蝸牛内電極の位置を推定するための電気生理学的ツールとしての人工内耳移植中の意図的な顔面神経刺激の応用

Scientific Reports volume 12、記事番号: 13426 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

この概念実証では、人工内耳 (CI) 中の電極挿入の術中モニタリングのための顔面神経の誘発筋電図 (EMG) 活性化の使用について説明します。顔面神経からの術中の EMG 測定が、CI 移植を受けている 9 人の患者で実施されました。電極挿入中および挿入直後に、CI アレイ上の接点から電流パルスが放出されました。対照として、EMG測定の結果を、二次再構成を伴う術後のフラットパネルボリュームコンピュータ断層撮影スキャン(fpVCTSECO)と比較した。挿入中、CI からの電気刺激によって引き起こされる EMG 反応は、刺激接触が顔面神経に近づくにつれて増大し、距離が増加するにつれて減少しました。完全に挿入した後、CI アレイの頂端半分の接触は、基底半分の接触と比較して、より高い EMG 応答を刺激しました。術後の画像との比較により、高いEMG反応を刺激する電極接触が顔面神経までの距離が最も短いことが実証された。顔面神経の電気誘発 EMG 活性化を使用して、CI 電極挿入中の進行状況を監視し、完全挿入後の蝸牛内電極の位置を制御できることが実証できました。

人工内耳（CI）は、過去数十年にわたり、高度難聴患者にとって最も効果的なリハビリテーション方法として開発されてきました1。音声を良好に理解するための前提条件は、蝸牛内の電極の正しい位置です。したがって、脱臼や先端の折り曲げなどの電極の蝸牛内での好ましくない配置は、蝸牛内の神経構造の不適切な刺激につながるため、回避する必要があります2、3。最近のレビューでは、不完全な挿入やよじれなどの電極の位置が正しくないことは真っ直ぐな柔軟な電極でより頻繁に発生する一方、電極先端の折り重なりは事前に形成された電極でより頻繁に検出される可能性があると記載されています4。一方、解剖学的に基づいた電極刺激の選択と電極の正しい配置を組み合わせると、最適化された蝸牛の範囲が得られるため、音声の理解が向上します5、6、7、8、9、10。電極の位置を制御するために、挿入中または挿入プロセス後にリアルタイムでさまざまな技術を利用できます。術中画像化によりリアルタイム制御が可能です。電極の位置を直接検出できる唯一の技術は、蛍光透視法です11、12、13。この技術の欠点は、ステンバー投影でスキャンを実行する必要があることと、少なくとも外科医と患者が電離放射線にさらされることです。さらに、蝸牛電図検査 (ECochG) により、電極挿入プロセスのリアルタイム監視が可能です。有毛細胞および聴覚神経線維を介して誘発された信号の ECochG 記録中に、電極の相対位置を測定できます 14。 CI 電極挿入中に蝸牛内 ECochG 記録の信号振幅の増加が観察される可能性があります 15。ただし、ECochG の記録は蝸牛の残存聴覚機能の応答に依存するため 14、患者は異なるパターンの信号動作 16 を示し、CI アレイの位置を特定するツールとしての ECochG の使用を妨げる可能性があります。

電極とニューロンの相互作用またはインプラントの電気的活動を使用するシステムを使用して、術中に電極の脱臼または位置異常を検出するためのさまざまなツールが開発されています。電気的に誘発された複合活動電位の測定により、スカラー位置 17 と先端の折り目 18 を検出できます。さらに、インピーダンス 19 または励起の広がり 20 を使用して、好ましくない電極位置を検出できます。挿入後または手術後には、通常、電極の位置を検査するために放射線画像検査が使用されます。さまざまなシステムが利用可能であり、主に電離放射線を使用して電極の位置を制御します 3、10、11 が、人工内耳後の制御に磁気共鳴画像法 (MRI) を使用する研究が進行中です 21。

顔面神経モニタリング (FNM) は、神経外科 22、神経生物学 23、24、および耳下腺手術 25 などのその他の頭頸部介入で広く使用されています。 FNM では、顔面神経の支配下にある筋肉の筋電活動 (EMG) を監視し、第 7 脳神経の機能を間接的に測定します。 CI では、FNM は乳突筋や後鼓室切開術中の意図しない神経損傷を避けるために広く使用されています 26 が、一部の研究では、FNM の適用によって顔面神経を損傷するリスクは軽減されないことが示されています 27。 FNM は、ロボットによる人工内耳のナビゲーションにも使用されます 28。

CI は原理的には顔面神経を電気的に刺激できます。この効果は、人工内耳のまれではあるが望ましくない副作用である術後顔面神経刺激 (FNS) の基礎となっています。 FNS によって引き起こされる典型的な症状は、顔の筋肉の不随意のけいれん、または顔の筋肉の痛みを伴うけいれんです29。術後の FNS は、耳硬化症 30,31、蝸牛奇形 32 や、蝸牛の上部基底回転と顔面神経の迷路部分を隔てる骨の厚さが著しく減少している場合など、多くの既知の症状によって促進される可能性があります 33,34。

