Имплантируемый микрофон может привести к полностью внутренним кохлеарным имплантатам

Резюме: Совместная исследовательская группа разработала многообещающий вживляемый микрофон для кохлеарных имплантатов, в котором используется биосовместимый пьезоэлектрический материал для точного улавливания звука изнутри уха, что потенциально открывает путь к полностью внутренним кохлеарным устройствам.

Выводы:

Инновационный дизайн микрофона. В новом имплантируемом микрофоне, предназначенном для размещения на макушке среднего уха, используется биосовместимый пьезоэлектрический материал, который преобразует механические вибрации в электрические сигналы, потенциально преодолевая одну из самых мощных проблемы при создании полностью внутренних кохлеарных имплантатов.

Улучшенное обнаружение звука. Этот микрофон может улавливать широкий диапазон звуковых частот с низким уровнем шума, что имеет решающее значение для понимания человеческой речи, и представляет собой значительное улучшение по сравнению с внешними устройствами, которые не используют естественный звук. акустика анатомии уха.

Будущие разработки и испытания. Исследовательская группа продвигается к исследованиям на животных, чтобы проверить работу имплантированного устройства в живых условиях, а также изучает методы инкапсуляции, чтобы гарантировать, что устройство может безопасно оставаться в организме в течение длительного времени. до десяти лет при сохранении гибкости для эффективного обнаружения звуковых вибраций.
ол>

По данным Национального института здравоохранения, кохлеарные имплантаты, крошечные электронные устройства, которые могут обеспечить ощущение звука глухим или слабослышащим людям, помогли улучшить слух более чем миллиону человек во всем мире.

Однако сегодня кохлеарные имплантаты вживляются лишь частично и полагаются на внешнее оборудование, которое обычно располагается сбоку от головы. Эти компоненты ограничивают пользователей, которые, например, не могут плавать, заниматься спортом или спать с внешним блоком, и могут заставить других вообще отказаться от имплантата.

Создание полностью внутреннего кохлеарного имплантата

На пути к созданию полностью внутреннего кохлеарного имплантата многопрофильная группа исследователей из Массачусетского технологического института, Массачусетского института глаз и ушей, Гарвардской медицинской школы и Колумбийского университета создала имплантируемый микрофон, который работает не хуже коммерческих внешних микрофонов для слуховых аппаратов. Микрофон остается одним из крупнейших препятствий на пути внедрения полностью встроенного кохлеарного имплантата.

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 и минимизирует шум электроники.

Хотя необходимо преодолеть множество проблем, прежде чем такой микрофон можно будет использовать с кохлеарным имплантатом, совместная группа надеется на дальнейшую доработку и тестирование этого прототипа, который основывается на работе, начатой ​​в Массачусетском технологическом институте и Mass Eye and Ear более десяти лет. назад.

Все начинается с врачей-отоларингологов, которые занимаются этим каждый день недели, пытаясь улучшить слух людей, распознавая их потребности и донося эту потребность до нас. Если бы не это командное сотрудничество, мы бы не были там, где мы находимся сегодня», — говорит Джеффри Ланг, профессор электротехники Витесса, член Исследовательской лаборатории электроники (RLE) и один из старших авторов книги. бумага на микрофоне.

В число соавторов Ланга входят соавторы Эмма Вавжинек, аспирантка в области электротехники и информатики (EECS), и Аарон Йейзер С.М. '21; а также аспирант машиностроения Джон Чжан; Лукас Граф и Кристофер МакХью из Mass Eye and Ear; Иоаннис Кимиссис, профессор электротехники Кеннета Брайера в Колумбии; Элизабет С. Олсон, профессор биомедицинской инженерии и слуховой биофизики в Колумбийском университете; и состарший автор Хидеко Хейди Накадзима, доцент кафедры отоларингологии-хирургии головы и шеи в Гарвардской медицинской школе и клинике Mass Eye and Ear. Исследование опубликовано сегодня в Журнале микромеханики и микроинженерии.

Преодоление тупиковой ситуации с имплантацией

Микрофоны кохлеарного имплантата обычно размещаются сбоку от головы, что означает, что пользователи не могут воспользоваться преимуществами фильтрации шума и сигналами локализации звука, обеспечиваемыми структурой наружного уха.

