ميكروفون متوافق حيويًا لزراعة قوقعة صناعية أفضل

يمكن أن تكون غرسات القوقعة الصناعية – وهي الأطراف الصناعية العصبية المشابهة لأجهزة السمع القياسية – بمثابة نعمة هائلة للأشخاص الذين يعانون من ضعف شديد في السمع. لكن العديد من المستخدمين المحتملين يتم إيقافهم بسبب الأجهزة الخارجية المرهقة للجهاز، والتي يجب ارتداؤها لمعالجة الإشارات التي تمر عبر الغرسة. لذلك، يعمل الباحثون على صناعة غرسة قوقعة صناعية توضع بالكامل داخل الأذن، لاستعادة القدرة على الكلام والإدراك الصوتي دون قيود نمط الحياة التي تفرضها الأجهزة الحالية.

يوفر الميكروفون الجديد المتوافق حيويًا جسرًا لمثل هذه الغرسات القوقعية الداخلية بالكامل. يبلغ حجم الميكروفون حجم حبة الأرز تقريبًا، وهو مصنوع من مادة كهرضغطية مرنة تقيس بشكل مباشر حركة طبلة الأذن الناتجة عن الصوت. تتطابق حساسية الميكروفون الصغير مع حساسية أفضل أدوات السمع الخارجية المتوفرة حاليًا.

تخلق غرسات القوقعة الصناعية مسارًا جديدًا للأصوات للوصول إلى الدماغ. يقوم ميكروفون ومعالج خارجي، يتم ارتداؤه خلف الأذن أو على فروة الرأس، بجمع وترجمة الأصوات الواردة إلى إشارات كهربائية، والتي تنتقل إلى قطب كهربائي يتم زرعه جراحيًا في القوقعة، في عمق الأذن الداخلية. هناك، تحفز الإشارات الكهربائية العصب السمعي مباشرة، وترسل المعلومات إلى الدماغ لتفسيرها على أنها صوت.

ولكن، كما تقول هيديكو هايدي ناكاجيما، الأستاذة المشاركة في طب الأنف والأذن والحنجرة في كلية الطب بجامعة هارفارد وجامعة ماساتشوستس للعيون والأذن، “الناس لا يحبون الأجهزة الخارجية”. لا يمكنهم ارتداؤه أثناء النوم، أو أثناء السباحة أو القيام بالعديد من أشكال التمارين الأخرى، ولذلك يتخلى العديد من المرشحين المحتملين عن الجهاز تمامًا. علاوة على ذلك، ينتقل الصوت الوارد مباشرة إلى الميكروفون ويتجاوز الأذن الخارجية، والتي من شأنها أن تؤدي الوظائف الأساسية لتضخيم الصوت وتصفية الضوضاء. يقول ناكاجيما: “الفكرة الكبيرة الآن هي وضع كل شيء – المعالج والبطارية والميكروفون – داخل الأذن”. ولكن حتى في التجارب السريرية للتصميمات الداخلية بالكامل، ظلت حساسية الميكروفون – أو عدم وجودها – عائقًا على الطريق.

ناكاجيما، مع زملائه من _{قام معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة هارفارد وجامعة كولومبيا بتصنيع ميكروفون ناتئ يستشعر حركة عظمة متصلة خلف طبلة الأذن تسمى الأومبو. يؤدي الصوت الذي يدخل قناة الأذن إلى اهتزاز عظم الأومبو في اتجاه واحد، مع إزاحة أكبر بعشر مرات من العظام المجاورة الأخرى. يلامس طرف “UmboMic” الأومبو، وتقوم حركات الأومبو بثني المادة وإنتاج شحنة كهربائية من خلال التأثير الكهرضغطي. يمكن بعد ذلك معالجة هذه الإشارات الكهربائية ونقلها إلى العصب السمعي. يقول ناكاجيما: “نحن نستخدم ما أعطتنا إياه الطبيعة، وهو الأذن الخارجية”.}

لماذا تحتاج زراعة القوقعة الصناعية إلى إلكترونيات منخفضة الضوضاء ومنخفضة الطاقة؟

ومع ذلك، فإن صنع ميكروفون متوافق حيويًا يمكنه اكتشاف حركات طبلة الأذن الصغيرة ليس بالأمر السهل. يشير جيف لانج، أستاذ الهندسة الكهربائية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والذي شارك في قيادة العمل، إلى أن جسم الإنسان يتحمل مواد معينة فقط. التحدي الآخر هو حماية الجهاز من الإلكترونيات الداخلية لتقليل الضوضاء. ثم هناك الموثوقية على المدى الطويل. يقول لانغ: “نود أن تستمر عملية الزرع لعقود من الزمن”.

