Miglioramento della valutazione della posizione degli elettrodi nell'impianto cocleare tramite la fusione di immagini con tomografia computerizzata

Riepilogo

Questo protocollo dimostra un metodo per fondere immagini di tomografia computerizzata preoperatoria e postoperatoria per i portatori di impianto cocleare. L'approccio può migliorare l'accuratezza della misurazione della profondità di inserimento e la frequenza centrale dei contatti dell'array di elettrodi. Inoltre, questo metodo ha potenziali applicazioni nell'adattamento basato sull'anatomia, un'area emergente nel campo degli impianti cocleari.

Abstract

Questo studio mirava a determinare se la fusione di immagini di tomografia computerizzata (TC) pre e post-operatoria potesse aiutare a valutare il posizionamento degli elettrodi e la frequenza centrale (CF) nei riceventi di impianto cocleare (CI). Un obiettivo secondario era quello di confrontare la fusione automatica con i metodi manuali per misurare i parametri cocleari. Lo studio ha incluso venti orecchie con IC sottoposte a scansioni TC sia pre che post-operatorie. Le misurazioni manuali dei parametri cocleari sono state inizialmente effettuate dalle immagini TC post-operatorie, seguite dal rilevamento automatico utilizzando immagini TC pre e post-operatorie fuse con software otologico (OTOPLAN). La profondità di inserimento angolare (AID) e il CF di ciascun contatto dell'elettrodo sono stati calcolati utilizzando entrambi i metodi e sono state valutate le differenze di errore. L'analisi ha mostrato differenze significative tra i due metodi per la larghezza cocleare (valore B) e la lunghezza del dotto cocleare (CDL); Tuttavia, queste differenze non erano clinicamente significative. Inoltre, non c'era alcuna differenza statisticamente significativa nel diametro cocleare (valore A). Le differenze medie erano di 0,04 mm per il valore A, 0,21 mm per il valore B e 0,73 mm per il CDL. Il confronto tra AID e CF ha rivelato differenze non significative tra i metodi di fusione manuale e automatica in tutti i contatti degli elettrodi, ad eccezione dell'elettrodo numero cinque. Secondo questo studio, la fusione di immagini TC pre e post-operatorie può essere utilizzata per determinare le posizioni degli elettrodi nei riceventi CI. Le immagini fuse automaticamente possono potenzialmente misurare i parametri cocleari, l'AID e la FC con una ridotta interferenza umana. Pertanto, questo metodo può servire come un'altra base per la creazione di un fitting basato sull'anatomia.

Introduzione

La chirurgia dell'impianto cocleare (CI) è un trattamento trasformativo per le persone con ipoacusia neurosensoriale da grave a profonda, che offre miglioramenti sostanziali nella funzione uditiva e nella qualità della vita¹. Un fattore critico per il successo della chirurgia dell'impianto cocleare è il posizionamento accurato dell'array di elettrodi all'interno del compartimento cocleare corretto, in particolare la scala timpanica, poiché il posizionamento ottimale degli elettrodi è costantemente collegato a risultati uditivi superiori². Pertanto, un'attenta pianificazione preoperatoria e una valutazione dell'anatomia cocleare sono essenziali per garantire che l'array di elettrodi sia posizionato in modo appropriato. Assicurarsi che l'array di elettrodi sia completamente inserito all'interno della scala timpana è fondamentale per massimizzare i benefici per il paziente e ottenere risultati clinici ottimali³.

La stima preoperatoria dell'angolo di profondità di inserimento degli array di elettrodi CI è considerata importante per un'efficace pianificazione chirurgica. Questa stima si basa in modo significativo sull'ottenimento di misurazioni accurate dei parametri cocleari chiave, come la lunghezza del dotto cocleare (CDL), dalle scansioni preoperatorie di tomografia computerizzata (TC)⁴. Queste misurazioni consentono di effettuare previsioni essenziali sulla copertura cocleare e sulla profondità di inserimento angolare durante la chirurgia IC quando la lunghezza dell'elettrodo è nota. Un importante predittore di CDL è il valore A, definito come la distanza tra la finestra rotonda e il punto più lontano sulla curva basale. Studi precedenti hanno evidenziato il ruolo cruciale dell'imaging e della pianificazione preoperatoria nel guidare le decisioni chirurgiche e nell'ottimizzare i risultati per i riceventi di IC⁵.

L'imaging TC preoperatorio è una pratica standard in molte cliniche CI per valutare l'anatomia dell'orecchio interno e i parametri cocleari prima dell'intervento chirurgico. La TC preoperatoria fornisce immagini chiare e prive di artefatti che supportano una pianificazione efficace e ottimizzano le procedure chirurgiche⁶. Tuttavia, la sola analisi TC preoperatoria ha dei limiti nel prevedere con precisione l'effettiva profondità di inserimento angolare (AID) e la frequenza centrale (CF) dei contatti degli elettrodi lungo l'array di elettrodi CI. Di conseguenza, l'imaging post-operatorio rimane necessario per confermare il posizionamento dell'array di elettrodi, valutare qualsiasi spostamento o traslocazione e determinare il vero AID di ciascun contatto⁷.

