Cochlea-Implantate, kleine elektronische Geräte, die Menschen, die taub sind oder Hörschäden haben, ein Gefühl für Geräusche vermitteln können, haben das Hören von mehr als einer Million Menschen weltweit verbessert, so das National Institute of Health.

Aktuelle Cochlea-Implantate sind jedoch nur teilweise implantiert und verlassen sich auf externe Hardware, die typischerweise an der Seite des Kopfes sitzt. Diese Komponenten schränken die Benutzer ein, die beispielsweise nicht schwimmen, trainieren oder schlafen können, während sie die externe Einheit tragen, was dazu führt, dass einige Menschen die Implantate aufgeben.

Auf dem Weg zur Schaffung eines vollständig internen Cochlea-Implantats hat ein multidisziplinäres Forscherteam von MIT, Massachusetts Eye and Ear, Harvard Medical School und Columbia University ein implantierbares Mikrofon entwickelt, das ebenso gut funktioniert wie kommerzielle externe Mikrofone für Hörgeräte. Das Mikrofon bleibt eine der größten Hürden für die Einführung eines vollständig internen Cochlea-Implantats.

Dieses kleine Mikrofon, ein Sensor aus biokompatiblem piezoelektrischen Material, misst winzige Bewegungen auf der Unterseite des Trommelfells. Piezoelektrische Materialien erzeugen eine elektrische Ladung, wenn sie komprimiert oder gedehnt werden. Um die Leistung des Geräts zu maximieren, hat das Team auch einen rauscharmen Verstärker entwickelt, der das Signal verstärkt und gleichzeitig das elektronische Rauschen minimiert.

Obwohl noch viele Herausforderungen zu überwinden sind, bevor ein solches Mikrofon mit einem Cochlea-Implantat verwendet werden kann, freut sich das kollaborative Team darauf, diesen Prototyp weiter zu verfeinern und zu testen, der auf Arbeiten basiert, die vor über einem Jahrzehnt am MIT und Mass Eye and Ear begonnen wurden.

Probleme mit Implantaten lösen
Die Mikrofone für Cochlea-Implantate werden normalerweise an der Seite des Kopfes platziert, was bedeutet, dass die Benutzer die Geräuschfilterung und die Klangorientierung, die durch die Struktur des Außenohrs bereitgestellt werden, nicht nutzen können.

Vollständig implantierbare Mikrofone bieten viele Vorteile. Aber die meisten Geräte, die derzeit entwickelt werden und die Geräusche unter der Haut oder Bewegungen der Mittelohrknochen erfassen, schaffen es kaum, leise Geräusche und breite Frequenzen aufzunehmen.

Für das neue Mikrofon zielte das Team auf einen Teil des Mittelohrs, der als Umbo bezeichnet wird. Der Umbo vibriert in eine Richtung (nach innen und außen), was es erleichtert, diese einfachen Bewegungen zu erkennen.

Obwohl der Umbo den größten Bewegungsbereich unter den Mittelohrknochen hat, bewegt er sich nur um einige Nanometer. Die Entwicklung eines Geräts, das solche winzigen Vibrationen messen kann, stellt eigene Herausforderungen dar.

Darüber hinaus muss jeder implantierbare Sensor biokompatibel sein und in der Lage sein, die feuchte, dynamische Umgebung des Körpers zu überstehen, ohne Schaden zu verursachen, was die verwendbaren Materialien einschränkt.

Maximierung der Leistung
Durch sorgfältige Ingenieurskunst hat das Team diese Herausforderungen gemeistert. Sie haben UmboMic geschaffen, einen dreieckigen, 3 Millimeter mal 3 Millimeter großen Bewegungssensor, der aus zwei Schichten biokompatiblen piezoelektrischen Materials namens Polyvinylidenfluorid (PVDF) besteht. Diese PVDF-Schichten sind auf beiden Seiten einer flexiblen Leiterplatte (PCB) platziert, wodurch ein reiskorngroßes Mikrofon mit einer Dicke von 200 Mikrometern entsteht. (Ein menschliches Haar hat eine Dicke von etwa 100 Mikrometern.)

