Modèles de conduction électrique pour la stimulation de l'implant cochléaire

Electrical conduction models for cochlear implant stimulation

• Auteur / Autrice : Kai Dang
• Direction : Maureen Clerc
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique et traitement du signal et des images
• Date : Soutenance le 13/06/2017
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Nice (1965-2019)
• Partenaire(s) de recherche : : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Computational Imaging of the Central Nervous System - Oticon Medical / Neurelec
• Jury : Président / Présidente : David Guiraud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maureen Clerc, David Guiraud, Tania Hanekom, Andreas Büchner, Valérie Louis-Dorr, Olivier Macherey
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tania Hanekom, Andreas Büchner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stimulation électrique

Implants cochléaires

Mots clés libres

Méthodes à éléments de frontière

Implant cochléaire

Stimulation électrique

Maillage de surface

OpenMEEG

Cochlear implant

Electrical stimulation

Surface mesh

Boundary element method

OpneMEEG

Résumé

De nombreux modèles numériques ont été proposés pour mieux comprendre comment le courant électrique est répartit lors d’une stimulation électrique par implant cochléaire. Ceci permet à terme d’optimiser la géométrie des électrodes et les stratégies de stimulation. Les modèles précédemment proposés modélisent les modèles d'interface électrochimique de façon très basique, et ne prennent généralement compte que de l'intensité du courant sur les électrodes. Par conséquent, il leur est difficile de simuler la dynamique temporelle de la stimulation ou de modéliser la répartition du courant en fonction de différents modes de stimulation contrôlés en tension, tels que le mode de de retour commun (Common Ground), ou de retour multiple (Multi-Mode Grounding). Dans cette thèse, nous avons développé un nouveau modèle surfacique de la cochlée. Le modèle géométrique dépend d'un ensemble de paramètres permettant d'ajuster la forme de la cochlée, en utilisant par exemple des données histologiques, des scans CT, ou encore des maillages de surface. Un modèle paramétrique nous a permis de comparer les courants générés par les modèles d'électrodes actuellement disponibles et par un nouveau type d'électrode - faisceau transmodiolaire. Le modèle peut prendre en compte des courants ou des tensions en entrée à chaque électrode, ce qui permet de simuler le mode de retour commun ou multiple. Afin de valider les résultats de simulation et calibrer les paramètres du modèle, nous avons créé un système permettant d'acquérir des mesures in-situ et in-vitro. Les données enregistrées ont permis de valider le modèle combinant le modèle d'interface électrochimique et le modèle tridimensionnel de cochlée.

Computational models have been widely used to improve the knowledge of the current distribution behavior in cochlear implant stimulations, optimizing electrode designs and stimulation strategies. The existing models employed no or simple electrochemical interface models and took current intensity on the electrodes as input. Therefore they have difficulties in making time domain simulations and simulating the stimulation modes that have voltage constraints, such as the Common Ground and the Multi-Mode Grounding modes. In this PhD work, a new parametric surface mesh model of the cochlea has been developed. The shape of the model is controlled by a set of input parameters which can be tuned to fit the cochlear shape acquired from histological images, CT scans or existing cochlear mesh models. The symmetric boundary element method, which was implemented in OpenMEEG, has been applied on the model to simulate the current distribution of the cochlear implant stimulation. Using the parametric model, comparisons on the current field has been made between the existing electrode layouts and a new transmodiolar electrodes. The new model can take either current or voltage as input for each electrode to simulate the common ground and multi-mode grounding modes. By coupling the surface model with lumped capacitor and constant phase element models, time domain simulation of the stimulation waveform has also been achieved. To validate the simulation results and calibrate the parameters of the model, in-situ and in-vitro measurements have been carried out with self-made devices. The recorded data proved the effectiveness of combining lumped components with the surface model.