Ein Team von Forschern des mit, Massachusetts Eye and Ear, der Harvard Medical School und der Columbia University hat ein neues implantierbares Mikrofon für Cochlea-Implantate entwickelt. Dieses Mikrofon bietet die gleiche Leistung wie externe Mikrofone.
Cochlea-Implantate haben das Hören von über einer Million Menschen weltweit verbessert. Aktuelle Cochlea-Implantate bestehen jedoch aus teilweise implantierter Technik und externer Hardware, die normalerweise an der Seite des Kopfes getragen wird. Diese externen Komponenten schränken die Benutzer ein, da sie beispielsweise nicht schwimmen, trainieren oder schlafen können, während sie die externe Einheit tragen.
Ein multidisziplinäres Forscherteam vom MIT, Massachusetts Eye and Ear, Harvard Medical School und Columbia University arbeitet nun an der Entwicklung eines vollständig internen Cochlea-Implantats. Sie haben ein implantierbares Mikrofon entwickelt, das ebenso gut funktioniert wie kommerzielle externe Mikrofone für Hörgeräte. Das Mikrofon bleibt eine der größten Hürden für die Einführung eines vollständig internen Cochlea-Implantats.
Das kleine Mikrofon besteht aus biokompatiblem piezoelektrischen Material und misst winzige Bewegungen auf der Unterseite des Trommelfells. Piezoelektrische Materialien erzeugen eine elektrische Ladung, wenn sie komprimiert oder gedehnt werden. Zur Maximierung der Leistung des Geräts hat das Team auch einen rauscharmen Verstärker entwickelt, der das Signal verstärkt und gleichzeitig das elektronische Rauschen minimiert.
Obwohl noch viele Herausforderungen zu überwinden sind, bevor ein solches Mikrofon mit einem Cochlea-Implantat verwendet werden kann, arbeitet das Team intensiv daran, den Prototyp weiter zu verfeinern und zu testen. Die Arbeiten basieren auf Forschungen, die vor über einem Jahrzehnt am MIT und Mass Eye and Ear begonnen wurden.
Probleme mit Implantaten lösen
Die Mikrofone für Cochlea-Implantate werden normalerweise an der Seite des Kopfes platziert, was bedeutet, dass die Benutzer die Geräuschfilterung und Klangorientierung, die durch die Struktur des Außenohrs bereitgestellt werden, nicht nutzen können. Vollständig implantierbare Mikrofone bieten viele Vorteile. Doch die meisten derzeit entwickelten Geräte, die Geräusche unter der Haut oder Bewegungen der Mittelohrknochen erfassen, können leise Geräusche und breite Frequenzen kaum aufnehmen.
Für das neue Mikrofon zielte das Team auf den Umbo, einen Teil des Mittelohrs. Der Umbo vibriert in eine Richtung (nach innen und außen), was es erleichtert, diese Bewegungen zu erkennen. Obwohl der Umbo den größten Bewegungsbereich unter den Mittelohrknochen hat, bewegt er sich nur um einige Nanometer, was die Messung dieser Vibrationen zur Herausforderung macht. Außerdem muss jeder implantierbare Sensor biokompatibel sein und die feuchte, dynamische Umgebung des Körpers überstehen, ohne Schaden zu verursachen.
Maximierung der Leistung
Durch sorgfältige Ingenieurskunst hat das Team diese Herausforderungen gemeistert und UmboMic entwickelt, einen dreieckigen, 3 Millimeter mal 3 Millimeter großen Bewegungssensor aus zwei Schichten biokompatiblem piezoelektrischem Material namens Polyvinylidenfluorid (PVDF). Diese PVDF-Schichten sind auf beiden Seiten einer flexiblen Leiterplatte (PCB) platziert, wodurch ein reiskorngroßes Mikrofon mit einer Dicke von 200 Mikrometern entsteht. Die schmale Spitze des UmboMic wird gegen den Umbo positioniert. Wenn der Umbo vibriert und auf das piezoelektrische Material drückt, biegen sich die PVDF-Schichten und erzeugen elektrische Ladungen, die von Elektroden in der PCB-Schicht gemessen werden.
Das Team verwendete ein „PVDF-Sandwich“-Design, um das Rauschen zu reduzieren. Wenn sich der Sensor biegt, erzeugt eine PVDF-Schicht eine positive Ladung und die andere eine negative Ladung. Elektrische Störungen addieren sich gleichmäßig zu beiden Schichten, sodass die Differenz zwischen den Ladungen das Rauschen aufhebt.
Die Verwendung von PVDF bietet viele Vorteile, machte die Herstellung aber besonders schwierig. PVDF verliert seine piezoelektrischen Eigenschaften bei Temperaturen über etwa 80 Grad Celsius, doch sehr hohe Temperaturen sind erforderlich, um Titan auf den Sensor zu verdampfen und abzusetzen. Dieses Problem wurde durch schrittweises Absetzen des Titans und die Verwendung eines Kühlers gelöst.
Die Entwicklung des Sensors war nur die halbe Miete – die Vibrationen des Umbo sind so winzig, dass das Team das Signal verstärken musste, ohne zu viel Rauschen einzuführen. Da sie keinen geeigneten rauscharmen Verstärker finden konnten, der auch sehr wenig Strom verbraucht, bauten sie ihren eigenen.
Mit beiden Prototypen testeten die Forscher UmboMic an menschlichen Ohrknochen aus Leichen und stellten fest, dass es eine robuste Leistung innerhalb des Intensitäts- und Frequenzbereichs der menschlichen Sprache aufweist. Das Mikrofon und der Verstärker zusammen haben auch niedrige Rauschpegel, was bedeutet, dass sie sehr leise Geräusche von der Gesamtlautstärke unterscheiden können.
Zukünftige Untersuchungen
Eine interessante Beobachtung war, dass die Frequenzantwort des Sensors von der Ohranatomie abhängt, da sich der Umbo bei verschiedenen Menschen leicht unterschiedlich bewegt. Die Forscher bereiten sich darauf vor, Studien an lebenden Tieren zu starten, um diesen Befund weiter zu untersuchen und festzustellen, wie UmboMic auf die Implantation reagiert.
Sie erforschen auch Möglichkeiten, den Sensor zu kapseln, damit er bis zu 10 Jahre sicher im Körper bleiben kann und dennoch flexibel genug ist, um Vibrationen zu erfassen. Da Titan zu starr für UmboMic wäre, suchen sie nach alternativen Verpackungsmaterialien und Montageverfahren, die keine Vibrationen einführen.
Die bisherigen Ergebnisse zeigen die notwendige Breitbandantwort und den niedrigen Geräuschpegel, die für den Betrieb als akustischer Sensor erforderlich sind. Diese Leistung ist vergleichbar mit kommerziellen Mikrofonen für Hörgeräte und zeigt das Potenzial des Ansatzes. Es wird erwartet, dass zukünftige Geräte kleinere Sensorelemente und energieeffizientere Elektronik benötigen, um die Implantationsfreundlichkeit und Batterielebensdauer zu verbessern.
Diese Forschung wird teilweise vom National Institute of Health, der National Science Foundation, der Cloetta Foundation in Zürich, Schweiz, und dem Forschungsfonds der Universität Basel, Schweiz, finanziert.
