Ốc tai điện tử Cochlear

tiến sĩ thính giác Merle Lawrence đã cho rằng: "không thể trực tiếp kích thích các sợi thần kinh thính giác để dẫn đến cảm nhận lời nói"

Màng áp mái
màng nhĩ (ear drum) kết nối 3 xương (chuỗi xương con) ở trong "tai giữa" (middle ear) khuếch đại và truyền sóng âm vào chất lỏng bên trong "ốc tai" (cochlea)
"ốc tai" rộng 10 mm chứa chất lỏng, tạo sóng truyền đến "màng nền" (basilar membrane) có 1 dải mô Corti
cơ quan Corti có hàng nghìn tế bào lông, trên ngọn những tế bào tóc này là sợi stereocilia
tế bào lông ngoài (outer hair cell) đóng vai trò 1 bộ khuếch đại (cochlear amplifier)
tế bào lông trong (inner hair cell) mở những kênh ion đưa tín hiệu âm thanh đến não
"màng nền" sẵn có 1 bản đồ tần số âm thanh (a gradient of sound frequencies): ở gần đáy, tần số cao ở 1 nơi hẹp và cứng; ở gần đỉnh, tần số thấp ở 1 nơi rộng và mềm
sinh ra mỗi tai người có 12000 tế bào lông ngoài và 3500 tế bào lông trong, theo thời gian sẽ giảm dần bởi những nguyên nhân: thuốc, viêm nhiễm, tiếng ồn, chấn thương (trauma)
ngày nay, máy trợ thính đã giúp phần sót lại của các tế bào lông tiếp nhận âm thanh, nhưng vẫn cần một số tế bào lông vẫn còn sống... nếu "ốc tai" và tế bào lông đã mất hết, máy không giúp được
nếu "hệ thống thần kinh thính giác trung ương" vẫn còn, người bệnh "điếc tiếp nhận" (sensorineural hearing loss) có thể được kích thích các sợi thần kinh thính giác

Cột pin Volta
năm 1747 bác sĩ Giuseppe Veratti người Ý thử nghiệm một dòng điện tĩnh để kích thích tai của những người bị điếc
năm 1799 sau khi phát minh "cột pin Volta" (Voltaic pile), nhà hóa học Alessandro Volta (năm 1810 được sắc phong Bá tước Ý) tự cắm 2 thanh kim loại kết nối 1 nguồn điện 50 volt vào 2 lỗ tai của chính mình, và đã nghe được 1 âm thanh Volta miêu tả là "tiếng nước sôi" lách tách, sau đó là 1 tiếng nổ (boom) và tiếng xì (hiss)
theo Volta, Volta đã nghe một "trực tiếp kích thích điện những sợi dây thần kinh"
sau này Volta nhớ lại: "cảm giác khó chịu, thứ mà tôi hiểu là nguy hiểm, với một cú shock chạy thẳng vào trong đại não, đã ngăn tôi lặp lại thí nghiệm này"

Hoạt động điện sinh học
năm 1929 Ernest Glen Weaver và Charles Bray trường đại học Princeton gây mê 1 con mèo, rồi kết nối dây thần kinh thính giác của mèo với một ống nghe điện thoại, bằng dây điện thoại
1 người nói vào tai mèo, trong khi người còn lại, ngồi trong một phòng cách âm, đọc âm thanh đi ra từ ống nghe, qua tai
nhóm nhận thấy rằng nếu nói to hơn vào tai mèo, tín hiệu đầu ra cũng mạnh hơn, dây thần kinh đã sao chép âm thanh, bảo tồn hình thù của sóng âm
năm 1978 Ernest Glen Weaver xuất bản sách "Tai loài bò sát"
năm 1985 Ernest Glen Weaver xuất bản sách "Tai loài lưỡng cư"

