Bei Patienten mit hochgradigem sensorineuralem Hörverlust, der nicht mehr ausreichend mittels Hörgeräten kompensiert werden kann, hat sich die CI-Versorgung zur Verbesserung der Hörfähigkeit als Standardmethode etabliert und ihr Indikationsbereich wächst. Zur Beurteilung des auditorischen Systems sowie seiner angrenzenden Nachbarstrukturen zählt die neuroradiologische Diagnostik mittels spezieller CT- und MRT-Techniken zu den entscheidenden Kriterien zur CI-Indikationsstellung und der Operationsplanung. In der Literatur finden sich verschiedenste Meinungen zur Bedeutung dieser präoperativen Bildgebungen vor Cochlea-Implantationen und die Wahl einer CT- und bzw. oder einer MRT-Untersuchung zur präoperativen Diagnostik wird diskutiert. So wurden am Universitätsklinikum Würzburg im Zeitraum von 2005 bis zum Jahr 2015 zur Diagnostik vor der CI-Operation eines Patienten meist sowohl eine CT-Aufnahme des Felsenbeins als auch eine MRT-Aufnahme des Schädels angefertigt. Im Rahmen dieser Arbeit sollte untersucht werden, inwieweit diese beiden präoperativen CT- und MRT-Untersuchungen für die CI-Operation und die Ursachenabklärung der Hörminderung von Relevanz waren und ob eine Empfehlung für die zukünftige Wahl der Diagnostikmethoden abgegeben werden kann. Dazu wurden Anamnesen, Voruntersuchungen, präoperative CT- und MRT-Bildgebungen und die Operationsberichte von 705 CI-Fällen bei 549 Patienten, die in diesem Zeitraum operiert wurden, retrospektiv ausgewertet. Die Darstellbarkeiten verschiedener Pathologien, die mit Hilfe der beiden Bildgebungsverfahren detektiert wurden, wurden miteinander verglichen und es wurde überprüft, ob ein Verfahren möglicherweise besser zur Diagnostik bestimmter Auffälligkeiten geeignet war als das andere. Durch die Auswertung der Operationsberichte wurde evaluiert, ob und wie die Befunde der präoperativen Bildgebungen mit den intraoperativen Situationen übereinstimmten und ob diese Befunde die Operationsplanung beeinflusst hatten. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigten, dass die bildgebenden Verfahren zur Ursachenfindung einer nicht abgeklärten Hörminderung beitragen können. Des Weiteren konnte gefolgert werden, dass ein Großteil von Auffälligkeiten im Bereich des Felsenbeins, die mit sensorineuralen Schwerhörigkeiten assoziiert sind, mit hoher Wahrscheinlichkeit sowohl mittels CT- als auch mittels MRT-Untersuchung diagnostiziert werden kann. Für einzelne Läsionen konnte vermutet werden, dass diese nur durch die CT und umgekehrt bestimmte Läsionen nur durch die MRT detektiert werden können. Außerdem zeigte sich, dass die beiden bildgebenden Verfahren auf bestimmte Schwierigkeiten, die während einer CI-Operation auftreten können, präoperativ hinweisen können. Zusätzlich konnte festgestellt werden, dass die Wahl der Implantations-Seite bei einseitig operierten aber beidseits schwerhörigen Patienten neben den CT- und MRT-Untersuchungen in den meisten Fällen von weiteren Faktoren abhing. Aus den Ergebnissen dieser Arbeit konnte gefolgert werden, dass die Durchführung einer präoperativen CT- und einer MRT-Untersuchung die umfangreichste radiologische Diagnostikmethode ist, um eine CI-Operation zu planen, möglichst alle Auffälligkeiten, die zu Schwierigkeiten in der Operation führen können, zu detektieren und Ursachen für eine nicht abgeklärte Hörminderung zu finden. Dennoch sollte, insbesondere unter Berücksichtigung der Strahlenbelastung, die ein Patient im Rahmen eines Felsenbein-CTs erfährt, die Überlegung zugelassen werden, ob zukünftig nur die Durchführung einer MRT-Untersuchung als routinemäßiges Diagnostikverfahren ausreichen könnte. Eine zusätzliche CT-Untersuchung wäre dann nur unter bestimmten Voraussetzungen (z. B. Traumaanamnese des Schädels oder Hinweise auf ein Cholesteatom) indiziert. Weitere Untersuchungen, die zeigen, welche genauen Kriterien dazu seitens des Patienten gegeben sein müssten, sowie Langzeitergebnisse nach erfolgreichen CI-Operationen sollten Gegenstand weiterer Studien sein. / Cochlear implants are the standard treatment for patients with profound sensorineural hearing loss, which cannot be treated with traditional hearing aids. In the process of preoperative diagnostics, both computed tomography (CT) and magnetic resonance imaging (MRI) are used to evaluate the auditory system. The goal of this study was to determine, which kind of results CT and MRI provided and in how many cases the results of CT or MRI influenced the procedure of cochlear implantation. In addition, this study had the aim to provide a possible recommendation, if both CT and MRI are necessary for preoperative diagnostics or if either one imaging modality may be sufficient. The results of this study showed that both CT and MRI can provide information about possible etiologies of hearing loss. Both imaging modalities proved to be able to detect the majority of abnormalities of the temporal bone and provided findings which influenced the procedure of cochlear implantation. Nevertheless, specific lesions were only detected with either CT or MRI. In particular, MRI was able to detect brain lesions, which cannot be seen in CT. Considering these results in combination with the negative aspect of exposure to radiation of CT imaging, MRI might be sufficient for preoperative diagnostics in a substantial part of cochlear implant cases.

