Patientenspezifische Auswahl von Cochlea-Implantat Elektroden basierend auf anatomischen Indikationsbereichen

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Aus der Klinik für Hals-Nasen-Ohrenheilkunde der Medizinischen Hochschule Hannover

Patientenspezifische Auswahl von Cochlea-Implantat Elektroden basierend auf anatomischen

Indikationsbereichen

Patient specific selection of lateral wall cochlear implant electrodes

based on anatomical indication ranges

Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Medizin in der

Medizinischen Hochschule Hannover

vorgelegt von Max Eike Timm aus Eckernförde

Hannover 2019

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Angenommen vom Senat: 15.11.2019

Präsident: Professor Dr. med. Michael P. Manns Betreuer der Arbeit: Professor Dr. Omid Majdani

1. Referent: PD Dr. med. Jan Kaminsky 2. Referent: Prof. Dr. rer. nat. Peter Claus Tag der mündlichen Prüfung: 15.11.2019

Prüfungsausschuss

Vorsitz: Prof. Dr. med. Dr. h.c. Martin Ptok 1. Prüfer: Prof. Dr. med. Burkhard Schwab 2. Prüfer: PD Dr. med Ingmar Staufenbiel

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Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis ... 4

1. Einleitung ... 5

1.1. Funktionsweise von Cochlea Implantaten ... 5

1.2. Geometrie der Cochlea ... 6

1.3. Zielsetzung ... 7

2. Diskussion ... 8

2.1 Cochlealänge ... 8

2.2 Postoperative Elektrodenlage ... 9

2.3 Verlässlichkeit des A-Werts hinsichtlich der korrekten Cochlealänge ... 12

2.4 Klinische Relevanz und Limitierungen ... 13

3. Zusammenfassung ... 14

4. Literaturverzeichnis ... 15

5. Lebenslauf ... 19

6. Publikationen ... 21

7. Kongressbeiträge ... 22

8. Erklärung nach §2 Abs. 2 Nrn. 7 und 8 der Promotionsordnung der Medizinischen Hochschule Hannover ... 24

9. Angaben zur Dissertation ... 25

9.1 Sonderdruck ... 25

9.2 Angaben zum Eigenanteil an der Publikation ... 25

9.3 Angaben zu tierexperimentellen Arbeiten ... 25

10. Danksagung ... 26

11. Anlagen ... 27

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Abkürzungsverzeichnis

CI Cochlea-Implantat ES Elektrische Stimulation

EAS Elektrisch-Akustische Stimulation

DVT Digitale Volumentomographie

CT Computer Tomographie

DICOM Digital Imaging and Communications in Medicine (Digitale Bildgebung und -kommunikation in der Medizin)

IEL Inserted electrode length (Inserierte Elektrodenlänge) CCL Covered cochlea length (Abgedeckte Cochleawand) CC Cochlear coverage (Prozentuale Abdeckung der Cochlea) CMD Custom-Made Device (Sonderanfertigung von CI-Elektroden)

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1. Einleitung

In Deutschland sind circa 16 % der erwachsenen Bevölkerung von Schwerhörigkeit betroffen (1,2). Bei etwa 10-15 % dieser Patientengruppe ist mit einer Hörgeräteversorgung kein ausreichendes Sprachverstehen mehr möglich (3). Eine etablierte Methode in der Versorgung dieser ertaubten oder stark schwerhörigen Patienten stellt das Cochlea-Implantat (CI) dar (4,5).

1.1. Funktionsweise von Cochlea Implantaten

Das Funktionsprinzip eines CIs beruht auf einer direkten Stimulation des Hörnervs durch ein elektrisches Feld, das entlang der Kontakte einer in die Scala tympani inserierten Elektrode aufgebaut wird. Durch den tonotopen Aufbau der Cochlea kann eine frequenzspezifische Stimulation erfolgen (6). Im basalen Bereich der Cochlea befinden sich die hohen Frequenzbereiche, je weiter apikal man gelangt, desto tiefere Frequenzen können stimuliert werden.

Grundsätzlich lassen sich zwei Arten in der CI-Versorgung nennen. Zum einen gibt es eine rein elektrische Stimulation (ES), die bei Patienten genutzt wird, welche komplett ertaubt sind oder über ein nicht mehr nutzbares Restgehör verfügen, zum anderen die elektrisch-akustische Stimulation (EAS), die bei Patienten mit ausreichendem Restgehör genutzt wird (7). Bei letztgenannter Patientengruppe werden die tiefen Frequenzbereiche bis zur sogenannten Crossover Frequenz (die Frequenz, bis zu der die akustische Stimulation erfolgt und anschließend die elektrische Stimulation beginnt) mit einer akustischen Komponente versorgt, die höheren Frequenzbereiche werden durch eine CI-Elektrode stimuliert. Durch diese Kombination profitieren Patienten in Situationen mit erschwerten Bedingungen, also vor allem Sprachverstehen im Störgeräusch (8–15) oder beim Musikhören (16).

Die Gruppe der ES-Patienten nutzt alleine das CI zum Sprachverstehen. Hier zeigt sich, dass Patienten, die mit längeren Elektroden versorgt oder bei denen höhere Insertionswinkel erzielt wurden, bessere Ergebnisse im Sprachverstehen postoperativ erzielen (8,17). Allerdings nimmt das Volumen in der Scala tympani im apikalen Bereich ab und die Gefahr einer intracochleären Verletzung kann potenziell steigen (18).

In den letzten Jahren wurden dünne, atraumatische Elektroden entwickelt, die die intracochleäre Strukturen und damit das Resthörvermögen von Patienten schützen

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cochleären, geometrischen Eigenschaften erfolgen und eine Patienten- individualisierte, bestmögliche Therapie hinsichtlich des späteren Hörerfolgs mit einem möglichst geringen Trauma innerhalb der Cochlea definiert werden kann. Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit ist die Betrachtung der Verlässlichkeit von Abschätzungsmethoden zur Längenbestimmung der Cochlea und der hieraus resultierenden Entscheidung für bestimmte Elektrodenlängen.

2. Diskussion

2.1 Cochlealänge

Basierend auf der Deklaration von Helsinki wurde ein Ethikvotum gemäß den ethischen Grundsätzen für die medizinische Forschung am Menschen eingeholt. Es handelt sich hierbei um retrospektive Messungen an bereits vorliegenden prä- und postoperativen DVT. Auch erfolgte eine Beratung im Institut für Biometrie, um die Mindestzahl an Patienten zu ermitteln, die für eine statistische Auswertung benötigt werden.

In unserer Studie wurden bei 275 Patienten prä- und postoperative Messungen durchgeführt. Bei 272 Patienten konnte in der präoperativen Bildgebung die Cochlealänge gemessen und mittels des A-Werts berechnet werden (siehe Abb. 3A und B). Beide Methoden zeigen eine Normalverteilung und weisen eine mittlere Cochlealänge von 37,9 beziehungsweise 37,4 mm auf. Damit stimmen sie mit bisherigen Arbeiten überein (20,21,28–30).

Es zeigt sich für beide Methoden, dass die Cochlealängen zwischen den einzelnen Patienten teilweise stark unterschiedlich sind. Diese Variabilität unterstreicht die Notwendigkeit einer Individualisierung im Bereich der CI-Versorgung.

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Abb. 3 (A) Histogramm der gemessenen Längenwerte (n=272; Mittelwert: 37,9 mm;

Standardabweichung: 2,4 mm). (B) Histogramm der mittels des A-Werts errechneten Methode (n=272;

Mittelwert: 37,4 mm; Standardabweichung: 2,0 mm). Der Mittelwertunterschied zwischen gemessener (A) und geschätzter (B) Längenwerte beträgt 0,49 mm und ist laut t-Test statistisch signifikant (p<=0,01).

