Грейм Милборн Кларк: Пионер кохлеарной имплантации

Введение

Австралийский профессор отоларингологии Грэм Милборн Кларк (родился 16 августа 1935 года) — австралийский профессор отоларингологии в Университете Мельбурна. Его работа в области ЛОР-хирургии, электроники и науки о речи способствовала разработке многоканального кохлеарного импланта. Позднее его изобретение было коммерциализировано компанией Cochlear Limited.

Ранние годы и образование

Кларк родился в Камдене, штат Новый Южный Уэльс, в семье Колина и Дороти Кларк. У него есть одна младшая сестра. Он получил образование в баптистской гимназии Кэри, где в 1997 году был удостоен медали Кэри. Кларк также учился в Шотландском колледже и изучал медицину в Сиднейском университете. Он специализировался в отоларингологии в Королевской национальной больнице уха, горла и носа и в 1964 году получил стипендию Королевского хирургического колледжа в Лондоне. Кларк вернулся в Австралию, где стал членом Королевского австралийского колледжа хирургов, а в 1969 году защитил докторскую диссертацию в Сиднейском университете на тему «Среднее ухо и нейронные механизмы слуха и лечения глухоты». Одновременно он завершил магистерскую работу по хирургии на тему «Принципы структурной поддержки носа и их применение к хирургии носа и носовой перегородки». В 1976 году он вернулся в Англию, чтобы продолжить обучение в Университете Кила и углубить свои знания в области науки о речи.

Разработка многоканальных кохлеарных имплантатов

Кларк предположил, что слух, в особенности восприятие речи, можно восстановить у людей с глухотой, минуя поврежденное или недоразвитое ухо и электрически стимулируя слуховой нерв для воспроизведения кодирования звука. Его первоначальные докторские исследования в Университете Сиднея были посвящены изучению влияния частоты электрической стимуляции на отдельные клетки и группы клеток в ответах ствола мозга на звук – центре, где впервые происходит декодирование частотной дискриминации. Исследования Кларка показали, что пучок электродов с «градиентной жесткостью» может пройти без повреждений по спирали кохлеи, сужающейся к основанию, в область восприятия речевых частот. До этого ему было сложно найти способ введения пучка электродов в кохлею без нанесения повреждений. Прорыв произошел во время отпуска на пляже: Кларк представил себе использование раковины, чтобы воспроизвести структуру человеческой кохлеи, а травинки (гибкие на кончике и постепенно увеличивающиеся в жесткости) – в качестве электродов. Кларк показал, что пучок электродов должен свободно располагаться в кохлее, а провода необходимо заканчивать охватывающими полосами, чтобы уменьшить трение о ее стенки и облегчить прохождение на необходимую глубину. Эти полосы должны быть достаточно широкими, чтобы минимизировать плотность заряда электрического тока в целях безопасности, но достаточно узкими для локальной стимуляции нервных волокон, обеспечивающей кодирование частоты по месту. Для решения вопросов безопасности устройства Кларк провел эксперименты, которые показали минимальный риск развития менингита из-за инфекции среднего уха, если вокруг пучка электродов вырастает фиброзная оболочка. Эта оболочка формировалась из соединительной ткани, взятой у самого пациента и помещенной вокруг электрода в месте его входа в кохлею. Первый кохлеарный имплант был изобретен и разработан доктором Уильямом Ф. Хаусом. Устройство Хауса имело единую конфигурацию электродов, в отличие от многоэлектродного устройства, разработанного Кларком. Первая операция по имплантации многоканального кохлеарного импланта была проведена в Королевской глазной и ушной больнице Виктории в 1978 году Кларком и доктором Брайаном Пайманом. Первым пациентом, получившим имплант, был Род Сандерс, потерявший слух в 46 лет. Менее чем через год был имплантирован второй пациент. Джордж Уотсон, австралийский ветеран Второй мировой войны, потерял слух после взрыва бомбы тринадцать лет назад. Аудиолог, работавший в команде Кларка в то время, описал первых двух пациентов команды как «людей, готовых на все и продолжающих приходить и поддерживать работу». После успешного завершения операции в 1978 году, вместе со своим коллегой по докторантуре Йитом Чоу Тонгом, Кларк обнаружил, что многоканальная электрическая стимуляция мозга может воспроизводить частоту и интенсивность как высоту и громкость у людей с глубокой или полной глухотой, которые ранее имели слух. Электрическая стимуляция с низкой частотой (50 импульсов/сек) воспринималась как тон той же частоты, но при частотах выше 200 импульсов/сек слышимое было плохо различимо и воспринималось как гораздо более высокий тон. Это открытие показало, что время электрических стимулов важно для восприятия низких тонов, что было трудно определить с помощью звука. Однако для понимания речи требуется различение тонов до 4000 Гц, поэтому Кларк с самого начала разработки своего кохлеарного имплантата подчеркивал, что «кодирование по месту посредством многоканальной стимуляции» необходимо использовать для важных средних и высоких речевых частот. Кларк и Тонг затем обнаружили, что место стимуляции воспринимается как тембр, но без выраженного ощущения высоты. Пациент мог различать отдельные ощущения в зависимости от места стимуляции в кохлее. В конце 1978 года Кларк и Тонг обнаружили, что стратегия обработки речи кодирует второй формант как место стимуляции вдоль кохлеарного массива, амплитуду второго форманта как уровень тока, а частоту голосообразования – как частоту импульсов по каналам формант. В декабре 1978 года Кларк организовал, чтобы его аудиолог представил своему первому пациенту слова в открытом наборе, и тот смог правильно идентифицировать несколько из них. В результате Кларк прооперировал второго пациента, который был глухим в течение 17 лет. Ему удалось показать, что стратегия кодирования речи не уникальна для паттернов мозговых реакций конкретного человека и что память о звуках речи может сохраняться много лет после потери слуха. В 1982 году Кларк руководил первоначальными клиническими исследованиями, предписанными Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA), а в 1985 году, после всемирного испытания, FDA одобрило его многоканальный кохлеарный имплант для взрослых старше 18 лет, которые ранее имели слух. Таким образом, он стал первой многоканальной кохлеарной системой, признанной безопасной и эффективной любым регулирующим органом здравоохранения для обеспечения понимания речи как с чтением по губам, так и только с помощью электрической стимуляции у людей, которые ранее имели слух. После детального анализа результатов FDA объявило в 1990 году, что 22-канальный кохлеарный имплант безопасен и эффективен для детей в возрасте от двух до 17 лет в понимании речи как с чтением по губам, так и без него. С 1985 по 1990 год Кларк и члены его Клиники кохлеарных имплантов при Глазной и ушной больнице в Мельбурне, а затем и другие клиники по всему миру, обнаружили, что стратегии кодирования речи на основе извлечения формант, разработанные Кларком и его командой, позволяют до 60% детей понимать значительное количество слов и предложений только с помощью электрической стимуляции, без помощи чтения по губам. При использовании стратегии, которая также извлекала полосу высоких частот, увеличилось число детей с улучшенным восприятием речи, речевым произношением и языковыми показателями.

