Electrical conduction models for cochlear implant stimulation
Modèles de conduction électrique pour la stimulation de l'implant cochléaire
Résumé
Computational models have been widely used to improve the knowledge of the current behavior in cochlear implant stimulations, optimizing electrode designs and stimulation strategies. The existing models employed no or simple electrochemical interface models and took current intensity on the electrodes as input. Therefore they have difficulties in making time domain simulations and simulating the stimulation modes that have voltage constraints, such as the Common Ground and the Multi-Mode Grounding modes.
In this PhD work, a new surface mesh model of the cochlea has been developed. The shape of the model is controlled by a set of input parameters which can be tuned to fit the cochlear shape acquired from histological images, CT scans or existing cochlear mesh models. The symmetric boundary element method, which was implemented in OpenMEEG, has been applied on the model to simulate the current distribution of the cochlear implant stimulation.
Using the parametric model, comparisons on the current field has been made between the existing electrode layouts and the new transmodiolar electrodes. The new model can take either current or voltage as input for each electrode to simulate the common ground and multi-mode grounding modes. By coupling the surface model with lumped capacitor and constant phase element models, time domain simulation of the stimulation waveform has also been achieved.
To validate the simulation results and calibrate the parameters of the model, in-situ and in-vitro measurements have been carried out with self-made devices. The in-situ measurements measured the electric potential and current intensity on the intracochlear electrodes under different stimulation modes. The in-vitro measurements took detailed potential samples near the electrode array in a 3D-printed container. The recorded data proved the effectiveness of combining lumped components with the surface model.
De nombreux modèles numériques ont été proposés pour mieux comprendre comment le courant électrique est répartit lorsd’une stimulation électrique par implant cochléaire. Ceci permet à terme d’optimiser la géométrie des électrodes et les stratégies de stimulation. Les modèles précédemment proposés modélisent les modèles d'interface électrochimique de façon très basique, et ne prennent généralement compte que deque de l'intensité du courant sur les électrodes. Par conséquent, il leur est difficile de simuler la dynamique temporelle de la stimulation ou de modéliser la répartition du courant en fonction de différents modes de stimulation contrôlés en tension, tels que le mode de de retour commun (Common Ground), ou de retour multiple (Multi-Mode Grounding).
Dans cette thèse, nous avons développé un nouveau modèle surfacique de la cochlée. Le modèle géométrique dépend d'un ensemble de paramètres permettant d'ajuster la forme de la cochlée, en utilisant par exemple des données histologiques, des scans CT, ou encore des maillages de surface. Une méthode d'éléments finis surfaciques symétrique, implémentée dans OpenMEEG, a permis de simuler la distribution de courant due à la stimulation par l'implant cochléaire.
Un modèle paramétrique nous as permis decomparer les courants générés par les modèles d'électrodes actuellement disponibles et par un nouveau type d'électrode - faisceau transmodiolaire. Le modèle peut prendre en compte des courants ou des tensions en entrée à chaque électrode, ce qui permet de simuler le mode de retour commun ou multiple. En combinant le modèle surfacique avec une capacitance et des modèles d'éléments à phase constante, nous avons pu réaliser une simulation temporelle de la stimulation.
Afin de valider les résultats de simulation et calibrer les paramètres du modèle, nous avons créé un système permettant d'acquérir des mesures in-situ et in-vitro. Les mesures in-situ ont permis d'acquérir le potentiel électrique et l'intensité de courant d'électrodes intracochléaires selon différents modes de stimulation. Les mesures in-vitro ont permis d'échantillonner le potentiel électrique à proximité des électrodes de stimulation, dans un organe artificiel imprimé en 3D. Les données enregistrées ont permis de valider le modèle combinant le modèle d'interface électrochimique et le modèle tridimensionnel de cochlée.
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