Pasak Nacionalinio sveikatos instituto, kochleariniai implantai, maži elektroniniai prietaisai, galintys suteikti garso pojūtį kurtiesiems ar neprigirdintiems žmonėms, padėjo pagerinti klausą daugiau nei milijonui žmonių visame pasaulyje.
Tačiau kochleariniai implantai šiandien implantuojami tik iš dalies ir priklauso nuo išorinės aparatūros, kuri paprastai sėdi galvos šone. Šie komponentai riboja naudotojus, kurie, pavyzdžiui, negali plaukti, mankštintis ar miegoti dėvėdami išorinį įrenginį, ir dėl jų kiti gali visiškai atsisakyti implanto.
Siekdama sukurti visiškai vidinį kochlearinį implantą, MIT, Masačusetso akių ir ausų, Harvardo medicinos mokyklos ir Kolumbijos universiteto daugiadisciplinė mokslininkų komanda sukūrė implantuojamą mikrofoną, kuris veikia taip pat kaip ir komerciniai išoriniai klausos aparatų mikrofonai. Mikrofonas išlieka viena didžiausių kliūčių, trukdančių priimti visiškai internalizuotą kochlearinį implantą.
Šis mažas mikrofonas, jutiklis, pagamintas iš biologiškai suderinamos pjezoelektrinės medžiagos, matuoja nedidelius judesius apatinėje ausies būgnelio pusėje. Pjezoelektrinės medžiagos sukuria elektros krūvį, kai suspaudžiamos arba ištemptos. Siekdama maksimaliai padidinti įrenginio veikimą, komanda taip pat sukūrė žemo triukšmo stiprintuvą, kuris sustiprina signalą ir sumažina elektronikos keliamą triukšmą.
Nors prieš naudojant tokį mikrofoną su kochleariniu implantu, reikia įveikti daugybę iššūkių, bendradarbiaujanti komanda tikisi toliau tobulinti ir išbandyti šį prototipą, kuris remiasi MIT ir Mass Eye and Ear daugiau nei prieš dešimtmetį pradėtu darbu.
„Prasideda nuo ausų gydytojų, kurie dirba kiekvieną savaitės dieną, stengiasi pagerinti žmonių klausą, atpažįsta poreikį ir pateikia mums tą poreikį.
„Jei ne šis komandos bendradarbiavimas, nebūtume ten, kur esame šiandien“, – sako Jeffrey Langas, Vitesse elektrotechnikos profesorius, Elektronikos tyrimų laboratorijos (RLE) narys ir vienas iš vyresnysis autorių. paskelbto dokumento apie mikrofoną Mikromechanikos ir mikroinžinerijos žurnalas.
Tarp Lango bendraautorių yra bendraautorių Emma Wawrzynek, elektros inžinerijos ir kompiuterių mokslų (EECS) magistrantūros studentė, ir Aaronas Yeiseris SM '21; taip pat mechanikos inžinerijos absolventas Johnas Zhangas.
Kiti bendraautoriai yra Lukas Grafas ir Christopheris McHughas iš Mass Eye and Ear; Ioannis Kymissis, Kenneth Brayer elektros inžinerijos profesorius Kolumbijoje; Elizabeth S. Olson, Kolumbijos biomedicinos inžinerijos ir klausos biofizikos profesorė; ir viena iš vyresniųjų autorių Hideko Heidi Nakajima, Harvardo medicinos mokyklos ir Mass Eye and Ear otolaringologijos galvos ir kaklo chirurgijos docentė.
Implantų aklavietės įveikimas
Kochleariniai implantų mikrofonai dažniausiai dedami ant galvos šono, o tai reiškia, kad vartotojai negali pasinaudoti išorinės ausies struktūros teikiamais triukšmo filtravimo ir garso lokalizavimo ženklais.
Visiškai implantuojami mikrofonai turi daug privalumų. Tačiau dauguma šiuo metu kuriamų įrenginių, kurie jaučia garsą po oda arba vidurinės ausies kaulų judesius, gali sunkiai užfiksuoti švelnius garsus ir plačius dažnius.
Naujajam mikrofonui komanda nusitaikė į vidurinės ausies dalį, vadinamą umbo. Umbo vibruoja viena kryptimi (į vidų ir į išorę), todėl lengviau pajausti šiuos paprastus judesius.
Nors umbo turi didžiausią vidurinės ausies kaulų judėjimo diapazoną, jis juda tik keliais nanometrais. Tokių mažų vibracijų matavimo prietaiso kūrimas kelia savo iššūkių.
Be to, bet koks implantuojamas jutiklis turi būti biologiškai suderinamas ir atlaikyti drėgną, dinamišką kūno aplinką nepadarydamas žalos, o tai riboja medžiagų, kurias galima naudoti.
