Biologiškai suderinamas mikrofonas geresniam kochleariniam implantui

Kochleariniai implantai– standartinių klausos aparatų nervinių protezų pusbroliai – gali būti didžiulė dovana žmonėms, turintiems didelį klausos praradimą. Tačiau daugelį būsimų vartotojų išjungia sudėtinga įrenginio išorinė aparatinė įranga, kurią reikia dėvėti, kad būtų galima apdoroti signalus, einančius per implantą. Taigi mokslininkai stengėsi sukurti kochlearinį implantą, kuris būtų visiškai ausies viduje, kad būtų atkurtas kalbos ir garso suvokimas be gyvenimo būdo apribojimų, kuriuos nustato dabartiniai prietaisai.

Naujas biologiškai suderinamas mikrofonas yra tiltas prie tokių visiškai vidinių kochlearinių implantų. Maždaug ryžio grūdo dydžio mikrofonas pagamintas iš lanksčios pjezoelektrinės medžiagos, kuri tiesiogiai matuoja garso sukeltą ausies būgnelio judesį. Mažo mikrofono jautrumas atitinka šiuolaikinio mikrofono jautrumą išoriniai klausos aparatai.

Kochleariniai implantai sukuria naują kelią garsams pasiekti smegenis. Išorinis mikrofonas ir procesorius, nešiojami už ausies arba ant galvos odos, renka ir paverčia įeinančius garsus į elektrinius signalus, kurie perduodami į elektrodą, kuris chirurginiu būdu implantuojamas į sraigę, giliai vidinėje ausyje. Ten elektriniai signalai tiesiogiai stimuliuoja klausos nervą, siunčia informaciją į smegenis, kad ji būtų interpretuojama kaip garsas.

Bet, sako Hideko Heidi Nakajimaotolaringologijos docentas Harvardo medicinos mokykla ir Masačusetso akis ir ausis, „žmonėms nepatinka išorinė aparatinė įranga“. Jie negali jo nešioti miegodami, plaukdami ar mankštindamiesi, todėl daugelis potencialių kandidatų šio prietaiso visiškai atsisako. Be to, įeinantis garsas patenka tiesiai į mikrofoną ir aplenkia išorinę ausį, kuri kitu atveju atliktų pagrindines garso stiprinimo ir triukšmo filtravimo funkcijas. „Dabar pagrindinė idėja yra viską – procesorių, bateriją, mikrofoną – patalpinti į ausį“, – sako Nakajima. Tačiau net ir atliekant klinikinius tyrimus visiškai vidinis dizainasmikrofono jautrumas arba jo nebuvimas išliko kliūtimi.

Nakajima kartu su kolegomis iš _{MIT, Harvardo ir Kolumbijos universitetai pagamino konsolinį mikrofoną, kuris jaučia už ausies būgnelio pritvirtinto kaulo, vadinamo umbo, judesį. Garsas, patekęs į ausies kanalą, priverčia stuburo vibraciją viena kryptimi, o poslinkis yra 10 kartų didesnis nei kiti netoliese esantys kaulai. „UmboMic“ galiukas paliečia umbo, o umbo judesiai lanksčia medžiagą ir sukuria elektros krūvį per pjezoelektrinį efektą. Tada šie elektriniai signalai gali būti apdorojami ir perduodami į klausos nervą. „Naudojame tai, ką mums davė gamta, ty išorinę ausį“, – sako Nakajima.}

Kodėl kochleariniam implantui reikia mažo triukšmo ir mažos galios elektronikos

Tačiau sukurti biologiškai suderinamą mikrofoną, galintį aptikti nedidelius ausies būgnelio judesius, nėra lengva. Džefas LangasMIT elektrotechnikos profesorius, kartu vadovavęs darbui, pabrėžia, kad žmogaus organizmas toleruoja tik tam tikras medžiagas. Kitas iššūkis yra apsaugoti įrenginį nuo vidinės elektronikos, kad būtų sumažintas triukšmas. Ir tada yra ilgalaikis patikimumas. „Norėtume, kad implantas tarnautų dešimtmečius“, – sako Lang.

