Kohlearni implantati, sićušni elektronski uređaji koji mogu da pruže osećaj zvuka gluvim ili nagluvim osobama, pomogli su u poboljšanju sluha za više od milion ljudi širom sveta, prema Nacionalnim institutima za zdravlje.
Međutim, kohlearni implantati se danas samo delimično ugrađuju i oslanjaju se na spoljni hardver koji se obično nalazi sa strane glave. Ove komponente ograničavaju korisnike koji, na primer, ne mogu da plivaju, vežbaju ili spavaju dok nose spoljnu jedinicu, i mogu dovesti do toga da drugi potpuno odustanu od implantata.
Na putu ka stvaranju potpuno unutrašnjeg kohlearnog implanta, multidisciplinarni tim istraživača sa MIT-a, Masačusets Eie and Ear, Harvard Medical School i Columbia Universiti proizveo je mikrofon za implantaciju koji radi kao i komercijalne spoljne mikrofone za slušne aparate. Mikrofon ostaje jedna od najvećih prepreka za usvajanje potpuno internalizovanog kohlearnog implanta.
Ovaj sićušni mikrofon, senzor proizveden od biokompatibilnog piezoelektričnog materijala, meri male pokrete na donjoj strani bubne opne. Piezoelektrični materijali stvaraju električni naboj kada se kompresuju ili rastežu. Da bi maksimizirao performanse uređaja, tim je takođe razvio pojačalo sa niskim nivoom šuma koje poboljšava signal dok minimizira šum elektronike.
Iako se mnogi izazovi moraju prevazići pre nego što se takav mikrofon može koristiti sa kohlearnim implantom, tim za saradnju se raduje daljem usavršavanju i testiranju ovog prototipa, koji se zasniva na radu započetom u MIT-u i Mass Eie and Ear pre više od jedne decenije.
„Počinje od lekara za uši koji su sa ovim svaki dan u nedelji, pokušavajući da poboljšaju sluh ljudi, prepoznaju potrebu i donose tu potrebu nama.
„Da nije bilo ove timske saradnje, ne bismo bili tu gde jesmo danas“, kaže Džefri Lang, profesor elektrotehnike u Vitesu, član Istraživačke laboratorije za elektroniku (RLE) i ko-stariji autor rada o mikrofonu objavljenog u Journal of Micromechanics and Microengineering .
Langovi koautori su vodeći autori Emma Vavrzinek, diplomirani student elektrotehnike i računarstva (EECS), i Aaron Ieiser SM ’21; kao i diplomirani student mašinstva Džon Žang.
Ostali koautori su Lukas Graf i Christopher McHugh iz Mass Eie and Ear; Ioannis Kimissis, Kenneth Braier profesor elektrotehnike na Kolumbiji; Elizabet S. Olson, profesor biomedicinskog inženjeringa i slušne biofizike na Kolumbiji; i ko-senior autor Hideko Heidi Nakajima, vanredni profesor otorinolaringologije-hirurgije glave i vrata na Medicinskoj školi Harvard i Mass Eie and Ear.
Mikrofoni za kohlearne implantate se obično postavljaju sa strane glave, što znači da korisnici ne mogu da iskoriste prednosti filtriranja buke i znakova za lokalizaciju zvuka koje pruža struktura spoljašnjeg uha.
Potpuno implantivi mikrofoni nude mnoge prednosti. Ali većina uređaja koji su trenutno u razvoju, koji osećaju zvuk ispod kože ili kretanje kostiju srednjeg uha, mogu da se bore da uhvate tihe zvukove i široke frekvencije.
Za novi mikrofon, tim je ciljao deo srednjeg uha koji se zove umbo. Umbo vibrira jednosmerno (unutra i spolja), što olakšava osećaj ovih jednostavnih pokreta.
Iako umbo ima najveći opseg kretanja kostiju srednjeg uha, pomera se samo za nekoliko nanometara. Razvoj uređaja za merenje tako malih vibracija predstavlja sopstvene izazove.
Povrh toga, svaki senzor za implantaciju mora biti biokompatibilan i sposoban da izdrži vlažno, dinamično okruženje tela bez nanošenja štete, što ograničava materijale koji se mogu koristiti.