„Mūsų tikslas yra, kad chirurgas šį įrenginį implantuotų tuo pačiu metu kaip kochlearinį implantą ir internalizuotą procesorių, o tai reiškia, kad operacija optimizuojama dirbant aplink vidines ausies struktūras, netrikdant jokių joje vykstančių procesų“, – sakė Wawrzynek. sako.
Kruopščia inžinerija komanda įveikė šiuos iššūkius.
Jie sukūrė „UmboMic“ – trikampį, 3–3 milimetrų judesio jutiklį, sudarytą iš dviejų biologiškai suderinamos pjezoelektrinės medžiagos, vadinamos polivinilideno difluoridu (PVDF), sluoksnių. Šie PVDF sluoksniai yra įterpti abiejose lanksčios spausdintinės plokštės (PCB) pusėse ir sudaro mikrofoną, kuris yra maždaug ryžio grūdo dydžio ir 200 mikrometrų storio. (Vidutinis žmogaus plaukų storis yra apie 100 mikrometrų.)
Siauras „UmboMic“ galiukas būtų prigludęs prie „umbo“. Kai umbo vibruoja ir stumiasi prie pjezoelektrinės medžiagos, PVDF sluoksniai sulinksta ir generuoja elektros krūvius, kurie matuojami PCB sluoksnyje esančiais elektrodais.
Stiprinantis našumą
Triukšmui sumažinti komanda naudojo „PVDF sumuštinio“ dizainą. Kai jutiklis yra sulenktas, vienas PVDF sluoksnis sukuria teigiamą krūvį, o kitas – neigiamą. Elektros trukdžiai abiems lygiai prideda, todėl įkrovų skirtumo įvertinimas panaikina triukšmą.
PVDF naudojimas suteikia daug privalumų, tačiau dėl medžiagos pagaminti ypač sunku. PVDF praranda savo pjezoelektrines savybes, kai yra veikiamas aukštesnėje nei 80 °C temperatūroje, tačiau reikia labai aukštų temperatūrų, kad titanas, kita biologiškai suderinama medžiaga, išgaruotų ir nusodintų ant jutiklio. Wawrzynekas išsprendė šią problemą palaipsniui nusodindamas titaną ir naudodamas aušintuvą PVDF aušinimui.
Tačiau jutiklio kūrimas buvo tik pusė darbo – umbo vibracijos yra tokios mažos, kad komandai reikėjo sustiprinti signalą nesukeliant per daug triukšmo. Kai jie negalėjo rasti tinkamo žemo triukšmo stiprintuvo, kuris taip pat naudojo labai mažai energijos, jie sukūrė savo.
Turėdami abu prototipus, mokslininkai išbandė „UmboMic“ žmogaus ausies kauluose iš lavonų ir nustatė, kad jis puikiai veikia žmogaus kalbos intensyvumo ir dažnio diapazone. Kartu mikrofonas ir stiprintuvas turi žemą triukšmo lygį, o tai reiškia, kad jie gali atskirti labai tylius garsus nuo bendro triukšmo lygio.
„Vienas dalykas, kurį matėme tikrai įdomų, yra tai, kad jutiklio dažnio atsaką įtakoja ausies, su kuria mes eksperimentuojame, anatomija, nes skirtingų žmonių ausyse ausys juda šiek tiek skirtingai“, – sako Wawrzynekas.
Tyrėjai ruošiasi pradėti tyrimus su gyvais gyvūnais, kad toliau tirtų šią išvadą. Šie eksperimentai taip pat padės jiems nustatyti, kaip UmboMic reaguoja į implantaciją.
Be to, jie tiria būdus, kaip uždengti jutiklį, kad jis galėtų saugiai likti kūne iki 10 metų, bet vis tiek būtų pakankamai lankstus, kad užfiksuotų vibracijas. Implantai dažnai supakuoti į titaną, kuris būtų per standus UmboMic. Jie taip pat planuoja ištirti UmboMic montavimo būdus, kurie nesukeltų vibracijos.
„Šio dokumento rezultatai rodo būtiną plačiajuosčio ryšio reakciją ir mažą triukšmą, reikalingą, kad veiktų kaip akustinis jutiklis. Šis rezultatas stebina, nes pralaidumas ir triukšmo lygis labai konkuruoja su komerciniu klausos aparato mikrofonu. Šis našumas rodo pažadą požiūrio, kuris turėtų įkvėpti kitus priimti šią koncepciją.
„Tikiuosi, kad naujos kartos įrenginiams prireiks mažesnio dydžio jutimo elementų ir mažesnės galios elektronikos, kad būtų lengviau implantuoti ir pagerinti baterijos naudojimo trukmę“, – sako Karlas Groshas, Mičigano universiteto mechanikos inžinerijos profesorius, nedalyvavęs Šis darbas.