Clark hypothesized that hearing, particularly for speech, might be reproduced in people with deafness if the damaged or underdeveloped ear were bypassed, and the auditory nerve electrically stimulated to reproduce the coding of sound. His initial doctoral research at the University of Sydney investigated the effect of the rate of electrical stimulation on single cells and groups of cells in the auditory brain stem response, the centre where frequency discrimination is first decoded. Clark's research demonstrated that an electrode bundle with 'graded stiffness' would pass without injury around the tightening spiral of the cochlea to the speech frequency region. Until this time he had difficulty identifying a way to place the electrode bundle in the cochlea without causing any damage. He achieved a breakthrough during a vacation at the beach; he conceptualized using a seashell to replicate the human cochlea, and grass blades (which were flexible at the tip and gradually increasing in stiffness) to represent the electrodes. Clark showed that the electrode bundle had to be free fitting, and the wires needed to be terminated with circumferential bands to reduce friction against the outer wall of the cochlea; as to make it easier to pass the required distance. The bands had to be wide enough to minimize the charge density of the electric current for safety, but narrow enough for localized stimulation of the nerve fibres for the place coding of frequency. In order to address issues about the safety of the device, Clark conducted experiments to show that there was minimal risk of meningitis from a middle ear infection if a fibrous tissue sheath grew around the electrode bundle. The sheath was developed from a connective tissue graft from the person's own body that was placed around the electrode bundle where it entered the cochlea. The first cochlear implant was invented and developed by Dr. William F. House. House's device was a single electrode configuration, compared to the multiple electrode device developed by Clark. Clark's first multi channel cochlear implant operation was done at the Royal Victorian Eye and Ear Hospital in 1978 by Clark and Dr. Brian Pyman. The first person to receive the implant was Rod Saunders who had lost his hearing aged 46. Less than one year later, a second patient was implanted. George Watson, an Australian World War II veteran, had lost his hearing after a bomb blast thirteen years earlier. An audiologist working on Clark's team at the time described the team's first two patients as, "guys who'd put up with anything and continue to keep coming in and support the work.". After successfully completing the surgery in 1978, with his post doctoral colleague, Yit Chow Tong, Clark discovered how multi channel electrical stimulation of the brain could reproduce frequency and intensity as pitch and loudness in severely to profoundly deaf adults who originally had hearing before going deaf. Electrical stimulation at low rates (50 pulses/sec) was perceived as a pitch of the same frequency, but at rates above 200 pulses/sec, what was heard was poorly discriminated and a much higher pitch. This discovery established that the timing of electrical stimuli was important for low pitch when this had been difficult to determine with sound. But discrimination of pitch up to 4000 Hz is required for speech understanding, so Clark emphasized early in the development of his cochlear implant that "place coding through multi channel stimulation" would have to be used for the important mid to high speech frequencies. Clark and Tong next discovered that place of stimulation was experienced as timbre, but without a strong pitch sensation. The patient could identify separate sensations according to the site of stimulation in the cochlea. At the end of 1978, Clark and Tong made the discovery that the speech processing strategy coded the second formant as place of stimulation along the cochlear array, the amplitude of the second formant as current level, and the voicing frequency as pulse rate across the formant channels. in December 1978, Clark arranged that his audiologist present open set words to his first patient, who was able to identify several correctly. As a result, Clark went on to operate on a second patient who had been deaf for 17 years. He was able to show that the speech coding strategy was not unique to one person's brain response patterns, and that the memory for speech sounds could persist for many years after the person became deaf. In 1982 Clark supervised the initial clinical studies mandated by the Food and Drug Administration (FDA) and in 1985, after a world trial, the FDA granted approval for his multi channel cochlear implant for adults 18 and over who had hearing before going deaf. It thus became the first multi channel cochlear system to be approved as safe and effective by any health regulatory body for giving speech understanding, both with lip reading and for electrical stimulation alone in people who had hearing before going deaf. After a detailed analysis of results the FDA announced in 1990 that the 22 channel cochlear implant was safe and effective for deaf children from two to 17 years of age in understanding speech both with and without lip reading. From 1985 to 1990 Clark and the members of his Cochlear Implant Clinic at the Eye and Ear Hospital in Melbourne, followed by other clinics worldwide, found that the formant extraction speech coding strategies developed by Clark and team resulted in up to 60% of children being able to understand significant numbers of words and sentences with electrical stimulation alone without help from lipreading. With a strategy that also extracted a band of high frequencies there were increased numbers of children with improved speech perception, speech production and language scores.

