Suppressie van cochlear implantaat artifacten in EEG metingen

Cochleaire implantaten creëren een auditieve perceptie bij ernstig dove patiënten. Electrisch geëevokeerde auditieve steady-state responsen (EASSRs) zijn neurale responsen opgewekt door continu gemoduleerde pulstreinen, en kunnen objectief gedetecteerd worden in het electro-encephalogram (EEG) op de modulatiefrequentie. EASSRs hebben enkele voordelen tegenover andere objectieve maten, omdat frequentie-specifieke stimuli gebruikt worden, omdat bepaalde hersengebieden doelgericht bestudeerd kunnen worden afhankelijk van de gekozen stimulatieparameters, en omdat ze objectief gedetecteerd kunnen worden d.m.v. statistische methoden. EASSRs kunnen mogelijks gebruikt worden om gepaste stimulatieniveaus te bepalen tijdens CI fitting sessies, zonder gedragsmatige input van de CI subjecten.
Spraakverstaan in ruis varieert sterk over CI subjecten. EASSRs zijn de ideale methode om de onderliggende oorzaken van deze variatie te onderzoeken, zoals de integriteit van de elektrode-neuron interface en veranderingen in de auditieve cortex na doofheid en na cochleaire implantatie.

Elektrische artifacten, veroorzaakt door het CI's radiofrequente link en door de elektrische pulsen gebruikt om de gehoorzenuw te stimuleren, beïnvloeden de EASSR. CI artifacten kunnen ook een component op de modulatiefrequentie hebben, wat leidt tot incorrecte EASSR detecties en onbetrouwbare EASSR amplitude en fase schattingen. CI artifacten die korter zijn dan het interpuls interval (IPI), het inverse van de pulsfrequentie (in pulsen per seconde (pps)), kunnen verwijderd worden door een lineaire interpolatie (LI) over de EEG samples aangetast door CI artifact. Voor klinisch gebruikte monopolaire (MP) stimulatie, tussen een intracochleaire en een extracochleaire elektrode, zijn CI artifacten langer dan voor bipolaire (BP) stimulatie, tussen twee intracochleaire elektrodes.

In deze thesis worden CI artifacten gekarakteriseerd. Verder worden drie methodes ontwikkeld en geëevalueerd voor CI artifact suppressie en betrouwbare EASSR parameter schatting.

CI artifacten zijn groter in amplitude en duren langer voor kanalen dichter bij het implantaat. Geschikte selectie van het referentiekanaal kan resulteren in kleinere en kortere CI artifacten, die gemakkelijker verwijderd kunnen worden. Met LI kunnen CI artifacten verwijderd worden in contralaterale kanalen voor 500 pss stimulatie voor ons opname systeem. Meer geavanceerde CI artifact suppressiemethoden moeten ontwikkeld worden om EASSRs te meten in ipsilaterale kanalen (voor bronlokalisatie en voor lateralizatiestudies) en in kinderen en baby's.

Ten eerste wordt een CI artifact suppressie methode gebaseerd op independent component analysis (ICA) ontwikkeld. Onafhankelijke componenten geassocieerd met CI artifacten worden automatisch geïidentificeerd op basis van de frequentiecomponent op de pulsfrequentie en vervolgens verwijderd. In sommige gevallen zijn de CI artifacten succesvol verwijderd, hoewel gemengde resultaten bekomen worden in andere gevallen.

Omdat de ICA methode niet volledig robust is, en omdat meerkanaalsmetingen nodig zijn, wordt een tweede methode, gebaseerd op template subtraction (TS), ontwikkeld. Voor elke stimulatiepuls wordt een CI artifact puls template geconstrueerd op basis van een meting die geen significante EASSR bevat. De templates worden dan in de juiste volgorde geplaatst en afgetrokken van de beschouwde meting. Betrouwbare EASSR amplitudes, fases en latenties worden bekomen voor een dataset met EASSRS met grote signaal-ruis verhouding (SNR). De duur van de meting gebruikt voor de template constructie kan beperkt worden tot 60 s met een even betrouwbare EASSR parameterschatting.

Omdat extra metingen nodig zijn bij de vorige methode wordt een derde methode voor EASSR parameterschatting in aanwezigheid van CI artifacten ontwikkeld. De methode is gebaseerd op een Kalman filter (KF), en werd eerst voorgesteld in (Luke, 2016). Het CI artifact model van (Luke, 2016) bevat constante driehoekspulsen gepresenteerd op de pulsfrequentie. De methode werkt goed voor CI artifacten in contralaterale kanalen voor BP stimulatie. In meer algemene gevallen, zoals MP stimulatie en metingen in ipsilaterale kanalen, zijn de CI artifacten vaak gemoduleerd en bevatten ze ook een exponentiële staart. Het voorgestelde toestand-ruimtemodel bevat componenten die deze features modelleren. Met de KF methode worden opnieuw betrouwbare EASSR amplitudes, fases en latenties bekomen voor een dataset met EASSRS met grote SNR, zonder dat extra metingen nodig waren.

De besproken inzichten en de ontwikkelde methodes kunnen gebruikt worden door onderzoekers en clinici om EASSRs op te meten voor klinische stimulatieparameters. Deze responsen kunnen dan gebruikt worden om CI rehabilitatie en CI stimulatiestrategieën te verbeteren, wat de levenskwaliteit van alle CI patiënten ten goede zal komen.