인공와우(CI)를 통해 전기적인 자극으로 소리를 들을 때 신체의 반응은?

인공와우 이식을 하게 되면 전기적인 자극으로 소리가 전달되어 집니다. 그럼 우리 신체는 전기적인 자극을 어떻게 받아들일까요?

☞ 누구나가 뇌에서 소리를 감지한다는 것은 다음과 같은 에너지의 변환과정을 거치게 됩니다. 이렇게 변환이 되어야만 소리를 받아들일 수 있게 되어 있습니다. 따라서 처음에 귀에 도달된 소리들이 음향에너지(외이도)- 기계에너지(중이)- 액체에너지(내이)- 전기에너지(와우이후)의 변환과정을 거쳐서 우리의 뇌로 전달되는 것입니다. 어느 세월에 전달되냐구요? 그게 조물주의 놀라우신 능력아닐까요? 광케이블 이상의 속도라고 보시면 됩니다. 따라서 우리가 소리를 들을 수 있다는 것도 자세히 생각해 보면 정말 놀라울 따름입니다. 


음향신호에서 전기 신호의 변환 과정

그런데 인공와우는 에너지의 변환과정 없이 바로 전기적인 에너지로 들어간다는 것입니다. 따라서 뇌까지 전달되기 까지 소리 정보를 청신경이 그 역할을 대행하는데 이 청신경이 전기적인 소리 자극을 어떻게 받아들이는지가 오늘 포스팅의 포인트가 되겠습니다.

쉽게 말하면 전기적인 자극(electric charge)의 양이 많아지면 청신경에서 받아들이는 소리의 강도는 더 크게 들려집니다. 여기서 전기적인 자극(electric charge)은 펄스강도(pulse amplitude)와 펄스간격(pulse width)이 곱으로 나타냅니다.

위 그래프에서 θ2가 전달되어지는 동안, θ1은 다음 자극을 위해 휴식기를 갖습니다. 따라서 한번 자극이 들어가고 다음 자극은 휴식기를 갖는 이러한 형태의 자극을 Charge-balanced biphasic Pulse라고 합니다. 청신경을 자극하기 위해서 동일한 양의 전류에너지가 양극으로 충전되어 있는 전류 펄스를 의미합니다. 이러한 전류 펄스는 자극 후에 생체조직이나 와우 전극에 전류에너지가 남아 있지 않기 때문에 인체에 안전한 것으로 알려져 있습니다. 

이러한 Charge-balanced Biphasic Pulse 자극을 임플란트 전극을 통해 우리의 청신경이 받게 되는 것입니다. 따라서 charge양이 많아지면(amplitude가 높거나 또는 width가 넓거나), 청신경 자극이 많아지게 되는 것입니다.

Current Amplitude와 Pulse Width


전기의 충전량으로 소리의 강도가 결정되는데 실질적인 전기 충전량을 조절하는 두 가지 요소가 있습니다. Current Amplitude(CA)와 pulse width(PW) 입니다. 단위는 쿨롱(coulomb)이며, CA를 높이거나 PW를 넓히면, 전기의 충전량이 증가하고 와우를 통해 인지되는 소리의 강도가 커지게 됩니다.


CA를 고정하고 PW를 좁히면 인지되는 소리의 강도가 적어지고 반대로 넓히면 커진다. PW가 좁으면 자극 전달 시간이 짧아져서 청신경을 빠른 속도로 자극할 수 있고, PW가 넓어질수록 자극 속도가 느려지게 됩니다. 그러므로 높은 강도의 자극이 필요한 경우 외에는 필요 이상으로 PW를 높일 필요는 없다. PW를 변화시키면 실질적으로 인지되는 소리의 강도가 변화하므로 T와 C-level 이 변화되게 되어 있습니다.  


인공와우를 이식받은 환자에게 정상인이 들을 수 있는 모든 소리들을 전부 제공해 주기 위헤서 어음처리과정은 입력된 음향적 신호를3차원, 즉 주파수(frequency), 진폭(amplitude), 시간(time)으로 분석하여 적절한 전기적 신호로 바꾸어주는 것입니다. 정상인의 역동범위(소리를 들을 수있는 범위) 인 100 dB를 전기적으로 압축하여 8 dB 안에 넣어주는 과정인 것입니다.


그럼 전기적인 자극을 받아들였을 때 우리 신체는 어떻게 반응을 보일까요? 

1. 내유모세포(inner hair cell)은 전기적인 자극에 반응하지 않는다.


2.. 전기적인 자극은 나선 신경절 세포(Spiral ganglion cell)를 자극한다.


3. Bi-phasic charge- balanced pulse 자극이다.

-  한 개의 위상이 자극을 주고 다음 위상기 동안 휴식기를 갖는 형태

-  직류를 피하기 위함. (직류는 Tissue 에 손상을 입힐 수 있다)

-  일반적인 Pulse width는 25~100 us / 전류는 100~10,000uA

4. 전기적인 자극을 통한 음량에는 log 함수가 적용된다.