Wazeggie? Een beter bionisch oor

Het oor is zo’n delicaat orgaan dat zelfs de fijnste microchirurgie te grof kan blijken om de hoorfunctie te herstellen, aldus de Leidse KNO-hoogleraar prof.dr.ir. Johan Frijns. Het oor is zijn favoriete orgaan vanwege de fysische complexiteit, de neurale verfijning en de cruciale rol in de menselijke communicatie.

En vooral ook omdat hij de mogelijkheid heeft daadwerkelijk iets te doen wanneer een kind doof ter wereld komt. Nog voor de eerste verjaardag wordt dan een implantaat in het slakkenhuis aangebracht (een cochleair implantaat) dat in samenhang met een externe elektronische unit het kind in staat stelt om te horen en te leren spreken.

Op zijn zestiende vertelde Frijns zijn Limburgse ouders dat hij medische technologie wilde studeren. Medisch vanwege het nut en technologie omdat het zo leuk was. Alleen bestond die studie nog niet. Frijns studeerde daarom eerst natuurkunde in Delft en begon in zijn laatste jaar met een studie geneeskunde in Leiden. Ook die studie maakte hij af, gevolgd door vijf jaar specialisatie in de otorhinolaryngologie (keel-, neus- en oorkunde). In 2005 werd hij aan het LUMC benoemd als hoogleraar in dat vakgebied, en het zal niemand verbazen dat hij met zijn collega, klinisch fysicus en audioloog dr.ir. Jeroen Briaire (ook een Delfts alumnus) erg geïnteresseerd is in nieuwe technologieën waar toekomstige patiënten bij gebaat zijn.

Gewaagde ideeën

De Leidse KNO-groep werkt samen met onder anderen prof.dr. Paddy French, Nishant Lawand MSc. en dr.ir. Wouter Serdijn van de faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica in het STW perspectiefprogramma Smac-it (smarter cochlear implants), waarbij ook het Amerikaanse bedrijf Advanced Bionics betrokken is. De directeur externe research van AB, Paddy Boyle zegt daarover: “Officieel is mijn baan om onderzoek in ziekenhuizen en universiteiten mogelijk te maken. Maar eigenlijk komt het erop neer dat ik onze directeuren vertel waarom het belangrijker is om bepaald academisch onderzoek te ondersteunen dan de onderwerpen die ze zelf bedacht hebben.” Boyle, die vanwege dezelfde voornaam en gemeenschappelijke Ierse wortels wel een ‘klik’ heeft met hoogleraar micro-elektronica Paddy French, vindt universitair onderzoek vooral aantrekkelijk vanwege de gewaagde ideeën (‘really weird things’) zoals de elektrodes van silicium waaraan in Delft gewerkt wordt.

Zoals gezegd: het oor is een verfijnd orgaan waar nanotechneuten nog wat van kunnen leren. Frijns beschrijft de werking in kort bestek. Het begint met de overbrenging van de trillingen van het trommelvlies via het bekende bottentrio hamer, aambeeld en stijgbeugel naar het twintig keer kleinere ovale venster van het met vloeistof gevuld slakkenhuis. Luchttrillingen worden op die manier uiterst efficiënt omgezet in trillingen van de vloeistof in het slakkenhuis. Het geniale van het binnenoor is dat het geluid gescheiden wordt naar frequentie. Hier vindt realtime een mechanische Fourier-analyse plaats; elke plek van het membraan in het slakkenhuis (Latijn: cochlea) komt overeen met een bepaalde frequentie. De hoogste frequenties zitten aan de onderkant van het slakkenhuis, de laagste bovenin. Eén octaaf correspondeert met een afstand van drie millimeter. In totaal maakt de cochlea 2¾ winding. Zo’n drieduizend haarcellen brengen de trillingen over naar dertigduizend neuronen die als een één millimeter dunne gehoorzenuw de informatie naar de hersenen transporteert. Tien neuronen per haarcel maken het mogelijk om voor elke toonhoogte subtiele verschillen in geluidsterkte waar te nemen.

Dubbel doof

Maar soms gaat er iets bij de aanleg al fout, en komt een kind dubbelzijdig doof ter wereld. In Nederland is dat bij één op de duizend kinderen het geval; zo’n tweehonderd patientjes per jaar. Niets horen en niet leren spreken – de handicap van uitgesloten te zijn van gesproken communicatie kan moeilijk overdreven worden. Maar ook bij die kinderen functioneert de gehoorzenuw meestal wel.

Vandaar het idee om de gehoorzenuw elektronisch te prikkelen, wat al in 1957 door een Franse KNO-arts en een ingenieur voor het eerst is ondernomen. De patiënt, een vijftigjarige man die door eerdere operaties volledig doof geworden was, kreeg een zilveren spoel geïmplanteerd met tweeduizend windingen en roestvrijstalen contacten. Het signaal werd met een externe spoel overgezonden. Ruw als het was, het implantaat werkte wel: de man kon geluiden horen, maar aanvankelijk geen spraak verstaan.

Moderne implantaten bestaan uit een externe unit achter het oor die het geluid opvangt en opsplitst in 8 tot 120 kanalen met verschillende frequenties. De unit voedt een spoel met een magneet die aan de buitenkant van de schedel vastklikt tegenover een geïmplanteerde ontvanger. Vanuit de ontvanger voert een draad naar een rij elektrodes (tussen de 12 en 22 stuks) die binnen het slakkenhuis geïmplanteerd wordt. Hiermee uitgerust kan negentig procent van de volwassen patiënten weer een telefoongesprek voeren.

Maar feestjes zullen ze mijden, en muziek zullen ze ook niet gauw op zetten. Want het gereconstrueerde gehoor is hooguit een schaduw van wat wij als geluid kennen.