Điện phỏng cơ học
năm 1937 Stanley Smith Stevens và đội ngũ Harvard đặt những điện cực trong "tai giữa" những bệnh nhân đã bị mất "màng nhĩ" và "chuỗi xương con" (auditory ossicles) trong tai
thập niên 1950 bác sĩ tai (otologist) chữa bệnh chủ yếu nhờ phẫu thuật, sau khi các thuốc kháng sinh đã điều trị được các căn bệnh đã biết, đã chuyển hướng chú ý sang bệnh điếc
giữa thập niên 1950 bác sĩ sinh lý học điện Andre Djourno gốc Algeria phát triển một bộ phận giả, kích thích dây thần kinh vận động, thay thế "phổi sắt" cho người mắc bệnh bại liệt (polio)
năm 1954 Andre Djourno bắt đầu nói đến việc phát triển một bộ phận giả, tương tự cho dây thần kinh thính giác
năm 1957 Charles Eyries người Pháp chữa trị 1 người bệnh 57 tuổi mắc một khối u (locally destructive growth) tai giữa
trước đó, phẫu thuật khối u đã làm hư hại "ốc tai", "mê lộ" (labyrinth) và dây thần kinh mặt
để khôi phục phần nào các chức năng mặt, Charles Eyries ghép dây thần kinh mặt (graft) trong khi Andre Djourno đề nghị kích thích dây thần kinh thính giác
ghép thành công dây thần kinh mặt, Charles Eyries gặp khó trong việc đưa vào bộ phận giả: không còn "ốc tai", chỉ còn 1 khoang (cavity) trống
sau rốt, đội ngũ phẫu thuật đã tìm được 1 mỏm cụt (stump) ở cuối sợi dây thần kinh sọ (cranial nerve) thứ 8 đã bị tước ra
"mỏm cụt" ở trong một vùng ở cạnh "ốc tai", vùng các dây thần kinh thính giác "bó sợi" (bundle) với các dây thần kinh khác, xử lý nhiều chức năng cân bằng, trước khi nối đến tế bào não
bộ phận giả Andre Djourno tự tay làm là một thiết bị thô sơ, chuyển đổi tín hiệu âm thanh thành những xung điện
kết quả, người bệnh đã nghe được những tiếng mà người bệnh miêu tả là tiếng ve sầu kêu hoặc tiếng còi; mặc dù người bệnh không nghe được âm thanh thông thường, người bệnh đã học cách nhận biết một số âm thanh
sau ít tháng, thiết bị đã hư hỏng; cuộc phẫu thuật thứ 2 sau đó cũng có kết cục tương tự, khiến Charles Eyries đổ lỗi cho chất lượng thiết bị
tin vào lý tưởng "khoa học phục vụ cộng đồng", Andre Djourno không đăng ký bất cứ bằng sáng chế nào liên quan đến những thiết bị và những quy trình liên quan đến công trình nghiên cứu
không đăng ký sáng chế, Andre Djourno không thể liên lạc các doanh nghiệp để gọi vốn, cho nên Charles Eyries không đủ nguồn lực thực hiện cuộc phẫu thuật thứ 3
năm 1959 Andre Djourno chuyển hướng sang dự án khác

William Fouts House
William Fouts House ở viện nghiên cứu tai ở Los Angeles đọc được bài báo Pháp về công trình Andre Djourno
trước đấy, House cứ nghĩ rằng việc kích thích thính giác sẽ cần "ốc tai" hoạt động
House nhớ lại: "tôi ngạc nhiên rằng Djourno và Eyries đã không xuất bản thêm về chủ đề này, và cũng chỉ thực hiện trên 2 người bệnh. Diễn biến này đã kích thích sự quan tâm từ phía tôi"
House thực hiện thí nghiệm đặt những điện cực áp lên tai nhiều người bệnh, và khảo sát xem họ nghe thấy gì không, có thấy khó chịu nào không
kết quả đã thu hút nhiều người tình nguyện, dẫn đến House hợp tác anh em John và Jim Doyle - một kỹ sư điện - phát triển 1 thiết bị
dự án đã đưa ra nhiều bộ phận chủ chốt: mic, bộ xử lý (biến tín hiệu âm thanh thành tín hiệu điện), những điện cực được cấy ghép vào "ốc tai"
tháng 1 năm 1961 lần đầu tiên, thiết bị được cấy ghép: một điện cực vàng, tiếp xúc "ốc tai" qua 1 đường mổ (incision) trên da
người bệnh đã cảm nhận những cảm giác thính giác; nhưng House và đội ngũ sau đó đã lấy thiết bị ra vì sợ nhiễm trùng

