Τα κοχλιακά εμφυτεύματα, μικροσκοπικές ηλεκτρονικές συσκευές που μπορούν να προσφέρουν την αίσθηση του ήχου σε άτομα που είναι κωφά ή βαρήκοα, έχουν βοηθήσει στη βελτίωση της ακοής για περισσότερους από ένα εκατομμύριο ανθρώπους παγκοσμίως, σύμφωνα με τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας. Ωστόσο, τα κοχλιακά εμφυτεύματα σήμερα εμφυτεύονται μόνο εν μέρει και βασίζονται σε εξωτερικό υλικό που συνήθως κάθεται στο πλάι του κεφαλιού. Αυτά τα εξαρτήματα περιορίζουν τους χρήστες, οι οποίοι, για παράδειγμα, δεν μπορούν να κολυμπήσουν, να ασκηθούν ή να κοιμηθούν ενώ φορούν την εξωτερική μονάδα και μπορεί να κάνουν τους άλλους να εγκαταλείψουν εντελώς το εμφύτευμα.
Στο δρόμο για τη δημιουργία ενός πλήρως εσωτερικού κοχλιακού εμφυτεύματος, μια διεπιστημονική ομάδα ερευνητών στο MIT, τη Μασαχουσέτη Eye and Ear, την Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ και το Πανεπιστήμιο Κολούμπια δημιούργησε ένα εμφυτεύσιμο μικρόφωνο που λειτουργεί εξίσου καλά με εμπορικά εξωτερικά μικρόφωνα ακουστικών βαρηκοΐας. Το μικρόφωνο παραμένει ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια στην υιοθέτηση ενός πλήρως εσωτερικευμένου κοχλιακού εμφυτεύματος.
Αυτό το μικροσκοπικό μικρόφωνο, ένας αισθητήρας που παράγεται από βιοσυμβατό πιεζοηλεκτρικό υλικό, μετρά μικροσκοπικές κινήσεις στην κάτω πλευρά του τυμπάνου του αυτιού. Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά δημιουργούν ηλεκτρικό φορτίο όταν συμπιέζονται ή τεντώνονται. Για να μεγιστοποιήσει την απόδοση της συσκευής, η ομάδα ανέπτυξε επίσης έναν ενισχυτή χαμηλού θορύβου που ενισχύει το σήμα ενώ ελαχιστοποιεί τον θόρυβο από τα ηλεκτρονικά.
Ενώ πρέπει να ξεπεραστούν πολλές προκλήσεις πριν χρησιμοποιηθεί ένα τέτοιο μικρόφωνο με κοχλιακό εμφύτευμα, η συνεργατική ομάδα προσβλέπει σε περαιτέρω βελτίωση και δοκιμή αυτού του πρωτοτύπου, το οποίο βασίζεται στη δουλειά που ξεκίνησε στο MIT και το Mass Eye and Ear πριν από περισσότερο από μια δεκαετία. «Ξεκινά με τους ωτολόγους που ασχολούνται με αυτό κάθε μέρα της εβδομάδας, προσπαθώντας να βελτιώσουν την ακοή των ανθρώπων, αναγνωρίζοντας μια ανάγκη και φέρνοντας αυτή την ανάγκη σε εμάς.
«Αν δεν ήταν αυτή η ομαδική συνεργασία, δεν θα ήμασταν εδώ που είμαστε σήμερα», λέει ο Jeffrey Lang, ο καθηγητής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών Vitesse, μέλος του Ερευνητικού Εργαστηρίου Ηλεκτρονικής (RLE) και συν-ανώτερος συγγραφέας μιας εργασίας για το μικρόφωνο που δημοσιεύτηκε στο Journal of Micromechanics and Microengineering. Οι συν-συγγραφείς του Lang περιλαμβάνουν τους συν-επικεφαλείς συγγραφείς Emma Wawrzynek, μεταπτυχιακή φοιτήτρια ηλεκτρολόγων μηχανικών και επιστήμης υπολογιστών (EECS), και τον Aaron Yeiser SM ’21. καθώς και ο μεταπτυχιακός φοιτητής μηχανολογίας John Zhang.