Frijns et al.35 による計算モデルの結果は、耳硬化症により顔面神経の刺激閾値が CI ユーザーの電気的ダイナミックレンジ内に収まる可能性があることを示唆しています。移植後に発生する FNS は、三相パルス刺激 36,37、電極の位置変更、インプラントの種類の変更、または最終的には外植によって軽減できます 38。一方、理論的には、十分に高い刺激レベルが適用された場合、FNS はどの CI ユーザーでも引き起こされます 36。ただし、これらの刺激レベルは、前述の状態を示さない CI ユーザーでは最大快適音量レベルを超えているため、麻酔をかけた被験者にのみ適用できます。

電極の蝸牛内位置を制御するための前述のすべての手段には欠点があるため、移植手順中に外科医にリアルタイムのフィードバックを提供する追加のツールが依然として求められています。この目的のために、本研究の目的は、新しい電気生理学的手法を開発することでした。この点において、通常 CI の望ましくない副作用とみなされている FNS は、手術中に意図的に誘発され、電極位置の推定への適用性が評価されました。

基本的な仮説は、顔面神経に近接した電極接点の刺激によって誘発される EMG 信号は、離れた電極接点とは異なるというものです。したがって、異なる信号を使用して、顔面神経に対するそれぞれの電極接触の相対距離を推定することができる可能性がある。これをテストするために、挿入中に最も先端の電極接点を FNS に使用するというコンセプトが開発されました。仮説として、電極の接触が顔面神経の迷路部分に近づくと、EMG 信号がリアルタイムで上昇します。顔面神経を通過した後、距離が増加すると、EMG 信号は低下するはずです。この手順により、顔面神経の領域における電極接触の通過を測定することができ、これは挿入の相対的な進行の兆候である。完全に挿入した後、すべての電極接触から刺激が実行されます。仮説として、EMG 信号は顔面神経に最も近い電極接触で最も高くなるはずです。したがって、すべての接触と顔面神経の間の距離を示すマップを生成でき、これを使用して完全な挿入を測定できます。

この研究は、ヴュルツブルク大学の耳鼻咽喉科、形成外科、美容外科、頭頸部再建外科で人工内耳移植を受けた成人患者9名（以下、被験者と呼び、S1～S9と略す）を対象に実施されました。。 7 人の女性と 2 人の男性が含まれ、年齢は 29 ～ 84 歳 (平均 = 53.67、SD = 22.72) 歳でした (人口統計の詳細については表 1 を参照)。全ての被験者は、ドイツの人工内耳ガイドラインＳｋ２に従って人工内耳の適応を満たしており、製造業者ＭＥＤＥＬＧｍｂＨ（オーストリア、インスブルック）のＳＮＹＣＨＲＯＮＹ２（登録商標）人工内耳システムを移植された。このメーカーは、インプラントを患者の解剖学的構造に最適にフィットさせるために、さまざまなアレイ長のさまざまなタイプの電極を提供しています。参加被験者には 4 種類の異なる電極が埋め込まれました (表 1 を参照)。表 2 に、使用した電極の種類、それぞれのアレイの長さ、および個々の接点間の間隔を示します。本研究では、アレイ上の電極接点には、頂端から基底まで昇順に番号が付けられました。

この研究はヘルシンキの宣言に従って実施され、ヴュルツブルク大学の倫理委員会(315/15_z)の承認を得た。手術前に、すべての被験者に研究について説明し、書面によるインフォームドコンセントを与えました。

実験セットアップ (図 1 を参照) は、Bahmer et al.36 によって導入されたシステムに基づいています。これは、ラップトップコンピュータ (2.5 GHz デュアルコア Intel CPU および 8 GB RAM)。すべての刺激および記録パラメーターは、ソフトウェア Matlab R2017b (The MathWorks Inc.、Natick、USA) でプログラムされたグラフィカルユーザーインターフェイスを介して制御されました。 RIB2 は、刺激パラメータをコマンドに変換し、遠隔測定送信コイルを介して被験者の CI に送信しました。生体信号増幅器は、顔面神経が支配する 2 つの異なる筋肉群に同側に挿入された皮下針電極を介して、刺激パルスに対する EMG 応答を記録しました。 M. orbicularis oculi の EMG 活動を記録する EMG チャネルは、眉の上の電極と目の下の電極間の電位差を測定しました。 M. orbicularis oris の EMG 活動を記録するチャネルの電極を、上唇の上と下唇の下に挿入しました。参照電極は、額と顎の不活性領域に配置されました。すべてのインピーダンスが 5 kΩ 未満であることが確認されました。刺激とEMG記録を同期させるために、RIB2は各パルスの開始時にトリガー信号を発信しました。トリガー信号は生体信号増幅器の入力に供給されました。生体信号増幅器の入力は 38.4 kHz のレートでサンプリングされました。デジタル化された信号はコンピューターのハードドライブに保存されました。