في اختبارات النموذج الأولي للميكروفون القابل للزرع، يقيس شعاع الليزر حركة الأومبو، والتي يتم نقلها إلى طرف المستشعر. جيف لانج وهايدي ناكاجيما

استقر الباحثون على تصميم مثلثي لجهاز استشعار مقاس 3 × 3 ملم مصنوع من طبقتين من فلوريد البولي فينيلدين (PVDF)، وهو بوليمر كهروضغطي متوافق حيويًا، محصور بين طبقات من البوليمر المرن ذي النمط الكهربائي. عندما ينحني الطرف الكابولي، تنتج إحدى طبقات PVDF شحنة موجبة بينما تنتج الأخرى شحنة سالبة، وبأخذ الفرق بين الطبقتين يلغي الكثير من الضوضاء. يوفر الشكل المثلث توزيع الضغط الأكثر اتساقًا داخل الكابول المنحني، مما يزيد من الإزاحة التي يمكن أن يتعرض لها قبل أن ينكسر. يقول لانغ: “يستطيع المستشعر اكتشاف الأصوات الموجودة أسفل الهمس الهادئ”.

تقول إيما واورزينك، وهي طالبة دراسات عليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، إن العمل مع PVDF أمر صعب لأنه يفقد خصائصه الكهرضغطية عند درجات حرارة عالية، ومعظم تقنيات التصنيع تتضمن تسخين العينة. وتقول: “يمثل هذا تحديًا، خاصة فيما يتعلق بالتغليف”، الذي يتضمن تغليف الجهاز بطبقة واقية حتى يظل آمنًا داخل الجسم. حققت المجموعة نجاحًا من خلال ترسيب التيتانيوم والذهب تدريجيًا في مادة PVDF أثناء استخدام المشتت الحراري لتبريده. أدى هذا النهج إلى إنشاء طبقة درع تحمي الأقطاب الكهربائية المستشعرة للشحنة من التداخل الكهرومغناطيسي.

الأداة الأخرى لتحسين أداء الميكروفون هي بالطبع تضخيم الإشارة. يقول لانغ: “من ناحية الإلكترونيات، لا يمثل مضخم الصوت المنخفض بالضرورة تحديًا كبيرًا إذا كنت على استعداد لإنفاق طاقة إضافية”. ولكن، وفقًا لطالب الدراسات العليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، جون تشانغ، يحاول مصنعو غرسات القوقعة الصناعية الحد من طاقة الجهاز بأكمله إلى 5 مللي واط، و1 مللي واط فقط للميكروفون. يقول تشانغ: “من الصعب تحقيق المقايضة بين الضوضاء والطاقة”. قام هو وزميله الطالب آرون ييسر بتطوير مضخم صوت مخصص منخفض الضوضاء ومنخفض الطاقة يتفوق على الخيارات المتاحة تجاريًا.

يقول ناكاجيما: “كان هدفنا هو تقديم أداء أفضل من أو على الأقل مساويًا لأداء الميكروفونات الخارجية ذات السعة العالية”. بالنسبة للميكروفونات الخارجية الرائدة في مجال السمع، يعني ذلك حساسية تصل إلى 30 ديسيبل مستوى ضغط الصوت – أي ما يعادل الهمس. في اختبارات UmboMic على الجثث البشرية، قام الباحثون بزرع الميكروفون ومكبر الصوت بالقرب من الأمبو، وإدخال الصوت من خلال قناة الأذن، وقياس ما تم استشعاره. وصل أجهزتهم إلى 30 ديسيبل في نطاق الترددات من 100 هرتز إلى 6 كيلو هرتز، وهو المعيار القياسي لزراعة القوقعة الصناعية وأجهزة السمع ويغطي ترددات الكلام البشري. “لكن إضافة تأثيرات تصفية الأذن الخارجية يعني أننا نقوم بعمل أفضل [than traditional hearing aids]يقول ناكاجيما: “حتى 10 ديسيبل، خاصة في ترددات الكلام”.

هناك الكثير من الاختبارات التي تنتظرنا، على مقاعد البدلاء وعلى الأغنام قبل إجراء تجربة بشرية في نهاية المطاف. ولكن إذا نجح UmboMic في النجاح، يأمل الفريق أن يساعد أكثر من مليون شخص حول العالم على ممارسة حياتهم بإحساس جديد بالصوت.

نُشر العمل في 27 يونيو في مجلة مجلة الميكانيكا الدقيقة والهندسة الدقيقة.