(C) Scatter-Plot der gemessenen Cochlealängen (x-Achse) und berechneten Längenwerte (y-Achse) (n=271).

Im Vergleich der gemessenen und durch den A-Wert abgeschätzten Längenwerte (25) zeigt sich im Mittel eine bezogen auf die absoluten Werte relativ geringe Abweichung, jedoch wird bei den gemessenen Werten eine größere Streuung deutlich (siehe Abb.

3A und B). Die ermittelten, statistisch signifikanten Abweichungen der A-Wert- Methode zu gemessener Cochlealänge (siehe Abb. 3C) können durch die Varianz der basalen Cochlea-Parameter erklärt werden (23).

2.2 Postoperative Elektrodenlage

Postoperative Datensätze konnten bei 259 der untersuchten Patienten ausgewertet werden. Bei den fehlenden 13 Patienten war entweder die Bildqualität nicht ausreichend oder es lag nur ein Pyramidenvergleich, d.h. eine Röntgenuntersuchung, vor. Eine Messung des Elektrodenträgers ist in dieser Bildgebung nicht möglich.

Die inserierte Elektrodenlänge (inserted electrode length; IEL) wie auch die abgedeckte Cochlealänge (covered cochlear length; CCL) nimmt mit den längeren Elektroden zu (siehe Abb. 4A). Die CCL ist für die jeweiligen Elektroden länger als die IEL, was dadurch zu erklären ist, dass die Elektrode bedingt durch die Dicke der

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Elektrode und die Anatomie dichter am Modiolus liegt. Die Variabilität innerhalb der IEL lässt sich ebenfalls durch die Anatomie erklären, die die Lage der Elektrode innerhalb der Cochlea beeinflusst. Ein weiterer Einflussfaktor ist durch die OP-Technik bedingt, da die Sichtbarkeit des runden Fensters für den Operateur vom Operationswinkel, aber auch von der jeweiligen Anatomie abhängt. Innerhalb der Custom-Made-Decives Gruppe (CMD) zeigt sich der größte Unterschied in der IEL.

Diese Gruppe beinhaltet der Einfachheit halber sowohl 16 mm lange Elektroden als auch partielle Insertionen, also Implantate, welche geplant nicht vollständig in die Cochlea inseriert wurden. Alle untersuchten Gruppen unterscheiden sich signifikant.

Abb. 4 (A) Inserierte Elektrodenlänge (IEL) und abgedeckte Cochleawand (CCL) in mm für die untersuchten Elektroden (FLEX20 (n=48), FLEX24 (n=43), FLEX28 (n=156) und Custom-made-Devices (n=12) (Die Namensgebung der CI bei Fa. MED-EL richtet sich nach Länge der Elektrode in mm)).

Sowohl IEL als auch CCL unterscheiden sich signifikant zwischen den jeweiligen Elektrodenlängen (Einfaktorieller ANOVA Test jeweils p<0,01; T-Test zwischen den einzelnen Gruppen p<0,01). (B) Die prozentuale Abdeckung der Cochlea (CC; cochlear coverage) für die untersuchten Elektroden (FLEX20 n=48; FLEX24 n=43; FLEX28 n=156). Die jeweiligen Abdeckungszahlen unterscheiden sich zueinander signifikant (Einfaktorieller ANOVA Test Signifikanz p<0,01; T-Test zwischen den einzelnen Gruppen p<0,01).

Die prozentuale Abdeckung der Cochlea (CC; cochlear coverage) wurde als Ergebnis der jeweiligen CCL und der zugehörigen Cochlealänge berechnet. Diese nimmt ebenfalls mit längeren Elektroden zu (siehe Abb. 4B). Erwartungsgemäß erreichen die längeren Elektroden auch die höchste prozentuale Abdeckung. Die FLEX20, die als Elektrode für EAS-Patienten und damit für den Erhalt des Restgehörs konzipiert

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wurde, zeigt mit einer Länge von 20mm die geringste Abdeckung der Cochlea. Die überlappenden Bereiche bei den FLEX24 (24mm Länge des inserierten Anteils der Elektrode) und FLEX28 (28 mm) der Elektroden lassen sich durch die Tatsache erklären, dass die prozentuale cochleäre Abdeckung nicht nur von der Elektrodenlänge, sondern auch von der Cochlealänge abhängt. So vermag die 28mm lange Elektrode in einem Fall nahezu die gesamte Länge der Cochlea abzudecken, im anderen Fall hingegen nur etwa die Hälfte (siehe Abb. 4B). Auch denkbar ist, dass bei Einsatz von langen Elektroden in kurzen Cochleae eine vollständige Insertion nicht möglich ist. Hieraus resultiert die Frage nach der optimalen cochleären Abdeckung.

Aktuelle Studien zeigen, dass das Sprachverstehen mit längeren Elektroden oder auch mit höherem Insertionswinkel zunimmt (8,17). Dem zu entgegnen ist, dass die Höhe der Scala tympani ab der 2. Windung deutlich abnimmt (18) und dementsprechend die Gefahr der Verletzung von intracochleären Strukturen zunimmt (31).

Der Hersteller der Elektroden empfiehlt eine cochleäre Abdeckung von ca. 80 % (32).

Um dies auf klinische Daten zu übertragen, nutzen wir die Korrelation von inserierter Elektrodenlänge und abgedeckter Cochlealänge (Abb. 5A). Diese kann dann zur Vorhersage der abgedeckten Cochlealänge mit spezifischen Elektrodenlängen verwendet werden: Mit Hilfe der erhaltenden Funktionsgleichung können anatomische Referenzbereiche für die gemessenen Cochlealängen gebildet werden (siehe Abb.

5B).

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Abb. 5 (A) Korrelation von IEL und CCL für die untersuchten Elektroden (FLEX20, FLEX24, FLEX28 und Custom-made-Devices). In Rot dargestellt: Die abgedeckte Cochlealänge für eine FLEX28 (±5%).

(B) Anatomische Referenzbereiche für ausgewählte Elektroden, um eine 80% cochleäre Abdeckung zu erreichen.

Die ermittelten Indikationsbereiche zeigen, dass die FLEX28 den Gipfel der Normalverteilung abdeckt. Die kleineren und größeren Cochleae können suffizienter mit einer FLEX24 oder einer FLEXSoft abgedeckt werden. Die FLEXSoft ist eine 31,5 mm lange Elektrode, die bislang nicht in unserem Patientenkollektiv implantiert wurde.

Da das Corti‘sche Organ in der verfügbaren Bildgebung nicht ersichtlich ist, nutzen wir Daten von Hardy (20). In dieser Studie aus dem Jahr 1938 wurde die Länge des Corti‘schen Organs bei 68 Individuen gemessen. Mittels einer Umrechnung können die Messergebnisse der lateralen Cochleawand auf die Länge des Corti‘schen Organs übertragen werden. Die so ermittelten Indikationsbereiche entsprechen den Ergebnissen unserer Studie.