Die schmale Spitze des UmboMic würde gegen den Umbo positioniert. Wenn der Umbo vibriert und auf das piezoelektrische Material drückt, biegen sich die PVDF-Schichten und erzeugen elektrische Ladungen, die von Elektroden in der PCB-Schicht gemessen werden.

Das Team verwendete ein "PVDF-Sandwich"-Design, um das Rauschen zu reduzieren. Wenn sich der Sensor biegt, erzeugt eine PVDF-Schicht eine positive Ladung und die andere eine negative Ladung. Elektrische Störungen addieren sich gleichmäßig zu beiden Schichten, sodass die Differenz zwischen den Ladungen das Rauschen aufhebt.

Die Verwendung von PVDF bietet viele Vorteile, aber das Material machte die Herstellung besonders schwierig. PVDF verliert seine piezoelektrischen Eigenschaften, wenn es Temperaturen über etwa 80 Grad Celsius ausgesetzt wird, doch sehr hohe Temperaturen sind erforderlich, um Titan, ein weiteres biokompatibles Material, auf den Sensor zu verdampfen und abzusetzen. Wawrzynek löste dieses Problem durch schrittweises Absetzen des Titans und die Verwendung eines Kühlers zur Kühlung des PVDF.

Die Entwicklung des Sensors war jedoch nur die halbe Miete – die Vibrationen des Umbo sind so winzig, dass das Team das Signal verstärken musste, ohne zu viel Rauschen einzuführen. Als sie keinen geeigneten rauscharmen Verstärker finden konnten, der auch sehr wenig Strom verbraucht, bauten sie ihren eigenen.

Mit beiden Prototypen an Ort und Stelle testeten die Forscher UmboMic an menschlichen Ohrknochen aus Leichen und stellten fest, dass es eine robuste Leistung innerhalb des Intensitäts- und Frequenzbereichs der menschlichen Sprache aufweist. Das Mikrofon und der Verstärker zusammen haben auch niedrige Rauschpegel, was bedeutet, dass sie sehr leise Geräusche von der Gesamtlautstärke unterscheiden können.

Eine interessante Beobachtung war, dass die Frequenzantwort des Sensors von der Ohranatomie beeinflusst wird, an der sie experimentieren, da sich der Umbo bei verschiedenen Menschen leicht unterschiedlich bewegt.

Die Forscher bereiten sich darauf vor, Studien an lebenden Tieren zu starten, um diesen Befund weiter zu untersuchen. Diese Experimente werden ihnen auch helfen, festzustellen, wie UmboMic auf die Implantation reagiert.

Darüber hinaus erforschen sie Möglichkeiten, den Sensor zu kapseln, damit er bis zu 10 Jahre sicher im Körper bleiben kann und dennoch flexibel genug ist, um Vibrationen zu erfassen. Implantate werden oft in Titan verpackt, das für UmboMic zu starr wäre. Sie planen auch, Montageverfahren für UmboMic zu untersuchen, die keine Vibrationen einführen.

Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen die notwendige Breitbandantwort und den niedrigen Geräuschpegel, die für den Betrieb als akustischer Sensor erforderlich sind. Diese Ergebnisse sind überraschend, da die Bandbreite und der Geräuschpegel so wettbewerbsfähig mit kommerziellen Mikrofonen für Hörgeräte sind. Diese Leistung zeigt das Potenzial des Ansatzes, das andere ermutigen sollte, dieses Konzept zu übernehmen. Ich erwarte, dass kleinere Sensorelemente und energieeffizientere Elektronik für die nächsten Generationen von Geräten erforderlich sein werden, um die Implantationsfreundlichkeit und die Batterielebensdauer zu verbessern.

Diese Forschung wird teilweise vom National Institute of Health, der National Science Foundation, der Cloetta Foundation in Zürich, Schweiz, und dem Forschungsfonds der Universität Basel, Schweiz, finanziert.

Quelle: Massachusetts Institute of Technology