Implanty ślimakowe, małe urządzenia elektroniczne, które mogą zapewnić osobom niesłyszącym lub niedosłyszącym wrażenie dźwięku, poprawiły słuch ponad miliona ludzi na całym świecie, według danych Narodowego Instytutu Zdrowia.

Jednakże obecne implanty ślimakowe są tylko częściowo wszczepiane i polegają na zewnętrznym sprzęcie, który zazwyczaj znajduje się po bokach głowy. Te komponenty ograniczają użytkowników, którzy nie mogą na przykład pływać, ćwiczyć lub spać, nosząc zewnętrzną jednostkę, co powoduje, że niektórzy ludzie rezygnują z implantów.

W drodze do stworzenia w pełni wewnętrznego implantu ślimakowego, multidyscyplinarny zespół badaczy z MIT, Massachusetts Eye and Ear, Harvard Medical School i Columbia University opracował wszczepialny mikrofon, który działa równie dobrze, jak komercyjne zewnętrzne mikrofony do aparatów słuchowych. Mikrofon pozostaje jednym z największych przeszkód w przyjęciu w pełni wewnętrznego implantu ślimakowego.

Ten mały mikrofon, czujnik wykonany z biokompatybilnego materiału piezoelektrycznego, mierzy miniaturowe ruchy na dolnej stronie błony bębenkowej. Materiały piezoelektryczne generują ładunek elektryczny, gdy są kompresowane lub rozciągane. Aby maksymalizować wydajność urządzenia, zespół opracował również wzmacniacz o niskim poziomie szumów, który wzmacnia sygnał przy jednoczesnym minimalizowaniu szumów elektroniki.

Chociaż wciąż pozostaje wiele wyzwań do pokonania, zanim taki mikrofon będzie można użyć z implantem ślimakowym, zespół badawczy z niecierpliwością oczekuje dalszego udoskonalania i testowania tego prototypu, który opiera się na pracach rozpoczętych na MIT i Mass Eye and Ear ponad dekadę temu.

Rozwiązywanie problemów z implantami
Mikrofony do implantów ślimakowych są zazwyczaj umieszczane po bokach głowy, co oznacza, że użytkownicy nie mogą korzystać z filtrowania szumów i orientacji dźwięku zapewnianej przez strukturę ucha zewnętrznego.

W pełni wszczepialne mikrofony oferują wiele zalet. Jednak większość urządzeń, które są obecnie rozwijane, a które wykrywają dźwięk pod skórą lub ruchy kości środkowego ucha, ma trudności z uchwyceniem cichych dźwięków i szerokich częstotliwości.

Do nowego mikrofonu zespół celował w część środkowego ucha nazywaną umbo. Umbo wibruje w jednym kierunku (do wewnątrz i na zewnątrz), co ułatwia wykrywanie tych prostych ruchów.

Chociaż umbo ma największy zakres ruchu wśród kości środkowego ucha, porusza się tylko o kilka nanometrów. Opracowanie urządzenia, które może mierzyć tak małe wibracje, stanowi własne wyzwania.

Dodatkowo każdy wszczepialny czujnik musi być biokompatybilny i zdolny do wytrzymania wilgotnego, dynamicznego środowiska ciała bez powodowania szkód, co ogranicza materiały, które można używać.

Maksymalizacja wydajności
Dzięki starannej inżynierii zespół pokonał te wyzwania. Stworzyli UmboMic, trójkątny, 3-milimetrowy na 3-milimetrowy czujnik ruchu składający się z dwóch warstw biokompatybilnego materiału piezoelektrycznego nazwanego polifluorkiem winylidenu (PVDF). Te warstwy PVDF są umieszczone po obu stronach elastycznej płytki drukowanej (PCB), tworząc mikrofon wielkości ziarna ryżu o grubości 200 mikrometrów. (Średnia grubość ludzkiego włosa to około 100 mikrometrów.)

Wąska końcówka UmboMic byłaby umieszczona przy umbo. Gdy umbo wibruje i naciska na materiał piezoelektryczny, warstwy PVDF zginają się i tworzą ładunki elektryczne, które mierzą elektrody w warstwie PCB.

Zespół użył konstrukcji "kanapki PVDF" w celu zredukowania szumów. Gdy czujnik się zgina, jedna warstwa PVDF produkuje ładunek dodatni, a druga ujemny. Zakłócenia elektryczne dodają się równomiernie do obu warstw, więc różnica między ładunkami niweluje szumy.

Użycie PVDF oferuje wiele zalet, ale materiał sprawił, że produkcja była szczególnie trudna. PVDF traci swoje właściwości piezoelektryczne, gdy jest narażony na temperatury powyżej około 80 stopni Celsjusza, ale bardzo wysokie temperatury są potrzebne do odparowania i osadzenia tytanu, innego biokompatybilnego materiału, na czujniku. Wawrzynek rozwiązała ten problem, stopniowo osadzając tytan i używając chłodnicy do chłodzenia PVDF.

Jednak opracowanie czujnika było tylko połową sukcesu — wibracje umbo są tak małe, że zespół musiał wzmocnić sygnał bez wprowadzania zbyt dużego szumu. Kiedy nie mogli znaleźć odpowiedniego wzmacniacza o niskim poziomie szumów, który również zużywałby bardzo mało energii, zbudowali własny.

Z oboma prototypami na miejscu, badacze przetestowali UmboMic na ludzkich kościach ucha z kadawerów i stwierdzili, że ma on solidną wydajność w zakresie intensywności i częstotliwości ludzkiej mowy. Mikrofon i wzmacniacz razem mają również niski poziom szumów, co oznacza, że mogą rozróżnić bardzo ciche dźwięki od ogólnego poziomu szumów.

Jedną interesującą rzeczą, którą zauważyli, było to, że na odpowiedź częstotliwościową czujnika wpływa anatomia ucha, na którym eksperymentują, ponieważ umbo porusza się nieco inaczej u różnych ludzi.

Badacze przygotowują się do rozpoczęcia badań na żywych zwierzętach, aby dalej zbadać to odkrycie. Te eksperymenty pomogą im również określić, jak UmboMic reaguje na implantację.

Dodatkowo badają sposoby enkapsulacji czujnika, aby mógł bezpiecznie pozostać w ciele przez okres do 10 lat, a jednocześnie był wystarczająco elastyczny, aby uchwycić wibracje. Implanty są często pakowane w tytan, który byłby zbyt sztywny dla UmboMic. Planują również zbadać metody montażu UmboMic, które nie wprowadzają wibracji.

Wyniki tej pracy pokazują potrzebną szerokopasmową odpowiedź i niski poziom szumów wymagany do działania jako czujnik akustyczny. Te wyniki są zaskakujące, ponieważ szerokość pasma i poziom szumów są tak konkurencyjne w porównaniu z komercyjnymi mikrofonami do aparatów słuchowych. Ta wydajność pokazuje obietnicę podejścia, które powinno zachęcić innych do przyjęcia tej koncepcji. Oczekuję, że dla następnych generacji urządzeń będą potrzebne mniejsze elementy czujników i elektronika o niższym zużyciu energii, aby poprawić łatwość implantacji i żywotność baterii.

To badanie jest częściowo finansowane przez Narodowy Instytut Zdrowia, Narodową Fundację Nauki, Fundację Cloetta w Zurychu, Szwajcaria, oraz Fundusz Badawczy Uniwersytetu w Bazylei, Szwajcaria.

Źródło: Massachusetts Institute of Technology