„Naš cilj je da hirurg implantira ovaj uređaj istovremeno sa kohlearnim implantom i internalizovanim procesorom, što znači da optimizujemo operaciju dok radimo oko unutrašnjih struktura uha bez ometanja bilo kojeg od procesa koji se tamo odvijaju“, Vavrzinek kaže.
Uz pažljivo projektovanje, tim je prevazišao ove izazove.
Oni su kreirali UmboMic, trouglasti senzor pokreta od 3 milimetra sa 3 milimetra sastavljen od dva sloja biokompatibilnog piezoelektričnog materijala koji se zove poliviniliden difluorid (PVDF). Ovi PVDF slojevi su u sendviču sa obe strane fleksibilne štampane ploče (PCB), formirajući mikrofon koji je veličine zrna pirinča i debljine 200 mikrometara. (Prosečna ljudska kosa je debela oko 100 mikrometara.)
Uski vrh UmboMic-a bi bio postavljen uz umbo. Kada umbo vibrira i pritisne piezoelektrični materijal, PVDF slojevi se savijaju i generišu električna naelektrisanja, koja se mere elektrodama u PCB sloju.
Tim je koristio „PVDF sendvič“ dizajn da smanji buku. Kada je senzor savijen, jedan sloj PVDF-a proizvodi pozitivno, a drugi negativno naelektrisanje. Električne smetnje doprinose i jednom i drugom podjednako, tako da uzimanjem razlike između naelektrisanja poništava se šum.
Korišćenje PVDF-a pruža mnoge prednosti, ali materijal je posebno otežao izradu. PVDF gubi svoja piezoelektrična svojstva kada je izložen temperaturama iznad oko 80°C, ali su potrebne veoma visoke temperature da bi se titan, još jedan biokompatibilan materijal, ispario i naložio na senzor. Vavrzinek je rešio ovaj problem tako što je postepeno deponovao titanijum i koristio hladnjak za hlađenje PVDF-a.
Ali razvoj senzora je bio samo pola bitke – umbo vibracije su toliko male da je tim morao da pojača signal bez unošenja previše buke. Kada nisu mogli da pronađu odgovarajuće niskošumno pojačalo koje je takođe trošilo vrlo malo energije, napravili su svoje.
Sa oba prototipa na mestu, istraživači su testirali UmboMic u ljudskim ušnim kostima od leševa i otkrili da ima robusne performanse u opsegu intenziteta i frekvencije ljudskog govora. Mikrofon i pojačalo zajedno takođe imaju nizak nivo buke, što znači da mogu razlikovati veoma tihe zvukove od ukupnog nivoa buke.
„Jedna stvar koju smo videli da je zaista interesantna je da na frekvencijski odziv senzora utiče anatomija uha na kojem eksperimentišemo, jer se umbo kreće malo drugačije u ušima različitih ljudi“, kaže Vavržinek.
Istraživači se pripremaju da pokrenu studije na živim životinjama kako bi dalje istražili ovaj nalaz. Ovi eksperimenti će im takođe pomoći da odrede kako UmboMic reaguje na implantaciju.
Pored toga, oni proučavaju načine da inkapsuliraju senzor tako da može bezbedno da ostane u telu do 10 godina, ali i dalje bude dovoljno fleksibilan da uhvati vibracije. Implantati su često upakovani u titanijum, što bi bilo previše kruto za UmboMic. Takođe planiraju da istraže metode za montažu UmboMic-a koji neće unositi vibracije.
„Rezultati u ovom radu pokazuju neophodan širokopojasni odziv i nizak nivo buke koji je potreban da deluje kao akustični senzor. Ovaj rezultat je iznenađujući, jer su propusni opseg i nivo buke tako konkurentni mikrofonu komercijalnog slušnog aparata. Ova izvedba pokazuje obećanje pristupa, koji bi trebalo da inspiriše druge da usvoje ovaj koncept.
„Očekivao bih da će senzori manje veličine i elektronika manje snage biti potrebni za uređaje sledeće generacije kako bi se poboljšala jednostavnost implantacije i problemi sa trajanjem baterije“, kaže Karl Groš, profesor mašinstva na Univerzitetu u Mičigenu, koji nije bio uključen u ovaj rad.