2.3 Verlässlichkeit des A-Werts hinsichtlich der korrekten Cochlealänge Mit Hilfe der gebildeten Indikationsbereiche (siehe Abb. 5B) untersuchten wir, ob diese mittels des A-Werts korrekt vorhergesagt werden konnten. Hier zeigte sich, dass eine korrekte Identifikation nur in ca. 2/3 der Fälle (66,1%) erzielt werden konnte. In 11%

der Fälle wurde die Cochlealänge überschätzt und in 22% der Fälle kam es zu einer Unterschätzung der Cochlealänge. Diese Ergebnisse legen nahe, dass

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Längenmessungen, die einzig auf dem A-Wert beruhen, mit einer gewissen Vorsicht zu betrachten sind, da in ca. 1/3 der Fälle keine verlässliche Vorhersage bei der präoperativen Auswahl der Elektrodenlänge getroffen werden kann. Eine weitere Limitation dieser Methode liegt bei pathologisch veränderten Cochleae vor. Je nach Pathologie liegt entweder keine Spiralform, sondern eine zystische Struktur vor, oder es liegen weniger als 2,5 Windungen vor. Die verfügbaren Formeln gehen allerdings von einer Idealform mit 2,5 Windungen aus, es zeigt sich allerdings, dass auch hier eine Variabilität vorliegt (33).

2.4 Klinische Relevanz und Limitierungen

Die Messung der Cochlealänge hat sich im Laufe der Jahre zu einer präoperativen Routineuntersuchung entwickelt. So wird bei allen CI-Patienten an der Medizinischen Hochschule Hannover (ca. 550 für das Jahr 2017) vor der Operation die Cochlea- Länge bestimmt. Die aufgezeigte Variabilität der Cochlealänge unterstreicht, dass eine individualisierte Cochlea-Implantation auch bei elektrischer Stimulation sinnvoll ist, da die Möglichkeit gegeben ist, das Hörergebnis bei vermindertem Risiko von intracochleären Schäden zu verbessern.

Zudem können die ermittelten Elektrodenlagen auch für Patienten mit Restgehör genutzt werden, bei denen eine Versorgung mit EAS geplant ist. Erfolgt aktuell die Elektroden-Auswahl bei diesen Patienten ausschließlich durch das Tonaudiogramm und medizinische Vorgeschichte, ist es nun möglich, über die Anatomie eine patientenindividuelle Crossover-Frequenz zu bestimmen. Durch das Wissen, an welchem Punkt innerhalb der Cochlea eine spezifische Frequenz lokalisiert ist (6,34), kann nun eine individuelle Elektrodeninsertionstiefe berechnet werden. Da diese zwischen den Patienten variiert, macht man sich das Konzept einer partiellen Cochlea- Implantation zu Nutze (35).

Limitiert wird die Längenmessung von der Qualität der vorhandenen präoperativen Bildgebung (36). Einfluss hat hier zum einen die Auflösung, die aus der Schichtdicke resultiert, zum anderen beeinflussen Artefakte (z.B. Bewegung oder Metalle) die Bildqualität.

Auch die postoperative Bildqualität hat Einfluss auf die Messergebnisse. Durch das Fremdmaterial, das in die Cochlea eingebracht wird, können Strukturen möglicherweise nicht ausreichend genau identifiziert werden.

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Eine weitere Limitation der direkten Längenmessung ist das Erlernen der Methode.

Der zeitliche Faktor der Messung beträgt bei einem erfahrenen Untersucher ca. zwei Minuten. Das Neuerlernen der Methode ist allerdings zeitaufwendig. Dies führte zu der Entwicklung einer neuen Methode zur Bestimmung der Cochlealänge, die neben dem A-Wert auch den B-Wert nutzt (37). Denkbar ist auch das bei weiteren potenziellen Methoden die Höhe der Cochlea mitgenutzt wird. Eine weitere Möglichkeit ist die Entwicklung von automatisierten Messmethoden (38).

Ein zusätzlicher begrenzender Faktor ist die Verfügbarkeit einer präoperativen Bildgebung. In diesen Fällen scheint die Implantation einer FLEX28 sinnvoll, da diese in 76% der untersuchten Fälle mit einem potenziell geringeren Trauma inseriert werden kann.

3. Zusammenfassung

Unsere Studie zeigt eine Variabilität der Cochlealänge, sowohl bei der Vermessung der lateralen Wand als auch bei der Abschätzung mittels des basalen Cochlea- Durchmessers (A-Wert). Zudem kann der Einfluss der Länge auf die postoperative Elektrodenlage nach einer Cochlea-Implantation gezeigt werden. Durch die Variabilität der Länge weist auch die prozentuale Abdeckung der Cochlea durch die Elektrode Unterschiede auf. So mag für einen Patienten eine 28 mm lange Elektrode optimal sein, im anderen Fall wäre diese Elektrode aber zu kurz und eine optimale Stimulation der Cochlea könnte nicht mehr erreicht werden. Im anderen Fall kann die Elektrode zu lang sein und resultiert potentiell in einem intracochleären Trauma oder in einer inkompletten Insertion.

Die gezeigten Indikationsbereiche (siehe Abb. 5B) können zukünftig Chirurgen in ihrer präoperativen Entscheidung bezüglich der Elektrodenwahl unterstützen und somit eine individualisierte Therapie ermöglichen.

Hinsichtlich der Verlässlichkeit der Längenbestimmung mittels des A-Werts kann festgestellt werden, dass in etwa 1/3 der Fälle nicht die optimale Elektrode ausgewählt worden wäre.

Zusätzlich können durch diese Arbeit neue Konzepte in Bezug auf die zukünftige Versorgung von CI-Patienten entwickelt werden.

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4. Literaturverzeichnis

1. Funktionsfähigkeit D, Einschränkungen DB, Mimik K, Gegen- G. Hörbeeinträchtigung.

GEDA 2010 - Faktenblätter. 2010;79–83.

2. von Gablenz P, Holube I. Prävalenz von Schwerhörigkeit im Nordwesten Deutschlands:

Ergebnisse einer epidemiologischen Untersuchung zum Hörstatus (HÖRSTAT). HNO.

2015;63(3):195–214.

3. Schaarschmidt M. Cochlea-Implantate: Wenn Hörgeräte nicht mehr helfen... Dtsch Arztebl. 2013;110(14):36–9.

4. Clark G. Cochlear Implants: Fundamental and Applications. Spinger Verlag; 2003.

5. Rubinstein J. How cochlear implants encode speech. [Miscellaneous Article]. Curr Opin Otolaryngol Head Neck Surg Oct 2004 [Internet]. 2004;12(5):444–8. Available from:

http://ovidsp.ovid.com/ovidweb.cgi?T=JS&CSC=Y&NEWS=N&PAGE=fulltext&D=o vftg&AN=00020840-200410000-

00016%5Cnhttp://graphics.tx.ovid.com/ovftpdfs/FPDDNCJCAEOEGN00/fs047/ovft/li ve/gv031/00020840/00020840-200410000-00016.pdf

6. Greenwood DD. Critical Bandwidth and the Frequency Coordinates of the Basilar Membrane. J Acoust Soc Am [Internet]. 1961 Oct;33(10):1344–56. Available from:

http://asa.scitation.org/doi/10.1121/1.1908437

7. Lenarz T. Cochlear implant - state of the art. GMS Curr Top Otorhinolaryngol Head Neck Surg [Internet]. 2017;16:Doc04. Available from:

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29503669

8. Büchner A, Illg A, Majdani O, Lenarz T. Investigation of the effect of cochlear implant electrode length on speech comprehension in quiet and noise compared with the results with users of electro-acoustic-stimulation, a retrospective analysis. PLoS One.

2017;12(5):1–16.

9. Helbig S, Baumann U, Helbig M, Von Malsen-Waldkirch N, Gstoettner W. A new combined speech processor for electric and acoustic stimulation - Eight months experience. Orl. 2008;70(6):359–65.

