Laut dem National Institute of Health nutzen über eine Million taube bzw. schwerhörige Menschen weltweit Cochlea-Implantate.
Heutzutage sind Cochlea-Implantate jedoch nur teilweise implantiert und basieren auf externer Hardware, die sich normalerweise an der Seite des Kopfes befindet. Diese Komponenten schränken die Benutzer ein. So können diese beispielsweise nicht schwimmen, Sport treiben oder schlafen, während sie das Gerät tragen.
Auf dem Weg zur Entwicklung eines vollständig internen Cochlea-Implantats hat ein multidisziplinäres Forscherteam am MIT, Massachusetts Eye and Ear, der Harvard Medical School und der Columbia University ein implantierbares Mikrofon entwickelt, das genauso gut funktioniert wie handelsübliche externe Hörgerätemikrofone. Das Mikrofon ist eines der größten Hindernisse auf dem Weg zur Einführung eines vollständig internalisierten Cochlea-Implantats.
Dieses winzige Mikrofon, ein Sensor aus einem biokompatiblen piezoelektrischen Material, misst winzige Bewegungen an der Unterseite des Trommelfells. Piezoelektrische Materialien erzeugen eine elektrische Ladung, wenn sie komprimiert oder gedehnt werden. Um die Leistung des Geräts zu maximieren, entwickelte das Team außerdem einen rauscharmen Verstärker, der das Signal verstärkt und gleichzeitig das Rauschen der Elektronik minimiert.
Obwohl noch viele Herausforderungen überwunden werden müssen, bevor ein solches Mikrofon mit einem Cochlea-Implantat verwendet werden kann, freut sich das Team darauf, diesen Prototyp, der auf der Arbeit aufbaut, die vor mehr als einem Jahrzehnt am MIT und Mass Eye and Ear begonnen wurde, weiter zu verfeinern und zu testen.
„Alles fängt mit den Ohrenärzten an, die einen Bedarf erkennen und diesen an uns herantragen. Ohne diese Teamzusammenarbeit wären wir heute nicht dort, wo wir sind“, sagt Jeffrey Lang, Vitesse-Professor für Elektrotechnik, Mitglied des Research Laboratory of Electronics (RLE).
Zu Langs Kollegen gehören die Co-Leitautoren Emma Wawrzynek, eine Doktorandin der Elektrotechnik und Informatik (EECS), und Aaron Yeiser SM ’21; sowie der Doktorand des Maschinenbaus John Zhang; Lukas Graf und Christopher McHugh von Mass Eye and Ear; Ioannis Kymissis, der Kenneth Brayer Professor für Elektrotechnik an der Columbia; Elizabeth S. Olson, Professorin für Biomedizintechnik und Hörbiophysik an der Columbia; und Co-Seniorautorin Hideko Heidi Nakajima, außerordentliche Professorin für Hals-Nasen-Ohrenheilkunde und Kopf- und Halschirurgie an der Harvard Medical School und Mass Eye and Ear. Die Forschungsarbeit wurde heute im Journal of Micromechanics and Microengineering veröffentlicht.
Eine Implantat-Sackgasse überwinden
Cochlea-Implantat-Mikrofone werden normalerweise seitlich am Kopf angebracht, was bedeutet, dass die Benutzer die Rauschfilterung und die Schalllokalisierungshinweise der Struktur des Außenohrs nicht nutzen können.
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Vollständig implantierbare Mikrofone bieten viele Vorteile. Die meisten derzeit in der Entwicklung befindlichen Geräte, die Geräusche unter der Haut oder Bewegungen der Mittelohrknochen erfassen, haben jedoch Probleme, leise Töne und breite Frequenzen zu erfassen.
Für das neue Mikrofon hat sich das Team auf einen Teil des Mittelohrs namens Umbo konzentriert. Der Umbo vibriert unidirektional (nach innen und nach außen), wodurch diese einfachen Bewegungen leichter wahrgenommen werden können.
Obwohl der Umbo den größten Bewegungsbereich der Mittelohrknochen hat, bewegt er sich nur um wenige Nanometer. Die Entwicklung eines Geräts zur Messung solcher winzigen Vibrationen stellt eine ganz eigene Herausforderung dar.
Darüber hinaus muss jeder implantierbare Sensor biokompatibel sein und der feuchten, dynamischen Umgebung des Körpers standhalten können, ohne Schaden zu verursachen, was die Auswahl an Materialien einschränkt.
„Unser Ziel ist es, dass ein Chirurg dieses Gerät gleichzeitig mit dem Cochlea-Implantat und dem internen Prozessor implantiert, was bedeutet, dass die Operation optimiert wird, während an den inneren Strukturen des Ohrs gearbeitet wird, ohne die dort ablaufenden Prozesse zu stören“, sagt Wawrzynek.
Durch sorgfältige Konstruktion hat das Team diese Herausforderungen gemeistert.
Sie haben das UmboMic entwickelt, einen dreieckigen, 3 x 3 Millimeter großen Bewegungssensor, der aus zwei Schichten eines biokompatiblen piezoelektrischen Materials namens Polyvinylidenfluorid (PVDF) besteht. Diese PVDF-Schichten sind auf beiden Seiten einer flexiblen Leiterplatte (PCB) angeordnet und bilden ein Mikrofon, das etwa so groß wie ein Reiskorn und 200 Mikrometer dick ist. (Ein durchschnittliches menschliches Haar ist etwa 100 Mikrometer dick.)
Die schmale Spitze des UmboMic wird gegen den Umbo gedrückt. Wenn der Umbo vibriert und gegen das piezoelektrische Material drückt, biegen sich die PVDF-Schichten und erzeugen elektrische Ladungen, die von Elektroden in der PCB-Schicht gemessen werden.
Verstärkung der Leistung
Das Team verwendete ein „PVDF-Sandwich“-Design, um das Rauschen zu reduzieren. Wenn der Sensor gebogen wird, erzeugt eine PVDF-Schicht eine positive Ladung und die andere eine negative Ladung. Elektrische Interferenzen tragen zur Geräuschentwicklung bei.
