Cochlea-Implantate, diese Nervenprothesen, die herkömmlichen Hörgeräten entsprechen, können für Menschen mit hochgradigem Hörverlust eine große Hilfe sein. Doch viele potenzielle Anwender schrecken vor der sperrigen externen Hardware des Geräts zurück, die getragen werden muss, um die durch das Implantat geleiteten Signale zu verarbeiten. Die Forscher arbeiteten daher an der Entwicklung eines Cochlea-Implantats, das vollständig in das Ohr passt, um die Sprach- und Klangwahrnehmung ohne die Einschränkungen des Lebensstils durch aktuelle Geräte wiederherzustellen.
Ein neues biokompatibles Mikrofon bietet einen Zugang zu solchen vollständig internen Cochlea-Implantaten. Das etwa reiskorngroße Mikrofon besteht aus einem flexiblen piezoelektrischen Material, das die durch Schall verursachte Bewegung des Trommelfells direkt misst. Die Empfindlichkeit dieses winzigen Mikrofons entspricht der der besten externen Hörgeräte von heute.
Cochlea-Implantate schaffen einen neuen Weg, über den Geräusche das Gehirn erreichen. Ein externes Mikrofon und ein Prozessor, die hinter dem Ohr oder auf der Kopfhaut getragen werden, sammeln und wandeln eingehende Geräusche in elektrische Signale um, die an eine Elektrode übertragen werden, die chirurgisch in der Cochlea tief im Innenohr implantiert wird. Dort stimulieren elektrische Signale direkt den Hörnerv und senden Informationen an das Gehirn, um diese als Geräusche zu interpretieren.
Aber, sagt Hideko Heidi Nakajima, außerordentliche Professorin für HNO-Heilkunde an der Harvard Medical School und Massachusetts Eye and Ear: „Menschen mögen keine externen Geräte.“ Sie können es nicht beim Schlafen, Schwimmen oder bei anderen Übungen tragen und so verzichten viele potenzielle Kandidaten ganz auf das Gerät. Darüber hinaus gelangt der eingehende Schall direkt in das Mikrofon und umgeht das Außenohr, das sonst die Schlüsselfunktionen der Schallverstärkung und Geräuschfilterung übernehmen würde. „Die Hauptidee besteht jetzt darin, alles – Prozessor, Akku, Mikrofon – in das Ohr zu stecken“, erklärt Nakajima. Aber selbst in klinischen Studien mit vollständig hauseigenen Designs bleibt die Mikrofonempfindlichkeit – oder deren Fehlen – ein Hindernis.
Nakajima, mit Kollegen aus Das MIT, Harvard und die Columbia University haben ein freitragendes Mikrofon entwickelt, das die Bewegung eines hinter dem Trommelfell befestigten Knochens, eines sogenannten Umbo, erkennt. Schall, der in den Gehörgang eindringt, führt dazu, dass der Umbo in eine Richtung vibriert, wobei die Verschiebung zehnmal größer ist als bei anderen benachbarten Knochen. Die Spitze des „UmboMic“ berührt den Umbo, und die Bewegungen des Umbo biegen das Material und erzeugen durch den piezoelektrischen Effekt eine elektrische Ladung. Diese elektrischen Signale können dann verarbeitet und an den Hörnerv weitergeleitet werden. „Wir nutzen das, was uns die Natur gegeben hat, nämlich das äußere Ohr“, erklärt Nakajima.
Warum ein Cochlea-Implantat rauscharme Elektronik mit geringem Stromverbrauch erfordert
Die Herstellung eines biokompatiblen Mikrofons, das kleinste Bewegungen des Trommelfells erkennen kann, ist nicht einfach. Jeff Lang, Professor für Elektrotechnik am MIT und Co-Direktor der Arbeit, betont, dass nur bestimmte Materialien vom menschlichen Körper vertragen werden. Eine weitere Herausforderung besteht darin, das Gerät von internen elektronischen Komponenten abzuschirmen, um Rauschen zu reduzieren. Und dann ist da noch die langfristige Zuverlässigkeit. „Wir möchten, dass ein Implantat Jahrzehnte hält“, sagt Lang.