術中筋電図記録のための実験用セットアップ。このセットアップは、刺激および測定制御用の PC、刺激用のリサーチ CI インターフェイス (RIB2)、および 2 つの EMG チャネルを記録するための g.USBamp 生体信号アンプで構成されています。

刺激は、単極モードで適用される陰極先行相を備えた二相パルスで構成されていました。各パルスの位相期間は 150 μs に設定され、位相間ギャップは 2.1 μs に設定されました。各測定では、1 秒あたり 100 パルスの速度で 2 つの後続パルスが放射されました。

電極の挿入をリアルタイムで測定する手順には、次の手順が含まれます。まず、外科医が 2 つの電極接点を鼓膜スケールに挿入し、テスト導体が低電流レベルで最も尖端の接点から刺激を開始する間一時停止しました。印加した電流レベルがEMG反応を引き起こさない場合は、生体信号増幅器のバックグラウンドノイズから視覚的に識別できるEMG反応が記録されるまで、電流レベルを注意深く増加させた。次のステップでは、外科医が次の 2 つの電極接触による挿入を継続し、その後一時停止することが含まれます。一時停止中に、最初のステップで決定された電流レベルで刺激が実行され、対応する EMG 応答が測定されました。このステップは、完全な電極挿入が達成されるまで、一度に 2 つの電極接触に対して繰り返されました。図 2 は、段階的挿入時の測定手順の 3 つの理論上の重要な段階を説明しています。図 2A では、少数の電極接点のみが蝸牛に挿入されています。最根尖接触部と顔面神経との間の距離は依然として遠いため、刺激によって誘発されるのはわずかな筋電図反応のみです。図 2B では、挿入はすでに進んでいます。すぐ近くにあるため、最も尖端に接触すると顔面神経が最も効果的に刺激され、高い EMG 反応が引き起こされます。図 2C では、最も尖端の接触がすでに顔面神経を通過しており、両者の間の距離が再び増加しています。その結果、刺激はその有効性を失い、EMG 反応は挿入ステップごとに減少します。

リアルタイム測定の概略図。 EMG 活動は、人工内耳電極アレイの段階的な挿入中に記録されます。パネル (A、B、および C) は、測定手順の 3 つの異なる段階を示しています。顔面神経は、略語FNで示されます。

電極を完全に挿入した後、アレイ上のすべての電極接点から刺激を実行し、その後の EMG 応答を両方の EMG チャネルから記録しました。各被験者について、最適な信号対雑音比のデータを取得するために、異なる刺激レベルで複数の測定実行が実施されました。リアルタイム測定に使用される電流レベルが開始値として選択されました。この電流レベルでも、電極が完全に挿入された状態で個々の電極接触から明確な EMG 応答が生成された場合は、後続の測定実行ではより低い電流レベルが使用されます。ただし、この電流レベルが検出可能な EMG 応答を誘発しなかった場合は、検出可能な応答が測定されるまで電流レベルを増加させました。

挿入の制御のために、市販のソフトウェア Syngo DynaCT (Siemens Healthcare AG) を使用して血管造影システム (Axiom Artis; Siemens Healthcare AG、ドイツ、エルランゲン) でフラットパネルボリュームコンピュータ断層撮影 (fpVCT) スキャンを実行し、結果としてスライス厚 466 になりました。 μm。続いて、スライス厚 99 μm の二次再構成 (fpVCTSECO) が作成されました 39。すべての CT スキャンは DICOM 形式に変換され、オープンソースの医用画像ビューア Horos (バージョン 3.3.5; Nimble Co LLC d/b/a Purview, Annapolis, Maryland USA) にインポートされました。まず、体の 3 つの軸に対する回転によって生成される蝸牛の軸方向のビューである「蝸牛ビュー」40 を設定しました。この 2 次元ビューでは、各電極の電極顔面神経距離 (EFND) が、金属アーチファクトの中心と断面の顔面神経管の中心の間で測定されました。図 3A は、EFND 測定の概略図です。図 3B は、CI 電極コンタクトとアレイ上の位置、顔面神経、および電極コンタクト番号 3 の EFND を示す蝸牛ビューの fpVCTSECO スキャンの例です。

(A) 相対距離を色分けした電極顔面神経距離の測定の概略図 (赤: 最短距離、黒: 最長距離)。 (B) fpVCTSECO スキャンの蝸牛ビューにおける電極顔面神経距離の測定の例。 CI の電極接点には、頂端から基底の順に番号が付けられます。顔面神経管はスキャンで黄色でマークされます。緑色の破線は、顔面神経の中心と電極の接触番号 3 の間の距離を表しています。

データは、統計計算用プログラミング言語 R (バージョン 4.0.2) および統合開発環境 RStudio (バージョン 1.3.1073) を使用して分析されました。データのグラフィック表現には ggplot2 パッケージ (3.3.5) が使用されました。 EFND と正規化された EMG 振幅の間の相関を調査するために、統計パッケージ (4.0.2) を使用してノンパラメトリックスピアマンの順位相関を計算しました。