10. von Ilberg C, Kiefer J, Tillein J, Pfenningdorff T, Hartmann R, Stürzebecher E, et al.

Electric-acoustic stimulation of the auditory system. New technology for severe hearing loss. ORL J Otorhinolaryngol Relat Spec [Internet]. 61(6):334–40. Available from:

11. Kiefer J, Gstoettner W, Baumgartner W, Pok SM, Tillein J, Ye Q, et al. Conservation of low-frequency hearing in cochlear implantation. Acta Otolaryngol [Internet]. 2004

(16)

Apr;124(3):272–80. Available from: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15141755 12. Gantz BJ, Turner CW. Combining acoustic and electrical hearing. Laryngoscope

[Internet]. 2003 Oct;113(10):1726–30. Available from:

13. Gantz BJ, Hansen MR, Turner CW, Oleson JJ, Reiss LA, Parkinson AJ. Hybrid 10 Clinical Trial. Audiol Neurotol [Internet]. 2009;14(1):32–8. Available from:

https://www.karger.com/Article/FullText/206493

14. Roland JT, Gantz BJ, Waltzman SB, Parkinson AJ. United States multicenter clinical trial of the cochlear nucleus hybrid implant system. Laryngoscope. 2016;126(1):175–81.

15. Lorens A, Polak M, Piotrowska A, Skarzynski H. Outcomes of treatment of partial deafness with cochlear implantation: A DUET study. Laryngoscope. 2008;118(2):288–

94.

16. Brockmeier SJ, Peterreins M, Lorens A, Vermeire K, Helbig S, Anderson I, et al. Music Perception in Electric Acoustic Stimulation Users as Assessed by the Mu.S.I.C. Test. In:

Cochlear Implants and Hearing Preservation [Internet]. Basel: KARGER; 2009. p. 70–

80. Available from: https://www.karger.com/Article/FullText/262598

17. O’Connell BP, Cakir A, Hunter JB, Francis DO, Noble JH, Labadie RF, et al. Electrode Location and Angular Insertion Depth Are Predictors of Audiologic Outcomes in Cochlear Implantation. Otol Neurotol [Internet]. 2016 Sep;37(8):1016–23. Available from: https://insights.ovid.com/crossref?an=00129492-201609000-00004

18. Avci E, Nauwelaers T, Lenarz T, Hamacher V, Kral A. Variations in microanatomy of the human cochlea. J Comp Neurol [Internet]. 2014 Oct 1;522(14):3245–61. Available from: http://doi.wiley.com/10.1002/cne.23594

19. Dhanasingh A, Jolly C. An overview of cochlear implant electrode array designs. Hear

Res [Internet]. 2017;356:93–103. Available from:

https://doi.org/10.1016/j.heares.2017.10.005

20. Hardy M. The length of the organ of Corti in man. Am J Anat [Internet]. 1938 Jan;62(2):291–311. Available from: http://doi.wiley.com/10.1002/aja.1000620204 21. Würfel W, Lanfermann H, Lenarz T, Majdani O. Cochlear length determination using

Cone Beam Computed Tomography in a clinical setting. Hear Res [Internet]. 2014

Oct;316:65–72. Available from:

http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0378595514001312

22. Koch RW, Ladak HM, Elfarnawany M, Agrawal SK. Measuring Cochlear Duct Length - A historical analysis of methods and results. J Otolaryngol - Head Neck Surg.

(17)

2017;46(1):1–11.

23. Pietsch M, Aguirre Dávila L, Erfurt P, Avci E, Lenarz T, Kral A. Spiral Form of the Human Cochlea Results from Spatial Constraints. Sci Rep [Internet]. 2017 Dec 8;7(1):7500. Available from: http://www.nature.com/articles/s41598-017-07795-4 24. Lexow GJ, Schurzig D, Gellrich N-C, Lenarz T, Majdani O, Rau TS. Visualization,

measurement and modelling of the cochlea using rotating midmodiolar slice planes. Int J Comput Assist Radiol Surg [Internet]. 2016 Oct 19;11(10):1855–69. Available from:

http://link.springer.com/10.1007/s11548-016-1374-7

25. Escudé B, James C, Deguine O, Cochard N, Eter E, Fraysse B. The size of the cochlea and predictions of insertion depth angles for cochlear implant electrodes. Audiol Neurotol. 2006;11(SUPPL. 1):27–33.

26. Alexiades G, Dhanasingh A, Jolly C. Method to estimate the complete and two-turn cochlear duct length. Otol Neurotol. 2015;36(5):904–7.

27. Schurzig D, Timm ME, Lexow GJ, Majdani O, Lenarz T, Rau TS. Cochlear helix and duct length identification–Evaluation of different curve fitting techniques. Cochlear Implants Int [Internet]. 2018 Sep 3;19(5):268–83. Available from:

https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/14670100.2018.1460025

28. Van Der Marel KS, Briaire JJ, Wolterbeek R, Snel-Bongers J, Verbist BM, Frijns JHM.

Diversity in cochlear morphology and its influence on cochlear implant electrode position. Ear Hear. 2014;35(1):9–20.

29. Ulehlová L, Voldrich L, Janisch R. Correlative study of sensory cell density and cochlear length in humans. Hear Res [Internet]. 1987;28(2–3):149–51. Available from:

30. Pelliccia P, Venail F, Bonafé A, Makeieff M, Iannetti G, Bartolomeo M, et al. Cochlea size variability and implications in clinical practice Variabilità delle dimensioni cocleari e sue implicazioni nella pratica clinica. ACTA Otorhinolaryngol Ital. 2014;34:42–9.

31. Suhling MC, Majdani O, Salcher R, Leifholz M, Büchner A, Lesinski-Schiedat A, et al.

The Impact of Electrode Array Length on Hearing Preservation in Cochlear Implantation. Otol Neurotol. 2016;37(8):1006–15.

32. Mistrík P, Jolly C. Optimal electrode length to match patient specific cochlear anatomy.

Eur Ann Otorhinolaryngol Head Neck Dis. 2016;133:S68–71.

33. Biedron S, Westhofen M, Ilgner J. On the Number of Turns in Human Cochleae. Otol Neurotol [Internet]. 2009 Apr;30(3):414–7. Available from:

https://insights.ovid.com/crossref?an=00129492-200904000-00026

(18)

34. Stakhovskaya O, Sridhar D, Bonham BH, Leake PA. Frequency map for the human cochlear spiral ganglion: Implications for cochlear implants. JARO - J Assoc Res Otolaryngol. 2007;8(2):220–33.

35. Lenarz T, Timm ME, Salcher R, Büchner A. Individual Hearing Preservation Cochlear Implantation Using the Concept of Partial Insertion. Otol Neurotol [Internet]. 2019 Mar;40(3):e326–35. Available from: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30741914 36. Lexow GJ, Kluge M, Gellrich N-C, Lenarz T, Majdani O, Rau TS. On the accuracy of

cochlear duct length measurement in computed tomographic images. Eur Arch Oto- Rhino-Laryngology [Internet]. 2018 May 12;275(5):1077–85. Available from:

http://link.springer.com/10.1007/s00405-018-4930-7

37. Schurzig D, Timm ME, Batsoulis C, Salcher R, Sieber D, Jolly C, et al. A Novel Method for Clinical Cochlear Duct Length Estimation toward Patient-Specific Cochlear Implant Selection. OTO Open [Internet]. 2018 Oct 2;2(4):2473974X1880023. Available from:

http://journals.sagepub.com/doi/10.1177/2473974X18800238

38. Rivas A, Cakir A, Hunter JB, Labadie RF, Zuniga MG, Wanna GB, et al. Automatic Cochlear Duct Length Estimation for Selection of Cochlear Implant Electrode Arrays.

