Trójwymiarowe modele komputerowe ulepszają konstrukcję implantów ślimakowych
Implanty ślimakowe to wszczepiane chirurgicznie urządzenia, które umożliwiają odbieranie wrażeń słuchowych osobom z ubytkiem słuchu typu zmysłowo-nerwowego w stopniu od umiarkowanego do głębokiego. Ślimak jest częścią ucha wewnętrznego biorącą udział w słyszeniu i składa się ze spiralnej, pustej w środku stożkowej jamy kostnej posiadającej cienką i delikatną wyściółkę w postaci nabłonka. Implant ślimakowy pomija czuciowe komórki rzęsate i bezpośrednio pobudza prądami elektrycznymi pozostałe włókna nerwu słuchowego, wywołując wrażenia słuchowe. Choć skuteczność implantów ślimakowych w przywracania słuchu jest dobrze znana, ich funkcja jest ograniczona przez szeroki rozrzut wartości prądu w wypełnionym płynem uchu wewnętrznym. Szeroki rozrzut wartości prądu ogranicza liczbę skutecznie działających elektrod i odpowiada za niską rozdzielczość spektralną. Partnerzy projektu CIModelPLUS postanowili rozwiązać ten problem i stworzyli zaawansowany model ślimaka dla inżynierów, który ułatwia opracowanie implantów ślimakowych następnej generacji wykazujących większą dokładność dystrybucji prądu elektrycznego w tkankach i pobudzenia elektrycznego pojedynczych włókien nerwowych. Badanie przeprowadzono dzięki wsparciu programu „Maria Skłodowska-Curie”.
Udoskonalone detale
Wiele szczegółów anatomicznych ślimaka nie zostało uwzględnionych w jego aktualnych modelach. Jednym z nich są mikrostruktury wewnątrz kostnej osi ślimaka, zwanej wrzecionkiem, gdzie znajdują się spiralne neurony zwojowe i przez które biegną włókna nerwowe oraz naczynia krwionośne. „Większość modeli ucha wewnętrznego skonstruowano przy użyciu jednorodnych i gładkich brył. Modele te przewidują jednorodne i płynne wzorce pobudzania słuchowych włókien nerwowych”, mówi prof. Werner Hemmert, gospodarz projektu na Uniwersytecie Technicznym w Monachium. Dlatego badacze wykonali skany strukturalne w wysokiej rozdzielczości z użyciem mikrotomografii rentgenowskiej w celu zidentyfikowania struktur ślimaka i stworzenia dokładnego, trójwymiarowego modelu na podstawie uzyskanych obrazów. Proces rekonstrukcji polegał na segmentacji każdej tkanki osobno, kawałek po kawałku, co wymagało szczegółowej znajomości anatomii i fizjologii, po to by budowa modelu i własności tkanki były jak najdokładniejsze. Następnie zastosowano metodę elementów skończonych w celu obliczenia przybliżonej wielkości dystrybucji prądu elektrycznego w trójwymiarowym modelu ślimaka, będącej efektem stymulacji elektrycznej poprzez elektrody implantu ślimakowego. W kolejnym kroku naukowcy opracowali zaawansowane modele obliczeniowe ślimaka, łącząc symulację z wynikami doświadczeń.
Najważniejsze korzyści
W oparciu o model 3D w wysokiej rozdzielczości, zespół projektowy zrekonstruował również drogę słuchowych włókien nerwowych biegnących wewnątrz modelu ślimaka. Rekonstrukcji dokonano przy użyciu opracowanego własnym nakładem półautomatycznego algorytmu do odszukania ścieżki dla neuronów biegnących przez gąbczastą kość wrzecionka. „Kiedy korzystamy dziś z naszego modelu, wzorce pobudzania nerwu słuchowego wydają się o wiele bardziej skomplikowane, ponieważ są czułe na niewielkie różnice anatomiczne”, tłumaczy dr Siwei Bai, badacz z tytułem doktora i stypendysta programu „Maria Skłodowska-Curie”. Walidacja symulacji trójwymiarowego modelu odbyła się z udziałem pacjentów z wszczepionym implantem ślimakowym. „Wykorzystując wcześniej wszczepione elektrody implantu, dokonaliśmy bezpośredniego pomiaru potencjału elektrycznego wewnątrz ślimaka każdego ochotnika. Rozrzut wartości prądu przewidziany przez model był zgodny ze zmierzonym zakresem, co sugeruje, że parametry modelu są już dość dokładne”, wyjaśnia dr Bai. A prof. Hemmert dodaje: „Jesteśmy gotowi do przeprowadzenia symulacji obserwacji elektrofizjologicznych, łącząc nasz model stworzony metodą elementów skończonych z odpowiednim biofizycznym wieloprzedziałowym modelem kablowym, jaki wykorzystano w zrekonstruowanych słuchowych włóknach nerwowych”. Projekt CIModelPLUS przyczyni się więc do lepszego zrozumienia mechanizmu pobudzania nerwu słuchowego przez implant ślimakowy, co będzie dobrą podstawą do doskonalenia neuroimplantów, w szczególności implantów ślimakowych, i poprawi jakość życia osób z ubytkiem słuchu.
Słowa kluczowe
CIModelPLUS, implant ślimakowy, słuchowe włókna nerwowe (ANF), słuch, model komputerowy, elementy skończone (FE), symulacja
