Según los Institutos Nacionales de Salud, los implantes cocleares, pequeños dispositivos electrónicos que pueden proporcionar una sensación de sonido a personas sordas o con problemas de audición, han ayudado a mejorar la audición de más de un millón de personas en todo el mundo.
Sin embargo, hoy en día los implantes cocleares se implantan sólo parcialmente y dependen de hardware externo que generalmente se coloca en el costado de la cabeza. Estos componentes limitan a los usuarios que, por ejemplo, no pueden nadar, hacer ejercicio o dormir mientras usan la unidad externa, y pueden hacer que otros abandonen el implante por completo.
En el camino hacia un implante coclear totalmente internalizado, un equipo multidisciplinario de investigadores del MIT, Massachusetts Eye and Ear, la Facultad de Medicina de Harvard y la Universidad de Columbia ha desarrollado un micrófono implantable que funciona tan bien como lo demuestran los micrófonos comerciales para audífonos externos. El micrófono es una de las mayores barreras para la adopción total de los implantes cocleares.
Este pequeño micrófono, un sensor hecho de material piezoeléctrico biocompatible, mide pequeños movimientos en la parte inferior del tímpano. Los materiales piezoeléctricos generan una carga eléctrica cuando se comprimen o estiran. Para maximizar el rendimiento del dispositivo, el equipo también desarrolló un amplificador de bajo ruido que amplifica la señal al tiempo que reduce el ruido de los componentes electrónicos.
Aunque se deben superar muchos desafíos antes de que un micrófono de este tipo pueda usarse con un implante coclear, el equipo colaborativo espera seguir perfeccionando y probando el prototipo, que ha estado en desarrollo durante una década en el MIT y Mass Eye and Ear. El trabajo comenzó hace mucho tiempo.
“Comienza con los otorrinolaringólogos que están con él todos los días de la semana, tratando de mejorar la audición de las personas, reconociendo una necesidad y trayendo esa necesidad a nosotros. Si este equipo “¿Dónde estaríamos si no fuera por la contribución?” del .
Los coautores de Lang incluyen a los coautores principales Emma Wawrzenik, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica e informática (EECS), y Aaron Yzer SM ’21; Incluido. así como el estudiante graduado en ingeniería mecánica John Zhang; Lucas Graf y Christopher McHugh de Mass Eye and Ear; Ioannis Kymissis, Profesor Kenneth Breyer de Ingeniería Eléctrica en Columbia; Elizabeth S. Olson, profesora de ingeniería biomédica y biofísica auditiva en Columbia; y el coautor principal Hideko Heidi Nakajima, profesor asociado de otorrinolaringología y cirugía de cabeza y cuello en la Facultad de Medicina de Harvard y Mass Eye and Ear. La investigación se publica hoy. Revista de Micromecánica y Microingeniería..
Superar la discontinuidad del implante
Los micrófonos de implante coclear normalmente se colocan en el borde de la cabeza, lo que significa que los usuarios no pueden aprovechar el filtrado de ruido y las señales de localización del sonido que proporciona la estructura del oído externo.
Los micrófonos totalmente montables ofrecen muchas ventajas. Pero la mayoría de los dispositivos actualmente en desarrollo, que detectan el sonido debajo de la piel o el movimiento de los huesos del oído medio, pueden tener dificultades para capturar sonidos suaves y frecuencias amplias.
Para el nuevo micrófono, el equipo se centró en una parte del oído medio llamada umbo. El umbo se mueve unidireccionalmente (hacia adentro y hacia afuera), lo que hace que estos movimientos simples sean fáciles de entender.
Aunque el umbo tiene el mayor rango de movimiento de los huesos del oído medio, sólo se mueve unos pocos nanómetros. Desarrollar un instrumento para medir vibraciones tan bajas presenta sus propios desafíos.
Además de eso, cualquier sensor implantable debe ser biocompatible y capaz de soportar el entorno húmedo y dinámico del cuerpo sin sufrir daños, lo que limita los materiales que se pueden utilizar.