L'imaging post-operatorio conferma l'accuratezza del posizionamento degli elettrodi e aiuta a creare mappe di adattamento personalizzate su misura per l'anatomia cocleare unica di ciascun paziente. Queste mappe di adattamento sono essenziali per ottimizzare le prestazioni uditive garantendo una stimolazione precisa delle fibre nervose uditive. Studi recenti hanno dimostrato che le mappe di adattamento individualizzate, o adattamento basato sull'anatomia (ABF), migliorano la comprensione del parlato sia in ambienti silenziosi che rumorosi rispetto alle mappe di adattamento standard o cliniche 8,9,10,11,12,13. Inoltre, i riceventi tendono a preferire le mappe ABF quando il loro array di elettrodi raggiunge un'adeguata stimolazione della regione apicale⁸ della coclea. La discrepanza frequenza-luogo è la discrepanza tra la CF dei contatti degli elettrodi in base alla loro posizione fisica all'interno della coclea e le impostazioni predefinite⁴. Mertens et al. hanno riportato che l'impatto della mancata corrispondenza frequenza-luogo diminuisce con l'uso prolungato del dispositivo¹⁴. Altri studi hanno dimostrato che la riduzione della discrepanza frequenza-luogo con ABF nei portatori di IC migliora la percezione del parlato in ambienti rumorosi senza influire sulla comprensione in ambienti silenziosi^11,13.

Per valutare i riceventi di IC sono state utilizzate varie modalità di imaging, tra cui la radiografia^15,16, la TC¹⁷ a fascio conico e la risonanza magnetica (MRI)^18,19. Tuttavia, l'imaging TC rimane il metodo preferito grazie alla sua elevata risoluzione spaziale e alla capacità di acquisire un'anatomia cocleare dettagliata. L'imaging TC consente una valutazione precisa delle strutture dell'orecchio interno, come la scala del timpano e la scala vestibolare, facilitando il posizionamento accurato degli elettrodi.

Nonostante i numerosi vantaggi dell'imaging TC, persistono alcune sfide, in particolare con le scansioni post-operatorie a bassa risoluzione. I contatti metallici degli elettrodi possono produrre artefatti di immagine che oscurano le strutture adiacenti, complicando la misurazione accurata di parametri critici come AID e CF. Studi recenti hanno dimostrato che la fusione di scansioni TC pre e post-operatorie migliora la nitidezza dell'immagine rispetto alle scansioni standard, consentendo valutazioni più accurate e migliorando la posizione degli elettrodi fornendo informazioni complementari da immagini pre e post-operatorie²⁰.

Attualmente, l'analisi delle immagini TC post-operatorie comporta spesso misurazioni manuali utilizzando strumenti software, che richiedono una formazione sostanziale, richiedono molto tempo e possono essere soggette a variabilità ed errori, limitandone l'efficienza e la più ampia applicabilità. Esiste una letteratura limitata sul potenziale delle misurazioni automatizzate da immagini fuse per affrontare queste limitazioni e fornire misurazioni affidabili dell'AID per i contatti degli elettrodi. Questa ricerca mira a valutare se la fusione di immagini TC pre e post-operatorie possa valutare efficacemente le caratteristiche cocleari e il posizionamento degli elettrodi nei riceventi di IC. Studia inoltre come la fusione delle immagini potrebbe far progredire l'adattamento basato sull'anatomia (ABF) e migliorare l'accuratezza della misurazione sia per la profondità di inserimento angolare (AID) che per la frequenza centrale (CF).

Protocollo

Questo studio ha ricevuto l'approvazione del principale Comitato di Revisione Istituzionale (E-21-5737) ed è stato condotto seguendo i principi etici delineati nella Dichiarazione di Helsinki. I dati sono stati raccolti retrospettivamente dalle cartelle cliniche presso il nostro centro CI terziario. A causa della natura anonima dell'analisi dei dati, non era richiesto il consenso informato. Lo studio ha incluso 20 orecchie di pazienti di varie fasce d'età.

