Имплантируемый микрофон может привести к появлению полностью внутренних кохлеарных имплантатов
По данным Национального института здравоохранения, кохлеарные имплантаты — крошечные электронные устройства, которые могут обеспечить глухим или слабослышащим людям ощущение звука — помогли улучшить слух более чем миллиону человек по всему миру.
Однако кохлеарные импланты сегодня имплантируются лишь частично и полагаются на внешнее оборудование, которое обычно располагается сбоку головы. Эти компоненты ограничивают пользователей, которые не могут, например, плавать, заниматься спортом или спать, нося внешнее устройство, и они могут заставить других вообще отказаться от импланта.
На пути к созданию полностью внутреннего кохлеарного импланта многопрофильная группа исследователей из Массачусетского технологического института, Массачусетского института глаза и уха, Гарвардской медицинской школы и Колумбийского университета разработала имплантируемый микрофон, который работает так же хорошо, как и коммерческие внешние микрофоны слуховых аппаратов. Микрофон остается одним из самых больших препятствий на пути к внедрению полностью внутреннего кохлеарного импланта.
Этот крошечный микрофон, датчик, изготовленный из биосовместимого пьезоэлектрического материала, измеряет мельчайшие движения на нижней стороне барабанной перепонки. Пьезоэлектрические материалы генерируют электрический заряд при сжатии или растяжении. Чтобы максимизировать производительность устройства, команда также разработала малошумящий усилитель, который усиливает сигнал, минимизируя шум от электроники.
Хотя предстоит преодолеть множество трудностей, прежде чем такой микрофон можно будет использовать с кохлеарным имплантом, команда разработчиков с нетерпением ждет дальнейшего совершенствования и тестирования этого прототипа, который является продолжением работы, начатой ??в Массачусетском технологическом институте и Массачусетской медицинском центре по изучению зрения и слуха более десяти лет назад.
«Все начинается с отоларингологов, которые работают с этим каждый день недели, пытаясь улучшить слух людей, распознавая потребность и донося ее до нас.
«Если бы не сотрудничество этой команды, мы бы не достигли того, что имеем сегодня», — говорит Джеффри Лэнг, профессор электротехники в Витессе, член Исследовательской лаборатории электроники (RLE) и соавтор статьи о микрофоне, опубликованной в журнале Journal of Micromechanics and Microengineering.
Соавторами Лэнга являются ведущие авторы Эмма Вавжинек, аспирантка факультета электротехники и информатики (EECS), и Аарон Йейзер, выпускник SM ’21; а также аспирант факультета машиностроения Джон Чжан.
Другими соавторами являются Лукас Граф и Кристофер Макхью из Mass Eye and Ear; Иоаннис Кимиссис, профессор электротехники имени Кеннета Брейера в Колумбийском университете; Элизабет С. Олсон, профессор биомедицинской инженерии и слуховой биофизики в Колумбийском университете; и соавтор Хидеко Хайди Накадзима, доцент кафедры отоларингологии и хирургии головы и шеи в Гарвардской медицинской школе и Mass Eye and Ear.
Преодоление тупиковой ситуации с имплантацией
Микрофоны кохлеарных имплантов обычно размещаются по бокам головы, а это значит, что пользователи не могут воспользоваться преимуществами фильтрации шума и локализации звука, которые дает структура наружного уха.
Полностью имплантируемые микрофоны предлагают множество преимуществ. Но большинство устройств, которые сейчас находятся в разработке и которые распознают звук под кожей или движение косточек среднего уха, могут испытывать трудности с захватом тихих звуков и широких частот.
Для нового микрофона команда нацелилась на часть среднего уха, называемую макушкой. Макушка вибрирует однонаправленно (внутрь и наружу), что облегчает восприятие этих простых движений.
Хотя макушка имеет самый большой диапазон движения среди косточек среднего уха, она перемещается всего на несколько нанометров. Разработка устройства для измерения таких крошечных вибраций представляет свои собственные проблемы.