Vorliegende Arbeit beschäftigte sich mit der Verbesserung von Defiziten der elektrischen Stimulation durch Cochlea Implantate (CI) mit alternativen Pulsformen. Dabei wurde mit elektrophysiologischen und psychophysikalischen Methoden untersucht, wie sich die Pulsformen auf die Effektivität der Stimulation auswirken. Es wurden präzisions-triphasische Pulse (pTP) mit anodischer und kathodischer zweiter Phase anhand der Daten von elf Probanden untersucht. Im Rahmen der objektiven elektrophysiologischen Messung wurde mit den unterschiedlichen Formen des pTP an drei unterschiedlichen Kontaktpositionen auf den CI-Elektrodenträgern stimuliert, und die Stärke der jeweils evozierten neuronalen Antwort aufgezeichnet. Der subjektive psychophysikalische Test diente dazu, die pulsformspezifischen Hörschwellen zu bestimmen und wurde an zwei unterschiedlichen Kontakten auf den CI-Elektrodenträgern durchgeführt. Dabei erzielten pTP, welche eine symmetrisch-triphasische Pulsform aufwiesen, geringere neuronale Antwortstärken und höhere Hörschwellen als die pTP, die einer biphasischen Pulsform glichen. Diejenigen pTP, die biphasischen Pulsen mit anodischer erster Phase glichen, erzielten dabei die höchsten neuronalen Antwortstärken und die niedrigsten Hörschwellen. / Present work dealt with the improvement of deficits of electrical stimulation by cochlear implants (CI) by means of alternative pulse shapes. This involved the use of electrophysiological und psychophysical methods to investigate the effect of pulse shape on the effectiveness of stimulation. Precision-triphasic pulses (pTP) with anodic and cathodic second phase were examined using data from eleven subjects. In the objective electrophysiological measurement, the different shapes of the pTP were stimulated from three different contact positions on the CI electrode arrays and the strength of the neural response evoked in each case was recorded. In the subjective psychophysical test, pTP stimulation was performed from two different contact positions on the CI electrode arrays and the pulse shape-specific detection thresholds were compared. The results showed that pTP, which exhibited a symmetric-triphasic pulse shape, achieved lower neuronal response strengths and higher detection thresholds than pTP that resembled a biphasic pulse shape. Those pTP, that resembled biphasic pulses with an anodic first phase, achieved the highest neuronal response strengths and the lowest detection thresholds.

Thesis (doctoral)--Techn. Hochsch., Aachen, 2004.

In deafness, which is caused by the malfunctioning of the inner ear, an implantation of a cochlear implant (CI) is able to restore hearing. The CI is a neural prosthesis that is located within the cochlea. It replaces the function of the inner hair cells by direct electrical stimulation of the auditory nerve fibers. The CI enables many deaf or severe hearing-impaired people to achieve a good speech perception. Nevertheless, there is a lot of potential for further improvements. Compared to normal-hearing listeners rate pitch discrimination is much worse. Rate pitch discrimination is the ability to distinguish the pitch of two stimuli with two different pulse rates. This ability is important for enjoying music as well as speech perception (in noise). Further, the small dynamic range in electrical hearing (compared to normal-hearing listeners) and therefore the small intensity resolution limits the performance of CI users. Both, rate pitch coding and dynamic range were investigated in this doctoral thesis. For the first issue, a pitch discrimination task was designed to determine the just-noticeable-difference (JND) in pitch with 200 and 400 pps as reference. Additionally to the default biphasic pulse (single pulse) the experiment was performed with double pulses. The double pulse consists out of two biphasic pulses directly after each other and a small interpulse interval (IPI) in between. Three different IPIs (15, 50, and 150 µs) were tested. The statistical analysis of JNDs revealed no significant effects between stimulation with single-pulse or double-pulse trains. A follow-up study investigated an alternating pulse train consisting of single and double pulses. To investigate if the 400 pps alternating pulse train is comparable in pitch with the 400 pps single-pulse train, a pairwise pitch comparison test was conducted. The alternating pulse train was compared with single-pulse trains at 200, 300 and 400 pps. The results showed that the alternating pulse train is for most subjects similar in pitch with the 200 pps single-pulse train. Therefore, pitch perception seemed to be dominated by the double pulses within the pulse train. Accordingly, double pulses with different amplitudes were tested. Based on the facilitation effect, a larger neuronal response was expected by stimulating with two pulses with a short IPI within the temporal facilitation range. In other studies, this effect was shown to be maximal in CIs of the