Análise do comportamento elétrico da cóclea humana sob estimulação por implantes cocleares usando o MEF 3D

Abstract

Este trabalho tem como objetivo a realização de análises numéricas para representação das características elétricas da cóclea humana quando estimulada por eletrodos de Implantes Cocleares. O Método de Elementos Finitos foi utilizado nas simulações para investigar a distribuição de potencial elétrico dentro da cóclea para modelos de cóclea de diferentes complexidades. Foi possível comparar os resultados das simulações com dados obtidos através de medições em pacientes, disponíveis na literatura. Para estimulações monopolares de eletrodos, o potencial elétrico gerado na região da Membrana Basilar foi calculado para uma série de análises utilizando formulação eletrocinética. Três feixes de eletrodos comerciais foram modelados e inseridos dentro de modelo cilíndrico reto e em modelo humano resultante de imageamento por microtomografia, permitindo estabelecer comparações. Através da modelagem da variação da seção transversal da cóclea ao longo do seu comprimento, foi possível representar com maior fidelidade algumas características elétricas, como variações do potencial elétrico ao longo da Membrana Basilar, sendo este reduzido na região basal. Simulações com vários modelos de cóclea, quando esta é passo a passo desenrolada, foram feitas e permitiram contribuir para o entendimento da ocorrência da estimulação cruzada. A formulação eletrodinâmica foi utilizada para observar o comportamento elétrico da cóclea sob estimulação de pulsos, situação mais fiél à prática. Para duas geometrias de cóclea, foram comparados os resultados de potencial elétrico encontrados quando apenas os efeitos resistivos dos tecidos foram considerados, com os encontrados quando efeitos capacitivos também foram levados em consideração. Foram vistas diferenças entre os dois casos, indicando a necessidade de estudos mais detalhados considerando formulação dinâmica.

The objective of this work is to perform numerical analyses to represent the human cochlea electrical properties when stimulated by Cochlear Implant (CI) electrodes. The Finite Element Method was utilized in the simulations in order to investigate electric potential distribution inside the cochlea, for cochlea models of different complexity. It was possible to compare simulation results with data from patient measurements, available in the literature. For monopolar stimulation of electrodes, the electric potential generated in the region of the Basilar Membrane was calculated for a series of analyses utilizing electrokinetics formulation. Three commercial electrode arrays were modeled and inserted inside a cylindrical straight model and a model build using human microtomography images, allowing to establish comparisons. By modeling the cross-section variation along the length of the cochlea, it was possible to represent with greater fidelity some electrical characteristics, such as the variation in the electric potential along the Basilar Membrane, with lower values found in the basal region. Simulations were made using several cochlea models, when it is step by step being unrolled, and this contributed to understand the occurrence of cross turn stimulation. Electrodynamics formulation was used in order to observe the electrical behavior of the cochlea when stimulated by pulses, which is more faithful to real CI stimulation. Two cochlea geometries were used to compare electrical potential results for simulations were only resistive effect of tissues were modeled, with a configuration which capacitive effects were also accounted. Differences between these cases were found, indicating the need of further study considering dynamic formulation.