Otol Neurotol [Internet]. 2017;38(3):339–46. Available from:

http://insights.ovid.com/crossref?an=00129492-201703000-00005

(19)

6. Publikationen

1. Schurzig D, Timm ME, Lexow GJ, Majdani O, Lenarz T, Rau TS. Cochlear helix and duct length identification – Evaluation of different curve fitting techniques.

Cochlear Implants Int [Internet]. 2018 Apr 9;0100:1–16.

Available from:

https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/14670100.2018.1460025

2. Schurzig D, Timm ME, Batsoulis C, John S, Lenarz T. Analysis of Different Approaches for Clinical Cochlear Coverage Evaluation After Cochlear Implantation. Otol Neurotol [Internet]. 2018 Sep;39(8):e642–50.

Available from: http://insights.ovid.com/crossref?an=00129492-201809000- 00013

3. Prenzler NK, Salcher R, Timm M, Gaertner L, Lenarz T, Warnecke A.

Intracochlear administration of steroids with a catheter during human cochlear implantation: a safety and feasibility study. Drug Deliv Transl Res [Internet]. 2018 Oct 14;8(5):1191–9.

Available from: http://link.springer.com/10.1007/s13346-018-0539-z

4. Schurzig D, Timm ME, Batsoulis C, Salcher R, Sieber D, Jolly C, et al. A Novel Method for Clinical Cochlear Duct Length Estimation toward Patient-Specific Cochlear Implant Selection. OTO Open [Internet]. 2018;2(4):2473974X1880023.

Available from: http://journals.sagepub.com/doi/10.1177/2473974X18800238 5. Lenarz T, Timm ME, Salcher R, Büchner A. Individual Hearing Preservation

Cochlear Implantation Using the Concept of Partial Insertion. Otol Neurotol [Internet]. 2019 Mar;40(3):e326–35.

Available from: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30741914

6. Timm ME, Majdani O, Weller T, Windeler M, Lenarz T, Büchner A, et al. Patient specific selection of lateral wall cochlear implant electrodes based on anatomical indication ranges. PLoS One [Internet]. 2018;13(10):e0206435. Available from:

(20)

7. Kongressbeiträge

1. Eigener Vortrag im September 2015 auf dem Hannoverschen CI-Kongress:

Max Eike Timm, Angelika Illg, Thomas Lenarz, Alexandros Giourgas, Anke Lesinski-Schiedat

CI-Versorgung bei Kindern mit progredienter Schwerhörigkeit 2. Poster Präsentation auf dem Deutschen HNO Kongress 2016:

Max Eike Timm, Omid Majdani, Thomas Lenarz, Andreas Büchner, Angelika Illg, Anke Lesinski-Schiedat

Sprachverstehen von bilateral versorgten CI-Patienten mit unterschiedlichen Herstellern

Timm ME, Majdani O, Lenarz T, Büchner A, Illg A, Lesinski-Schiedat A.

Sprachverstehen von bilateral versorgten Cochlea implantierten Patienten mit unterschiedlichen Herstellern. German Medical Science GMS Publishing

House; In 2016. Available from:

https://www.egms.de/static/en/meetings/hnod2016/16hnod460.shtml 3. Poster auf dem Deutschen HNO Kongress im Mai 2017:

Max Eike Timm, Mayra Windeler, Omid Majdani, Thomas Lenarz Cochlea-Längenmessung: Vergleich verschiedener Methoden 4. Poster auf der IFOS 2017 in Paris:

Max Eike Timm, Mayra Windeler, Omid Majdani, Thomas Lenarz

Accuracy Evaluation of Cochlear Helix and Duct Length Estimation Methods 5. Poster Präsentation auf der CI 2017 in San Francisco:

Max Timm, Mayra Windeler, Thomas Lenarz

Clinical evaluation of estimation methods for cochlear length 6. Eigener Vortrag auf der BMT 2017 in Dresden:

Max Eike Timm, Daniel Schurzig, Samuel John, Thomas Lenarz

Individualisierte Cochlea-Anatomie als Basis für eine individuelle Cochlea- Implantation

7. 2 Poster Präsentationen auf der ARO 2018 in San Diego:

1. Max Timm, Massoud Assadi, Thomas Lenarz, Daniel Schurzig A Novel Approach for Clinical Cochlear Duct Length Estimation;

2. Thomas Lenarz, Rolf Benedikt Salcher, Max Eike Timm, Tobias Weller, Andreas Büchner

Individualized Cochlear Implantation using a Predictive Model

8. Eigener Vortrag und zwei Vorträge in Vertretung für Professor Lenarz auf dem 31. Politzer Society Meeting 2018 in Palma, Gran Canaria:

1. Rolf Benedikt Salcher, Max Eike Timm, T. Lenarz

The individualized therapy of hearing loss with FLEX electrode insertion 2. Thomas Lenarz, Rolf Benedikt Salcher, Max Eike Timm, Tobias Weller,

Andreas Büchner

Hearing preservation in cochlear implantation

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3. Thomas Lenarz, Max Eike Timm, Rolf Benedikt Salcher, Andreas Büchner Initial clinical experience with the new HiFocus SlimJ electrode

9. Eigener Vortrag auf der DGA 2018 in Halle (Saale):

Max Eike Timm, Nils Kristian Prenzler, Thomas Lenarz, Rolf Benedikt Salcher Berücksichtigung der individuellen Anatomie bei Cochlea-Implantation

10. Eigener Vortrag auf dem MED-EL Workshop 2018 in Hannover:

Max Eike Timm, Rolf Benedikt Salcher, Thomas Lenarz Cochlea Geometry Based Electrode Choice

11. Poster Präsentation auf dem Deutschen HNO-Kongress in Lübeck:

Max Eike Timm, Aaron Boruchov, Tobias Weller, Thomas Lenarz, Rolf Benedikt Salcher, Athanasia Warnecke

Patientenspezifische Elektrodenlage nach Cochlea-Implantation

Timm M, Boruchov A, Weller T, Lenarz T, Salcher R, Warnecke A, et al.

Patientenspezifische Elektrodenlage nach Cochlea-Implantation. In 2018.

Available from: http://www.thieme-connect.de/DOI/DOI?10.1055/s-0038- 1640648

Timm M, Boruchov A, Weller T, Lenarz T, Salcher R, Warnecke A, et al. Patient specific electrode location after CI surgery. In 2018. Available from:

http://www.thieme-connect.de/DOI/DOI?10.1055/s-0038-1640649 12. Eigener Vortrag auf der Hearing4all Summer School im Juni 2018:

Max Eike Timm, Nils Kristian Prenzler, Tobis Weller, Andreas Büchner, Thomas Lenarz, Rolf Benedikt Salcher, Daniel Schurzig

Modell zur individualisierten Cochlea Implantation

13. Poster Präsentation auf dem Deutschen HNO-Kongress 2019 in Berlin

Max Eike Timm, Jan Stieghorst, Marcel Kluge, Samuel John, Thomas Rau, Thomas Lenarz

Auf dem Weg zur minimal-invasiven Cochlea Implantation: Erste Ergebnisse einer Kadaverstudie

Timm M, Stieghorst J, Kluge M, John S, Rau T, Lenarz T. Auf dem Weg zur minimal-invasiven Cochlea Implantation: Erste Ergebnisse einer Kadaverstudie. In 2019. Available from: http://www.thieme- connect.de/DOI/DOI?10.1055/s-0039-1686295

Timm M, Stieghorst J, Kluge M, John S, Rau T, Lenarz T. On the way to minimally-invasive cochlear implantation: First results of a cadaver study. In 2019. Available from: http://www.thieme-connect.de/DOI/DOI?10.1055/s-0039- 1686524

(22)

8. Erklärung nach §2 Abs. 2 Nrn. 7 und 8 der

Promotionsordnung der Medizinischen Hochschule Hannover

Ich erkläre, dass ich die der Medizinischen Hochschule Hannover zur Promotion ein- gereichte Dissertation mit dem Titel „Patientenspezifische Auswahl von Cochlea- Implantat Elektroden basierend auf anatomischen Indikationsbereichen“ in der Klinik für Hals-Nasen-Ohrenheilkunde unter Betreuung von Prof. Dr. Omid Majdani mit der Unterstützung durch Dr. Rolf Benedikt Salcher ohne sonstige Hilfe durchgeführt und bei der Abfassung der Dissertation keine anderen als die dort aufgeführten Hilfsmittel benutzt habe.