Beim Test des implantierbaren Mikrofon-Prototyps misst ein Laserstrahl die Bewegung des Umbo, die auf die Sensorspitze übertragen wird. JEFF LANG UND HEIDI NAKAJIMA
Die Forscher entschieden sich für ein dreieckiges Design für den 3 x 3 Millimeter großen Sensor, der aus zwei Schichten Polyvinylidenfluorid (PVDF), einem biokompatiblen piezoelektrischen Polymer, besteht, das zwischen Schichten aus flexiblem Polymer mit Elektrodenmuster angeordnet ist. Wenn sich die Spitze des Auslegers biegt, erzeugt eine PVDF-Schicht eine positive Ladung und die andere eine negative Ladung. Der Unterschied zwischen den beiden unterdrückt einen Großteil des Rauschens. Die dreieckige Form sorgt für die gleichmäßigste Spannungsverteilung innerhalb des Biegeauslegers und maximiert so die Verschiebung, die er erfahren kann, bevor er bricht. „Der Sensor kann Geräusche unterhalb eines leisen Flüsterns erkennen“, sagt Lang.
Emma Wawrzynek, eine Doktorandin am MIT, erklärt, dass die Arbeit mit PVDF schwierig ist, da es bei hohen Temperaturen seine piezoelektrischen Eigenschaften verliert und die meisten Herstellungstechniken das Erhitzen der Probe beinhalten. „Das ist eine Herausforderung, vor allem bei der Kapselung“, bei der es darum geht, das Gerät mit einer Schutzschicht zu umhüllen, damit es sicher im Körper bleibt, erklärt sie. Dies erreichte die Gruppe, indem sie nach und nach Titan und Gold auf dem PVDF ablagerte und es mithilfe eines Kühlkörpers kühlte. Durch diesen Ansatz wurde eine Abschirmschicht geschaffen, die die Ladungserfassungselektroden vor elektromagnetischen Störungen schützt.
Das andere Werkzeug zur Verbesserung der Leistung eines Mikrofons ist natürlich die Signalverstärkung. „Auf der Elektronikseite muss der Bau eines rauscharmen Verstärkers keine große Herausforderung darstellen, wenn man bereit ist, mehr Energie aufzuwenden“, sagt Lang. Aber laut MIT-Doktorand John Zhang versuchen Hersteller von Cochlea-Implantaten, die Leistung des gesamten Geräts auf 5 Milliwatt und nur 1 Milliwatt für das Mikrofon zu begrenzen. „Der Kompromiss zwischen Lärm und Leistung ist schwer zu finden“, sagt Zhang. Er und sein Kommilitone Aaron Yeiser entwickelten einen maßgeschneiderten Ladungsverstärker mit geringem Rauschen und geringem Stromverbrauch, der kommerziell erhältliche Optionen übertrifft.
„Unser Ziel war es, eine Leistung zu erreichen, die die von externen kapazitiven High-End-Mikrofonen übertrifft oder zumindest erreicht“, erklärt Nakajima. Für führende externe Hörgerätemikrofone bedeutet dies eine Empfindlichkeit von bis zu 30 Dezibel Schalldruckpegel, was einem Flüstern entspricht. Beim Testen des UmboMic an menschlichen Leichen implantierten die Forscher das Mikrofon und den Verstärker in der Nähe des Umbo, leiteten Schall durch den Gehörgang und maßen, was wahrgenommen wurde. Ihr Gerät erreichte 30 Dezibel im Frequenzbereich von 100 Hertz bis 6 Kilohertz, was der Standard für Cochlea-Implantate und Hörgeräte ist und die Frequenzen der menschlichen Sprache abdeckt. „Aber wenn wir die Filtereffekte des Außenohrs hinzufügen, erzielen wir bessere Ergebnisse. [than traditional hearing aids]bis zu 10 dB, insbesondere bei Stimmfrequenzen“, sagt Nakajima.
Vor einem möglichen Versuch am Menschen müssen noch viele Tests auf Prüfständen und an Schafen durchgeführt werden. Aber wenn ihr UmboMic den Test besteht, hofft das Team, dass es mehr als einer Million Menschen auf der ganzen Welt dabei helfen wird, ihr Leben mit einem neuen Klanggefühl zu leben.
Das Werk wurde am 27. Juni im veröffentlicht Zeitschrift für Mikromechanik und Mikrotechnik.
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