Radiation dose reduction in postoperative computed position control of cochlear implant electrodes in lambs - An experimental study

OBJECTIVE Cochlear implants (CI) are standard treatment for prelingually deafened children and postlingually deafened adults. Computed tomography (CT) is the standard method for postoperative imaging of the electrode position. CT scans accurately reflect electrode depth and position, which is essential prior to use. However, routine CT examinations expose patients to radiation, which is especially problematic in children. We examined whether new CT protocols could reduce radiation doses while preserving diagnostic accuracy. METHODS To investigate whether electrode position can be assessed by low-dose CT protocols, a cadaveric lamb model was used because the inner ear morphology is similar to humans. The scans were performed at various volumetric CT dose-indexes CTDIvol)/kV combinations. For each constant CTDIvol the tube voltage was varied (i.e., 80, 100, 120 and 140kV). This procedure was repeated at different CTDIvol values (21mGy, 11mGy, 5.5mGy, 2.8mGy and 1.8mGy). To keep the CTDIvol constant at different tube voltages, the tube current values were adjusted. Independent evaluations of the images were performed by two experienced and blinded neuroradiologists. The criteria diagnostic usefulness, image quality and artifacts (scaled 1-4) were assessed in 14 cochlear-implanted cadaveric lamb heads with variable tube voltages. RESULTS Results showed that the standard CT dose could be substantially reduced without sacrificing diagnostic accuracy of electrode position. The assessment of the CI electrode position was feasible in almost all cases up to a CTDIvol of 2-3mGy. The number of artifacts did not increase for images within this dose range as compared to higher dosages. The extent of the artifacts caused by the implanted metal-containing CI electrode does not depend on the radiation dose and is not perceptibly influenced by changes in the tube voltage. Summarizing the evaluation of the CI electrode position is possible even at a very low radiation dose. CONCLUSIONS CT imaging of the temporal bone for postoperative electrode position control of the CI is possible with a very low and significantly radiation dose. The tube current-time product and voltage can be reduced by 50% without increasing artifacts. Low-dose postoperative CT scans are sufficient for localizing the CI electrode.

Lamb Temporal Bone as a Surgical Training Model of Round Window Cochlear Implant Electrode Insertion

OBJECTIVE The preservation of residual hearing in cochlear implantation opens the door for optimal functional results. This atraumatic surgical technique requires training; however, the traditional human cadaveric temporal bones have become less available or unattainable in some institutions. This study investigates the suitability of an alternative model, using cadaveric lamb temporal bone, for surgical training of atraumatic round window electrode insertion. INTERVENTION A total of 14 lamb temporal bones were dissected for cochlear implantation by four surgeons. After mastoidectomy, visualization, and drilling of the round window niche, an atraumatic round window insertion of a Medel Flex24 electrode was performed. Electrode insertion depth and position were verified by computed tomography scans. MAIN OUTCOME MEASURE All cochleas were successfully implanted using the atraumatic round window approach; however, surgical access through the mastoid was substantially different when compared human anatomy. The mean number of intracochlear electrode contacts was 6.5 (range, 4-11) and the mean insertion depth 10.4 mm (range, 4-20 mm), which corresponds to a mean angular perimodiolar insertion depth of 229 degrees (range 67-540°). Full insertion of the electrode was not possible because of the smaller size of the lamb cochlea in comparison to that of the human. CONCLUSION The lamb temporal bone model is well suited as a training model for atraumatic cochlear implantation at the level of the round window. The minimally pneumatized mastoid as well as the smaller cochlea can help prepare a surgeon for difficult cochlear implantations. Because of substantial differences to human anatomy, it is not an adequate training model for other surgical techniques such as mastoidectomy and posterior tympanotomy as well as full electrode insertion.

A Neuromonitoring Approach to Facial Nerve Preservation During Image-guided Robotic Cochlear Implantation.

HYPOTHESIS A multielectrode probe in combination with an optimized stimulation protocol could provide sufficient sensitivity and specificity to act as an effective safety mechanism for preservation of the facial nerve in case of an unsafe drill distance during image-guided cochlear implantation. BACKGROUND A minimally invasive cochlear implantation is enabled by image-guided and robotic-assisted drilling of an access tunnel to the middle ear cavity. The approach requires the drill to pass at distances below 1 mm from the facial nerve and thus safety mechanisms for protecting this critical structure are required. Neuromonitoring is currently used to determine facial nerve proximity in mastoidectomy but lacks sensitivity and specificity necessaries to effectively distinguish the close distance ranges experienced in the minimally invasive approach, possibly because of current shunting of uninsulated stimulating drilling tools in the drill tunnel and because of nonoptimized stimulation parameters. To this end, we propose an advanced neuromonitoring approach using varying levels of stimulation parameters together with an integrated bipolar and monopolar stimulating probe. MATERIALS AND METHODS An in vivo study (sheep model) was conducted in which measurements at specifically planned and navigated lateral distances from the facial nerve were performed to determine if specific sets of stimulation parameters in combination with the proposed neuromonitoring system could reliably detect an imminent collision with the facial nerve. For the accurate positioning of the neuromonitoring probe, a dedicated robotic system for image-guided cochlear implantation was used and drilling accuracy was corrected on postoperative microcomputed tomographic images. RESULTS From 29 trajectories analyzed in five different subjects, a correlation between stimulus threshold and drill-to-facial nerve distance was found in trajectories colliding with the facial nerve (distance <0.1 mm). The shortest pulse duration that provided the highest linear correlation between stimulation intensity and drill-to-facial nerve distance was 250 μs. Only at low stimulus intensity values (≤0.3 mA) and with the bipolar configurations of the probe did the neuromonitoring system enable sufficient lateral specificity (>95%) at distances to the facial nerve below 0.5 mm. However, reduction in stimulus threshold to 0.3 mA or lower resulted in a decrease of facial nerve distance detection range below 0.1 mm (>95% sensitivity). Subsequent histopathology follow-up of three representative cases where the neuromonitoring system could reliably detect a collision with the facial nerve (distance <0.1 mm) revealed either mild or inexistent damage to the nerve fascicles. CONCLUSION Our findings suggest that although no general correlation between facial nerve distance and stimulation threshold existed, possibly because of variances in patient-specific anatomy, correlations at very close distances to the facial nerve and high levels of specificity would enable a binary response warning system to be developed using the proposed probe at low stimulation currents.

Cell cycle reactivation of cochlear progenitor cells in neonatal FUCCI mice by a GSK3 small molecule inhibitor.

Due to the lack of regenerative capacity of the mammalian auditory epithelium, sensory hair cell loss results in permanent hearing deficit. Nevertheless, a population of tissue resident stem/progenitor cells has been recently described. Identification of methods to trigger their activity could lead to exploitation of their potential therapeutically. Here we validate the use of transgenic mice reporting cell cycle progression (FUCCI), and stemness (Lgr5-GFP), as a valuable tool to identify regulators of cell cycle re-entry of supporting cells within the auditory epithelium. The small molecule compound CHIR99021 was used to inhibit GSK3 activity. This led to a significant increase in the fraction of proliferating sphere-forming cells, labeled by the FUCCI markers and in the percentage of Lgr5-GFP + cells, as well as a selective increase in the fraction of S-G2-M cells in the Lgr5 + population. Using whole mount cultures of the organ of Corti we detected a statistically significant increment in the fraction of proliferating Sox2 supporting cells after CHIR99021 treatment, but only rarely appearance of novel MyoVIIa+/Edu + hair cells. In conclusion, these tools provide a robust mean to identify novel regulators of auditory organ regeneration and to clarify the contribution of stem cell activity.

Fine control of drug delivery for cochlear implant applications

Cochlear implants are neuroprostheses that are inserted into the inner ear to directly electrically stimulate the auditory nerve, thus replacing lost cochlear receptors, the hair cells. The reduction of the gap between electrodes and nerve cells will contribute to technological solutions simultaneously increasing the frequency resolution, the sound quality and the amplification of the signal. Recent findings indicate that neurotrophins (NTs) such as brain derived neurotrophic factor (BDNF) stimulate the neurite outgrowth of auditory nerve cells by activating Trk receptors on the cellular surface (1–3). Furthermore, small-size TrkB receptor agonists such as di-hydroxyflavone (DHF) are now available, which activate the TrkB receptor with similar efficiency as BDNF, but are much more stable (4). Experimentally, such molecules are currently used to attract nerve cells towards, for example, the electrodes of cochlear implants. This paper analyses the scenarios of low dose aspects of controlled release of small-size Trk receptor agonists from the coated CI electrode array into the inner ear. The control must first ensure a sufficient dose for the onset of neurite growth. Secondly, a gradient in concentration needs to be maintained to allow directive growth of neurites through the perilymph-filled gap towards the electrodes of the implant. We used fluorescein as a test molecule for its molecular size similarity to DHF and investigated two different transport mechanisms of drug dispensing, which both have the potential to fulfil controlled low-throughput drug-deliverable requirements. The first is based on the release of aqueous fluorescein into water through well-defined 60-μm size holes arrays in a membrane by pure osmosis. The release was both simulated using the software COMSOL and observed experimentally. In the second approach, solid fluorescein crystals were encapsulated in a thin layer of parylene (PPX), hence creating random nanometer-sized pinholes. In this approach, the release occurred due to subsequent water diffusion through the pinholes, dissolution of the fluorescein and then release by out-diffusion. Surprisingly, the release rate of solid fluorescein through the nanoscopic scale holes was found to be in the same order of magnitude as for liquid fluorescein release through microscopic holes.

Ionotropic Glutamate Receptors Show Unique Distribution and Localization in the Dorsal Cochlear Nucleus of the Rhesus Monkey

The dorsal cochlear nucleus (DCN) receives auditory information via the auditory nerve coming from the cochlea. It is responsible for much of the integration of auditory information, and it projects this auditory information to higher auditory brain centers for further processing. This study focuses on the DCN of adult Rhesus monkeys to characterize two specific cell types, the fusiform and cartwheel cell, based on morphometric parameters and type of glutamate receptor they express. The fusiform cell is the main projection neuron, while the cartwheel cell is the main inhibitory interneuron. Expression of AMPA glutamate receptor subunits is localized to certain cell types. The activity of the CN depends on the AMPA receptor subunit composition and expression. Immunocytochemistry, using specific antibodies for AMPA glutamate receptor subunits GluR1, GluR2/3 and GluR4, was used in conjunction with morphometry to determine the location, morphological characteristics and expression of AMPA receptor subunits in fusiform and cartwheel cells in the primate DCN. Qualitative as well as quantitative data indicates that there are important morphological differences in cell location and expression of AMPA glutamate receptor subunits between the rodent DCN and that of primates. GluR2/3 is widely expressed in the primate DCN. GluR1 is also widely expressed in the primate DCN. GluR4 is diffusely expressed. Expression of GluR2/3 and GluR4 in the primate is similar to that of the rodent. However, expression of GluR1 is different. GluR1 is only expressed by cartwheel cells in the rodent DCN, but is expressed by a variety of cells, including fusiform cells, in the DCN of the primate.

Pasividad en sobredentaduras con implantes ferulizados

Con el advenimiento de los implantes y con ellos la opción de las sobredentaduras, la pasividad comienza a jugar un papel fundamental para darle mejor pronóstico a la rehabilitación y prolongar la vida útil de los implantes. Dentro de este análisis es que se presenta el caso clínico de un paciente que concurre a la clínica de posgrado de la Facultad de Odontología, de sexo masculino, 75 años de edad portador de prótesis completa superior e inferior. Refiere fundamentalmente tener problemas en la dicción y en la masticación. El tratamiento propuesto al paciente fue: dos implantes en el maxilar inferior con una sobredentadura retenida por pilares esféricos y cuatro implantes superiores con una sobredentadura retenida por una barra, la cual feruliza los implantes y tiene en su estructura 3 esferas que dan retención a la prótesis. La barra superior fue colada seccionada en cuatro partes, unidas en boca y luego soldada mediante tecnología Laser. De ésta forma se busca obtener pasividad para evitar que los tornillos de fijación se aflojen, fracturas de tornillos o implantes, reabsorción de los tejidos óseo perimplantarios o pérdida de la oseointegración de los implantes.

Presentación [del libro "Simulación del comportamiento óseo. Aplicación al diseño de implantes"]

La aplicación de los fundamentos, métodos y herramientas básicas de la Mecánica del Daño Continuo a un modelo de comportamiento biológico como es la remodelación ósea supone un mutuo enriquecimiento y las posibilidades de generalización o ampliación de las disciplinas involucradas. Así surge la idea de reparación que, termodinámicamente sería imposible en un sistema mecánico puro aislado pero que aparece como conveniente y posible en un sistema simulado como mecánico pero en realidad acoplado y, por tanto, con entradas energéticas adicionales como es la energía metabólica en este caso. El grupo que dirige el profesor Doblaré, a quien tuve la oportunidad de facilitar sus primeros pasos en la investigación, tesis doctoral incluída, es conocido en el ámbito de la Mecánica Computacional donde ha venido trabajando en distintos campos desde fundamentos de los Métodos Numéricos hasta aplicaciones en la dinámica, fractura y fatiga, optimización estructural y, últimamente la Biomecánica. Por ello es para mí una doble satisfacción presentar este informe a la Academia de Ingeniería ya que a la difusión de la investigación en un área de enorme futuro en la que muchos de nuestros grupos actuales de investigación se verán inmersos en los próximos años, se une la confirmación de las esperanzas puestas en la inteligencia y capacidad de trabajo de una joven promesa hoy brillante realidad.

PÊNDULO ANCORADO EM MINI-IMPLANTES: AVALIAÇÃO DENTÁRIA E ESQUELÉTICA

O aparelho Pêndulo é eficaz na correção das más oclusões de Classe II, com comprometimento dentoalveolar superior. No entanto, a perda de ancoragem caracterizada pela mesialização dos pré-molares superiores, e pela vestibularização e protrusão dos incisivos superiores, constitui um grave efeito colateral deste dispositivo. O objetivo deste estudo foi avaliar as possíveis alterações dentárias e esquelética, sagitais e verticais, decorrentes do uso do Pêndulo modificado, ancorado em mini-implantes. Dez indivíduos foram tratados neste estudo, sendo que telerradiografias em norma lateral foram realizadas no início do tratamento, e imediatamente após a remoção do Pêndulo. Em cada indivíduo foram instalados dois mini-implantes no palato, que receberam carga imediata por meio da ativação do Pêndulo modificado, apoiado nestes dispositivos de ancoragem temporária. Nenhum dos dentes avaliados apresentou alterações verticais estatisticamente significantes; o mesmo ocorreu para as alterações esqueléticas verticais e sagitais, e para o trespasse vertical e horizontal. Com relação às alterações estatisticamente significantes, o primeiro molar superior moveu-se para distal aproximadamente 5,6mm em 6,2 meses, e com inclinação distal média de 7,100. Os segundos pré-molares superiores distalizaram em média 2,7mm e inclinaram 5,550; já os segundos molares superiores moveram-se em média 4,6mm para distal com uma inclinação de 13,700; valores estes também considerados estatisticamente significantes. O sistema de distalização de molares superiores, composto pelo Pêndulo modificado ancorado em mini-implantes, mostrou-se eficaz na correção da má oclusão de Classe II, sem produzir os efeitos de perda de ancoragem. (AU)