manufacturer Cochlear, with first pulse amplitudes set at or slightly below the electrically evoked compound action potential (ECAP) threshold. The second pulse amplitude did not influence the facilitation effect and therefore could be choose at will. Similarly, this effect was tested in this thesis with CIs of the manufacturer MED-EL. Nevertheless, to achieve a proper signal-to-noise ratio, technical issues had to be addressed like a high noise floor, resulting in incorrect determination of the ECAP threshold. After solving this issues, the maximum facilitation effect was around the ECAP threshold as in the previous study with Cochlear. For future studies this effect could be used in a modified double pulse rate pitch experiment with the first pulse amplitude at ECAP threshold and the second pulse amplitude variable to set the most comfortable loudness level (MCL). The last study within this thesis investigated the loudness perception at two different loudness levels and the resulting dynamic range for different interphase-gaps (IPG). A larger IPG can reduce the amplitude at same loudness level to save battery power. However, it was unknown if the IPG has an influence on the dynamic range. Different IPGs (10 and 30 µs) were compared with the default IPG (2.1 µs) in a loudness matching experiment. The experiment was performed at the most comfortable loudness level (MCL) of the subject and the amplitude of half the dynamic range (50%-ADR). An upper dynamic range was calculated from the results of MCL and 50%-ADR (therefore not the whole dynamic range was covered). As expected from previous studies a larger IPG resulted in smaller amplitudes. However, the observed effect was larger at MCL than at 50%-ADR which resulted in a smaller upper dynamic range. This is the first time a decrease of this dynamic range was shown. / Bei einer Taubheit, welche durch eine Schädigung des Innenohres hervorgerufen wird, ist es möglich das Gehör mittels eines Cochlea-Implantates (CI) wieder herzustellen. Das Implantat befindet sich innerhalb der Hörschnecke und ist in der Lage, die Funktion der inneren Haarzellen zu ersetzen. Dies geschieht durch direkte elektrische Stimulation der auditorischen Nervenfasern. Dadurch ermöglicht das CI Ertaubten oder stark Schwerhörigen, ein gutes Sprachverstehen zu erlangen. Dennoch gibt es weiterhin Verbesserungspotential. Im Vergleich zu Normalhörenden ist unter anderem die Tonhöhenunterscheidung stark eingeschränkt. Die Unterscheidung von Tonhöhen ist sowohl für den Musikgenuss als auch für das Sprachverstehen (im Störgeräusch) wichtig. Ebenso verfügen CI Träger über einen vergleichsweise kleinen Dynamikbereich und einer daraus resultierenden geringen Auflösung der Intensitäten. Dies kann zu einer Beeinträchtigung des Hörens führen. Sowohl die Fähigkeit der Tonhöhenunterscheidung als auch der Dynamikbereich werden in der vorliegenden Doktorarbeit untersucht. Hierfür wurde zunächst ein Tonhöhenunterscheidungs-Experiment entworfen, bei welchem der kleinste wahrnehmbare Unterschied zweier Pulsraten ermittelt wurde. Die Pulsraten 200 und 400 pps dienten als Referenzwert. Neben dem standardmäßig verwendeten Biphasischen Puls, wurden Doppelpulse genutzt. Diese bestehen aus zwei aufeinander folgenden biphasischen Pulsen gleicher Amplitude, welche durch ein kurzes interpuls Intervall (IPI) separiert sind. In dem Experiment wurden drei unterschiedliche IPIs getestet (15, 50 und 150 µs). Die Analyse des kleinesten wahrnehmbaren Tonhöhenunterschieds ergab keine signifikanten Unterschiede zwischen dem einfachen Puls und den Doppelpulsen. Ein Folgeexperiment beschäftigte sich mit einer alternierenden Pulsfolge bestehend aus dem einfachen und dem Doppelpuls. In einem paarweisen Vergleichsexperiment wurde die alternierende Pulsfolge bei 400 pps mit einem Einfachpuls bei 200, 300 und 400 pps in ihrer Tonhöhe verglichen. Es zeigte sich, dass die alternierende Pulsfolge bei 400 pps mehrheitlich mit dem Einzelpuls bei 200 pps vergleichbar war. Demzufolge scheint die Tonhöhenwahrnehmung der alternierenden Pulsfolge von dem Doppelpuls dominiert zu werden. Auf beide Experimente aufbauend, wurden Doppelpulse mit unterschiedlichen Amplituden untersucht. Basierend auf den Bahnungseffekt (Facilitation-Effekt), kann eine größere neuronale Antwort hervorgerufen werden, indem mit Doppelpulsen mit kurzem IPI stimuliert wird. In einer anderen Studie konnte anhand von CIs der Firma Cochlear gezeigt werden, dass dieser Effekt maximal war, wenn die Amplitude des ersten Pulses nahe der Schwelle zum elektrisch evozierten Summenaktionspotential (ECAP) liegt. Die Amplitude des zweiten Pulses dagegen hatte keinen Einfluss auf den „Facilitation“-Effekt und konnte beliebig gewählt werden. Dieser Effekt wurde mit CIs der Firma MED-EL in der vorliegenden Doktorarbeit nachgestellt. Es zeigte sich, dass auch hier der größte „Facilitation“-Effekt auftrat, wenn die Amplitude des ersten Pulses nahe der ECAP-Schwelle lag. In