Choclear implant – principle

Structure of Cochlear

달팽이관의 가운데 부분을 가로지르는 basilar membrane에서는 주파수 분석이 이루어진다. 20~20,000 Hz 되는 가청주파수에서 각각의 주파수들이 각 membrane의 위치에 mapping 되어 있다. (Apex: 20 Hz, Base: 20,000 Hz) 또한 기저막에서의 소리 전파는 여행파(traveling wave)의 성격을 갖는다.
소리가 들어오면 어떤 특정 부분들이 진동한다. 진동하는 부위를 보면 해당 소리가 어떤 주파수 성분을 갖고 있는지 알 수 있다. 진폭은 해당 주파수 성분의 강도를 나타낸다.

위 그림의 흰색이 hair cell을 나타내고 부동섬모(stereocilia)를 가지고 있다. hair cell 상단에는 tectorial membrane이 위치한다. membrane에 닿아있는 섬모들은 membrane이 진동할 때 ion channel이 열리는데 ion의 이동으로 인해 막전위가 변화되어 신호가 전달된다.

hair cell 이전 basilar membrane 까지는 음성에 의한 기계적 신호가 존재했다면 hair cell부터는 전기 신호가 생기는 것이다. 전압의 변화는 신경 다발을 통해서 뇌까지 전달된다.

Cochlear Implant for the Deaf

Inner hair cell(IHC)이 청각을 직접적으로 담당한다. Outer hiar cell(OHC)은 소리의 지각보다는 운동을 담당하고 있다.
정상인에서는 기저막 특정 장소에 붙어있는 IHC가 진동을 감지해서 신경 다발을 통해서 신경절 세포에 전달이 되고 뇌까지 신호가 전달된다.
하지만 청각장애 환자에서는 기저막에 IHC들이 존재하지 않는다. 달팽이관이 완전하고 신경다발이 완전하다 하더라도 이 둘을 이어주는 IHC이 손상되어 있기 때문에 소리가 전달되지 못한다.
즉, 인공와우는 IHC 역할을 대신하여 달팽이관의 기저막으로 부터 오는 주파수 성분의 진폭 정도를 신경다발로 전달하는 역할을 한다.

Structure of Cochlear Implant

외부기와 내부기로 구성이 되어 있다.

외부기 구성

• 마이크: 음성신호를 전기신호로 변환한다.
• 주파수분석기, DSP(Digital signal processor): FFT를 이용하여 주파수 분석, 어떤 주파수 성분의 진폭이 얼마인지 숫자로 표현되고 그 이후에 디지털화한다(디지털화 할 경우 잡음이 감소).
• 외부 코일: 구리로 되어 있으며 내부 코일로 신호를 전달한다.
• 배터리: 저전력 회로의 발전으로 AA 건전지 하나로 1일 사용 가능한 정도

내부기 구성

• 내부 코일: 백금(부식 방지, 비쌈)으로 되어 있으며 외부 코일로부터 신호를 받는다.
• 자석: 외부 코일의 자석에도 존재, 두 자석이 피부를 사이에 두고 만나 코일과 코일 사이의 거리를 최대한 작게(1cm 미만)해주고 옆으로 어긋나는 것을 막아준다. mri 사용의 보급으로 최대한 약한 자석을 사용한다.
• IC chip: 티타늄으로 되어 있으며 디지털 신호를 다시 복호화한다. 각 주파수의 해당되는 달팽이관에 전극을 전송하는 역할을 한다(Spiral ganglion cell을 자극).
• 전극(자극전극, 기준전극): 자극전극은 미리 말아놓아서(Pre-curved, Modulous hugging electrode) 달팽이관 중심에 있는 spiral ganglion cell에 쉽게 접근할 수 있게 한다.

전극의 수

Number of channels = Number of electrode sites

1600개의 IHC가 있으므로 1600개의 전극을 넣고 가청 주파수를 1600개의 구간으로 나누면 된다고 생각할 수 있겠지만 실제로 쓰고 있는 전극의 개수는 20개 정도이다. 하지만 90%의 언어인지율이 가능하다.
Oval window는 이소골의 마지막 뼈인 망치뼈가 들어가는 곳이다. 초창기에는 전극을 Round window의 옆으로 삽입했다(최근에는 Round window로 전극을 삽입). 전극 body 자체는 절연체이지만 그 안에 bipolar contacts를 넣어놓고 spiral ganglion cell을 자극한다. 자극 받은 spiral gangalion cell은 auditory nerve로 전기신호를 전달한다.
가장 높은 주파수는 base, 가장 낮은 주파수는 apex에 위치한다.