I criteri di inclusione sono stati i seguenti: pazienti con anatomia normale dell'orecchio interno che hanno ricevuto IC tra il 2020 e il 2023, sono stati sottoposti a TAC sia pre che post-operatoria e sono stati impiantati con dispositivi CI dello stesso produttore, compatibili con il software di pianificazione chirurgica utilizzato. Le scansioni TC dell'osso temporale vengono eseguite di routine come parte della valutazione preoperatoria per i pazienti con impianto cocleare presso il nostro centro, mentre le scansioni TC post-operatorie vengono eseguite solo quando necessario dal punto di vista medico per ridurre al minimo l'esposizione alle radiazioni. I criteri di esclusione includevano pazienti con IC sottoposti a interventi chirurgici di revisione o con ossificazione cocleare, otosclerosi cocleare o fratture dell'osso temporale che coinvolgevano la capsula otica. I dettagli dell'attrezzatura e del software sono forniti nella Tabella dei Materiali.

1. Caricamento e misurazione dei parametri cocleari

NOTA: Il protocollo di misurazione utilizzato in questo studio comprendeva una serie di passaggi sequenziali progettati per valutare l'efficacia della tecnica di fusione dell'immagine TC pre e post-operatoria nella valutazione della posizione degli elettrodi nei riceventi di IC (Figura 1).

Figura 1: Confronto tra protocolli di misura. Questa figura illustra il protocollo per la misurazione dei parametri cocleari utilizzando il metodo della fusione automatica rispetto al metodo manuale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

1. Premere il pulsante Importa nel modulo di gestione dati del software per caricare le immagini TC post-operatorie e pre-operatorie e selezionare i file DICOM .
2. Definisci manualmente il centro del modiolo, della finestra rotonda e delle metriche cocleari, inclusi il valore A (diametro cocleare), il valore B (larghezza cocleare) e il valore H (altezza cocleare) nel modulo 3D Ear-Cochlea⁴ (Figura 2).
3. Calcolare la lunghezza del dotto cocleare (CDL) utilizzando i valori A e B, applicando il metodo delle alessiadi all'approssimazione ellittico-circolare (ECA)^2,4.
   NOTA: Le fasi dettagliate dell'analisi post-operatoria sono descritte da Canfarotta et ^al.21. Queste misurazioni forniscono punti di riferimento anatomici per la stima del CDL.

Figura 2: Misurazione manuale dei valori A, B e H post-operatori. Le immagini post-operatorie vengono importate nel software e il valore A (contrassegnato in verde), il valore B (contrassegnato in blu) e il valore H (contrassegnato in rosso) vengono misurati manualmente. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

2. Identificazione del contatto dell'elettrodo e calcolo AID/CF

1. Aprire il modulo Valutazione dell'impianto . Il software identificherà automaticamente i dodici punti di contatto degli elettrodi sulle immagini TC post-operatorie.
2. Regolare manualmente i punti di contatto rilevati, se necessario, prima di confermarne la posizione.
3. Consenti al software di utilizzare questi punti, insieme alle metriche cocleari predefinite, per calcolare automaticamente la profondità di inserimento angolare (basata su Escude et ^al.22) e la frequenza caratteristica (basata su Greenwood et ^al.23) per ciascun contatto (vedi Figura 3).
   NOTA: Questo approccio manuale è considerato il metodo standard per misurare AID e CF ed è indicato come "Manuale" in questo studio.

Figura 3: Identificazione dei contatti degli elettrodi. Questa figura mostra l'identificazione dei dodici contatti degli elettrodi dalle immagini TC post-operatorie. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

3. Fusione di immagini

1. Premere l'icona Aggiungi nell'interfaccia utente per importare le immagini TC pre-operatorie nel pannello Image Fusion.
2. Consente al software di iniziare automaticamente a registrare le immagini TC preoperatorie con le immagini TC postoperatorie precaricate utilizzando la funzione di fusione automatica, che applica un algoritmo di informazione reciproca.
3. Accedere alla funzione di allineamento manuale nel menu dell'immagine preoperatoria se sono necessarie regolazioni manuali della fusione. Questo processo di fusione migliora la visualizzazione e consente una valutazione più completa dell'anatomia cocleare e del posizionamento degli elettrodi con un minor numero di artefatti. La fusione mira a migliorare la visualizzazione per una migliore valutazione (vedi Figura 4).

Figura 4: Fusione di immagini TC pre e post-operatorie. Le immagini TC preoperatorie vengono importate nel software e fuse con le immagini TC postoperatorie. La sovrapposizione viene visualizzata in colore oliva, con gli elettrodi evidenziati in blu brillante. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

4. Misurazione automatica dei parametri cocleari sull'immagine preoperatoria

1. Misura nuovamente i parametri cocleari sull'immagine preoperatoria appena importata all'interno del modulo 3D - Coclea.
2. Selezionare l'opzione Automatico nel menu del modulo per eseguire misurazioni automatiche dei parametri cocleari. Questa funzione è disponibile solo per le immagini preoperatorie senza elettrodi dell'impianto, poiché non esistono artefatti metallici.
3. Usa l'algoritmo automatico per ricostruire l'anatomia dell'orecchio interno in 3D. Il modello 3D servirà come base per le misurazioni automatiche dei parametri cocleari come descritto da Abari et ^al.24.
   NOTA: La ricostruzione 3D aiuta a misurare con precisione i parametri cocleari (vedi Figura 5).