図 4 に見られるように、標準、FLEXsoft、または FLEX28 の電極タイプが埋め込まれた被験者の fpVCTSECO は、内側電極の接触番号 6 で最も短い EFND を示しました。両方とも短い電極タイプの FLEX24 が埋め込まれた S8 と S9 の最も短い EFND でした。、電極接触番号 3 および 4 についてそれぞれ測定しました。

電極の接触番号に応じた電極の顔面神経距離。距離は、蝸牛視野での fpVCTSECO スキャンから測定されました。色は、さまざまな埋め込み型電極のタイプに対応しています。

挿入中、被験者固有の電流レベルを使用して EMG 応答を刺激しました。それぞれの被験者に使用される電流レベルは、表 3 の 2 番目の列で確認できます。表 3 の 3 番目の列には、対応する電荷レベルが電荷単位 (QU) で示されており、1 QU はほぼ 1 nC に対応します。

9 人の被験者のうち 8 人では、電極を段階的に挿入している間、両方のチャネルで EMG 応答が継続的に記録されました。 S2 は分析から除外されました。これは、多数の 6 つの接点が挿入されるまで EMG 応答が誘発されず、挿入プロセスの半分について結論を引き出すことができなかったためです。被験者 S1 では、2 つではなく 4 つの接点がすでに挿入されているときに記録が開始されました。挿入中に使用される充電レベルは、最小 56.7 QU から最大 92.138 QU までの範囲で、平均値は 67.331 QU でした。

例として、図 5 は、被験者 S3 における段階的挿入プロセス中の生の EMG 記録を示しています。上の列と下の列は、それぞれ眼周囲と口周囲の EMG チャネルの EMG 曲線を示しています。現在挿入されているチャンネルの数は、各グラフの上の数字で示されます。示されている曲線は、後続の 2 つの刺激パルスによって誘発された EMG 信号の平均値です。刺激パルスによって引き起こされる電気刺激アーティファクトは、各記録の開始時に見られます。眼周囲 EMG チャネルの場合、アーチファクトは口周囲 EMG チャネルのアーチファクトの振幅の数倍であり、選択された y 軸スケーリングによりクリップされます。 2 つのチャネル間の EMG 応答の振幅を比較すると、口周囲チャネルで記録された応答強度が眼周囲チャネルの振幅の倍数であることが明確に示されています。被験者 S3 への段階的な挿入の過程で、6 つの電極接点が挿入されるまで、両方のチャネルの EMG 振幅が各ステップでどのように増加するかがわかります。 8 個および 10 個の電極接点の挿入が進むと、EMG 応答は再び減少しますが、12 個の電極接点の挿入が完了すると再び増加します。眼周囲管の場合、EMG 応答は 6 つの電極接点が挿入されたときに最大に達します。口腔周囲管の場合、最大値に達するのは挿入が完了した場合のみです。

被験者 S3 への電極挿入中の生の EMG 記録の例。各挿入ステップでの刺激電流レベルは 378 CU でした。上段は M. orbicularis oris の筋電図記録、下段は M. orbicularis oris の筋電図記録を示します。現在挿入されている接点の数は、グラフ上の数直線から読み取ることができます。各信号は、続いて放出される 2 つの刺激パルスに対する EMG 応答の平均に対応します。どちらの EMG チャネルでも、刺激パルスによって引き起こされる電気刺激アーチファクトが各記録の開始時に見られます。眼輪筋の場合、アーチファクトは眼輪筋のアーチファクトの振幅の数倍であるため、この表現ではクリップされています。

EMG 反応の強度は、被験者間だけでなく、眼周囲と口周囲の EMG チャネル間でも大きく異なりました。したがって、結果の比較可能性を高めるために、各被験者と各 EMG チャネルのデータが正規化されました。正規化プロセスでは、最低の EMG 応答に値 0、最大の EMG 応答に 1 が割り当てられました。

図 6 は、両方の EMG チャネルに対する段階的挿入中の正規化された EMG 応答を示しています。いくつかの例外を除いて、両方の EMG チャネルの測定は、8 人の被験者全員について安定した一致を示し、挿入が進むにつれて正規化された EMG 応答の初期増加とその後の減少が見られます。

8人の被験者における段階的電極挿入中の正規化されたEMG反応。 EMG 応答は、挿入された電極接点の数の関数として表示されます。実線と破線は、それぞれ眼周囲と口周囲の EMG チャネルに対応します。正規化により、値 0 が最小振幅、1 が最大振幅に割り当てられました。

図 6 は、S1、S3、および S6 の場合、EMG 応答が最後に向かって、つまりアレイが完全に挿入されたときに再び増加することを示しています。 S4 での測定では、挿入されたコンタクトの 2 つの異なる数 (眼周囲: 6、口周囲: 8) で EMG 信号のピークが示されました。残りの被験者については、蝸牛の内側部分に現れるピークにより、両方の EMG チャネル間の安定した一致が明らかになりました。挿入中のステップサイズが正確に一定であるという条件下では、刺激する尖端コンタクトの位置 P は、アレイ上のすべてのコンタクトの数の差として計算できると想定できます (すべての MED-EL 電極タイプは 12 個のコンタクトを備えています) ) と、既に挿入されている連絡先 Ninserted の数。段階的な挿入中、被験者 9 人中 8 人で EMG 振幅を継続的に追跡できました。

P に関する EMG 信号の偏向を考慮すると、完全挿入後の顔面神経に最も近い接触を推定できるようになります。表 4 は、各チャネルで最も高い EMG 応答を示す式 1 によって計算された P の値をリストし、それらをそれぞれの最短測定 EFND と比較します。この比較により、7 人中 5 人（眼周囲筋電図）および 7 人中 4 人（口周囲筋電図）の被験者において、画像処理と EMG 測定が明確に一致していることが明らかになりました。 S8 に関しては接点 3 が最も短い EFND を示します。挿入中に 2 つのコンタクトのステップサイズが使用されたため、奇数のコンタクト番号については正確な一致を判断できません。ただし、S8 では、隣接する接点 2 のピークが見えます。

挿入後の測定に使用される電流レベルは、リアルタイム測定中に使用される電流レベルとは異なります。表 3 の列 4 と列 5 は、それぞれ被験者固有の電流レベルと対応する充電レベルを示しています。各被験者は個別の刺激閾値を示し、それを超えると視覚的に明確に検出可能なEMG反応が観察できました。挿入中に使用される充電レベルは、最小 46.778 QU から最大 170.1 QU までの範囲であり、平均値は 77.648 QU でした。ただし、刺激レベルが高すぎると、使用する電極接触によっては明確なピークが得られなくなる可能性があります。そのような「故障」により、アレイのいくつかの接点で強いEMG応答が引き起こされ、EMG振幅による顔面神経に対する電極の位置の推定が妨げられました。したがって、明確な EMG 応答を引き出し、可能な限り最良の空間区別を可能にする刺激振幅を使用して記録されたデータのみが分析に含まれました。 9 人の被験者それぞれについて、完全に挿入された電極アレイのすべての接触による刺激後の M. orbicularis oris の EMG 応答を図 7 に、M. orbicularis oris の EMG 応答を図 8 に示します。追加の次元として、各被験者の接触ごとの放射線学的に測定された EFND が、図 7 と図 8 の曲線に対する相対的な色の勾配としてプロットされました。リアルタイム測定に関しては、各被験者と各 EMG チャネルの EMG 反応は比較しやすくするために正規化されています。正規化により、最低の EMG 応答に値 0、最高の EMG 応答に 1 が割り当てられました。 EMG データにおけるスパイクの存在の評価基準として、正規化された EMG 応答の 75% における閾値を任意に定義しました。図 7 と図 8 からわかるように、単一電極接点と複数電極接点で選択された電流レベルはそれぞれ、正規化された EMG 振幅の 75% を超える応答強度を達成しました。閾値を超えた EMG 応答は、以降ピークと呼ばれます。表 5 は、どの電極接触で最も短い EFND が放射線学的に測定されたか、および完全な挿入後にどの接触で EMG ピークが測定されたかをまとめています。

完全に挿入された電極アレイ上の接点の関数としての M. orbicularis oculi の正規化された EMG 応答。色のグラデーションは、各被験者の放射線学的に決定された電極顔面神経距離 (赤: 最短距離、黒: 最長距離) を表します。水平の破線は、75% 正規化された EMG 応答で任意に選択された EMG 閾値を示します。

完全に挿入された電極アレイ上の接点の関数としての M. orbicularis oris の正規化された EMG 応答。色のグラデーションは、各被験者の放射線学的に決定された電極顔面神経距離 (赤: 最短距離、黒: 最長距離) を表します。水平の破線は、75% 正規化された EMG 応答で任意に選択された EMG 閾値を示します。

図 9 の散布図は、術後に決定された EFND と、完全挿入後のすべての被験者の電極接触ごとに測定された眼輪筋 (左側) および口輪筋 (右側) の EMG 応答の正規化された振幅との関係を示しています。データの線形回帰関数 (赤い実線) と対応する信頼区間 (95%) は、両方の筋肉グループで EFND の増加に伴って正規化された EMG 応答が明らかに減少していることを示しています。スピアマンの順位相関係数 R により、眼周囲筋電図チャネルについては負の中程度の相関関係 (R(106) = − 0.39、p < 0.001)、口周囲筋電図チャネルについては負の強い相関関係 (R(106) = − 0.6、p < 0.001) が明らかになりました。 0.001）。どちらの相関関係も統計的に有意でした。

すべての被験者における完全挿入後の眼輪結核（左側）と口輪（右側）の正規化されたEMG応答と、放射線学的に測定された電極顔面神経距離との間の相関。赤い線はそれぞれの結果の線形回帰を示し、回帰線の周囲の灰色の陰影領域は 0.95 の信頼区間を示します。 R はスピアマンの相関係数、p は相関の有意水準です。

