä johtuu muun muassa siitä, että valtaosa elektrodeista ei ole riittävän pitkiä ulottuakseen simpukan kärkiosaan, jossa matalimmat taajuudet rekisteröidään. Tällöin kanavat stimuloivat simpukassa aluetta, joka välittää aivoille korkeataajuisempaa informaatiota. Äänen todellisen taajuuden ja havaitun taajuuden välillä on siis poikkeamaa, jonka suuruus riippuu elektrodin pituudesta, käyttäjän simpukan anatomiasta ja kyvystä sopeutua väärissä paikoissa rekisteröityihin äänihavaintoihin. Taajuuspoikkeamaa on mahdollista pienentää käyttämällä pidempiä elektrodeja tai jakamalla taajuudet kontakteille tavalla, joka vastaa paremmin simpukan tonotopiaa. Taajuusresoluution parantamiseksi kehitetään myös tapoja, joilla stimulaatiota saisi selektiivisemmäksi.

Description

Supervisor

Turunen, Markus

Thesis advisor

Pitkänen, Marja

Keywords

cochlear implant, electrode array, tonotopic matching, tonotopic mismatch

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202506104395

Collections

[kand] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC