Does the distance from a laser source to the ear influence the optoacoustic activation of the auditory system?
Beeinflusst der Abstand einer Laserlichtquelle zum Ohr die optoakustische Aktivierung des Hörsystems?
Markus Dirksen1, Katharina Sorg1, Larissa Schatteburg1, Achim Langenbucher2, Bernhard Schick1, Gentiana I. Wenzel1
1Saarland University, Department of Otorhinolaryngology, Faculty of Medicine, Homburg, Germany; 2Saarland University, Department of Experimental Ophtalmology, Homburg, Germany
Abstract: Hearing loss is the most frequent sensory deficit in humans with approximately 436 million affected people worldwide requiring treatment. If untreated, it can lead to social isolation and reduced quality of life for many individuals. Currently available auditory prostheses based on mechanical and electrical energy are not sufficiently supplying the hard of hearing patients, thus making novel stimulation strategies necessary. A new generation of hearing aids based on optoacoustic effects provide promising results for the future. For this purpose, we proposed to assess the effect of the distance between the laser source and the vibratory site at three different anatomical structures of the peripheral hearing organ. Therefore, the auditory threshold of anesthetized female albino guinea pigs was determined using click-evoked brainstem potentials of 0–80 dB SPL. 10 ns laser pulses at 532 nm wavelength and 10 Hz repetition rate with increasing intensity were then used to irradiate the tympanic membrane, the round window, and the otic capsule. For this, the laser fiber, with a 365 m diameter, was positioned at 0.1, 2.6, 5.1 and 10.1 mm distance from the three anatomical sites. To assess the neuronal activity, optically induced acoustic brainstem potentials were recorded. The auditory threshold for each distance was estimated by the identification of the first recorded Jewett complex. The optical stimulation using a laser with 532 nm wavelength and 10 Hz repetition rate induced a progressively decreasing signal, the further the distance between the source and the target. The further the laser was placed from the target, the higher was the intensity of the laser pulse required to achieve an equivalent auditory activation threshold. In our experiment this effect was consistent at all the measured distances and for all the three targeted anatomical sites. As expected, the maximal activation was achieved in the position most proximal to the irradiated anatomical site. The distance between the laser source and the targeted anatomical structure demonstrated, therefore, an inverse correlation to the amplitude of the induced optoacoustic activation. The use of this result in new developments could allow for adjustment of the laser source in order to adapt to the anatomical characteristics and the specific pathology present in each case.
Keywords: hearing aids, optoacoustics, pulsed laser operation, optical evoked potentials
Zusammenfassung: Schwerhörigkeit ist die häufigste sensorische Beeinträchtigung des Menschen. Weltweit sind etwa 436 Millionen Menschen von einer behandlungsbedürftigen Schwerhörigkeit betroffen. Bleibt dieser Hörverlust unbehandelt, führt er bei vielen Betroffenen zu sozialer Isolation und verminderter Lebensqualität. Derzeit verfügbare Hörprothesen, die auf mechanischer oder elektrischer Energie basieren, bieten in vielen Fällen nur eine unzureichende Kompensation des Hörverlustes, so dass die Entwicklung neuer Stimulationsstrategien erforderlich ist. In unseren Vorarbeiten konnten wir demonstrieren, dass die auf optoakustischer Stimulation des peripheren Hörsystems basierenden Hörgeräte vielversprechende Ergebnisse für die Zukunft bieten. Zu diesem Zweck analysierten wir nun die Auswirkungen des Abstands zwischen der Laserlichtquelle und des bestrahlten Gewebes an drei verschiedenen anatomischen Strukturen des peripheren Hörorgans. Die Hörschwelle von narkotisierten weiblichen Albino-Meerschweinchen wurde mit Hilfe von klick-evozierten Hirnstammpotenzialen von 0-80 dB SPL bestimmt. Anschließend wurden 10-ns-Laserpulse mit einer Wellenlänge von 532 nm und einer Wiederholungsrate von 10 Hz mit steigender Intensität verwendet, um das Trommelfell, das runde Fenster und die otische Kapsel zu bestrahlen. Zu diesem Zweck wurde die Laserfaser mit einem Durchmesser von 365 m in einem Abstand von 0,1, 2,6, 5,1 und 10,1 mm zu den drei anatomischen Zielstrukturen positioniert. Für die Analyse der somit induzierten neuronalen Aktivität wurden optoakustisch induzierte Hirnstammpotenziale aufgezeichnet. Die Hörschwelle für jede Entfernung wurde festgelegt, sobald ein als solcher identifizierbarer Jewett-Komplex zu erkennen war. Die optoakustische Stimulation führte zu einem immer schwächeren Signal, je weiter die Quelle von der Zielstruktur entfernt war. Mit anderen Worten: Je größer der Abstand zwischen Laser und Zielstruktur, desto höher war die Intensität der Laserpulse, die erforderlich war, um die entsprechende auditive Aktivierungsschwelle zu erreichen. In unserem Experiment war dieser Effekt an allen Abständen und für alle drei anvisierten anatomischen Zielstrukturen zu beobachten. Wie erwartet, wurde die maximale Aktivierung in der proximalsten Position zum Hörorgan erreicht. Der Abstand zwischen der Laserquelle und der anvisierten anatomischen Struktur zeigte eine umgekehrte Korrelation mit der Amplitude der ausgelösten Aktivierung. Die Nutzung dieser Ergebnisse in neuen Entwicklungen könnte eine Anpassung der Laserquelle an die anatomischen Merkmale und die individuelle Pathologie im Einzelfall ermöglichen.
Stichwörter: Hörgeräte, Optoakustik, Laser, optoakustisch evozierte Potenziale
Erstveröffentlichung in: GMS Z Audiol (Audiol Acoust) 2024;6: Doc18. DOI: 10.3205/zaud000053