本研究では、CI 電極を介した電気刺激によって誘発された FNS が、挿入中および挿入後の電極アレイの蝸牛内位置のマーカーとして使用できるかどうかが検討されました。顔面神経までの距離が短い電極接触 (EFND) は、遠く離れた接触よりも効果的に神経を刺激できるという仮説が立てられました。この研究の最初の部分には、CI 電極アレイの段階的な挿入中の EMG 応答の記録が含まれていました。ステップサイズは一度に 2 つのコンタクトでした。各ステップの後、刺激パルスがアレイ上の最も先端の接触部から発せられ、眼輪筋と口輪筋の誘発されたEMG反応が記録されました。研究の第 2 部では、完全に挿入された電極アレイ上の各接点から刺激パルスが連続的に放出され、誘発された EMG 応答が記録されました。各患者のEFNDは術後のfpVCTSECOスキャンで測定され、術中に記録されたEMG反応と比較された。

fpVCTSECO スキャンの「蝸牛ビュー」における EFND の測定は、十分な実現可能性を示しました。興味深いことに、2 種類の勾配はその最小値、つまり最短の EFND に基づいて区別できます (図 4)。 1 つのスロープタイプはコンタクト 3 または 4 で最も短い EFND を示し、最も短い電極タイプ (FLEX24) のみが含まれていました。このタイプの電極は、残存聴力を維持する必要がある場合に埋め込まれます。したがって、より多くの頂端有毛細胞の機能を維持しながら、高周波の範囲で損傷した内有毛細胞を置換するには、電極は蝸牛の長さを部分的にのみカバーする必要があります。したがって、電極の先端に近い接点は顔面神経に最も近くなります。

もう 1 つのタイプの勾配は、接触 6 で最も短い EFND を示し、蝸牛を完全にカバーするために使用されるすべての電極タイプ (FLEX28、FLEXsoft、および Standard) を含みました。 FLEX28 と FLEXsoft または Standard の間の長さの違いにもかかわらず、3 つの電極タイプのそれぞれで最も短い EFND が接点 6 で測定されたという事実 (表 2 を参照) は、FLEXsoft と Standard がより長い長さで蝸牛に埋め込まれたという事実によって説明できます。 CDLと両タイプはFLEX28よりも接点間の距離が長くなります。

さらに、28 mm 電極と 31.5 mm 電極の間の基底コンタクトからコンタクト 6 までの長さの差は比較的短く (1.5 mm (5 × 0.3 mm))、コンタクト間の距離 (2.1 または 2.4 mm) よりも小さくなります。。したがって、その差は十分大きくない可能性があり、番号 6 以外の別の接触部は顔面神経に近いものの、EFND は低くなります。この知識はさらなる開発や研究に使用される可能性があります。 EFND のさらなる測定により現在の結果が確認された場合、長い電極タイプで蝸牛が完全にカバーされている場合、電極 6 が常に最も低い EFND を示します。これは、EMG 信号を測定するだけで、臨床ルーチンで適切なアレイが正しく挿入されているかを確認するために使用できる可能性があります。挿入後。蝸牛が部分的にカバーされている場合（電気音響刺激など）、EMG 信号を考慮してどのコンタクトの EFND が最小であるかを術前に決定できる可能性がありますが、このコンタクトは顔面神経の最も近くに移植する必要があります。

患者 9 人中 8 人では、CI アレイ挿入中に電気的に誘発された EMG 信号のモニタリングに成功しました。挿入深さが進むにつれて、最初は最も尖端の接触部と顔面神経の間の距離が減少し、刺激効果が増加しました。これは、挿入された接点の数の関数としての EMG 振幅の上昇によって観察できます。その後、挿入深さが進むにつれて、電極と顔面神経の間の距離が再び増加し、これが EMG 振幅の減少に反映されました。最後の挿入ステップの後、被験者のうち 4 人が EMG 振幅の新たな増加を示しました。これは、長い電極タイプ (標準、FLEX28) を埋め込まれた被験者のみに発生し、短い FLEX24 を提供された 2 人の患者には発生しませんでした。したがって、この増加は、蝸牛の 2 回転目での顔面神経との最尖端の接触の二次近似によるものであると推測できます。被験者 8 人中 5 人では、75% 正規化 EMG 振幅の閾値を超える EMG ピークを示す挿入コンタクトの推定数と放射線学的に測定された EFND との間に一致がありました。ある被験者では、奇数の接触番号に対して最短の EFND が測定されましたが、EMG ピークは偶数の隣接する接触の 1 つに現れました。これらの結果は、挿入の増加中に顔面神経の領域での電極先端の通過が筋電図的に測定できるという仮説を裏付けています。

ECochG は、人工内耳挿入中のリアルタイムモニタリングに使用できるもう 1 つの電気生理学的測定です 14。 ECochG は通常、CI 電極の挿入によって引き起こされる蝸牛の外傷を監視するために使用されますが、人間と動物を対象とした研究では、電極の挿入深さが増すにつれて信号振幅が増加することが報告されており、これは蝸牛尖の聴覚機能が残存する領域までの距離が減少していることを反映していると考えられます 15 。挿入深さの測定として ECochG に勝るこの研究で提示された筋電図測定の利点は、電極の相対位置を推定するための解剖学的ランドマークとして顔面神経を使用できることです。