Die Gelegenheit zum vorliegenden Promotionsverfahren ist mir nicht kommerziell vermittelt worden. Insbesondere habe ich keine Organisation eingeschaltet, die gegen Entgelt Betreuerinnen und Betreuer für die Anfertigung von Dissertationen sucht oder die mir obliegenden Pflichten hinsichtlich der Prüfungsleistungen für mich ganz oder teilweise erledigt.

Ich habe diese Dissertation bisher an keiner in- oder ausländischen Hochschule zur Promotion eingereicht. Weiterhin versichere ich, dass ich den beantragten Titel bisher noch nicht erworben habe.

Die Ergebnisse der Dissertation wurden in dem Publikationsorgan PLoS ONE veröffentlicht.

Hannover, den 28.11.2019 Max Eike Timm

(23)

9. Angaben zur Dissertation

9.1 Sonderdruck

Ein Sonderdruck des Artikels ,,Patient specific selection of lateral wall cochlear implant electrodes based on anatomical indication ranges” liegt dieser Dissertation anbei.

9.2 Angaben zum Eigenanteil an der Publikation

Im Rahmen meiner Dissertation in der Klinik für Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde entstand diese Publikation, in der ich als Erstautor die beschriebenen Messungen durchgeführt und ausgewertet habe. Die Verfassung des Manuskripts und die Begleitung des Evaluationsprozesses während der Veröffentlichungsphase erfolgte durch mich.

9.3 Angaben zu tierexperimentellen Arbeiten

Im Rahmen dieser Dissertation wurden keine tierexperimentellen Studien durchgeführt.

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10. Danksagung

Ohne die Unterstützung und das große Engagement bestimmter Personen wäre das Verfassen dieser Arbeit nicht möglich gewesen. Einige von ihnen möchte ich an dieser Stelle besonders hervorheben.

Mein Dank richtet sich in erster Linie an Prof. Dr. Thomas Lenarz für die Überlassung des Themas, seine fachlichen Anmerkungen und die Freistellung von der Klinik, um die benötigte Infrastruktur zu schaffen.

Zudem danke ich Prof. Dr. Omid Majdani herzlich für seine Unterstützung. Trotz starker Einbindung in den klinischen Alltag nahm er sich stets Zeit Fragen zu beantworten und Entwürfe kritisch zu lesen.

Außerdem danke ich Dr. med. Rolf Benedikt Salcher für die kompetente Beantwortung fachlicher und technischer Fragen.

Dr. Daniel Schurzig danke ich für die gute Zusammenarbeit, die produktiven Diskussionen und Hilfestellung in technischen Fragen.

Großer Dank gilt insbesondere meiner Familie und meiner Freundin, die mir den nötigen Rückhalt und Unterstützung in jeder Phase des Lebens geben.

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11. Anlagen

Der im Publikationsorgan PLoS ONE veröffentlichte Artikel:

,,Patient specific selection of lateral wall cochlear implant electrodes based on anatomical indication ranges”.

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RESEARCH ARTICLE

Patient specific selection of lateral wall cochlear implant electrodes based on anatomical indication ranges

Max Eike TimmID*, Omid Majdani, Tobias Weller, Mayra Windeler, Thomas Lenarz, Andreas Bu¨ chner, Rolf Benedikt Salcher

Cluster of Excellence Hearing4all, Department of Otorhinolaryngology, Hannover Medical School, Hannover, Lower Saxony, Germany

*timm.max@mh-hannover.de

Abstract

Objectives

The aim of this study was to identify anatomical indication ranges for different lateral wall cochlear implant electrodes to support surgeons in the preoperative preparation.

Methods

272 patients who were implanted with a FLEX^20,FLEX²⁴, FLEX²⁸, or a custom-made device (CMD) were included in this study. The cochlear duct length (CDL) and basal cochlear diameter (lengthA) were measured within preoperative imaging data. The parameterAwas then employed to additionally computeCDLestimates using literature approaches. Moreover, the inserted electrode length (IEL) and insertion angle (IA) were measured in postoperative CT data. By combining the preoperative measurements with theIAdata, the covered cochlea length (CCL) and relative cochlear coverage (CC) were determined for each cochlea.

Results

The measurements of theCDLshow comparable results to previous studies. WhileCDL measurements and estimations cover similar ranges overall, severe deviations occur in individual cases. The electrode specificIELandCCLare fairly consistent and increase with longer electrodes, but relatively wide ranges of electrode specificCCvalues were found due to the additional dependence on the respectiveCDL. Using the correlation ofIELandCCL across electrode arrays,CDLranges for selected arrays were developed (FLEX²⁴: 31.3–

34.4, FLEX²⁸: 36.2–40.1, FLEX^Soft: 40.6–44.9).

Conclusions

Our analysis shows that electrode specificCCvaries due to theCDLvariation. Preoperative measurement of theCDLallows for an individualized implant length selection yielding opti- mized stimulation and a reduced risk of intraoperative trauma. TheCDL, as derived from a1111111111

a1111111111 a1111111111 a1111111111 a1111111111

OPEN ACCESS

Citation:Timm ME, Majdani O, Weller T, Windeler M, Lenarz T, Bu¨chner A, et al. (2018) Patient specific selection of lateral wall cochlear implant electrodes based on anatomical indication ranges.

PLoS ONE 13(10): e0206435.https://doi.org/

10.1371/journal.pone.0206435

Editor:Fan-Gang Zeng, University of California Irvine, UNITED STATES

Received:December 5, 2017 Accepted:October 12, 2018 Published:October 26, 2018

Copyright:©2018 Timm et al. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original author and source are credited.

Data Availability Statement:All relevant data are within the paper and its Supporting Information files.

Funding:This study was supported by the German ministry for research and education (BMBF) under FKZ 13GW0160B "my-CI" and MED-EL

Deutschland GmbH. The funders had no role in study design, data collection and analysis, decision to publish, or preparation of the manuscript. MedEl Deutschland GmbH paid for scientific congress charge, traveling and hotel costs for Max Eike

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preoperative CT imaging studies, can help the implant surgeon select the appropriate electrode array to maximize the patient’s outcomes.

Introduction

Cochlear implantation is a technology for patients with total, severe or frequency specific hearing loss which can restore the patient’s ability to understand speech [1,2]. The cochlear implant (CI) works by directly stimulating the auditory nerve. This is accomplished by inserting a cochlear implant electrode array into the patient’s cochlea. An electric field stimulus is then applied by a number of contacts distributed along the electrode array, targeting the spiral ganglion cells and auditory nerve fibers.

