Optimization of Cochlear Implant System Using Neural Response Telemetry (NRT)

Lim, Dukhwan

Review

Electrophysiology

Korean Journal of Audiology 2000;4(2):102-108.

Optimization of Cochlear Implant System Using Neural Response Telemetry (NRT)

Dukhwan Lim

Department of Otolaryngology, College of Medicine, Seoul National University, Seoul, Korea

Neural Response Telemetry (NRT)를 이용한 인공와우 시스템의 적합화

임덕환

서울대학교 의과대학 이비인후과학교실

Abstract

In the multi-channel cochlear implant system, individual electrodes can be used to electrically stimulate the auditory nerve and to record the compound action potential in response to this stimulation. Through forward telemetry, the area around a particular channel of the electrode array can be electrically stimulated and another nearby channel can be used to record evoked compound action potentials through reverse telemetry. Unlike conventional acoustically-evoked electrocochleography, the electrical stimulation creates huge electrical artifacts mixed in response waveforms. These artifacts can be successfully managed under various subtraction schemes based on absolutely refractory periods of auditory nerve cells. Neural response telemetry (NRT) responses have been recorded in nine patients wearing Nulceus CI 24M cochlear implant systems to compare the data with behaviorally-matched ones. Results indicated that some mapping parameters such as NRT thresholds could be adjusted close to behavioral ones depending on stimulation and recording parameters. Although manipulating these parameters seemed to affect optimization and standardization of NRT responses, the mapping approach based on NRT has been useful for infant implantees or patients whose subjective behavioral measurements are difficult to be achieved. Further studies may also shed some insights on the status of residual auditory nerve cells in cochlear implantees.

Keywords: Cochlear implant;Neural response telemetry;Electrical stimulation;Compound action potential.

교신저자：임덕환, 110-799 서울 종로구 연건동 28번지
전화) (02) 760-2445, 전송) (02) 745-2387, E-mail) wavelet@plaza.snu.ac.kr

서 론

Neural response telemetry(NRT)는 그 원리면에서 현재 이미 사용되고 있는 전기와우도검사(Electrocochleography)에서 compound action potential(CAP)을 측정하는 것과 유사한 검사법이다. 소리자극에 의해서 청신경에서 활동전위(action potential)가 발생하게 되면 그 활동전위가 신경계를 통해서 대뇌로 전달되게 된다. 이 활동전위를 응용한 검사방법은 여러 가지가 있으며, 그 중의 한 방법이 compound action potential(CAP)의 진폭 크기나 잠복기를 측정하는 방법이다. 이 반응은 소리자극에 의해서 일어나는데 이를 인공와우시스템을 이식 받은 사람에게서 적용하는 것이 neural response telemetry(NRT) 검사법이다.²⁾ 이 NRT는 몇 가지 측면에서 electrocochleography와 다른 점이 있다. 우선은 자극방법이 소리에 의한 것이 아니고 인공와우 내에 이식돤 전극을 통한 전기자극이라는 것이다. 그리고 반응기록에 있어서 신호 발생원에 보다 접근되어 있기 때문에 신호원에서 멀리 떨어진 비침습적인 방법을 사용할 때 쓰이는 평균가산 방법이 큰 역할을 하지 않는다는 것이다. 즉, 전산평균에 의해서 신호대 잡음비가 보다 개선된 CAP 파형을 얻지만, auditory brainstem response(ABR)의 경우처럼 많은 평균가산 횟수를 요하지는 않는다. 그리고 이식된 인공와우 시스템에서 사용되는 무선전달방식(telemetry)을 이용해서 반응을 외부의 언어처리기를 통해서 기록한다는 점이다. 즉, 전기자극을 내부에 위치한 전극을 통해서 청신경 세포들에 전달하고 그 반응을 다시 내부에 위치한 다른 전극을 통해서 기록하는 것이다.
다음은 현재 상용화 되어있는 인공와우 시스템에서 사용되는 다중 전극(multichannel electrode array)을 도식화한 것이다(Fig. 1).
이들 전극배열에서 한 전극채널이 전기자극을 전달하는데 쓰이고, 주변의 다른 전극채널이 compound action potential을 기록하는데 쓰이게 된다. 이때 전기자극 신호와 기록된 반응들은 인공와우 시스템에서 사용되는 telemetry 시스템을 이용하여 체외부의 언어처리기와 체내부에 이식된 전극배열사이로 무선 전송되게 된다. 이때 자극이 전달되는 방향의 무선전송을 forward telemetry라고 하고, 청신경 반응이 기록되는 방향의 경우를 reverse telemetry라고 부르기도 한다.⁵⁾ 이러한 관점에서 이 NRT 검사방법은 기존의 ABR과 E-ABR 사이의 관계와 비슷하다. 즉, 소리에 의한 전기와우도검사와 전기자극에 의한 전기와우도검사 사이의 관계로 볼 수가 있다.
NRT는 소리가 아닌 전기자극에 대한 반응측정이기 때문에 CAP반응기록이 진폭이 큰 전기적 잡음에 의해서 방해를 받게 된다. 이때 단일 청신경의 활동전위는 absolute refractory period보다 짧은 시간에는 다시 반복 자극되기 어려운 점을 이용하여 이 전기잡음을 제거하게 된다.²⁾⁵⁾
이때 청신경의 absolutely refractory period를 이용한 probe와 masker라는 두 가지 전기신호를 사용하게 된다. 즉, 처음 probe전기자극에 대하여 전기잡음과 반응이 동시에 섞여있게 되는데 여기에 특정한 시간간격을 둔 masker전기자극을 주게 되면, 청신경들은 absolute refractory period 때문에 반응을 하지 못하게 되고 전기잡음은 이 시간간격에 관계없이 나타나게 된다. 기본원리는 이러한 점을 이용하여 probe에 대한 반응에서 masker에 대한 반응을 제거하여주면, 청신경자체의 반응만 남게 된다는 점을 이용한 것이다. 이러한 일련의 과정들을 신호대 잡음비를 개선하기위한 전산 평균과정과 함께 거치면서 NRT파형을 기록하게 된다.