5-6 điện cực
một tháng sau, đội ngũ House thử cách khác: những phần khác nhau ở trong "ốc tai" chịu trách nhiệm những dải âm (pitch range) khác nhau
để có âm thanh phong phú, tất cả những phần "dải âm" phải được kích thích
House đưa vào 5 điện cực, tiếp xúc nhiều khu vực khác nhau, trải dài 20 milimet màng nền, được cấp điện bởi 1 cuộn cảm, truyền điện qua da
kết quả, người bệnh đã nghe được những âm khác nhau (tone) nhưng da người bệnh đã bị kích ứng, khiến House hoảng loạn lấy thiết bị ra, một lần nữa
dự án cộng tác đã chấm dứt, sớm hơn dự kiến; sau này House đổ lỗi anh em Doyle khoe thí nghiệm này quá sớm với báo chí, rằng anh em Doyle đã không chịu chia sẻ báo cáo sản phẩm và đã tự nhận thành tích nghiên cứu
anh em Doyle thử nghiệm được một số người bệnh nữa trước khi hết tiền, trong khi House đóng băng dự án

Hội nghị San Francisco năm 1973
năm 1964 Blair Simmons trường đại học Stanford và kỹ sư Robert White cấy ghép một mảng 6-điện-cực vào người tình nguyện 60 tuổi Anthony Vierra, mỗi điện cực được nối dây riêng, cải thiện khả năng nhận biết cao độ (frequency differentiation)
sau 18 tháng thử nghiệm, Anthony Vierra được tháo thiết bị
năm 1970 kỹ sư Wilson Greatbatch trình làng "máy tạo nhịp tim" chạy pin lithi ion, cấy ghép được 10 năm, thay vì 1-2 năm pacemaker chạy pin thuỷ ngân bọc kín
máy tạo nhịp tim (pacemaker) được đúc/đóng gói bằng nhựa, nhựa epoxy, titani... giải quyết vấn đề "chống thấm" và "tương thích sinh học" (biocompatibility)
năm 1969 House và kỹ sư Jack Urban thiết kế 1 hệ thống 6-điện-cực và 1 hệ thống 1-điện-cực, rồi được cấp ghép lên một số người bệnh
năm 1973 ở trường đại học UC San Francisco, House công bố dự án dài-hạn ở hội nghị quốc tế 1 về điện kích thích dây thần kinh thính giác để điều trị bệnh "điếc tiếp nhận" trên người (the first international conference on electrical stimulation of the acoustic nerve as a treatment for profound sensorineural deafness in man)
bấy giờ UC San Francisco và trường đại học Stanford đã có những nhóm nghiên cứu cấy ghép, dẫn đầu bởi tiến sĩ Robin Michelson
đội ngũ House ở Los Angeles lưu ý rằng người bệnh không phân biệt được những cao độ (pitch) khi nhiều điện cực được kích thích, có thể vì nhiễu "giao thoa chéo" giữa các điện cực hoặc giao thoa các sóng điện từ khác
năm 1973 House đề nghị 1-điện-cực và tuyên bố rằng sản phẩm đã sẵn sàng thương mại, hội thảo UC San Francisco bắt đầu thảo luận 1 bộ những quy trình an toàn
năm 1975 đưa ra những kết quả, trong đó có thí nghiệm động vật, viện y tế quốc gia NIH uỷ thác nghiên cứu cho tiến sĩ Robert Bilger trường đại học Pittsburgh đánh giá 13 người bệnh nhận cấy ghép ốc tai điện tử
năm 1977 báo cáo Robert Bilger xuất bản, kết luận rằng thiết bị an toàn và có thể hỗ trợ đọc khẩu hình miệng và nhận biết âm thanh môi trường, tuy vẫn chưa thể hỗ trợ "nghe" toàn bộ tiếng người

Moisés Alberto Arriaga
ngày 22 tháng 9 năm 1976 giáo sư Claude-Henri Chouard trưởng khoa tai-mũi-họng bệnh viện Saint Antoine phối hợp các nhà sinh lý học đã thực hiện ca cấy ghép thiết bị đa-kênh (multi-channel) hoàn chỉnh lên cơ thể người
Chouard là học trò của nhà giải phẫu Moisés Alberto Arriaga và từ lâu đã mơ về một thiết bị "alleviate the considerable handicap of deafness"
năm 1973 trở về từ hội nghị UC San Francisco, Chouard phát triển một thiết bị đa-kênh lấy mẫu và băm nhỏ giọng nói thành nhiều băng tần tần số, sẽ kích thích "ốc tai" ở những điện cực ở những nơi khác nhau (từ đỉnh đến đay)
ngày 16 tháng 3 năm 1977 Chouard và đồng sự Patrick Macleod đại diện doanh nghiệp tài trợ Bertin Technologies đăng ký sáng chế thiết bị ốc tai điện tử đa-kênh, bằng Pháp N° 77 07824 sau đó ở Hoa Kỳ được cấp bằng US 4,207,441
năm 1976-1977 Chouard thực hiện 6 ca cấy ghép thiết bị 7-điện-cực

