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Advanced Computational Model for the Development of Cochlear Implants

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Modelli 3D computerizzati migliorano la progettazione degli impianti cocleari

Alcuni scienziati dell’UE hanno applicato le più recenti tecniche di modellizzazione al computer per creare impianti cocleari (IC) migliori.

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Gli IC sono dei dispositivi impiantati in modo chirurgico che forniscono una percezione uditiva alle persone con perdita dell’udito sensorineurale da moderata a profonda. La coclea stessa fa parte dell’orecchio interno coinvolto nell’udito, e comprende una camera conica e cava di osso a spirale, con uno strato interno sottile e delicato di tessuto epiteliale. Al fine di fornire la sensazione dell’udito, gli IC aggirano le cellule sensoriali ciliate ed eccitano direttamente le fibre residue del nervo uditivo con correnti elettriche. Sebbene siano un metodo collaudato per ripristinare l’udito, gli IC sono limitati da un’ampia diffusione della corrente nell’orecchio interno pieno di fluido. L’ampia diffusione della corrente limita il numero di elettrodi efficaci e porta a una scadente risoluzione spettrale. Il progetto CIModelPLUS ha affrontato questa sfida fornendo un modello avanzato di coclea agli ingegneri, che facilita lo sviluppo di IC di prossima generazione mostrando una maggiore precisione della distribuzione della corrente elettrica nei tessuti e dell’eccitazione elettrica delle singole fibre nervose. La ricerca è stata intrapresa con il supporto del programma Marie Skłodowska-Curie.

Migliori dettagli

Nei modelli cocleari attuali, molte caratteristiche dettagliate dell’anatomia della coclea non sono state incluse. Ad esempio le microstrutture all’interno dell’asse osseo noto come modiolo, dove si trovano i neuroni gangliari a spirale e dove passano le fibre neurali e anche i vasi sanguigni. «La maggior parte dei modelli dell’orecchio interno sono stati realizzati usando geometrie uniformi e piane. Questi modelli prevedono schemi di eccitazione uniformi e piani delle fibre nervose uditive», dice il prof. Werner Hemmert, che ha ospitato il progetto all’Università tecnica di Monaco di Baviera. I ricercatori hanno pertanto effettuato delle scansioni strutturali ad alta risoluzione usando la microtomografia a raggi X per identificare la coclea e ricostruire un modello 3D preciso a partire dalle immagini. Il processo di ricostruzione ha comportato la segmentazione di ogni tessuto in modo separato fetta dopo fetta, che ha richiesto una conoscenza dettagliata dell’anatomia e della fisiologia per garantire l’accuratezza della struttura del modello e delle caratteristiche del tessuto. Il metodo a elementi finiti (FE) è stato poi usato per approssimare numericamente la distribuzione della corrente elettrica nel modello cocleare 3D in conseguenza della stimolazione elettrica proveniente dagli elettrodi dell’IC. Gli scienziati hanno poi sviluppato un modello computerizzato avanzato della coclea combinando la simulazione e i risultati sperimentali.

Vantaggi considerevoli

Basandosi sul modello 3D ad alta risoluzione, il team del progetto ha ricostruito anche il percorso delle fibre nervose uditive (ANF, Auditory Nerve Fibers) all’interno del modello della coclea. Questa ricostruzione è stata effettuata usando un algoritmo semi-automatizzato sviluppato in azienda per cercare il percorso dei neuroni attraverso l’osso spugnoso del modiolo. «Quando adesso usiamo il nostro modello, gli schemi di eccitazione del nervo uditivo appaiono molto più complicati a causa della loro sensibilità alle piccole variazioni anatomiche» spiega il dott. Siwei Bai, il ricercatore postdottorato che ha ricevuto la borsa Marie Skłodowska-Curie. Per convalidare la simulazione del loro modello 3D, i ricercatori nel gruppo hanno usato pazienti con IC quali soggetti dei test. «Usando elettrodi IC già impiantati, abbiamo misurato direttamente il potenziale elettrico all’interno della loro coclea. La diffusione della tensione prevista dal modello ricadeva molto bene nell’intervallo misurato, indicando che la precisione dei parametri del modello è già molto buona», osserva il dott. Bai. Il prof. Hemmert fa notare: «Siamo ora in grado di simulare delle osservazioni elettrofisiologiche combinando il nostro modello FE e un appropriato modello biofisico a cavi multi-compartimenti applicato su queste ANF ricostruite». CIModelPLUS aiuterà quindi a comprendere in che modo gli IC eccitano il nervo uditivo e fornirà la base per migliori neuro-impianti e in particolare IC perfezionati, migliorando così la qualità della vita delle persone colpite da perdita dell’udito.

Parole chiave

CIModelPLUS, impianto cocleare (IC), fibre nervose uditive (ANF), udito, modello computerizzato, elementi finiti (FE), simulazione

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