Onderzoekers hebben een minuscule implanteerbare microfoon weten te ontwikkelen die geschikt is voor cochleair implantaten. De piëzo-elektrische microfoon die op het trommelvlies komt, heeft dezelfde prestaties als een externe microfoon zoals die te vinden is in de geluidsprocessor van een cochleair implantaat. Al is er nog een lange weg te gaan, de ontwikkeling van een volledig implanteerbaar cochleair implantaat (CI) waarbij ook de geluidsprocessor zich niet meer op het hoofd bevindt, is met de umbo-mic weer een stap dichterbij.
| Wetenschap
Volledig implanteerbaar cochleair implantaat
Onderzoekers van MIT, Massachusetts Eye and Ear, Harvard Medical School en de Columbia Universiteit ontwikkelde samen de implanteerbare piëzo-elektrische microfoon. De microfoon zoals die nu te vinden is in de geluidsprocessor, blijft een van de grootste obstakels voor de ontwikkeling van volledig geïmplanteerde cochleaire implantaten. Daarbij is zowel het implantaat zelf als de elektronica die zich nu in de geluidsprocessor bevindt, volledig ingebouwd.
Beperkingen externe geluidsprocessor
Na implantatie dragen ernstig slechthorend of dove mensen vandaag de dag een geluidsprocessor die zich achter het oor of op het hoofd bevindt. Volgens de onderzoekers levert dit gebruikers beperkingen op. Zo kunnen ze met de externe geluidsprocessor niet makkelijk zwemmen, sporten of slapen. Doordat de microfoon zich buiten het oor bevindt, gaan ook signalen die bijdragen aan het lokaliseren van geluiden verloren. Daar draagt juist de structuur van de oorschelp aan bij. Deze ‘cues’ bieden ook voordelen bij het verstaan van spraak. Deze voordelen gelden ook voor in-het-oor gedragen hoortoestellen.
Huidige microfoon is obstakel voor ontwikkeling volledig interne CI
De volledig nieuw ontwikkelde implanteerbare microfoon presteert net zoals externe microfoons zoals die terug zijn te vinden in die van de geluidsprocessor van een cochleair implantaat en ook hoortoestellen. De microfoon is op dit moment een van de grootste obstakels voor de ontwikkeling van volledig interne cochleaire implantaten.
Innovatieve minuscule implanteerbare microfoon
De ontwikkelde zeer kleine microfoon heeft een sensor die is gemaakt van een biocompatibel piëzo-elektrisch materiaal. Daarmee zijn de minuscule bewegingen van het trommelvlies op te vangen. Piëzo-elektrische materialen genereren een elektrische lading wanneer ze worden samengedrukt of uitgerekt. Om de prestaties van het apparaat te maximaliseren, ontwikkelde het team ook een versterker met een zeer lage interne ruis. Daarmee is het geluidssignaal te versterken, terwijl het geluid van de elektronica minimaal is.
Hoewel er nog veel uitdagingen zijn te overwinnen voordat een dergelijke microfoon is in te zetten in samenwerking met een cochleair implantaat, kijkt het samenwerkende team ernaar uit om het prototype verder te verfijnen en te testen. Hun onderzoek bouwt verder op het werk dat meer dan tien jaar geleden begon bij MIT en Mass Eye and Ear en is te zien als een doorbraak voor de bouw van een volledig implanteerbare CI. Het onderzoek naar de nieuwe microfoon is recent gepubliceerd in Journal of Micromechanics and Microengineering.
Nieuwe microfoon op umbo
Voor de nieuwe microfoon richtte het team zich op een deel van het middenoor dat umbo heet. Het umbo is het punt waar de hamer, een van de gehoorbeentjes in het middenoor, contact maakt met het trommelvlies. Het umbo is het centrale deel en het meest naar binnen gelegen punt van het trommelvlies. Daar worden geluidstrillingen overgedragen naar de gehoorbeentjes. Al heeft het umbo het grootste bewegingsbereik in het middenoor, het beweegt slechts enkele nanometers. De ontwikkeling van een apparaat dat zulke hele kleine trillingen kan meten, brengt flink wat uitdagingen met zich mee.
De UmboMic
Het team creëerde daarvoor uiteindelijk de UmboMic, een driehoekige bewegingssensor met een afmeting van 3-millimeter bij 3-millimeter. De sensor bestaat uit twee lagen van een biocompatibel piëzo-elektrisch materiaal genaamd polyvinylideenfluoride (PVDF). Deze PVDF-lagen zijn aan weerszijden door een flexibele printplaat (printed circuit board=PCB) omgeven. Hierdoor is er een microfoon ontstaan die ongeveer zo groot is als een rijstkorrel en slechts 200 micrometer dik is. Ter vergelijking: een gemiddelde menselijke haar is ongeveer 100 micrometer dik.
De smalle punt van de UmboMic komt tegen het umbo aan te zitten. Wanneer het umbo trilt en tegen het piëzo-elektrische materiaal duwt, buigen de PVDF-lagen en genereren ze elektrische ladingen. De elektroden in de PCB-laag vangen die weer op.
Eigen versterker met lage interne ruis en stroomverbruik
Het ontwikkelen van de sensor was slechts de helft van het werk. Omdat de umbo-trillingen zo klein zijn, moest het team het signaal ook versterken. Dit zonder dat er te veel ruis ontstaat. Omdat er geen geschikte versterker beschikbaar was met een zeer lage ruis die tegelijkertijd ook nog zeer weinig stroom verbruikte, ontwikkelden en bouwden ze hun eigen versterker.
Robuuste prestaties voor spraak
Met beide prototypes testten de onderzoekers de UmboMic in menselijke oorbotjes. Ze zagen dat het robuuste prestaties had binnen het intensiteits- en frequentiebereik van spraak. De microfoon en versterker samen hebben ook nog eens een lage ruisvloer, wat betekent dat ze ook zeer zachte geluiden kunnen onderscheiden.
Toekomstige Stappen
De onderzoekers willen de ontwikkelde apparatuur in de toekomst uittesten op dieren. De nieuwe experimenten kunnen dan laten zien hoe de UmboMic reageert op implantatie. Daarnaast gaat het team op zoek naar manieren om de sensor te voorzien van een omhulsel waarmee deze tot 10 jaar veilig in het lichaam kan blijven. Dat omhulsel moet tegelijkertijd flexibel genoeg zijn om trillingen vast te leggen. Implantaten worden vaak verpakt in titanium, maar dat zou te stijf zijn voor de UmboMic.