Институт бионического уха

В 1970 году Кларк был назначен профессором-основателем отоларингологии (хирургии уха, носа и горла) в Университете Мельбурна, а затем в 2000 году стал одним из первых лауреатских профессоров университета за международное признание его научных достижений. Он занимал эту должность до выхода на пенсию в 2004 году. Будучи заведующим отделом отоларингологии, он руководил исследованиями в области кохлеарных имплантатов. Первоначально его исследования финансировались за счет средств, собранных на телемарафоне, а затем грантом в общественных интересах от правительства Австралии. Дальнейшие исследования, направленные на понимание принципов работы и совершенствование кохлеарных имплантатов, осуществлялись благодаря грантам Национального совета по здравоохранению и медицинским исследованиям Австралии, Австралийского исследовательского совета, Национальных институтов здоровья США и программы Кооперативных исследовательских центров. В 1983 году Кларк основал Институт бионического уха как независимую некоммерческую медицинскую исследовательскую организацию. Целью Института бионического уха было "предоставить глухим детям и взрослым возможность максимально полно участвовать в мире звука и найти новые способы восстановления функций мозга". В 2011 году Институт бионического уха был переименован в Институт бионики в связи с расширением сферы его деятельности, которая теперь включала не только совершенствование бионического уха, но и разработку бионического глаза и устройств для глубокой стимуляции мозга.

Благотворительные фонды

В 2002 году был учрежден Фонд стипендий имени Грэма Кларка в знак признания его всей жизни, посвященной поиску решения проблем людей с нарушениями слуха, и его новаторской работы в области технологии кохлеарных имплантатов. Стипендии, присуждаемые компанией Cochlear Limited, предоставляются получателям кохлеарных имплантатов по всему миру для частичного покрытия расходов на высшее образование, включая финансовую поддержку для получения степени в аккредитованном университете в течение максимум четырех лет. В знак признания вклада Грэма Кларка в улучшение жизни людей с глухотой был создан Благотворительный фонд имени Грэма Кларка, целью которого является, прежде всего, предоставление людям с глухотой и другими сенсорными нарушениями возможности реализовать свой потенциал посредством соответствующих биомедицинских, технологических и образовательных мероприятий.