zukünftigen Studien könnte dieser Effekt für einen modifizierten Doppelpuls genutzt werden, um mit diesem das ursprüngliche Tonhöhenunterscheidungs-Experiment zu wiederholen. Dabei würde die Amplitude des ersten Pulses der ECAP-Schwelle entsprechen, während die zweite Pulsamplitude variiert wird, um den größten, möglichst angenehmen, Lautheitspegel zu erhalten. In einer letzten Studie wurde das Lautheitsempfinden bei zwei unterschiedlichen Lautheiten bei unterschiedlichen Interphasen-Gaps (IPG) untersucht und der daraus resultierende Dynamikbereich. Eine Vergrößerung des IPGs führt bei gleich bleibendem Lautheitsempfinden zu geringeren Stimulations-Amplituden und ist dadurch in der Lage die Batterie schonen. Allerdings ist der Einfluss auf den Dynamikbereich bisher unbekannt. In einem Lautheits-Experiment wurden Pulse mit verschiedenen IPGs (10 und 30 µs) mit dem standardmäßig verwendeten IPG (2.1 µs) in ihrer Lautheit angeglichen. Dieses Verfahren wurde bei MCL und der Amplitude des halben Dynamikbereichs (50%-ADR) durchgeführt. Aus den ermittelten Werten konnte ein „oberer“ Dynamikbereich zwischen MCL und 50%-ADR ermittelt werden. Es zeigte sich, dass sich die Amplituden mit größerem IPG, wie erwartet, verringerten. Jedoch zeigte sich ein stärkerer Effekt bei MCL, was eine Verringerung des Dynamikbereichs zur Folge hat. Dies ist das erste Mal, dass eine Verringerung des Dynamikbereichs gezeigt wurde.

Für die Cochlea-Implantat-Versorgung ist die Kenntnis der individuellen Anatomie der Hörschnecke im perioperativen Kontext essenziell, um ein suffizientes audiologisches Resultat sicherzustellen. Ein akkurates Verfahren hierfür stellt die 3D multiplanare Rekonstruktion (3D-curved MPR) in Schnittbildgebung dar. Notwendige Voraussetzung ist jedoch eine hinreichende Bildqualität. In dieser Arbeit wurde das Augenmerk auf die sekundäre Rekonstruktion von Primärdatensätzen der Flachdetektor-Volumen-Computertomographie (fpVCTSECO) gerichtet. Diese bietet nämlich die Möglichkeit, die Bildqualität zu steigern, ohne jedoch eine als kritisch einzuschätzende Dosissteigerung in Kauf nehmen zu müssen. Es konnte gezeigt werden, dass es für die Messung der Länge von 2 Schneckenwindungen (2TL), der gesamten cochleären Länge (CDL) und dem Winkelmaß (AL) mittels 3D-curved MPR in der fpVCT keinen signifikanten Unterschied gegenüber der Mehrschicht-CT gibt. In beiden Modalitäten wurden alle drei Parameter gegenüber der Referenzbildgebung micro-CT deutlich unterschätzt. Durch die fpVCTSECO war es möglich, die Genauigkeit der Messungen zu steigern und den Werten der Referenz anzunähern. Lediglich für AL muss eine geringfügige systematische Unterschätzung beachtet werden. Postoperativ zeigte sich mit einliegendem Elektrodenträger für 2TL eine ebenso präzise Messung wie präoperativ ohne. Jedoch wurde die CDL um circa 0,5 - 0,7 mm unterschätzt. Ursächlich hierfür dürften vor allem Metallartefakte gewesen sein. Auch wenn die 3D-curved MPR in Kombination mit der fpVCTSECO postoperativ zur Visualisierung der räumlichen Beziehung von Elektrodenträger, Modiolus und ossärer lateraler Wand sehr gut geeignet war, so muss sich der Einfluss dieser Diskrepanz für die audiologische Anpassung in Zukunft erst noch zeigen. / Knowledge of the individual anatomy of the cochlea is essential for optimal hearing perception outcomes in cochlear implantation. 3D-curved multiplanar reconstruction (3D-curved MPR) in cross-sectional imaging is a very precise method. But for this purpose, high-resolution quality is an indispensable requirement. In this study, special attention was turned to secondary reconstruction of primary data of flat-panel volume computed tomography (fpVCTSECO). This postprocessing application provides an opportunity to increase image quality. Beneficially, there is no need of applying additional radiation dose, which should always be regarded critically. For the cochlear duct length (CDL), the two-turn length (2TL) and the angular length (AL), there were no statistically significant differences between fpVCT and multislice computed tomography applying 3D-curved MPR. In contrast to reference imaging modality micro-CT, a clinically relevant underestimation of all three parameters was evident. Using fpVCTSECO, precision of measurements could be increased significantly. It was possible to reach the accuracy of the reference. Only concerning AL, a slight and systematic underestimation must be considered. Postoperatively, after insertion of the electrode into the cochlea, measurement of 2TL was as precise as the preoperative one. For CDL, an underestimation of approximately 0.5 - 0.7 mm was evident. Most likely, this fact was linked to postoperative metal artifacts. Even though 3D-curved MPR in combination with fpVCTSECO is a great possibility to visualize the spatial relation of electrode, modiolus and bony lateral wall, the influence of this difference on audiological fitting procedures has still to be investigated in future studies.