完全に挿入した後、各電極接点から刺激を実行し、誘発された EMG 応答を記録しました。 EMG プロファイルは、各被験者と使用した 2 つの EMG チャネル間の比較を改善するために正規化されました。アレイに沿って EMG ピークを示した電極接触を特定するために、75% 正規化された EMG 振幅の任意に選択された閾値が使用されました。このようにして特定された電極接点を、術後の fpVCTSECO 画像で最も短い EFND を示した電極接点と比較しました。

興味深いことに、挿入後の測定では、一部の被験者 (S7 など) について EMG 振幅の複数のピークが示されました。この効果は仮説と多少矛盾しており、EFND 単独よりも多くの要因が FNS に影響を与える可能性があることを示しています。既存のデータを使用してこれらの要因を特定することは、この研究の範囲を超えています。理論的には、このようなピークは、影響を受けた電極接点が、EMG 振幅は低いが EFND が比較的低い電極接点よりも組織に対する接触抵抗 (つまり、インピーダンス) が低いことを示している可能性があります。ただし、埋め込み後に行われた電極インピーダンスの日常的な測定では、これらの接触部でより高い値が記録されなかったため、電極インピーダンスは考えられる要因として除外できます。逆に、これらのピークは、むしろ、それぞれの電極接点と顔面神経の間の特に高い導電率の経路を示している可能性があります。したがって、複数のピークは、個々の電極接点での導電性媒体 (外リンパなど) の不均一な分布の結果である可能性があります。 Calloway et al.15 は、電極の挿入深さが進むにつれて ECochG 測定値の振幅が増加するのは、蝸牛発電機に関するより好ましい形状によるものである可能性があることを示唆しました。したがって、本研究の挿入後の EMG 振幅のピークまたはディップは、個々の電極接点と顔面神経の間の有利または不利な幾何学的形状の結果である可能性もあります。しかし、仮説によれば、両方のEMGチャネルは、9人の被験者中5人で最も短いEFNDピークとEMGピークの間の一致を示しました（眼周囲：S1、S2、S5、S6、S8、口周囲：S1、S2、S5、S7、S8）。閾値を超えたピークに加えて、挿入後測定の結果は、電極アレイの先端側半分にある接触部でより高い EMG 応答を示しました。挿入測定のデータで観察されるように、これは、より基底の接触よりも 2 回目の蝸牛回転内で顔面神経に近い接触の EFND の減少を反映している可能性があります。この仮定は、正規化されたEMG振幅と各接触のEFNDの間に中程度（眼周囲）および強い（口周囲）負の相関関係を示した相関分析の統計的に有意な結果によっても裏付けられています。

挿入後のEMG応答パターンと挿入中のEMG応答パターンを比較すると、場合によっては両方の手順が同じ被験者(たとえばS4)で異なる応答パターンを引き起こしたことが示されています。他のすべての被験者については両方の手順が異なる刺激レベルで実行されたため（表 3 を参照）、直接比較が可能なのは 3 人の被験者（S3、S7、および S8）についてのみであることに注意してください。手動で制御された段階的な挿入中のステップサイズの不正確さも、挿入後に再現できない偏った応答パターンを引き起こした可能性があります。

この研究の目的は、このアプローチの実現可能性を証明することでした。提示された測定はまだ開発中であるため、精度を高めるにはさらなる改善が必要です。次のセクションは、将来の研究のための出発点を提供することを目的としています。

「蝸牛ビュー」では、患者の解剖学的構造の 2 次元表現の EFND のみが提供されました。しかし、蝸牛に近い顔面神経は複雑な三次元の経路を示します。さらに、CI アレイは蝸牛の回転を通過するときに 3 次元での位置を変更します。本研究で提案された EFND 測定は、実際の距離の推定値として考慮される必要があります。したがって、今後の研究では、3 次元の解剖学的構造を考慮することで EFND をより正確に決定できるかどうかを調査する必要があります。最近の研究では、術後 FNS 患者は、蝸牛の上部基底回転と顔面神経の迷路部分の間の距離と骨密度が著しく低いことが報告されています 33,34。したがって、将来の研究にはEFNDに加えて、電流の伝播に影響を与える可能性のある骨密度などのパラメータも含める必要があります。本研究における段階的挿入は手動で行われた。したがって、すでに挿入されている連絡先の数は推定することしかできません。さらに、すでに挿入されている電極アレイの長さを正確に示すために解剖学的に定義された基準が欠落していました。閾値の 75% 正規化 EMG 振幅は任意に選択されたものであり、ピークを検出するための大まかな方法にすぎません。最新のピーク検出方法では、さまざまなピークをより適切に区別できる可能性があります（顔面神経に近接した接触、蝸牛の 2 回転目での最も心尖端の接触）。将来の研究では、顔面神経と顔面神経によって神経支配されている筋肉の疲労を軽減する反復回数を増やす刺激パラダイムの変更を検討する必要があります。これにより、信号対雑音比が改善され、さらに、ピーク検出に対する異常値（手術室からの電気的アーチファクト、患者の自発的動き）の影響が軽減されます。使用されたより高い刺激振幅により、蝸牛とその周囲の解剖学的構造内でより広い電場が生じ、これがシステムの精度に影響を与えた可能性があります。口輪筋の測定により、より高い振幅の EMG 応答が得られ、信号対雑音比が向上しました。したがって、眼輪筋での測定と比較して、より低い電流レベルを刺激に適用することができ、その結果、EMGの空間分解能が向上するはずです。したがって、著者らは今後の研究では口輪筋のEMG測定に焦点を当てることを提案しています。

