植入式麦克风带来全内耳蜗植入

研究人员开发了一种用于人工耳蜗植入的可植入麦克风的原型。他们的设备可以感知内耳鼓膜的运动，其性能与商业助听器一样好，有朝一日可能会实现完全内化的人工耳蜗植入。

　　

根据美国国立卫生研究院的数据，人工耳蜗是一种微小的电子设备，可以为失聪或重听的人提供声音感，已经帮助全球一百多万人改善了听力。

然而，今天的人工耳蜗只能部分植入，而且它们依赖于通常位于头部一侧的外部硬件。这些组件限制了使用者，例如，他们不能在佩戴外接设备时游泳、锻炼或睡觉，它们可能会导致其他人完全放弃植入。

在制造完全内置人工耳蜗的过程中，一个由麻省理工学院、麻省眼耳学院、哈佛医学院和哥伦比亚大学的多学科研究人员组成的团队已经生产出一种可植入的麦克风，其性能与商业外置助听器麦克风一样好。麦克风仍然是采用完全内化人工耳蜗的最大障碍之一。

这种微型麦克风是一种由生物相容性压电材料制成的传感器，可以测量鼓膜底部的微小运动。压电材料在被压缩或拉伸时产生电荷。为了最大限度地提高设备的性能，该团队还开发了一种低噪声放大器，可以增强信号，同时最大限度地减少电子设备的噪声。

虽然在这种麦克风与人工耳蜗一起使用之前必须克服许多挑战，但合作团队期待着进一步完善和测试这个原型，它建立在十多年前麻省理工学院和Mass Eye and Ear开始的工作的基础上。

“首先是耳科医生，他们每天都在努力改善人们的听力，认识到需要，并把这种需要带给我们。如果没有这个团队的合作，我们就不会有今天的成就，”维特斯电子工程教授杰弗里·朗说，他是电子研究实验室(RLE)的成员，也是一篇关于麦克风论文的资深作者之一。

Lang的共同作者包括电子工程和计算机科学(EECS)研究生Emma Wawrzynek和Aaron Yeiser SM ' 21;以及机械工程研究生John Zhang;《大众眼与耳》的卢卡斯·格拉夫和克里斯托弗·麦克休;哥伦比亚大学Kenneth Brayer电子工程教授约阿尼斯·基米西斯;哥伦比亚大学生物医学工程和听觉生物物理学教授伊丽莎白·s·奥尔森(Elizabeth S. Olson);共同资深作者Hideko Heidi Nakajima是哈佛医学院耳鼻喉头颈外科和Mass Eye and Ear的副教授。这项研究今天发表在《微力学与微工程杂志》上。

克服植入僵局

人工耳蜗麦克风通常放置在头部的一侧，这意味着使用者无法利用外耳结构提供的噪音过滤和声音定位线索。

完全植入式麦克风有很多优点。但目前正在开发的大多数设备，在皮肤或中耳骨的运动下感知声音，很难捕捉到柔和的声音和宽频率。

对于这种新的麦克风，研究小组将目标对准了中耳中被称为“伞盖”的部分。雨伞单向振动(向内和向外)，使它更容易感觉到这些简单的动作。

尽管umbo在中耳骨中有最大的移动范围，但它只移动了几纳米。开发一种测量如此微小振动的设备本身就存在挑战。

最重要的是，任何植入式传感器都必须具有生物相容性，能够承受身体潮湿、动态的环境而不会造成伤害，这限制了可以使用的材料。

Wawrzynek说:“我们的目标是外科医生在植入人工耳蜗和内化处理器的同时植入这种设备，这意味着在围绕耳朵内部结构工作的同时优化手术，而不会干扰耳朵内部进行的任何过程。”

通过精心的工程设计，团队克服了这些挑战。

他们创造了UmboMic，这是一个三角形的，3毫米乘3毫米的运动传感器，由两层生物相容性压电材料组成，这种材料被称为聚偏二氟乙烯(PVDF)。这些PVDF层被夹在柔性印刷电路板(PCB)的两侧，形成一个大约一粒米大小、200微米厚的麦克风。(人类头发的平均厚度约为100微米。)

UmboMic的窄尖将被放置在umbo上。当umbo振动并推动压电材料时，PVDF层弯曲并产生电荷，这些电荷由PCB层中的电极测量。

放大性能

该团队使用了“PVDF三明治”设计来降低噪音。当传感器弯曲时，一层PVDF产生正电荷，另一层产生负电荷。电子干扰对两者的影响是相等的，所以取电荷之间的差异可以抵消噪音。

使用PVDF提供了许多优点，但材料制造特别困难。PVDF暴露在80摄氏度以上的温度下就会失去压电特性，而另一种生物相容性材料钛则需要非常高的温度才能蒸发并沉积到传感器上。Wawrzynek通过逐渐沉积钛和使用散热器冷却PVDF来解决这个问题。

但开发传感器只是成功了一半——umbo的振动非常微小，研究小组需要在不引入太多噪音的情况下放大信号。当他们找不到合适的低噪音放大器时，他们自己造了一个。

有了这两种原型，研究人员在尸体的人耳骨上测试了UmboMic，发现它在人类语言的强度和频率范围内都有很好的表现。麦克风和放大器一起也有一个低噪声底，这意味着他们可以区分非常安静的声音从整体噪音水平。

Wawrzynek说:“我们发现非常有趣的一件事是，传感器的频率响应受到我们正在实验的耳朵解剖结构的影响，因为umbo在不同人的耳朵里的运动略有不同。”

研究人员正准备开展活体动物研究，以进一步探索这一发现。这些实验也将帮助他们确定UmboMic对植入的反应。

此外，他们正在研究封装传感器的方法，这样它就可以安全地留在体内长达10年，但仍然足够灵活，可以捕捉振动。植入物通常用钛包装，这对UmboMic来说太硬了。他们还计划探索安装UmboMic不会产生振动的方法。

“本文的结果显示了作为声学传感器所需的必要的宽带响应和低噪声。这个结果是令人惊讶的，因为带宽和噪声底是如此具有竞争力的商业助听器麦克风。这种表现显示了这种方法的前景，应该会激励其他人采用这种概念。我希望下一代设备需要更小尺寸的传感元件和更低功耗的电子元件，以提高植入的便利性和电池寿命问题，”密歇根大学机械工程教授卡尔·格罗什说，他没有参与这项工作。