MRT und CT liefern komplementäre Informationen über die Strukturen der Cochlea. Um die genaue Lage der Elektrode nach Implantation eines CIs beurteilen zu können, wurden in der vorliegenden Arbeit präoperative MRT-Datensätze und postoperative CT-Datensätze mit dem frei erhältlichen Programm "3D-Slicer" fusioniert. Nach 1350 erfolgten Implantationen am Universitätsklinikum Würzburg konnte bei 16 Ohren die Qualität der Fusion beurteilt und bei 15 Ohren die intracochleäre Lage der CI-Elektroden evaluiert werden. Die manuelle Fusion der Datensätze wurde in einer reproduzierbaren Vorgehensweise umgesetzt und war der automatischen Registrierung überlegen. Bildfusion und -analyse ließen sich umso präziser und sicherer durchführen, je besser die Bildqualität und je kürzer der zeitliche Abstand zwischen der Akquisition von MRT und CT waren. Da die Cochlea bei Geburt bereits ausgewachsen ist, war die Fusion selbst bei den Kindern möglich, deren Schädel in der Zwischenzeit gewachsen war. Aufgrund der seltenen Indikation eines postoperativen CTs und mangelnder Standardisierung der Bildgebung konnte eine Analyse lediglich bei 15 der insgesamt 1350 Ohren mit CI durchgeführt werden. In diesen Fällen ließ sich die Fusion jedoch sehr gut durchführen. Die Sicherheit bei der Beurteilung der Elektrodenlage nimmt in den einzelnen Abschnitten der Cochlea von basal nach apikal ab. Unabhängig davon waren die Entscheidungen für die Elektrodenlage in der Scala tympani mit einer größeren Sicherheit gefällt worden als die für die Lage in der Scala vestibuli. Die genaue Elektrodenlage konnte im Rahmen dieser Studie zwar nicht anhand histologischer Schnitte bewiesen werden, jedoch stimmen die in den fusionierten Bildern analysierten Insertionsstellen mit den in den OP-Berichten dokumentierten Angaben überein. / MRI and CI offer complementary information on the temporal bone's structures. Preoperative MRIs and postoperative CTs were registered with the free programm "3D-Slicer" in order to evaluate the intracochlear position of the electrode of cochlear implants. Manual registration was performed in a reproducible procedure

Zusammenfassung In der Vergangenheit wurde Kritik am HSM-Satztest dahingehend geäußert, dass die Objektivität durch Inhomogenität der Testlisten und mögliche Wiederholungseffekte durch die limitierte Anzahl an Sätzen eingeschränkt sei. Auf diese Kritik sollte mit einer Erweiterung des HSM- Satztestmaterials reagiert werden. Dazu wurden 1388 neue und alte, schon in den bisherigen HSM-Listen enthaltene Sätze zusammengestellt und aufgesprochen (Angermüller, unpublizierte Dissertation). In der vorliegenden Arbeit wurden diese Sätze individuell auf Verstehbarkeit evaluiert und eine Methode entwickelt, mit der die Sätze so auf Listen verteilt werden konnten, dass alle Listen den gleichen Mittelwert und minimale Varianz des Verstehbarkeits-Schwierigkeitsgrades aufwiesen. Um die Situation von Hörbehinderten, für die derartige Tests vorgesehen sind, zu imitieren und um die Verstehbarkeit in einen empfindlichen Bereich zu bringen, wurden alle Sätze auf gleiche Spitzenwerte des SPLs (sound pressure levels) kalibriert und mit einem spektral sprachähnlichen (CCITT-) Rauschen bei einem festen SNR (Signal-Rausch-Abstand) versehen. Anschließend wurden sie 36 normalhörenden Probanden dargeboten, um jedem Satz einen Verstehbarkeitsgrad zuweisen zu können. Jeder Proband hörte ein Drittel der Gesamtsatzmenge, so dass jeder Satz von jeweils 12 Probanden beurteilt wurde. Basierend auf den Satzverstehbarkeitswerten wurde eine Methode entwickelt, die die Sätze den Listen nach bestimmten Vorgaben zuwies, so dass Listen mit exakt gleicher mittlerer Verstehbarkeit resultierten. Die Methode der Listeneinteilung erwies sich als so leistungsfähig, dass ein zusätzliches Kriterium berücksichtigt werden konnte. Es konnte auch die Varianz der Verstehbarkeit innerhalb der Listen sehr weitgehend angeglichen werden. Die Methode ist auch auf andere Sprachverständnistests übertragbar, sofern einige Voraussetzungen erfüllt sind. Es stellte sich allerdings auch heraus, dass die Sätze von vielen Probanden als unterschiedlich laut wahrgenommen wurden. Dies kann einerseits an der Aufsprache selbst gelegen haben, zum anderen ist es möglich, dass die Methode der Lautstärkenkalibrierung dafür verantwortlich ist, worauf es gewisse statistische Hinweise gibt. Dies zu untersuchen und gegebenenfalls zu verbessern sollte Aufgabe von zukünftigen Untersuchungen sein. / Abstract In the past, the HSM-sentence-test has been criticised to the effect that its objectivity was compromised by inhomogeneity of the sentence