Cochleaire implantaten – de neurale prothetische neven van standaardhoortoestellen – kunnen een enorme zegen zijn voor mensen met ernstig gehoorverlies. Maar veel potentiële gebruikers worden uitgeschakeld door de omvangrijke externe hardware van het apparaat, die moet worden gedragen om signalen te verwerken die door het implantaat gaan. Daarom hebben onderzoekers gewerkt aan het creëren van een cochleair implantaat dat volledig in het oor zit, om de spraak- en geluidsperceptie te herstellen zonder de levensstijlbeperkingen die door de huidige apparaten worden opgelegd.
Een nieuwe biocompatibele microfoon biedt een brug naar dergelijke volledig interne cochleaire implantaten. De microfoon, ongeveer zo groot als een rijstkorrel, is gemaakt van flexibel piëzo-elektrisch materiaal dat rechtstreeks de door geluid veroorzaakte beweging van het trommelvlies meet. De gevoeligheid van de kleine microfoon komt overeen met die van de beste externe hoortoestellen van dit moment.
Cochleaire implantaten creëren een nieuwe route waardoor geluiden de hersenen kunnen bereiken. Een externe microfoon en processor, die achter het oor of op de hoofdhuid worden gedragen, verzamelt binnenkomende geluiden en zet deze om in elektrische signalen, die worden verzonden naar een elektrode die chirurgisch in het slakkenhuis wordt geïmplanteerd, diep in het binnenoor. Daar stimuleren elektrische signalen direct de gehoorzenuw, waardoor informatie naar de hersenen wordt gestuurd om als geluid te worden geïnterpreteerd.
Maar, zegt Hideko Heidi Nakajima, universitair hoofddocent otolaryngologie aan de Harvard Medical School en Massachusetts Eye and Ear, “mensen houden niet van externe hardware.” Ze kunnen het niet dragen tijdens het slapen, of tijdens het zwemmen of bij vele andere vormen van lichaamsbeweging, dus veel potentiële kandidaten laten het apparaat helemaal achterwege. Bovendien gaat binnenkomend geluid rechtstreeks de microfoon in en omzeilt het buitenoor, dat anders de cruciale functies van geluidsversterking en ruisfiltering zou vervullen. “Het grote idee is nu om alles – de processor, de batterij, de microfoon – in het oor te stoppen”, zegt Nakajima. Maar zelfs bij klinische tests met een geheel intern ontwerp bleef de microfoongevoeligheid – of het gebrek daaraan – een obstakel.
Nakajima, samen met collega’s van MIT, Harvard en Columbia University hebben een cantilevermicrofoon geproduceerd die de beweging registreert van een bot dat achter het trommelvlies is bevestigd en dat de umbo wordt genoemd. Geluid dat de gehoorgang binnendringt, zorgt ervoor dat de navel in één richting trilt, met een verplaatsing die tien keer zo groot is als die van andere nabijgelegen botten. De punt van de “UmboMic” raakt de umbo, en de bewegingen van de umbo buigen het materiaal en produceren een elektrische lading door het piëzo-elektrische effect. Deze elektrische signalen kunnen vervolgens worden verwerkt en doorgegeven aan de gehoorzenuw. “We gebruiken wat de natuur ons heeft gegeven, namelijk het buitenoor”, zegt Nakajima
Waarom een cochleair implantaat geluidsarme en energiezuinige elektronica nodig heeft
Het is echter niet eenvoudig om een biocompatibele microfoon te maken die kleine bewegingen van het trommelvlies kan detecteren. Jeff Lang, hoogleraar elektrotechniek aan het MIT en medeleider van het onderzoek, wijst erop dat het menselijk lichaam alleen bepaalde materialen verdraagt. Een andere uitdaging is het beschermen van het apparaat tegen de interne elektronica om ruis te verminderen. En dan is er nog de betrouwbaarheid op lange termijn. “We willen dat het implantaat tientallen jaren meegaat”, zegt Lang.