Akoestische simulaties die met een Vocoder (voice encoder) gemaakt zijn, maken duidelijk wat een cochleair patiënt na een implantatie hoort: een vlak, ruisachtig en schrapend geluid dat abrupt stopt en weer begint. Afhankelijk van het aantal kanalen kan de luisteraar met meer of minder moeite een gesproken tekst ontcijferen – mits de omgeving rustig is. Genieten van muziek is niet aan de orde zolang gitaarmuziek als een Afrikaans drumconcert klinkt.

Het cochleair implantaat of ‘bionisch oor’ mag dan een wonder van medische technologie zijn dat een kwart miljoen mensen een gehoor heeft gegeven, het is evenzeer duidelijk dat er nog een boel aan te verbeteren valt.

lagere kosten

De huidige implantaten worden met de hand gemaakt in de Verenigde Staten. Zo gaat het althans bij Advanced Bionics. Bij de firma’s Cochlear (Australië) en MedEl (Oostenrijk) zal het niet veel anders zijn. Ragfijne onderling geïsoleerde draadjes solderen ze aan platina plaatjes van 0,3 bij 0,4 millimeter. Daarvan zijn er 16 op een rij in een implantaat van 28 millimeter lengte. Dat kost een dag werk en de kostprijs – voor alleen de elektrodes – is zo’n 600 euro.

Dat de 17-aderige kabel wat stijf is, zal niemand verwonderen. In Delft is daar iets anders voor bedacht: de technologie van de micro-elektronica maakt het mogelijk om contacten industrieel te vervaardigen waardoor de elektrodes gestandaardiseerd kunnen worden tegen veel lagere kosten.

Het achterliggende probleem is dat de huidige implantaten eigenlijk te grof zijn voor de structuur van het binnenoor. Het lijkt erop dat de elektrodes meerdere haarcellen tegelijk activeren met als gevolg dat de geluidskwaliteit voor de patiënt slechter is dan je op basis van het aantal kanalen en elektrodes zou verwachten.Promovendus Nishant Lawant laat zien hoe de geleiders en de contacten laag voor laag opgebouwd worden op een silicium ondergrond die voorzien is van een 10 micrometer dunne laag van polyimide (een kunststof die niet toxisch is en niet afgestoten wordt). Als alle lagen zijn opgebouwd, wordt de silicium onderlaag weggehaald en wat rest is een uiterst flexibel stripje met contacten – de electrode array. Vooralsnog heeft het prototype twaalf contacten en dertien geleidingsbanen (één gemeenschappelijke aardcontact) en is 10 millimeter lang en 1 mm breed.

Frijns wil het prototype volgend jaar implanteren bij cavia’s. Dat zijn de lievelingsdieren van audiologen omdat hun slakkenhuis goed bereikbaar in het middenoor zit, en niet diep ingebed in een rotsbeen. Samen met dr.ir. Wouter Serdijn (EWI) hebben Frijns en Briaire het STW project Reasons lopen, dat staat voor realtime sensing of neural signals. Daarbij willen de onderzoekers niet alleen het binnenoor stimuleren, maar ook het resulterende zenuwsignaal meten (dat honderd tot duizend maal zwakker is).

oplossen

Nog afgezien van de werking is het de vraag hoe het lichaam reageert op het implantaat en andersom. Het lichaam lijkt polyimide te tolereren, maar hoe zit dat met titanium nitride, waarvan de contacten gemaakt zijn? Lossen onderdelen niet langzaam op in het lichaam? Van zout water is het bekend dat het verwoestende uitwerking heeft op elektronica. Hoe voorkom je dat zoiets in het lichaam plaatsvindt?

Paddy Boyle ziet de electrode array als een platform voor innovatie. De elektronicaboys willen namelijk graag actieve elementen kunnen opnemen in hun strip. Dan wordt het mogelijk om het aantal contacten uit te breiden tot zeg tweehonderd en toch maar drie leidingen te gebruiken (voeding, aarde en multiplex) waarmee alle contacten van signaal kunnen worden voorzien.

Zo’n smal en dun implantaat vlijt zich waarschijnlijk dichter tegen de binnenzijde van het slakkenhuis, waardoor het mogelijk wordt kleinere groepen neuronen meer specifiek te stimuleren. Ook zou de fijnheid ervan kunnen helpen om verder in de cochlea te komen en daarmee lagere toonhoogten aan te sturen. Het grootste voordeel van de toekomstige electrode array lijkt de flexibiliteit in de aansturing. Na de implantatie kan de audioloog samen met de patiënt bepalen hoe hij softwarematig de frequentiekanalen optimaal over de contacten verdeelt. Die configuratie is naderhand ook weer te wijzigen.

En daar houdt de innovatie niet mee op: de onderzoekers ontwikkelden tevens een chip van 0,2 millimeter in het vierkant die de dunne elektrode kan aansturen en ook software die de dataoverdracht door de schedel betrouwbaarder en energiezuiniger maakt.

Frijns weet echter dat vernieuwing in de  geneeskunde een lang proces is. Hij denkt over tien jaar toestemming te krijgen voor de eerste implantaties als klinische test. “Ik hoop het nog mee te maken in mijn actieve carrière”, grapt de vijftiger.  Frijns vindt het prettig om toegang te krijgen tot de modernste technieken en merkt dat Delftenaren het fijn vinden om aan concrete medische toepassingen te werken. De samenwerking helpt volgens Frijns om ‘in de pas te blijven’ en geen dingen te ontwikkelen die niet gebruikt kunnen worden doordat bijvoorbeeld medische regelgeving dat in de weg staat.

“Medici zitten vaak vast in wat ze kennen en weten. Technici daarentegen zijn soms zo gedreven dat ze de toepasbaarheid uit het oog dreigen te verliezen”, constateert de arts/ingenieur.