Figura 5: Misurazione automatizzata dei parametri cocleari. Dalle immagini fuse, il software misura automaticamente i principali parametri cocleari (indicati da punti verdi, blu e rossi), esegue la ricostruzione 3D (coclea in arancione, canale uditivo interno in verde e canali semicircolari in marrone) e aggiorna le informazioni relative ai contatti degli elettrodi. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

5. Aggiornamento dei punti di contatto degli elettrodi con i nuovi parametri cocleari

1. Confermare le nuove misurazioni della lunghezza del dotto cocleare (CDL) ottenute dalle immagini preoperatorie.
2. Consenti ai punti di contatto dell'elettrodo precedentemente identificati dalle immagini post-operatorie di aggiornarsi automaticamente con le nuove informazioni sui parametri cocleari, definendo l'approccio "Fusione Automatica".
3. Eseguire calcoli basati sulle immagini fuse (pre-operatorie e post-operatorie) per la profondità di inserimento angolare (AID) e la frequenza caratteristica (CF), che sono importanti per confermare il posizionamento dell'array di elettrodi, la copertura cocleare e la creazione della mappa ABF (Anatomica-Based Fit) (vedere la Figura 5).
   NOTA: AID e CF sono fondamentali per confermare il posizionamento degli elettrodi e la copertura cocleare nella pratica degli impianti cocleari (CI) (vedere la Figura 6).

Figura 6: Definizione automatica di AID e CF. Questa figura illustra la definizione automatica di AID (Acoustic Impedance Distribution) e CF (Center Frequency) per ogni singolo contatto dell'elettrodo in base alle immagini fuse. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

6. Calcolo dell'errore angolare medio e dell'errore di frequenza

1. Calcolare l'errore angolare medio tra i metodi di fusione manuale e automatica per ciascun contatto dell'elettrodo.
2. Calcolare l'errore di frequenza in semitoni tra i due metodi (fusione manuale e automatica) per ciascun contatto dell'elettrodo.
3. Utilizza questi calcoli per fornire indicatori quantitativi della differenza e dell'accuratezza tra i due metodi. Si noti che i semitoni sono gli intervalli musicali più piccoli comunemente usati nella musica occidentale²⁵.

7. Analisi statistica

1. Alimenta i parametri cocleari calcolati manualmente, la profondità di inserimento angolare (AID) e la frequenza caratteristica (CF) dall'imaging TC post-operatorio, insieme ai dati calcolati dalla tecnica di fusione delle immagini TC pre e post-operatoria per ciascun contatto dell'elettrodo, nel software di analisi statistica (software R).
2. Utilizzare medie e deviazioni standard per le statistiche descrittive delle variabili quantitative, applicando conteggi e percentuali per le variabili categoriali.
3. Condurre un'analisi comparativa tra l'AID e le frequenze misurate manualmente e le misurazioni fuse automaticamente utilizzando un t-test accoppiato aggiustato a coppie di Bonferroni o un test di rango con segno di Wilcoxon, a seconda dell'ipotesi di normalità testata utilizzando il test di Shapiro-Wilk.
   NOTA: Supponiamo che tutti i confronti abbiano dimensioni dell'effetto standardizzate clinicamente rilevanti (d di Cohen)²⁶. Si consideri un valore P statisticamente significativo inferiore a 0,05.

Risultati

Questo studio ha incluso 20 orecchie di portatori di IC, con 11 impianti sul lato sinistro e nove sul lato destro. L'età media dei partecipanti era di 13,3 anni, di cui il 55% femmine e il 45% maschi. La Tabella 1 presenta un'analisi comparativa dei metodi di fusione manuali e automatici per la misurazione dei parametri cocleari, rivelando differenze statisticamente significative in alcune misurazioni. In particolare, le misurazioni manuali hanno mostrato un valore B e ...

Discussione

I risultati del presente studio hanno rivelato misurazioni comparabili tra i metodi di fusione manuale e automatica per la maggior parte dei parametri e delle frequenze cocleari. Mentre le misurazioni manuali hanno mostrato valori marginalmente più alti per alcuni parametri, come il valore B e il CDL, non sono state osservate differenze clinicamente significative nel complesso. Questa discrepanza potrebbe essere attribuita ad artefatti nella TC post-operatoria, che possono influire sull...

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
CI devices	MED-EL, Innsbruck, Austria
OTOPLAN software	CASCINATION, MED-EL, Innsbruck, Austria	version 4 (3.0.0)	Otology Planning Software
R software	R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria	version 4.2.2	Language and Environment for Statistical Computing