Bij tests met het prototype van een implanteerbare microfoon meet een laserstraal de beweging van de umbo, die wordt doorgegeven aan de punt van de sensor. JEFF LANG & HEIDI NAKAJIMA
De onderzoekers kozen voor een driehoekig sensorontwerp van 3 millimeter bij 3 millimeter, gemaakt van twee lagen polyvinylideenfluoride (PVDF), een biocompatibel piëzo-elektrisch polymeer, ingeklemd tussen lagen flexibel polymeer met een elektrodepatroon. Wanneer de punt van de cantilever gebogen is, produceert de ene PVDF-laag een positieve lading en de andere een negatieve lading. Door het verschil tussen de twee lagen te nemen, wordt een groot deel van de ruis geëlimineerd. De driehoekige vorm zorgt voor de soepelste spanningsverdeling binnen de buigende cantilever, waardoor de verplaatsing die deze kan verdragen voordat deze breekt, wordt gemaximaliseerd. “De sensor kan geluiden onder een fluistertoon detecteren”, zegt Lang.
Emma Wawrzynek, een afgestudeerde student aan het MIT, zegt dat het werken met PVDF moeilijk is omdat het zijn piëzo-elektrische eigenschappen verliest bij hoge temperaturen, en de meeste fabricagetechnieken gepaard gaan met het verwarmen van het monster. “Dat is vooral een uitdaging bij inkapseling”, waarbij een apparaat in een beschermende laag wordt gewikkeld, zodat het veilig in het lichaam kan blijven, zegt ze. De groep was succesvol door geleidelijk titanium en goud op de PVDF af te zetten terwijl ze een koellichaam gebruikten om het af te koelen. Die aanpak creëerde een afschermingslaag die de ladingsgevoelige elektroden beschermt tegen elektromagnetische interferentie.
Een ander hulpmiddel om de microfoonprestaties te verbeteren is uiteraard signaalversterking. “Op het gebied van elektronica is het bouwen van een versterker met weinig ruis niet per se een grote uitdaging als je bereid bent het extra vermogen uit te geven”, zegt Lang. Maar volgens MIT-student John Zhang proberen fabrikanten van cochleaire implantaten het vermogen voor het hele apparaat te beperken tot 5 milliwatt en slechts 1 milliwatt voor de microfoon. “Het is moeilijk om een compromis te sluiten tussen geluid en kracht”, zegt Zhang. Hij en medestudent Aaron Yeiser ontwikkelden een op maat gemaakte geluidsversterker met laag vermogen en laag vermogen die beter presteerde dan in de handel verkrijgbare opties.
“Ons doel was om beter te presteren dan of op zijn minst gelijk te zijn aan de prestaties van hoogwaardige capacitieve externe microfoons”, zegt Nakajima. Voor toonaangevende externe hoortoestelmicrofoons betekent dit een gevoeligheid tot een geluidsdrukniveau van 30 decibel – het equivalent van een gefluister. Bij tests van de UmboMic op menselijke kadavers implanteerden onderzoekers een microfoon en versterker in de buurt van de umbo, voerden geluid door de gehoorgang en maten wat er werd gehoord. Hun apparaat bereikte 30 decibel in het frequentiebereik van 100 hertz tot 6 kilohertz, wat de standaard is voor cochleaire implantaten en hoortoestellen en de frequenties van menselijke spraak bestrijkt. “Maar door de filtereffecten van het buitenoor toe te voegen, doen we het beter [than traditional hearing aids]tot 10 dB, vooral in spraakfrequenties”, zegt Nakajima.
Er staan ons nog veel tests te wachten, op de bank en op schapen, voordat we mogelijk op mensen gaan testen. Maar als hun UmboMic uitkomt, hoopt het team meer dan een miljoen mensen over de hele wereld te helpen leven met een nieuw gevoel voor geluid.
Het werk werd op 27 juni gepubliceerd in Tijdschrift voor micromechanica en micro-engineering.
Uit artikelen op uw website
Gerelateerde artikelen op internet