Полностью имплантируемые микрофоны имеют множество преимуществ. Однако большинству разрабатываемых в настоящее время устройств, которые распознают звук под кожей или движение костей среднего уха, не удается уловить тихие звуки и широкие частоты.

Для создания нового микрофона команда нацелилась на часть среднего уха, называемую макушкой.
Пупок вибрирует в одном направлении (внутрь и наружу), что облегчает восприятие этих простых движений.

Хотя макушка имеет самый большой диапазон движений среди костей среднего уха, она перемещается всего на несколько нанометров. Разработка устройства для измерения таких крошечных вибраций сопряжена с определенными трудностями.

Кроме того, любой имплантируемый датчик должен быть биосовместимым и способным противостоять влажной, динамичной среде тела, не причиняя вреда, что ограничивает материалы, которые можно использовать.

«Наша цель состоит в том, чтобы хирург имплантировал это устройство одновременно с кохлеарным имплантатом и внутренним процессором, что означает оптимизацию операции, воздействуя на внутренние структуры уха, не нарушая какие-либо процессы, которые там происходят. », — говорит Вавжинек.

Благодаря тщательному проектированию команда преодолела эти проблемы.

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 (PCB), образуя микрофон размером примерно с рисовое зернышко и толщиной 200 микрометров. (Толщина среднего человеческого волоса составляет около 100 микрометров.)

Узкий кончик UmboMic будет располагаться напротив умбо. Когда умбо вибрирует и прижимается к пьезоэлектрическому материалу, слои ПВДФ изгибаются и генерируют электрические заряды, которые измеряются электродами в слое печатной платы.

Повышение производительности

Команда использовала конструкцию «сэндвич из ПВДФ» для снижения шума. Когда датчик изогнут, один слой ПВДФ создает положительный заряд, а другой — отрицательный. Электрические помехи в равной степени усиливают оба заряда, поэтому разница между зарядами компенсирует шум.

Использование ПВДФ дает множество преимуществ, но из-за этого материала изготовление особенно затруднено. ПВДФ теряет свои пьезоэлектрические свойства при воздействии температур выше 80 градусов по Цельсию, однако для испарения и нанесения на датчик титана, другого биосовместимого материала, необходимы очень высокие температуры. Вавжинек решил эту проблему, постепенно нанося титан и используя радиатор для охлаждения ПВДФ.

Но разработать датчик — это только полдела: вибрации макушки настолько малы, что команде пришлось усиливать сигнал, не создавая слишком много шума. Когда они не смогли найти подходящий малошумящий усилитель, который к тому же потреблял очень мало энергии, они создали свой собственный.

Установив оба прототипа, исследователи протестировали UmboMic на костях человеческих ушей, взятых из трупов, и обнаружили, что он демонстрирует надежные характеристики в диапазоне интенсивности и частоты человеческой речи. Микрофон и усилитель вместе также имеют низкий уровень шума, что означает, что они могут отличать очень тихие звуки от общего уровня шума.

"Одна вещь, которую мы увидели, была действительно интересной: на частотную характеристику датчика влияет анатомия уха, на котором мы экспериментируем, потому что у разных людей ушная раковина 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 герметизации датчика, чтобы он мог безопасно оставаться в организме до 10 лет, но при этом оставаться достаточно гибким, чтобы улавливать вибрации. Имплантаты часто изготавливаются из титана, который слишком жесткий для UmboMic. Они также планируют изучить методы установки UmboMic, не вызывающие вибраций.

Результаты, представленные в этой статье, показывают необходимый широкополосный отклик и низкий уровень шума, необходимые для работы в качестве акустического датчика. Этот результат удивителен, поскольку полоса пропускания и минимальный уровень шума не уступают коммерческим микрофонам для слуховых аппаратов. Этот результат демонстрирует перспективность подхода, который должен вдохновить других принять эту концепцию. Я ожидаю, что для устройств следующего поколения потребуются чувствительные элементы меньшего размера и электроника с меньшим энергопотреблением, чтобы упростить имплантацию и сократить срок службы батареи», — говорит Карл Грош, профессор машиностроения Мичиганского университета, который не участвовал в разработке. эта работа.

Рекомендуемое изображение: На фото показаны две стороны прототипа имплантируемого микрофона. Фото: предоставлено исследователями; iStock

Анонсы наших новых статей в Телеграме

Read More

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Антиспам *Капча загружается...