lists and by possible repetition effects due to a limited number of sentences. These criticisms were addressed by an extension of the sentence material of the HSM-sentence-test. First, 1388 new and old, already in the original HSM lists contained sentences were collected and recorded (Angermüller, unpublished PhD thesis). In the work presented in this thesis, the sentences were individually evaluated for intelligibility and a method was developed to allocate sentences to lists in such a way, that the lists had the same average level and minimum variance of understanding difficulty. To imitate the condition of hearing-impaired subjects, for whom such tests are designed, and to bring the intelligibility into a sensitive range, the peak SPLs (sound pressure levels) of all sentences were calibrated and a speech spectrum (CCITT) noise was added at a fixed SNR (signal to noise ratio). Then the sentences were presented to 36 normal hearing subjects to determine their individual degree of intelligibility. Each test subject was presented a third of the whole sentence material, and therefore, each sentence was judged by 12 subjects. Based on the degrees of intelligibility, a method was developed with which sentences could be allocated to lists, considering certain prerequisites. As a result, we obtained lists with exactly the same average intelligibility. This method turned out to be so efficient that an additional criterion could be accounted for. It was also possible to equalize to a large extent the within-list variance. The method can be transferred to other speech perception tests as long as a number of conditions are met. One observation however, was that sentences were perceived as different loud by many subjects. On one hand, this may have been a property of the recordings themselves. But possibly it may also have been due to the method of loudness calibration, for what we found some statistical evidence. Further analysis and improvement, where appropriate, should be the focus of future studies.

Das Cochlea-Implantat (CI) ermöglichte bereits >300 000 hochgradig hörgeschädigten Menschen weltweit eine grundsätzlich wiederhergestellte Hörfunktion. Es wird angenommen, dass sich das Sprachverständnis von CI-Trägern verbessert, wenn die funktionale Trennung der CI-Kanäle erhöht wird. Neben verschiedenen auf die auditorische Peripherie beschränkten Ansätzen gibt es Überlegungen, eine verbesserte Kanaltrennung durch die Rehabilitation taubheitsinduzierter Degenerationen in der spektralen Verarbeitung im zentralen auditorischen System zu erreichen. Es konnte in ertaubten Tieren bislang allerdings kein adäquates CI-Stimulationsmuster beschrieben werden, dass es erlaubte, eine gezielte neuronale Plastizität in der spektralen Verarbeitung zu induzieren. Die Arbeitsgruppe um M.P. Kilgard (UT Dallas, USA) zeigte in mehreren Studien in hörenden Tieren, dass auditorische Stimulation gepaart mit elektrischer Vagusnerv-Stimulation (VNS) zu einer gezielten kortikalen Plastizität führt. Diese gepaarte Stimulation konnte die spektrale Verarbeitung von Signalen im auditorischen Kortex (AC) gezielt beeinflussen und so z.B. pathologisch verbreiterte Repräsentationen von Tönen wieder verfeinern. Dieses hochgradige Potential für gezielte Plastizität im AC durch die gepaarte VNS scheint eine vielversprechende Lösung darzustellen, um die durch verbreiterte Repräsentation im ertaubten AC verminderte CI-Kanaltrennung zu verbessern. Vor diesem Hintergrund sollte in der vorliegenden Promotion die Übertragbarkeit dieses hochgradigen Potentials auf das ertaubte und CI-stimulierte auditorische System evaluiert werden. Um die CI-Kanaltrennung zu untersuchen, wurde ein Multikanal-CI für die Mongolische Wüstenrennmaus (Gerbil) entwickelt. Trotz der kleinen Ausmaße von Cochlea und AC im Gerbil und der generell breiten neuronalen Erregung durch intracochleäre elektrische Stimulation konnte eine tonotop organisierte und selektive Repräsentation der neuronalen Antworten für mehrere CI-Kanäle im AC nachgewiesen werden. Für die gepaarte CI/VN-Stimulation wurden die Tiere zusätzlich mit einer Manschettenelektrode um den linken zervikalen Nervus vagus (VN) implantiert. Die chronischen Implantate erlaubten über mehrere Wochen hinweg eine stabile und zuverlässige elektrische Stimulation im frei-beweglichen Gerbil. Damit kombiniert das in dieser Promotion entwickelte Multikanal-CI-VNS-Modell die Vorteile einer tonotop selektiven und stabilen neuronalen Aktivierung mit den ethischen, kostenrelevanten und entwicklungsbezogenen Vorteilen, die der Einsatz von Kleinnagern bietet. Als nächster Schritt