ساخت میکروفن‌های قابل کاشت در بدن برای ناشنوایان

تلاش آن‌ها منجر به ایجاد یک میکروفن قابل کاشت شد که مانند میکروفن‌های سمعک خارجی تجاری عمل می‌کند.

به گفته محققان، این نوآوری به یکی از بزرگترین چالش‌ها برای دستیابی به کاشت حلزون کاملا درونی رسیدگی می‌کند.

راه حل‌های شنوایی درونی

عمل کاشت حلزون به طور کلی به نوعی است که ایمپلنت تا حدی کاشته می‌شود و در اصل به یک سخت افزار خارجی که پشت گوش قرار می‌گیرد، وابسته است. این مولفه خارجی، کاربران را محدود می‌کند و از شنا کردن، ورزش یا خوابیدن هنگام پوشیدن آن جلوگیری می‌کند. در نتیجه، برخی از افراد به هیچ وجه از روش کاشت حلزون استفاده نمی‌کنند.

از آنجایی که میکروفن‌های کاشت حلزون اغلب در کنار سر قرار می‌گیرند، کاربران نمی‌توانند از نشانه‌های محلی‌سازی صدای طبیعی گوش خارجی و قابلیت‌های فیلتر نویز بهره ببرند.

به گفته محققان، مزایای میکروفن‌های کاملا قابل کاشت بسیار زیاد است. با این حال، اکثر دستگاه‌هایی که به تازگی ساخته شده‌اند که صدا را از طریق پوست یا حرکت استخوان‌های گوش میانی تشخیص می‌دهند، در ضبط صدا‌های ظریف و محدوده فرکانس وسیع مشکل دارند.

اومبو (Umbo) که ناحیه‌ای از گوش میانی است، محل هدف این تیم برای تعبیه این میکروفن جدید بود. اومبو تنها در یک جهت به داخل و خارج می‌لرزد که درک حرکات آن را تسهیل می‌کند.

اِما وارزینک مهندس برق و علوم کامپیوتر و یکی از نویسندگان این مطالعه در بیانیه‌ای گفت: هدف ما این است که جراح، این دستگاه را همزمان با کاشت حلزون و پردازنده داخلی بکارد که به معنای بهینه‌سازی عمل جراحی در حین کار در اطراف ساختار‌های داخلی گوش بدون ایجاد اختلال در هیچ یک از فرآیند‌هایی است که در آنجا انجام می‌شود.

طراحی کاهنده نویز

این تیم در نهایت اومبومیک را که یک حسگر حرکت مثلثی با ابعاد ۳ میلی‌متر در ۳ میلی‌متر و متشکل از دو لایه PVDF است، توسعه داد.

این لایه‌های PVDF در دو طرف یک برد مدار چاپی انعطاف‌پذیر (PCB) قرار گرفته‌اند و میکروفنی به اندازه یک دانه برنج و ضخامت ۲۰۰ میکرومتر ایجاد کرده‌اند. برای مقایسه باید گفت که ضخامت یک تار موی انسان به طور متوسط ​​حدود ۱۰۰ میکرومتر است.

به گفته پژوهشگران، نوک باریک اومبومیک به گونه‌ای طراحی شده است که در مقابل ناحیه اومبو در گوش قرار گیرد و هنگامی که آمبو مرتعش می‌شود، به مواد پیزوالکتریک فشار وارد می‌کند و باعث خم شدن لایه‌های PVDF و تولید بار‌های الکتریکی می‌شود. سپس این بار‌ها توسط الکترود‌های موجود در لایه PCB اندازه‌گیری می‌شوند.

این تیم یک طرح ساندویچی از PVDF را برای کاهش نویز ایجاد کرد، جایی که بار‌های مثبت و منفی لایه‌های PVDF تداخل الکتریکی را لغو می‌کنند.

محققان تاکید کردند که ساخت این دستگاه چالش برانگیز بود، چرا که PVDF خواص خود را در دمای ۸۰ درجه سانتیگراد از دست می‌دهد، اما آن‌ها با تزریق تدریجی تیتانیوم موفق شدند بر این مشکل غلبه کنند.

آن‌ها برای تقویت ارتعاشات کوچک اومبو بدون اضافه کردن نویز همچنین یک تقویت کننده کم‌نویز سفارشی و کم‌مصرف ایجاد کردند.

حسگر شنوایی پیشرفته

محققان نمونه‌های اولیه اومبومیک را در استخوان‌های گوش برخی اجساد انسانی آزمایش کردند و عملکرد قوی در محدوده شدت و فرکانس گفتار انسان را توسط آن یافتند. میکروفن و آمپلی‌فایر دارای نویز پایینی بودند که امکان تشخیص صدا‌های بسیار آرام را فراهم می‌کرد.

وارزینک می‌گوید: چیزی که دیدیم و واقعاً جالب بود این است که پاسخ فرکانسی حسگر تحت تأثیر آناتومی گوش است که ما روی آن آزمایش می‌کنیم، زیرا اومبو در گوش افراد مختلف کمی متفاوت حرکت می‌کند.

این تیم در حال آماده شدن برای مطالعات حیوانی روی حیوانات زنده برای بررسی بیشتر این دستگاه و ارزیابی پاسخ اومبومیک به کاشت است.

آن‌ها همچنین در حال تحقیق بر روی روش‌های کپسول‌سازی آن هستند تا این حسگر را تا ۱۰ سال در بدن ایمن نگه دارند و در عین حال انعطاف‌پذیری آن را حفظ کنند. همچنین شاید بتوانند راهی بیابند که از تیتانیوم سخت اجتناب کنند و تکنیک‌های نصب بدون لرزش را بررسی کنند.

جزئیات این مطالعه به رهبری پژوهشگران چشم و گوش MIT، دانشکده پزشکی هاروارد و دانشگاه کلمبیا در مجله Micromechanics and Microengineering منتشر شده است.