Bandant implantuojamo mikrofono prototipą, lazerio spindulys matuoja umbo judesį, kuris perduodamas į jutiklio antgalį. JEFF LANG & HEIDI NAKAJIMA

Tyrėjai pasirinko trikampį 3 x 3 milimetrų jutiklio dizainą, pagamintą iš dviejų sluoksnių polivinilideno fluorido (PVDF), biologiškai suderinamo pjezoelektrinio polimero, įterpto tarp lankstaus, elektrodų rašto polimero sluoksnių. Kai konsolės antgalis pasilenkia, vienas PVDF sluoksnis sukuria teigiamą krūvį, o kitas – neigiamą krūvį – atsižvelgiant į skirtumą tarp šių dviejų, didžioji dalis triukšmo panaikinama. Trikampė forma užtikrina tolygiausią įtempių pasiskirstymą lenkimo konsolėje, padidindama poslinkį, kurį ji gali patirti prieš sulūždama. „Jutiklis gali aptikti garsus žemiau tylaus šnabždesio“, – sako Lang.

Emma Wawrzynek, MIT magistrantė, teigia, kad dirbti su PVDF yra sudėtinga, nes jis praranda pjezoelektrines savybes esant aukštai temperatūrai, o dauguma gamybos būdų apima mėginio kaitinimą. „Tai yra iššūkis, ypač kapsuliuojant“, – sako ji, kai prietaisas turi būti padengtas apsauginiu sluoksniu, kad jis galėtų saugiai likti kūne. Grupei sekėsi pamažu nusodinti titaną ir auksą ant PVDF, o aušinti naudodama aušintuvą. Šis metodas sukūrė ekranavimo sluoksnį, kuris apsaugo įkrovimo jutimo elektrodus nuo elektromagnetinių trukdžių.

Kita mikrofono veikimo gerinimo priemonė, žinoma, yra signalo stiprinimas. „Kalbant apie elektroniką, mažo triukšmo stiprintuvas nebūtinai yra didžiulis iššūkis, jei norite išleisti papildomos galios“, – sako Lang. Tačiau, pasak MIT absolvento Johno Zhango, kochlearinių implantų gamintojai stengiasi apriboti viso įrenginio galią iki 5 milivatų ir tik 1 mW mikrofono. „Triukšmo ir galios kompromisą sunku pasiekti“, – sako Zhang. Jis ir kolega studentas Aaronas Yeiseris sukūrė pritaikytą mažo triukšmo ir mažos galios įkrovimo stiprintuvą, kuris pranoko parduodamas galimybes.

„Mūsų tikslas buvo pasiekti geresnių rezultatų arba bent jau prilygti aukščiausios klasės talpiniams išoriniams mikrofonams“, – sako Nakajima. Pirmiesiems išoriniams klausos aparatų mikrofonams tai reiškia, kad garso slėgio lygis yra iki 30 decibelų, o tai prilygsta šnabždesiui. Atliekant UmboMic bandymus su žmogaus lavonais, mokslininkai implantavo mikrofoną ir stiprintuvą šalia umbo, įvedė garsą per ausies kanalą ir išmatavo, kas buvo pajunta. Jų prietaisas pasiekė 30 decibelų dažnių diapazone nuo 100 hercų iki 6 kilohercų, o tai yra kochlearinių implantų ir klausos aparatų standartas ir apima žmogaus kalbos dažnius. „Tačiau pridėjus išorinės ausies filtravimo efektus mums sekasi geriau (nei tradiciniams klausos aparatams), iki 10 dB, ypač kalbant apie kalbos dažnius“, – sako Nakajima.

Prieš galimą žmonių išbandymą laukia daugybė bandymų, prie suolo ir avių. Tačiau jei jų „UmboMic“ pasiseks, komanda tikisi, kad tai padės daugiau nei 1 milijonas žmonių visame pasaulyje gyvena savo gyvenimą su nauju garso pojūčiu.

The darbas buvo paskelbtas birželio 27 d Mikromechanikos ir mikroinžinerijos žurnalas.