Кроме того, любой имплантируемый датчик должен быть биосовместимым и способным выдерживать влажную, динамичную среду организма, не причиняя вреда, что ограничивает выбор материалов, которые можно использовать.
«Наша цель состоит в том, чтобы хирург имплантировал это устройство одновременно с кохлеарным имплантом и внутренним процессором, что означает оптимизацию операции при работе с внутренними структурами уха, не нарушая никаких процессов, которые там происходят», — говорит Вавжинек.
Благодаря тщательному проектированию команда преодолела эти трудности.
Они создали UmboMic, треугольный датчик движения размером 3 на 3 миллиметра, состоящий из двух слоев биосовместимого пьезоэлектрического материала, называемого поливинилидендифторидом (ПВДФ). Эти слои ПВДФ расположены по обе стороны гибкой печатной платы (ПП), образуя микрофон размером с рисовое зерно и толщиной 200 микрометров. (Средний человеческий волос имеет толщину около 100 микрометров.)
Узкий кончик UmboMic будет помещен напротив умбо. Когда умбо вибрирует и давит на пьезоэлектрический материал, слои PVDF изгибаются и генерируют электрические заряды, которые измеряются электродами в слое печатной платы.
Повышение производительности
Команда использовала конструкцию «сэндвич PVDF» для снижения шума. Когда датчик сгибается, один слой PVDF производит положительный заряд, а другой — отрицательный. Электрические помехи добавляются к обоим в равной степени, поэтому учет разницы между зарядами нейтрализует шум.
Использование PVDF обеспечивает множество преимуществ, но материал делает изготовление особенно сложным. PVDF теряет свои пьезоэлектрические свойства при воздействии температур выше 80°C, однако для испарения и осаждения титана, другого биосовместимого материала, на датчик необходимы очень высокие температуры. Вавжинек обошел эту проблему, постепенно осаждая титан и используя радиатор для охлаждения PVDF.
Но разработка датчика была лишь половиной дела — колебания умбо настолько малы, что команде нужно было усилить сигнал, не внося слишком много шума. Когда они не смогли найти подходящий малошумящий усилитель, который также потреблял бы очень мало энергии, они построили свой собственный.
После установки обоих прототипов исследователи протестировали UmboMic в человеческих ушных костях трупов и обнаружили, что он имеет надежную производительность в диапазоне интенсивности и частот человеческой речи. Микрофон и усилитель вместе также имеют низкий уровень шума, что означает, что они могут различать очень тихие звуки на общем уровне шума.
«Мы увидели одну действительно интересную вещь: частотная характеристика датчика зависит от анатомии уха, на котором мы проводим эксперимент, поскольку макушка у разных людей движется немного по-разному», — говорит Вавжинек.
Исследователи готовятся начать исследования на живых животных для дальнейшего изучения этого открытия. Эти эксперименты также помогут им определить, как UmboMic реагирует на имплантацию.
Кроме того, они изучают способы инкапсуляции датчика, чтобы он мог безопасно оставаться в теле до 10 лет, но при этом оставаться достаточно гибким, чтобы улавливать вибрации. Имплантаты часто упаковываются в титан, который был бы слишком жестким для UmboMic. Они также планируют изучить методы крепления UmboMic, которые не будут вызывать вибрации.
«Результаты в этой статье показывают необходимую широкополосную реакцию и низкий уровень шума, необходимые для работы в качестве акустического датчика. Этот результат удивителен, поскольку полоса пропускания и уровень шума настолько конкурентоспособны с коммерческим микрофоном слухового аппарата. Такая производительность показывает перспективность подхода, что должно вдохновить других принять эту концепцию.
«Я ожидаю, что для устройств следующего поколения потребуются чувствительные элементы меньшего размера и электроника с меньшей мощностью, чтобы упростить имплантацию и решить проблемы со сроком службы батареи», — говорит Карл Грош, профессор машиностроения в Мичиганском университете, который не принимал участия в этой работе.
06.07.2024