PÊNDULO ANCORADO EM MINI-IMPLANTES: AVALIAÇÃO DENTÁRIA E ESQUELÉTICA

O aparelho Pêndulo é eficaz na correção das más oclusões de Classe II, com comprometimento dentoalveolar superior. No entanto, a perda de ancoragem caracterizada pela mesialização dos pré-molares superiores, e pela vestibularização e protrusão dos incisivos superiores, constitui um grave efeito colateral deste dispositivo. O objetivo deste estudo foi avaliar as possíveis alterações dentárias e esquelética, sagitais e verticais, decorrentes do uso do Pêndulo modificado, ancorado em mini-implantes. Dez indivíduos foram tratados neste estudo, sendo que telerradiografias em norma lateral foram realizadas no início do tratamento, e imediatamente após a remoção do Pêndulo. Em cada indivíduo foram instalados dois mini-implantes no palato, que receberam carga imediata por meio da ativação do Pêndulo modificado, apoiado nestes dispositivos de ancoragem temporária. Nenhum dos dentes avaliados apresentou alterações verticais estatisticamente significantes; o mesmo ocorreu para as alterações esqueléticas verticais e sagitais, e para o trespasse vertical e horizontal. Com relação às alterações estatisticamente significantes, o primeiro molar superior moveu-se para distal aproximadamente 5,6mm em 6,2 meses, e com inclinação distal média de 7,100. Os segundos pré-molares superiores distalizaram em média 2,7mm e inclinaram 5,550; já os segundos molares superiores moveram-se em média 4,6mm para distal com uma inclinação de 13,700; valores estes também considerados estatisticamente significantes. O sistema de distalização de molares superiores, composto pelo Pêndulo modificado ancorado em mini-implantes, mostrou-se eficaz na correção da má oclusão de Classe II, sem produzir os efeitos de perda de ancoragem. (AU)

PÊNDULO ANCORADO EM MINI-IMPLANTES - ANÁLISE EM MODELOS DIGITAIS

A distalização dos molares superiores é uma opção de tratamento da má oclusão de Classe II, quando o envolvimento é principalmente dentoalveolar. Dispositivos intrabucais como o aparelho Pêndulo, dispensam a colaboração do paciente quanto ao uso, porém promovem efeitos muitas vezes indesejáveis como a vestibularização dos dentes anteriores que participam na ancoragem e a inclinação dos molares distalizados. Após o surgimento dos Dispositivos de Ancoragem Temporária (DATs), como o mini-implante pode-se alcançar a ancoragem de forma previsível e eficiente. Com isto, por meio de um estudo prospectivo, foram avaliadas as alterações dentárias, promovidas pela distalização de molares superiores com um aparelho Pêndulo modificado, apoiado em dois mini-implantes instalados no palato de 10 indivíduos, sendo 2 do sexo feminino e 8 do masculino, com média de idade de 14,3 anos. A amostra foi composta por 20 modelos digitalizados em 3D, obtidos de em duas fases: no início do tratamento (T1) e após distalização com sobrecorreção de 1 mm (T2), permitindo quantificar as alterações dentárias sagitais, transversais e possíveis movimentos de rotação, angulação e movimentos verticais. Os resultados obtidos mostraram que no sentido sagital, houve uma efetiva distalização com significância estatística, para os segundos molares superiores; primeiros molares superiores em média de 4,34 mm e 3,91mm para o lado direito e esquerdo, respectivamente, e para os segundos pré-molares do lado direito e esquerdo de 2,06 mm e 1,95 mm, respectivamente. Porém, para os dentes anteriores, foi constatada a perda de ancoragem. No sentido transversal, o maior aumento ocorreu na região dos dentes posteriores. Os movimentos de rotação, angulação e vertical dos primeiros molares superiores, indicam que houve rotação mesiovestibular e inclinação distal das coroas destes dentes de ambos os lados; as medidas verticais, demonstram que houve movimento significativo apenas para o primeiro molar direito, com inclinação distal pela intrusão da cúspide distal. Este dispositivo mostrou-se eficaz na correção da Classe II em um tempo médio de 6,2 meses.(AU)