For cochlear implantation, various types of electrode arrays from different manufacturers are available. These electrode arrays differ in size, length, number of electrode contacts and material characteristics [3]. Prior to surgery, a decision must be made by the patient and physician on which electrode to implant. To do so, multiple factors must be taken into account including the residual hearing and medical history of the patient, which may include otosclerosis, patient prefer- ence as well as the length and shape of the cochlea. The cochlear length is known to have large variations [4–22]. Previous studies have shown that for patients who only hear with theirCI,

improved outcomes after CI surgery can be expected with longer electrode arrays and accordingly deeper insertion angles [23–25]. Other studies have shown that the insertion angle not only depends on the electrode array type but also on the length of the cochlea [26,27]. Furthermore, dysplasia and other syndromes exist which have an effect on cochlear geometry, especially regarding the length, shape and number of turns (e.g. Mondini dysplasia) [28].

Different methods are available for the evaluation of the cochlea duct length (CDL) and the depth of insertion within clinical imaging data of cochlea without malformation: one option is to manually trace the contour of the cochlea or electrode array and subsequently use spline interpo- lation to determine the corresponding length [15,29]. Other methods, which are based on mathe- matical correlations, use the basal diameter A (within a logarithmic equation) to estimate the cochlea or array length [30–32]. The benefit of the latter is that these types of estimates do not require special software tools but can be employed using common DICOM viewers. However, if these estimations are used for patient specific considerations on whichCIarray to use, the corre- spondingCDLvalues must be accurate and reliable. In order to address both the impact of cochlear length variations onto cochlear implant surgery as well as the reliability of popular literature approaches to assess this variability, the proposed study was conducted.

Based on a large dataset of imaging data ofCIpatients, evaluations were performed on the distribution ofCDLvalues, the correlation of electrode array length and the length of the cochlea covered by the respective array and suitability of specificCIarrays for certain ranges of CDLvalues. Following up on the study of Rivas et al. [33] who addressed the impact of A-value assessment deviations onto the electrode choice, it was further evaluated to which extent inaccuracies of the A-value method itself [30] would have led to a different choice of CI array than the respective contour tracings.

Materials and methods Ethics statement

The ethics committee of the Hannover Medical School, Germany, approved this retrospective study. Due to the retrospective design, no written information was given to the patients of the study group. All patient data were anonymized and de-identified prior the retrospective analysis.

Patient specific selection of cochlear implants

Timm and Thomas Lenarz. No other author received specific funding for this work.

Competing interests:Company MedEl paid for one scientific congress charge, traveling and hotel costs for Max Eike Timm and Thomas Lenarz in the past (2017,2018). This does not alter our adherence to PLOS ONE policies on sharing data and materials.

(28)

Subjects

At the Hannover Medical School, pre- and postoperative imaging of allCIpatients is obtained by either Cone Beam CT (CBCT) or standard CT scans. We performed a retrospective study of 272 preoperative imaging datasets of patients who were implanted with a MED-EL FLEX²⁰, FLEX²⁴or FLEX²⁸electrode between 2006 and 2017. Postoperative scans were available in 259 of these cases. Furthermore, patients who received custom-made devices (CMD) of 16mm length as well as 16 mm partial insertions of FLEX²⁴and 20 mm insertions with the FLEX²⁸ were evaluated. Partial insertions were performed in an attempt to preserve residual hearing which were all consideredCMDfor the purpose of data analysis. Within the overall study group, most patients were implanted with a MED-EL FLEX²⁸(165 patients), 46 patients with a FLEX²⁴, 52 patients with a FLEX²⁰and 12 patients with a MED-EL FlexCMD(seeFig 1). In our practice, pre- and postoperative imaging are a routine part of clinical care analyses.

Imaging data analysis

All datasets were evaluated using the DICOM-Viewer OsiriX MD (version 2.5.1 64bit, Pixmeo SARL, Switzerland). The corresponding analysis included the following steps:

• Tracings of the cochlear lateral wall from the center of the round window to the apex yield the correspondingCDL(see Figs2and3)[15]. This is an automated feature within OsiriX MD. Performing one of these measurements takes approximately 2 minutes. An example is given in the supplementary material of this manuscript (seeS1 Video).

• Measurements of the basal turn diameterAas well as the cochlear angle(CA)(seeFig 4).

• Measurement of the insertion angle (IA), defined as the angle from the center of the round window to the most apical contact (seeFig 5).

• Tracings of the cochlear lateral wall in the preoperative scan (in order to avoid inaccuracies due to artifacts of the implanted array, seeFig 5) from the center of the round window to the insertion angle, yielding the covered cochlea length (CCL).

• Measurement of the inserted electrode length (IEL) by placing marker points in the centers of all 12 electrode contacts as well as the entrance point of the electrode array in the round window (seeFig 5).

• Computation of the individual cochlear coverage (CC) in percent by dividing the corre- spondingCCLby the respectiveCDL.

Measurement data analysis

After measurement data was acquired according to the methodology stated above, data analysis regarding theCDLand its estimation was performed in the following manner:

• Estimation of the cochlea length using the estimation method of Escude´ et al. [30] by using Aand the averageCAvalue of 900 deg (or 2.5 turns):

CDL¼2

:62Aln 1þCA

235

� �

• Comparison of the measuredCDLvalues derived by the lateral wall tracings and the ones estimated using the above equation.

(29)

Results regarding the coverage of the cochlea with specific electrode arrays, corresponding anatomical indication ranges for each electrode array and clinically relevant evaluation errors were derived as follows:

• Correlation ofIELandCCLin order to derive the relation between the length of the inserted electrode and the covered length of the cochlea.

• Determining theCDLindication ranges for the different electrode arrays was based on (a) the previous correlation and (b) the manufacturer’s recommendation of 80% cochlear coverage (CC) [34].

Fig 1. Study case overview.Overview of implanted electrode arrays which were included into this study. Note that theCMDgroup consists of FLEX¹⁶electrode arrays and partial insertions of FLEX²⁴and FLEX²⁸electrodes).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0206435.g001

(30)

• Evaluating the accuracy of Escude’s method in terms of estimatedCDLvalues suggesting the same CI array indication as the corresponding lateral wall measurements.

Fig 2. Spline measurement with OsiriX MD.Visualization of lateral wall tracing in OsiriX MD in top (A) and side views (B, C).

Fig 3. Complete segmentation of the lateral wall.Visualization of a completed lateral wall tracing in OsiriX MD (A, B) with the additional display of the enrolled path (C) for which the length is computed automatically.

(31)

Statistical analysis

The data was statistically analyzed using IBM SPSS Statistics (Version 24.0.0.0). To test whether a normal distribution exists we used the Kolmogorov-Smirnov test.

Results

All measurement data can be found inS1 Table.Fig 6A and 6Bshow histograms of both measured and estimatedCDLs of the 272 cochleae: In both cases a normal distribution was found with a mean length of 37.9mm and standard deviations of 2.4mm and 2.3mm respectively.

The actual deviations of measurements and estimations are shown inFig 6C: while the general

Fig 4. Measurement of global cochlea dimensions.Visualization of measurements of A (defined as the distance from the round window through the modiolus to the opposite wall of the cochlea) and B (maximal distance orthogonal to A).

Fig 5. Inclusion of postoperative imaging analysis.(A) Postoperatively, marker points were placed in the center of the round window and along the inserted electrode array in the middle of the respective contact artefacts, and the corresponding insertion angle was measured. (B) The latter value was then used within the corresponding preoperative imaging data to determine the length along the lateral wall up to the insertion angle.