Άλλοι συν-συγγραφείς περιλαμβάνουν τους Lukas Graf και Christopher McHugh του Mass Eye and Ear. Ιωάννης Κυμίσης, ο καθηγητής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών Kenneth Brayer στην Columbia. Elizabeth S. Olson, καθηγήτρια βιοϊατρικής μηχανικής και ακουστικής βιοφυσικής στην Κολούμπια. και συν-ανώτερος συγγραφέας Hideko Heidi Nakajima, αναπληρωτής καθηγητής ωτορινολαρυγγολογίας-χειρουργικής κεφαλής και τραχήλου στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ και στο Mass Eye and Ear.
Ξεπερνώντας ένα αδιέξοδο εμφυτεύματος
Τα μικρόφωνα κοχλιακών εμφυτευμάτων τοποθετούνται συνήθως στο πλάι του κεφαλιού, πράγμα που σημαίνει ότι οι χρήστες δεν μπορούν να επωφεληθούν από το φιλτράρισμα θορύβου και τις ενδείξεις εντοπισμού του ήχου που παρέχονται από τη δομή του εξωτερικού αυτιού. Τα πλήρως εμφυτεύσιμα μικρόφωνα προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα. Αλλά οι περισσότερες συσκευές που βρίσκονται σε εξέλιξη αυτή τη στιγμή, οι οποίες ανιχνεύουν τον ήχο κάτω από το δέρμα ή την κίνηση των οστών του μέσου αυτιού, μπορούν να δυσκολευτούν να συλλάβουν απαλούς ήχους και ευρείες συχνότητες.
Για το νέο μικρόφωνο, η ομάδα στόχευσε ένα μέρος του μέσου αυτιού που ονομάζεται umbo. Το umbo δονείται μονόδρομα (εσωτερικά και προς τα έξω), διευκολύνοντας την αίσθηση αυτών των απλών κινήσεων. Αν και το umbo έχει το μεγαλύτερο εύρος κίνησης των οστών του μέσου αυτιού, κινείται μόνο κατά μερικά νανόμετρα. Η ανάπτυξη μιας συσκευής για τη μέτρηση τέτοιων μικρών δονήσεων παρουσιάζει τις δικές της προκλήσεις.
Επιπλέον, κάθε εμφυτεύσιμος αισθητήρας πρέπει να είναι βιοσυμβατός και ικανός να αντέχει στο υγρό, δυναμικό περιβάλλον του σώματος χωρίς να προκαλεί βλάβη, γεγονός που περιορίζει τα υλικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν. “Στόχος μας είναι ένας χειρουργός να εμφυτεύσει αυτήν τη συσκευή ταυτόχρονα με το κοχλιακό εμφύτευμα και τον εσωτερικευμένο επεξεργαστή, πράγμα που σημαίνει βελτιστοποίηση της επέμβασης ενώ εργάζεται γύρω από τις εσωτερικές δομές του αυτιού χωρίς να διαταράξει καμία από τις διαδικασίες που συμβαίνουν εκεί”, δήλωσε ο Wawrzynek.
Με προσεκτική μηχανική, η ομάδα ξεπέρασε αυτές τις προκλήσεις.
Δημιούργησαν το UmboMic, έναν τριγωνικό αισθητήρα κίνησης 3 χιλιοστών επί 3 χιλιοστών που αποτελείται από δύο στρώματα ενός βιοσυμβατού πιεζοηλεκτρικού υλικού που ονομάζεται διφθοριούχο πολυβινυλιδένιο (PVDF). Αυτά τα στρώματα PVDF τοποθετούνται εκατέρωθεν μιας εύκαμπτης πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος (PCB), σχηματίζοντας ένα μικρόφωνο που έχει μέγεθος περίπου ενός κόκκου ρυζιού και πάχος 200 μικρομέτρων. (Μια μέση ανθρώπινη τρίχα έχει πάχος περίπου 100 μικρόμετρα.)