Vợ chồng Hochmair
tháng 12 năm 1977 ở trường đại học kỹ thuật Viena, theo đơn một bệnh viện, kỹ sư điện Erwin Hochmair và vợ là tiến sĩ điện Inneborg Desoyer trình làng thiết bị ốc tai điện tử 8-kênh tốc độ 10 kiloHertz
dòng sản phẩm "Vienna cochlear implant" của nhà Hochmair tạo ra một vùng điện trường mờ nhoè (crosstalk)
nhà Hochmair thực hiện "xử lý tuần tự dải rộng" (analog broadband processing) tiếp nhận toàn bộ sóng âm đầu vào, truyền đến dây thần kinh như 1 tín hiệu tuần tự liên tục

Hộp vàng
năm 1964 bác sĩ Francis Blair Simmons chứng minh đa-kênh tạo ra nhiều cao độ (pitch)
năm 1967 mong muốn chữa trị cha bị điếc, Graeme Clark đọc được báo cáo nghiên cứu Simmons
cuối thập niên 1960 Graeme Clark thử nghiệm động vật ở trường đại học Sydney và phát hiện rằng neuron có "giới hạn tốc độ" 200-300 xung/giây, nhanh hơn 500 xung/giây bị triệt tiêu hoặc lẫn lộn
cho nên Graeme Clark kết luận rằng thiết bị cấy ghép trợ thính âm nói sẽ cần đa-kênh vì hiểu được tiếng người nói sẽ cần 3000 xung/giây
Graeme Clark phát hiện 1 nút nghẽn cổ chai, máy sẽ phải xác định và chuyển qua những phần thiết yếu của âm nói
năm 1973 Graeme Clark đối tác bác sĩ David Dewhurst trường đại học Melbourne làm ra một nguyên mẫu
chip được kết nối và đóng gói trong một hộp có thể chịu được điều kiện môi trường trong cơ thể người, được làm từ vật liệu trơ, nhận điện năng từ tín hiệu radio qua da
wafer được fab ở Hoa Kỳ và được đặt trên một bo mạch sẽ được cấy ghép: đội ngũ Graeme Clark muốn wafer silic được in trên dây vàng
nhóm Graeme Clark tìm đến doanh nghiệp điện tử AWA (Amalgamated Wireless Australasia) từng sản xuất bộ phận cho máy tạo nhịp tim, nhưng AWA từ chối
Graemem tìm đến những phòng nghiên cứu Telecom, nay là Telstra, ít tuần sau đã được TRL (Telecom Research Laboratories) của tập đoàn viễn thông Telecom gửi wafer miễn phí
bấy giờ chip silic được hàn lên wafer silic rồi khoá trong hộp vàng, làm bởi Hybrid Electronics, hộp vàng sẽ được nối với điện cực, rồi được khoá kín bởi cao su silic
mảng thiết bị có 20 điện cực platini
nhiều thí nghiệm động vật đã không thể đưa được mảng 20-điện-cực vào "thang màng nhĩ" (scala tympani) rộng 1-2 mm

Graeme Clark
mùa hè năm 1977 ở bãi biển, Graeme Clark nhặt được 1 vỏ ốc xà cừ, và đã lấy những cành cây nhỏ (twig) và cọng cỏ (blade of grass) thử luồn vào, nhận thấy nếu cành/cọng đủ mềm, nó sẽ tự bẻ lái theo cấu trúc xoắn
đội ngũ Graeme Clark thiết kế mảng điện cực: linh hoạt ở ngọn, cứng hơn khi đi về phía chuôi... bằng cách thêm dây vào mảng điện cực dạng-vòng-đai (banded electrode array)
năm 1971-1972 hội đồng y dược quốc gia NHMRC (National Health and Medical Research Council) tài trợ Graeme Clark với dự án đa-kênh
năm 1974-1976 kênh 10 ở Melbourne phát sóng trực tiếp đêm Telethon trong đó Graeme Clark kêu gọi quyên góp
năm 2000 xuất bản tự truyện "Sounds from silence: Graeme Clark and the bionic ear story"
tháng 4 năm 1978 giám đốc doanh nghiệp ngũ cốc Rodney Saunders, người mất thính lực 2 năm nay sau 1 tai nạn ô tô, tìm đến Graeme Clark chữa trị để trở lại làm việc
tháng 8 năm 1978 phẫu thuật suôn sẻ, rồi Rodney Saunders phải đều đặn đến phòng thí nghiệm để kết nối bộ phận cấy ghép với một máy tính xử lý âm thanh, để kiểm tra
mới đầu Rodney Saunders chỉ nghe tiếng xì xì
ở buổi kiểm tra thứ 3, nhóm Graeme Clark phát hiện một lỗi (flaw) trong thiết bị, sửa xong Rodney Saunders nghe được, khi tiếng nhạc "God save the Queen" và bài hát "Waltzing Matilda" vang lên, Rodney nhận được tiếng
giữa tháng 9 năm 1978 Graeme Clark thông cáo báo chí
George Watson là người bệnh thứ 2 được cấy ghép, đã thành công được nửa năm
Joan Keetley là người nữ đầu tiên được cấy ghép, sau George Watson chỉ 2 tuần, nhưng thất bại