재료 및 방법

행동반응 검사가 가능했던 Nucleus CI24M을 사용하는 9명의 환자에게서 이식된 각 전극채널 별로 NRT 반응과 행동반응역치를 동시에 기록 비교하였다. 다음은 Nucleus CI24M 시스템에서 NRT반응을 기록할때, 전기자극에 의한 청신경반응에서 전기자극에 의해서 발생된 잡음을 제거하는 방법을 나타낸것이다(Fig. 2).⁵⁾
이 기록의 근본 원리는 청신경의 absolute refractory period에 근거한 masker와 probe를 이용한 감산 방식이다. 실제 이 방법을 구현할 때는 효과적으로 전기적 잡음을 제거하기 위하여 여러 가지 변형된 방법이 적용될 수 있다. 여기서, masker와 probe는 모두 전기적 자극이다. 우선(C-D)과정을 거쳐서 일종의 전기적 잡음인 switchon artifact를 제거한 masker에 의한 반응과 그 artifact 만을 포함하게 한다. 이를 masker와 probe자극에 대한 반응인 B에서 감산하게 되면(B-(C-D))가 되어, masker에 의한 반응과 artifact는 사라지고, probe에 의한 반응과 그 artifact만 남게 된다. 이 결과를 A에서 감산시키면, probe전기자극에 의한 artifact는 모두 제거되고 청신경반응과 관련이 있는 부분의 차이만 남게 된다. 이때, B의 masker와 probe 사이의 간격(masker advance time)을 조절하면, B-(C-D)에서 나타나는 probe에 대한 청신경반응의 크기를 최소화 할 수 있고, 동시에 probe에 대한 artifact는 일정 수준을 그대로 유지할 수 있게 된다. 즉, B에서 masker가 absolute refractory period에 가깝게 probe자극에 접근해서 probe에 의한 반응을 억제하게 되면, 최종 결과물인 A-(B-(C-D))에서의 CAP차이는 증가된 크기를 나타내게 된다. 이 결과를 NRT 반응으로 기록하게 된다.
다음은 이러한 absolute refractory period를 이용한 감산방법에서 얻어지는 NRT파형들을 그 형태별로 구분해본 것이다(Fig. 3).⁵⁾
일반적인 파형은 negative peak(N1)과 positive peak(P1)로 구성되지만, 다른 형태의 파형들도 기록될 수가 있다. 이러한 파형의 변이는 청신경세포의 상태에 대한 여러 가지 가설들을 암시하고 있으며, 이를 임상적으로 적용하기 위해서는 현재 그 기전에 대한 연구와 검증이 더 필요한 단계이다. 어떠한 peak도 발견되지 않는 무반응 기록의 경우를 제외하고는 그 상태에서 자극 전류의 크기 등을 체계적으로 변화시키면서 NRT역치를 추적해볼 수가 있다.
다음은 이러한 NRT 측정 결과에서 얻을 수 있는 변수들을 나타낸 것이다. 우선 N1과 P1의 크기를 전기자극의 크기 별로 조사하여 amplitude growth function을 나타낼 수 있다(Fig. 4).^1)3-5)
이 그림에서 선형회귀분석법으로 NRT에서 peak 간의 진폭 차이 크기를 자극 전류 크기 별로 분석하면 전기자극에 대한 청신경 반응의 변화가 시작되는 점을 추정해 볼 수가 있으며, 이것을 NRT의 진폭(N1-P1)의 역치로 정의할 수 있다. 이 역치는 일반적으로 electrocochleograophy에서 CAP 역치를 구하듯이 NRT그래프를 조사하면서 구할 수도 있다. 그러나 어떤 이유에서 전체 영역에서의 NRT 그래프가 기록되지 못하더라도 얻어진 amplitude growth function으로부터 NRT역치를 추정할 수 가 있다. 이 NRT 역치를 전기자극 크기에 대한 행동반응의 역치와 비교하게 된다. 그 비교 차이가 일정하다면, 언어처리기의 조절시에 사용되는 역치값을 추정하는데 쓰일 수가 있다. NRT역치 값들은 일반적으로 행동반응으로 기록된 역치보다 높은 값을 나타낸다.¹⁾³⁾
다음은 NRT반응을 이용해서 얻을 수 있는 recovery function에 관한 측정을 하는 방법을 기술한 것이다(Fig. 5).⁵⁾
Recovery function은 앞서 설명된 감산법에서 masker와 probe 자극을 시간 차이를 두고 주는 과정에서(step B) 살펴볼 수 있다. 여기서 두 펄스간의 간격(masker advance time)을 늘리면서 N1-P1의 진폭크기가 변화되는 것을 살펴볼 수가 있는데 이 변화과정을 그래프로 나타낸 것이 recovery function이다.³⁾⁵⁾ 이는 자극되는 잔존 청신경의 특성을 나타낼 수 있는 자료로 청신경의 refractory period와 관련이 깊다. 이를 임상적으로 활용하기 위해서는 추가적으로 체계적인 기전 연구가 필요한 부분이다.
본 실험에서는 Nucleus CI24M을 착용하고 있는 9명의 amplitude growth function을 측정하고 그 NRT 역치를 추정하여 보았다. 그리고 그 결과를 행동반응 역치와 비교하였다. 이 자료를 얻는 과정에서 여러 가지 전기자극 및 기록 시에 사용되는 변수들을 조절하는 과정을 거쳤으며 차이가 있는 경우에는 그 중 역치값이 최소화되는 경우로 변수들을 결정하여 보았다.