wurde das grundsätzliche Potential der gepaarten CI/VN-Stimulation für gezielte plastische Veränderungen im AC des Gerbils getestet. Engineer et al. (2011) hatten bereits in akustischen Studien in hörenden Ratten die kortikale Überrepräsentation eines einzelnen chronisch mit VNS gepaarten Tones gezeigt. In der vorliegenden Promotion wurde versucht, die Ergebnisse aus der akustischen Studie in hörenden Ratten in zwei verschiedenen Studien im Gerbil zu reproduzieren. Analog zur gepaarten Ton/VN-Stimulation in der Ratte untersuchten wir zuerst in ertaubten Gerbils die Auswirkungen einkanaliger CI-Stimulation gepaart mit VNS. Im AC des Gerbils konnten keine Veränderung der zentralen Repräsentation des VNS gepaarten CI-Kanals festgestellt werden. Um speziesspezifische (Ratte vs. Gerbil) und stimulusspezifische (akustisch vs. elektrisch) Unterschiede zwischen den Studien als mögliche Gründe für das Ausbleiben der VNS induzierten Plastizität auszuschließen, wurde nun die gepaarte Ton/VN-Stimulation (Engineer et al., 2011) im hörenden Gerbil wiederholt. Eine kortikale Überrepräsentation des VNS gepaarten Signals konnte aber auch im hörenden Gerbil nicht reproduziert werden. Mögliche Gründe für die Diskrepanz zwischen unseren Ergebnissen im Gerbil und den publizierten Ergebnissen in der Ratte werden diskutiert. Die generelle Funktionsfähigkeit der VNS in den chronisch stimulierten Tieren wurde durch die Ableitung VNS evozierter Potentiale (VNEP) kontrolliert. Ein speziesspezifischer Unterschied erscheint bei der biologischen Nähe von Ratte und mongolischer Wüstenrennmaus unwahrscheinlich, kann allerdings durch die vorliegenden Studien nicht vollständig ausgeschlossen werden. Eine Abhängigkeit des plastischen Potentials der gepaarten VNS von der Stimulationsintensität ist bekannt. Da Ratten und Gerbils ähnliche VNEP-Schwellen zeigten und mit identischen VNS-Amplituden stimuliert wurden, gehen wir davon aus, dass Unterschiede im plastischen Potential gepaarter VNS zwischen beiden Spezies nicht auf die verwendete Stimulationsintensität zurückzuführen sind. Die beschriebene Diskrepanz im Potential für kortikale Plastizität durch gepaarte VNS weckt Zweifel an der Übertragbarkeit des für die Ratte publizierten Potentials auf andere Spezies, einschließlich des Menschen. / Worldwide, cochlear implants (CI) successfully restored hearing in >300 000 severely hearing- impaired patients. It is assumed that speech discrimination ability of CI users can be improved by increasing the number of functionally independent CI-channels. Aside from several approaches that focus on manipulations of the auditory periphery, there are considerations to target the central auditory system in order to improve CI-channel discrimination by restoring deafness-induced degradations in the neuronal spectral processing of auditory signals. Despite several studies in deaf animals on the effects of chronic CI-stimulation on the spectral representation of electric signals in the central auditory system, it was not yet possible to identify CI-stimulation patterns that were effecttive in inducing directed neuronal plasticity. In hearing animals, M.P. Kilgard and colleagues (UT Dallas, USA) showed that auditory stimulation paired with electric vagus nerve stimulation (VNS) can induce targeted cortical plasticity. The stimulus-specific potential of such paired stimulation was found to affect spectral signal processing in auditory cortex (AC) and was successfully used to restore pathologically expanded representations of acoustic tones. This powerful potential of paired VNS for directed plasticity in AC appears to be a promising approach to improve deafness-induced degradations in CI-channel representation in the central auditory system. The aim of this project was, therefore, to test the potential of paired CI/VN-stimulation on spectral neuronal plasticity in the deaf auditory system. To investigate spectral interactions to intracochlear stimulation in the central auditory system, a multichannel CI for the Mongolian gerbil was developed. Despite the small scale of the gerbil cochlea and AC and despite the well-known broad spread of electric activation with a CI, tonotopic and selective representations of neuronal responses to several CI-channels were demonstrated in AC. To test the effects of paired CI/VN-stimulation on spectral signal processing, animals were implanted with a cuff electrode around the left cervical vagus nerve (VN). Chronic implants provided effective and reliable stimulation for several weeks in the free-moving gerbil. Taken together, the here described multichannel-CI-VNS-model