PSP-1
đội ngũ Graeme Clark xin trợ cấp chính phủ Úc
tháng 1 năm 1979 Úc cấp 1 triệu đô la Úc kinh phí 2 năm
Graeme Clark tuyển dụng kỹ sư điện Peter Seligman làm với đồng sự Jim Patrick thu nhỏ bộ xử lý âm nói, từ một rack máy cồng kềnh, xuống còn một máy nhỏ bằng ngón tay để gài sau vành tai
trình làng PSP-1 (pocket speech processor), đội ngũ Graeme Clark tìm đến doanh nghiệp 3M bấy giờ đã mua giấy phép bằng sáng chế 1-điện-cực của House
bấy giờ Graeme Clark đã gây dựng quan hệ với Paul Trainor sở hữu tập đoàn Nucleus Limited sở hữu công ty con Telectronics
năm 1981 chính phủ Úc tài trợ thêm 2 triệu đô la Úc cho Nucleus tuyển dụng Peter Seligman và Jim Patrick cho dự án ốc tai
sau đó David Robert Money tham gia dự án, và dự án đã trở thành doanh nghiệp Cochlear
Peter Seligman và Jim Patrick làm với kỹ sư Peter Scott Single và hãng bán dẫn Austec thiết kế một ASIC xử lý âm thanh Nucleus 22 có 22 điện cực được sắp xếp đồng đều trên một mảng thẳng-thon-dần-về-phía-đầu-mút (tapered-band) nối 1 bộ nhận ở dưới da bên dưới tai, và 1 mic
năm 1982 Nucleus 22 sẵn sàng cho thử nghiệm lâm sàng ở Hoa Kỳ, Châu Âu và Úc
năm 1984 có 3 sản phẩm, trong đó có thiết bị cấy ghép 1-điện-cực của House, được FDA chấp thuận cho người lớn; cục phó FDA miêu tả: "lần đầu tiên, một thiết bị có thể, ở mức độ nào đó, thay thế bộ phận thụ cảm ở người"
tháng 10 năm 1985 cơ quan thực phẩm và dược phẩm FDA xem xét 87 người bệnh, và chấp thuận Nucleus 22 là thiết bị có khả năng giúp người bệnh hiểu âm nói mà không cần đọc khẩu hình
thiết bị 1-điện-cực của 3M chỉ giúp mang lại cảm giác âm thanh, không phân biệt được âm nói

MED-EL trụ sở Innsbruck
năm 1981, 3M mua giấy phép thiết bị Hochmair và House, đồng thời tuyển dụng 2 bên làm tư vấn
cuối thập niên 1981, 3M thoái lui khỏi thị trường "ốc tai" vì không cạnh tranh được Nucleus 22
năm 1989 nhà Hochmair sáng lập MED-EL với thuật toán mới cho đa-kênh
áp những điện cực cùng lúc trong "ốc tai" gây ra hiện tượng crosstalk
cuối thập niên 1980 Blake Shaw Wilson viện nghiên cứu Triangle đưa ra thuật toán CIS (continous interleaving sampling) băm ra những khung điện (snapshot) đòi hỏi phần cứng hàng nghìn xung/giây
tháng 1 năm 1994 MED-EL trình làng Combi 40 với 8 kênh và tốc độ 12120 xung/giây
năm 1990 Graeme Clark trình làng sản phẩm cho trẻ em
năm 2013 Blake Shaw Wilson, Inneborg Desoyer và Graeme Clark chia sẻ giải thưởng Lasker