私たちの知る限り、これは人工内耳移植中および移植後の挿入状態のリアルタイムモニタリングに意図的な FNS を使用する可能性を実証した最初の研究です。このシステムは、FNS 刺激を適用することにより、蝸牛の約 200 度に相当する基底回転における少なくとも最初の 6 つの埋め込まれた接点について、電極の位置を非常に正確に決定できるため、人工内耳埋め込みの分野に役立つ可能性があります。約 540 度の回転の途中で刺激接触が顔面神経に近づくと EMG 信号が再び上昇するという証拠があるため、この方法では、仮説的には電極先端の折り込みも検出できる可能性があります。このシステムは、手術後およびインプラントの装着中ずっと、さらなる測定を行うために簡単に使用できます。創傷閉鎖後、システムは、骨膜、皮下組織、および皮膚の縫合中の操作によって電極の変位が生じた可能性があるかどうかを制御できます。さらに、手術後に電極の突出の疑いがある場合は、誘発筋電図の測定を再度実行することができます。電極が移動されていない場合は、以前と同じ刺激接触で最高の EMG 応答が測定されるはずです。

長期的には、このシステムは放射線を使わない人工内耳移植に使用される可能性があります。脳への放射線被ばくがさらに重大なリスクをもたらすという疫学研究からの証拠が増えているため、放射線を省略することは、特に子供にとって大きな利益となる41。この概念では、CDL 45,46 の測定、顔面神経の走行 47 および側頭骨のサイズ 48 の検査など、移植の術前計画が MRI 画像で実行されます。術中および術後の制御のために、提示されたシステムは ECochG49 または電気的に誘発された複合活動電位 18 と組み合わせて使用できます。必要に応じて、メーカーが定義した待ち時間の後、特別なプロトコルで MRI スキャンを実行し、電極の位置を調査することができます21。

蝸牛管の長さ

人工内耳

蝸電図検査

電極顔面神経距離

筋電図検査

顔面神経モニタリング

顔面神経の刺激

フラットパネルボリュームコンピュータ断層撮影法

磁気共鳴画像法

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著者らは、参加してくれた CI 受領者と、広範な支援をしてくれたヴュルツブルク大学総合聴覚センターのチームに感謝します。

この出版物は、ヴュルツブルク大学のオープンアクセス出版基金によって支援されました。 Projekt DEAL によって実現および組織されたオープンアクセス資金調達。

ヴュルツブルク大学耳鼻咽喉科、形成外科、審美外科、頭頸部再建外科、総合聴覚センター（ヨーゼフ・シュナイダー通り） 11, 97080, ヴュルツブルク, ドイツ

デヴィッド・P・ハーマン、フランツ＝タッシーロ・ミュラー＝グラフ、ステファン・カウリッツ、マリオ・セブッラ、アンジャ・クルツ、ルドルフ・ハーゲン、クリステン・ラック

ヴュルツブルク大学、ヨーゼフ・シュナイダー通りの診断・介入神経放射線科 11, 97080, ヴュルツブルク, ドイツ

ティルマン・ナイン

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KR と DPH がこのプロジェクトを考案し、設計しました。 RH と KR が研究を監督しました。 AK は研究への参加に適した患者を事前に選択しました。 KRとSKはCI手術を行った。 DPH は MC の支援を受けて EMG 記録セットアップを構築し、術中 EMG 測定を実施しました。 TN は医療画像処理 (fpVCT) を実行し、fpVCT スキャンの二次再構成で FTMG と DPH をサポートしました。 DPH は fpVCTSECO および EMG データを評価し、数値や統計を含む分析を実行しました。 DPH と KR が原稿を書きました。著者全員が原稿をレビューしました。

クリステン・ラックへの手紙。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Herrmann、DP、Müller-Graff、FT、Kaulitz、S. 他。蝸牛内電極の位置を推定するための電気生理学的ツールとして、人工内耳移植中の意図的な顔面神経刺激の適用。 Sci Rep 12、13426 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-17732-9

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受信日: 2021 年 8 月 20 日

受理日: 2022 年 7 月 29 日

公開日: 2022 年 8 月 4 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17732-9

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