combines the advantages of tonotopically selective and stable neuronal activation with the ethical, cost-related and developmental advantages of using rodents in auditory research. As a next step, the potential of paired CI/VN-stimulation for directed plastic changes in the gerbil AC was tested. In acoustic studies in hearing rats, Engineer et al. (2011) had already reported the cortical overrepresentation of a single tone that was paired with VNS. In this project, we tried to reproduce the results of this acoustic study by two different studies in the Mongolian gerbils. First, analogue to the paired tone/VN-stimulation in the rat we investigated the effects of single channel CI-stimulation paired with VNS in the deaf gerbil. Results showed no effect of VNS on the spectral representation of the paired CI-channel in gerbil AC. To exclude species-specific (rat vs. gerbil) and stimulus-specific (acoustic vs. electric) differences between the two studies as potential causes underlying the lack of VNS-induced plasticity, we next repeated the paired tone/VN stimulation (Engineer et al. 2011) in the hearing gerbil. Again, a change in the cortical representation of the VNS-paired signal could not be reproduced in the hearing gerbil. Potential reasons for the discrepancy between our results in gerbils and the published results in rats are discussed. The general efficacy of VNS in the chronically stimulated animals was controlled by measuring VNS evoked potentials (VNEP). A species-specific difference seems to be unlikely, because of the biological proximity of rat and gerbil, but cannot fully be excluded by the present studies. It is known that the plastic potential of paired VNS is dependent on the stimulation level. Given that both rats and gerbils revealed similar VNEP thresholds and were stimulated with identical VNS-amplitudes, we conclude that differences in the plastic potential of paired VNS between both species are not explained by the used stimulation intensity. The described discrepancy in the potential of paired VNS for cortical plasticity creates doubt about the simple transferability of the plastic potential reported in rat to other species, including humans.

München, Techn. Univ., Diss., 2002.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Simulation von Streuung und Absorption von elektromagnetischen Wellen in Gewebephantomen im Kontext optischer Cochlea-Implantate. Dabei werden wellen- und strahlenoptische Ansätze diskutiert und auf ihre Eignung für die Modellierung des Streuverhaltens in gewebeähnlichen Schichten untersucht. Im Einzelnen werden FDTD-Simulationen mit einem Mie-Streuprogramm verglichen, sowie Monte-Carlo-Simulationen durchgeführt. Die gewonnenen Daten für Gewebephantome werden mit einem experimentellem Ansatz und Literaturwerten für echtes Gewebe verglichen. Es wird gezeigt unter welchen Parametern die Lichtstreuung optimal für die gewünschte Anwendung in optischen Cochlea-Implantaten ist. Weiterhin ergibt sich, im Rahmen dieser Arbeit, die Monte-Carlo-Simulation in Verbund mit einem Mie-Streuprogramm als die praktikabelste Lösung, um mit Experiment und Literatur vergleichbare Schichtdicken zu simulieren und entsprechende Ergebnisse zu gewinnen. Die Übereinstimmung zwischen Simulationen und experimentellen Daten lies sich für Gewebephantome nachweisen. Weiterhin konnten erste Schlüsse über die Übereinstimmung des Verhaltens dieser Phantome gegenüber echter menschlicher Dermis gezogen werden. / This work addresses the simulation of scattering and absorption of electromagnetic waves in tissue phantoms in the context of optical cochlear implants. Wave-optical and ray-optical approaches are discussed and investigated for their suitability for modeling the scattering behavior in tissue-like layers. Specifically, FDTD simulations are compared with a Mie-scattering program, and Monte Carlo simulations are performed. The obtained data for tissue phantoms will be compared with an experimental approach and literature values for real tissue. It is shown under which parameters the light scattering is optimal for the desired application in optical cochlear implants. Furthermore, in the context of this work, the Monte-Carlo simulation in combination with a Mie-scattering program is most practicable to simulate layer thicknesses comparable to experiment and literature and to obtain the corresponding results. The agreement between simulations and experimental data could be demonstrated for tissue phantoms. Furthermore, first conclusions could be drawn about the agreement of the behavior of these phantoms compared to real human dermis.