결     과

Nucleus CI24M을 착용한 9명의 환자에게서 NRT 파형이 각 전극 채널별로 측정되었다. 여기서 얻어진 결과들은 행동반응 역치와 비교하였다. 다음은 한 환자에서 특정 전극채널의 NRT를 기록한 예이다(Fig. 6).
여기서 전기자극이 커짐에 따라서 N1-P1진폭이 커짐을 알 수 가 있다. 그리고, 이 그래프에서 반응이 나타나기 시작하는 점을 NRT 역치로 정의할 수가 있다.
다음은 이러한 NRT파형을 응용한 선형회귀분석 결과의 예를 나타낸 것이다(Fig. 7).
위의 예에서처럼 조건에 따라서 NRT 파형자체의 그래프에서 역치 결정이 쉽지 않은 경우에는 이런 선형회귀방식으로 역치를 추정해볼 수가 있다. 이 경우에 진폭과 전기자극 강도와의 관계를 이용해서 얻어진 직선이 가로축과 만나는 점을 NRT 역치로 추정해 볼 수가 있다.
여기서 역시 자극과 기록에 사용되는 변수가 변화되면 다른 형태의 결과가 얻어지는 경우도 확인되었다. 즉, 얻어지는 역치는 자극 및 기록변수를 조정하기에 따라서 다르게 나타나는 경우들이 있었다. 일예로, 자극 횟수가 많아지면 진폭과 잠복기가 영향을 받았다. 사용전극이나 기록전극의 위치에 따른 변화도 있었으며, 이러한 변수들과의 관계에 대한 명확한 지침을 얻기 위해서는 체계적으로 검증된 자극 및 기록조건에 대한 자료가 필요할 것으로 판단된다.
다음은 한 인공와우 착용자에게서 모든 사용 전극의 채널 별로 역치반응을 비교해본 것이다(Fig. 8).
기존의 발표자료보다 각 전극 별로 행동반응과의 차이가 비교적 적음을 알 수가 있었다.¹⁾³⁾ 이 실험에서 변수를 조절하면 경우에 따라서는 그 차이가 크게 나타나는 경우도 있었다. 이에 대한 명확한 관계식을 구하기 위하여 동일한 자극 조건을 포함한 변수 분석이 진행되고 있다.
다음은 9명 대상자에서 모든 전극채널 결과를 종합한 후에 개인별로 행동반응의 경우와 비교, 평균을 한 자료이다(Fig. 9).
이 자료 산출에 사용된 최종 역치 들은 여러 조건 중에서 가장 작은 역치 들에 해당되는 것들을 처리한 것이다. 보다 더 변수조절이 최적화되면, 행동역치와 NRT 역치 사이의 차이를 기존의 경우보다 더 줄 일수 있을 것으로 생각된다. 현재는 실험적으로 이 조건들의 최적화를 시도하게 되며, 그 정확한 조건에 대한 지침을 줄 수 있는 추가연구가 필요하다.