PÊNDULO ANCORADO EM MINI-IMPLANTES - ANÁLISE EM MODELOS DIGITAIS

A distalização dos molares superiores é uma opção de tratamento da má oclusão de Classe II, quando o envolvimento é principalmente dentoalveolar. Dispositivos intrabucais como o aparelho Pêndulo, dispensam a colaboração do paciente quanto ao uso, porém promovem efeitos muitas vezes indesejáveis como a vestibularização dos dentes anteriores que participam na ancoragem e a inclinação dos molares distalizados. Após o surgimento dos Dispositivos de Ancoragem Temporária (DATs), como o mini-implante pode-se alcançar a ancoragem de forma previsível e eficiente. Com isto, por meio de um estudo prospectivo, foram avaliadas as alterações dentárias, promovidas pela distalização de molares superiores com um aparelho Pêndulo modificado, apoiado em dois mini-implantes instalados no palato de 10 indivíduos, sendo 2 do sexo feminino e 8 do masculino, com média de idade de 14,3 anos. A amostra foi composta por 20 modelos digitalizados em 3D, obtidos de em duas fases: no início do tratamento (T1) e após distalização com sobrecorreção de 1 mm (T2), permitindo quantificar as alterações dentárias sagitais, transversais e possíveis movimentos de rotação, angulação e movimentos verticais. Os resultados obtidos mostraram que no sentido sagital, houve uma efetiva distalização com significância estatística, para os segundos molares superiores; primeiros molares superiores em média de 4,34 mm e 3,91mm para o lado direito e esquerdo, respectivamente, e para os segundos pré-molares do lado direito e esquerdo de 2,06 mm e 1,95 mm, respectivamente. Porém, para os dentes anteriores, foi constatada a perda de ancoragem. No sentido transversal, o maior aumento ocorreu na região dos dentes posteriores. Os movimentos de rotação, angulação e vertical dos primeiros molares superiores, indicam que houve rotação mesiovestibular e inclinação distal das coroas destes dentes de ambos os lados; as medidas verticais, demonstram que houve movimento significativo apenas para o primeiro molar direito, com inclinação distal pela intrusão da cúspide distal. Este dispositivo mostrou-se eficaz na correção da Classe II em um tempo médio de 6,2 meses.(AU)

Comparing in vitro, in situ, and in vivo experimental data in a three-dimensional model of mammalian cochlear mechanics

Normal mammalian hearing is refined by amplification of the motion of the cochlear partition. This partition, comprising the organ of Corti sandwiched between the basilar and tectorial membranes, contains the outer hair cells that are thought to drive this amplification process. Force generation by outer hair cells has been studied extensively in vitro and in situ, but, to understand cochlear amplification fully, it is necessary to characterize the role played by each of the components of the cochlear partition in vivo. Observations of cochlear partition motion in vivo are severely restricted by its inaccessibility and sensitivity to surgical trauma, so, for the present study, a computer model has been used to simulate the operation of the cochlea under different experimental conditions. In this model, which uniquely retains much of the three-dimensional complexity of the real cochlea, the motions of the basilar and tectorial membranes are fundamentally different during in situ- and in vivo-like conditions. Furthermore, enhanced outer hair cell force generation in vitro leads paradoxically to a decrease in the gain of the cochlear amplifier during sound stimulation to the model in vivo. These results suggest that it is not possible to extrapolate directly from experimental observations made in vitro and in situ to the normal operation of the intact organ in vivo.