Cochlear implantati, mali elektronički uređaji koji mogu omogućiti osjećaj zvuka osobama koje su gluhe ili imaju oštećen sluh, poboljšali su sluh za više od milijun ljudi diljem svijeta, prema podacima Nacionalnog instituta za zdravlje.

Međutim, trenutni cochlear implantati su samo djelomično implantirani i oslanjaju se na vanjski hardver koji obično sjedi sa strane glave. Ove komponente ograničavaju korisnike, koji ne mogu, na primjer, plivati, vježbati ili spavati dok nose vanjsku jedinicu, te zbog toga neki ljudi odustaju od implantata.

Na putu prema stvaranju potpuno unutarnjeg cochlear implantata, multidisciplinarni tim istraživača sa MIT-a, Massachusetts Eye and Ear, Harvard Medical School i Columbia University razvio je implantabilni mikrofon koji radi jednako dobro kao komercijalni vanjski mikrofoni za slušna pomagala. Mikrofon ostaje jedna od najvećih prepreka za usvajanje potpuno unutarnjeg cochlear implantata.

Ovaj mali mikrofon, senzor proizveden od biokompatibilnog piezoelektričnog materijala, mjeri minijaturne pokrete na donjoj strani bubnjića. Piezoelektrični materijali generiraju električni naboj kada se komprimiraju ili rastegnu. Kako bi maksimizirali performanse uređaja, tim je također razvio pojačalo s niskom razinom šuma koje pojačava signal dok minimizira šum elektronike.

Iako se još uvijek mora prevladati mnogo izazova prije nego što se takav mikrofon može koristiti s cochlear implantatom, suradnički tim se raduje daljnjem usavršavanju i testiranju ovog prototipa, koji se temelji na radu započetom na MIT-u i Mass Eye and Ear prije više od desetljeća.

Rješavanje problema implantata
Mikrofoni za cochlear implantate obično se postavljaju sa strane glave, što znači da korisnici ne mogu iskoristiti filtriranje šuma i orijentaciju zvuka koju pruža struktura vanjskog uha.

Potpuno implantabilni mikrofoni nude mnoge prednosti. No, većina uređaja koji su trenutno u razvoju, a koji detektiraju zvuk ispod kože ili pokrete kostiju srednjeg uha, teško uspijevaju uhvatiti tihe zvukove i široke frekvencije.

Za novi mikrofon, tim je ciljao dio srednjeg uha koji se zove umbo. Umbo vibrira u jednom smjeru (unutra i van), što olakšava osjetiti te jednostavne pokrete.

Iako umbo ima najveći raspon pokreta među kostima srednjeg uha, pomiče se samo za nekoliko nanometara. Razvijanje uređaja koji može mjeriti tako malene vibracije predstavlja svoje vlastite izazove.

Uz to, svaki implantabilni senzor mora biti biokompatibilan i sposoban izdržati vlažno, dinamično okruženje tijela bez uzrokovanja štete, što ograničava materijale koji se mogu koristiti.

Maksimiziranje performansi
S pažljivim inženjeringom, tim je prevladao te izazove. Stvorili su UmboMic, trokutasti, 3-milimetarski po 3-milimetarski senzor pokreta sastavljen od dva sloja biokompatibilnog piezoelektričnog materijala nazvanog poliviniliden difluorid (PVDF). Ti PVDF slojevi su smješteni s obje strane fleksibilne tiskane pločice (PCB), tvoreći mikrofon veličine zrna riže debljine 200 mikrometara. (Prosječna ljudska dlaka je debljine oko 100 mikrometara.)

Uzak vrh UmboMic-a bio bi postavljen uz umbo. Kada umbo vibrira i pritisne piezoelektrični materijal, PVDF slojevi se savijaju i stvaraju električne naboje, koje mjere elektrode u PCB sloju.

Tim je koristio dizajn “PVDF sendviča” kako bi smanjio šum. Kada se senzor savije, jedan sloj PVDF-a proizvodi pozitivan naboj, a drugi negativan. Električne smetnje dodaju se jednako na oba sloja, pa uzimanje razlike između naboja poništava šum.

Korištenje PVDF-a pruža mnoge prednosti, ali materijal je učinio proizvodnju posebno teškom. PVDF gubi svoje piezoelektrične osobine kada je izložen temperaturama iznad oko 80 stupnjeva Celzija, no vrlo visoke temperature su potrebne za isparavanje i taloženje titana, drugog biokompatibilnog materijala, na senzor. Wawrzynek je riješila ovaj problem postupnim taloženjem titana i korištenjem hladnjaka za hlađenje PVDF-a.

No, razvijanje senzora je bilo samo pola bitke — vibracije umba su toliko malene da je tim morao pojačati signal bez uvođenja previše šuma. Kada nisu mogli pronaći odgovarajuće pojačalo s niskom razinom šuma koje također koristi vrlo malo energije, izradili su svoje.

S oba prototipa na mjestu, istraživači su testirali UmboMic na kostima ljudskog uha iz kadavera i otkrili da ima robusne performanse unutar intenziteta i frekvencijskog raspona ljudskog govora. Mikrofon i pojačalo zajedno također imaju nisku razinu šuma, što znači da mogu razlikovati vrlo tihe zvukove od ukupne razine šuma.

Jedna zanimljiva stvar koju su primijetili je da na frekvencijski odziv senzora utječe anatomija uha na kojem eksperimentiraju, jer se umbo kreće malo drugačije u različitim ljudima.

Istraživači se pripremaju za pokretanje studija na živim životinjama kako bi dodatno istražili ovaj nalaz. Ovi eksperimenti također će im pomoći odrediti kako UmboMic reagira na implantaciju.

Osim toga, proučavaju načine za inkapsulaciju senzora kako bi mogao ostati u tijelu sigurno do 10 godina, ali i dalje biti dovoljno fleksibilan za hvatanje vibracija. Implantati se često pakiraju u titan, koji bi bio previše krut za UmboMic. Također planiraju istražiti metode za montažu UmboMic-a koje neće uvoditi vibracije.

Rezultati ovog rada pokazuju potrebni širokopojasni odziv i nisku razinu šuma potrebnu za rad kao akustični senzor. Ovi rezultati su iznenađujući jer su širina pojasa i razina šuma tako konkurentni s komercijalnim mikrofonom za slušna pomagala. Ova izvedba pokazuje obećanje pristupa, koje bi trebalo potaknuti druge da usvoje ovaj koncept. Očekujem da će manji senzorski elementi i elektronika s nižom potrošnjom energije biti potrebni za sljedeće generacije uređaja kako bi se poboljšala jednostavnost implantacije i trajanje baterije.

Ovo istraživanje je djelomično financirano od strane Nacionalnog instituta za zdravlje, Nacionalne zaklade za znanost, Zaklade Cloetta u Zurichu, Švicarska, i Istraživačkog fonda Sveučilišta u Baselu, Švicarska.

Izvor: Massachusetts Institute of Technology