고     찰

NRT는 인공와우 이식환자가 사용하는 언어처리기를 조정하기 위한 mapping을 시작할 때에 객관적인 자료제공 수단으로 사용될 수가 있다.¹⁾³⁾⁴⁾ 특히, 검사시에 협조가 어려운 유소아나, 기타 다른 정신적 장애 등으로 의사소통에 문제가 있는 환자의 경우에 객관적으로 청력 역치를 유추하거나, 청신경의 잔존정도를 판별하는데 주로 사용된다.¹⁾⁴⁾ 이 역치 역시 다른 전기생리검사에서의 경우와 비슷하게 행동 역치 반응보다 높은 수치를 나타낸다. 그러나 이 수치는 전기자극 변수와 기록변수의 조정에 따라 변화되는 것이 확인되었다. 이 NRT를 임상에서 보다 정량적으로 이용하기위해서는 어떻게 행동 반응 역치 측정에 사용되는 자극의 조건들과 NRT반응측정에 사용되는 자극의 조건들 표준화 시키는가 하는 문제가 해결되어야 할 것이다. 그리고, 서로 다른 조건들을 어떻게 일정하게 관련시키는가 하는 문제들이 추가 해결 과제로 남아 있다. 난이도면에서, 소아는 책을 읽거나, 간단한 장난감을 가지고 노는 동안에 수면상태를 유지할 필요 없이 NRT검사가 이루어진다는 장점이 있다. 이러한 면에서 EABR과 용도가 유사하나 측정시간이 비교적 빠르다는 특징이 있다. 단점은 청신경 이상에서의 반응을 기록하는 것은 아니라는 점과 잔존 청신경이 많지 않은 경우에 그 반응의 양상 판별이 어렵다는 것이다. 또한, 앞서 기술된 것처럼 각 환자마다 어떠한 자극 간격과 변수들을 이용해야 하는가에 대한 간단하고 정확한 지침이 아직 없다는 점이다. 최근에 인공와우를 제작하는 회사들이 이 NRT를 자사의 제품에 반영을 하고자 하고 있다. 그리고 이와 함께, 역치 측정에 관한 오차를 감소시키는 방법들이 계속 추진되고 있다.⁴⁾ 따라서 보다 개선된 NRT 검사방법 들이 계속 제안되고 실용화될 것으로 추정된다.

결     론

NRT는 측정 원리나 임상적인 목적면에서 전기자극으로 기록되는 EABR과 매우 유사한 특징들을 보이고 상호 보완적으로 쓰일 수가 있다. 현재 이 NRT에서 얻어지는 결과는 인공와우 이식기에서 쓰이는 전기자극 크기의 역치와 같은 변수들을 객관적으로 추정할 수 있는 정보를 제공해주고 있다. 실험에서도 확인되었듯이 아직 정확한 지침이 없는 전기자극과 반응기록에 관한 변수들이 표준화가 되면 이 NRT는 보다 행동반응검사와 근접한 결과를 보일 것이고, 상용화된 다른 여러 인공와우 기기에서도 신뢰도가 높은 중요한 임상적 기록수단으로 응용될 것으로 기대된다. NRT에 관한 후속 연구들이 보다 객관적이고 체계적으로 인공와우 시스템을 최적화하는 재활치료에 이용되고, 청신경계의 반응기전과 전기자극에 관한 중요한 자료들을 얻는데 기여할 수 있으리라고 생각된다.

REFERENCES

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