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trend of estimations and measurements is in agreement (R²= 0.37), the mean absolute deviation was found to be at 1.4mm +/-1.1mm with a maximal deviation of 6.8mm.

In order to evaluate the clinical relevance of these deviations, the postoperative measurement data was included into the analysis. Note that no tip fold over could be observed in any of the reviewed cases.Fig 7Ashows the derivedIELandCCLvalues in a boxplot, grouped by the respective electrode array type. Means and the standard deviations of theIELfor the different arrays are 15.4mm +/-2.7mm for theCMDgroup, 18.7mm +/- 1.1 mm for the FLEX²⁰, 23.5mm +/- 0.9 mm for the FLEX²⁴and 26.6mm +/- 1.1mm for the FLEX²⁸. Mean values and standard deviations of theCCLare slightly larger (about 2 mm on average) than the respective

Fig 6. CDL distribution.Histograms of (A) measured and (B) estimatedCDLvalues. (C) comparison of individualCDLmeasurements and estimations.

Fig 7. Distribution of electrode specific CI outcomes.(A)IELandCCLdistribution as well as (B) CC ranges for the different electrode array groups.

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IELvalues with 20.8mm +/- 1.1mm for the FLEX²⁰, 25.2mm +/- 1.2mm for the FLEX²⁴and 29.2mm +/-1.4mm for the FLEX²⁸. The meanCCLof theCMDgroup was found to be 17mm +/- 2.9mm. Taking the preoperatively measuredCDLinto account, the individual cochlear coverage (CC) of the lateral wall can be calculated as the ratio ofCCLandCDL, which is shown inFig 7B. The achieved meanCCis 56% +/-3.5% for the FLEX²⁰, 67.9% +/-6.1% for the FLEX²⁴and 76.4% +/-5.3% for the FLEX²⁸. For theCMDdevices a coverage of 46% +/- 7.6%

was achieved. TheCCvariation for the longest electrode (FLEX²⁸) ranged between 57.8% and 95.2% while it ranged from 58–85.3% for the FLEX²⁴and from 32.6–43.2% for the FLEX²⁰.

In order to correlateIELandCCL, a scatter plot of the two is given inFig 8A. Linear regres- sion of these data points yielded the following correlation function:

CCL¼1 :06þ1

:05�IEL

The red area within the graph indicates (based on the example of a FLEX²⁸electrode array) theCCLrange which can be expected for a successfully implanted array, if successful insertion is assumed to lie within +/- 5% of the array length that is supposed to be implanted (i.e. 28mm for a FLEX²⁸electrode array), the correlation function above can be employed to derive the correspondingCCLrange.Table 1shows the correspondingIELandCCLranges for different MED-EL electrode arrays suitable for patients without residual hearing. As mentioned before, the manufacturer recommends 80%CC(Mistrı´k & Jolly, 2016). Thus, translating the CCLto a clinical indicated range can be accomplished by dividing the derived CCL ranges by 0.8. The corresponding indicated ranges for the different arrays are listed inTable 1and depicted in Fig 8B. Note that the indicated range for the FLEX²⁸array matches the peak of the derived CDLdistribution.

Several publications refer to theCDLas the length of the organ of Corti (OC) and not the lateral wall. That is why the data of Hardy and Lee [5,31,35] was used to project the lateral wall indication ranges onto the organ of Corti (seeFig 9A). Linearly relating theCDLmean values +/- one standard deviation for lateral wall (37.9 mm +/- 2.4 mm) and organ of Corti (31.5 mm

Fig 8. Anatomical indication ranges.(A) Depiction of the CCL range computed for a fully inserted (+/-5%) FLEX²⁸array, (B) visualization of the corresponding CDL indication ranges for FLEX²⁴, FLEX²⁸and FLEX^Softelectrode arrays.

(34)

+/-2.3 mm) yielded the following equation:

CDL_OC¼0

:76�CDL_Lwþ1 :46

This equation was used to translate the lateral wall indication ranges into the ones for organ of Corti, which are displayed inFig 9Band stated within the last two rows ofTable 1.

Finally, we evaluated ifCDLestimations using theAvalue andCA[30] could be used instead of actual measurements to derive an accurate anatomical indication for a specific array. Note that only the length of the cochlea and not the length of the implanted array were taken into account for this analysis. Using the FLEX²⁸implanted group we then analyzed to what extent theCDLestimation method would predict cochlear anatomies as too short, appli- cable or too long for this array. WithinFig 10A, the x-axis represents the measuredCDL whereas the y-axis shows the corresponding estimations. The shaded areas within this graph represent the FLEX²⁸indication ranges for measured and estimated CDL values respectively (3^rdcolumn ofTable 1). Correct identification, i.e. a match of measured and estimated indication (highlighted in the table), of short cochleae could be achieved in 67.8%, of long cochleae in 17.1% and of matching cochleae in 77.2% of the cases (seeTable 2andFig 10B).

Table 1. Indication range for the FLEX electrodes.

Array FLEX 24 FLEX 28 FLEX Soft

Array-length in mm 24 28 31,5

CCLin mm 26.3

(25–27.5)

30.5 (29–32) 34.2

(32.5–35.9)

RecommendedCDL (lateral wall) in mm 32.9 38.2 42.7

Indicated CDL (lateral wall) ranges (mm) 31.3–34.4 36.2–40.1 40.6–44.9

Recommended organ of Corti length (mm) 26.5 30.5 34

Indicated organ of Corti range (mm) 25.3–27.7 29.1–32 32.4–35.7

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0206435.t001

Fig 9. Organ of Corti length.(A) Histogram of the organ of Corti (OC) derived by Hardy and Lee (red) and MHH data (black), (B) Histogram of calculated OC length for MHH data with electrode lengths for FLEX²⁴, FLEX²⁸and FLEX^Soft(+/- 5%).

(35)

Discussion

In our study, we analyzed the anatomy of the cochlea in 272 clinical imaging datasets. The postoperative location of different lateral wall electrode arrays could be assessed in 259 of these 272 cases. The derived variability of the cochlea length is in agreement with previous studies [4,5,15–17] and highlights again the importance of considering the patient specific anatomy in the field of cochlear implantation (seeFig 6A).

The projection of the wide portfolio of available electrode arrays [3] onto this range of cochlear length values then allows for optimal coverage of the intracochlear neural structures:

achieving 80%CCwith lateral wall electrodes in case of an average or long cochlea, for instance, would currently only be achievable with MED-EL devices who also offer electrode array lengths of more than 26mm. However, it was not yet clearly proven if electrode arrays stimulate the neural fiber endings at the organ of Corti or the spiral ganglion cells directly, i.e.

what cochlear coverage achieves the best possible speech perception. Nevertheless, recent publications show superior speech understanding for the FLEX²⁸array (which typically achieves insertion angles of 540–720 degrees) in comparison to shorter electrode arrays [24]. The derived indication ranges yield a possible explanation for this finding, i.e. the sufficient coverage of neural structures for most cochleae with the FLEX²⁸array.

The comparison of measured and estimated [30]CDLs showed normal distributions in either case with no significant differences, but quite severe deviations were found for

Fig 10. CDL identification of FLEX²⁸candidates.(A) the comparison of measurement and estimation-based identifications of FLEX²⁸candidates resulted in (B) correct identifications in 66% of the analyzed anatomies using Escude´’s method.

Table 2. Correct identification of cochlea length.

Reference small Reference match Reference large Correct Identification

Estimation large 0 11 7 7

Estimation match 19 132 33 132

Estimation small 40 28 1 40

total number 59 171 41 271

correct identification in percentage 67.8 77.2 17.1 66.1

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0206435.t002