“Nuestro objetivo es que un cirujano implante el dispositivo al mismo tiempo que un implante coclear y un procesador internalizado, lo que significa trabajar alrededor de la estructura del oído interno sin interrumpir ninguno de los procesos que tienen lugar allí, mejorando la cirugía”, dice Wawrzynek.
Con una cuidadosa ingeniería, el equipo superó estos desafíos.
Crearon el UmboMic, un sensor de movimiento triangular de 3 mm por 3 mm que consta de dos capas de un material piezoeléctrico biocompatible llamado difluoruro de polivinilideno (PVDF). Estas capas de PVDF se intercalan entre dos lados de una placa de circuito impreso (PCB) flexible, creando un micrófono que tiene aproximadamente el tamaño de un grano de arroz y 200 micrómetros de espesor. (Un cabello humano promedio tiene aproximadamente 100 micrómetros de espesor).
La punta estrecha del UmboMic se colocará contra el umbo. Cuando el ambón vibra y empuja contra el material piezoeléctrico, las capas de PVDF se doblan y generan cargas eléctricas, que se miden mediante electrodos en la capa de PCB.
Mejorando el rendimiento
El equipo utilizó un diseño de “sándwich de PVDF” para reducir el ruido. Cuando el sensor gira, una capa de PVDF produce una carga positiva y la otra una carga negativa. La interferencia eléctrica se suma a ambos por igual, por lo que tomar la diferencia entre las cargas elimina el ruido.
El uso de PVDF ofrece muchas ventajas, pero el material hace que la fabricación sea particularmente desafiante. El PVDF pierde sus propiedades piezoeléctricas cuando se expone a temperaturas superiores a 80 grados Celsius, pero el titanio, otro material biocompatible, requiere temperaturas mucho más altas para vaporizarse y depositarse en el sensor. Wawrzynek resolvió este problema depositando gradualmente el titanio e instalando un disipador de calor para enfriar el PVDF.
Pero desarrollar el sensor fue sólo la mitad de la batalla: las vibraciones del ambón son tan pequeñas que el equipo necesitó amplificar la señal sin introducir demasiado ruido. Cuando no pudieron encontrar un amplificador de bajo ruido adecuado que además consumiera muy poca energía, construyeron el suyo propio.
Con ambos prototipos, los investigadores probaron el UmboMic en tímpanos humanos de cadáveres y descubrieron que tenía un rendimiento sólido dentro del rango de volumen y frecuencia del habla humana. Los micrófonos y amplificadores también tienen un nivel de ruido bajo, lo que significa que pueden distinguir sonidos muy silenciosos del nivel de ruido general.
“Una cosa que descubrimos que fue realmente interesante es que la respuesta de frecuencia del sensor se ve afectada por la anatomía del oído en el que estamos probando, porque el ambón se mueve de manera ligeramente diferente en los oídos de diferentes personas”, dice Wawrzynk.
Los investigadores se están preparando para comenzar estudios con animales vivos para explorar más a fondo este hallazgo. Estos experimentos también les ayudarán a determinar cómo responde UmboMic cuando se implanta.
Además, están estudiando formas de envolver el sensor para que pueda permanecer intacto en el cuerpo hasta por 10 años y al mismo tiempo ser lo suficientemente flexible como para captar vibraciones. Los implantes suelen estar empaquetados en titanio, lo que sería demasiado duro para el UmboMic. También planean encontrar formas de montar el UmboMic que no introduzcan vibraciones.
“Los resultados de este artículo demuestran la respuesta de banda ancha y el bajo ruido necesarios para funcionar como un sensor acústico. Este resultado es sorprendente, ya que el ancho de banda y el nivel de ruido son muy competitivos con los micrófonos comerciales para audífonos. El rendimiento es prometedor. El enfoque, Lo que debería animar a otros a adoptar el concepto, supongo, es aliviar los problemas de implantación y duración de la batería de los dispositivos de próxima generación. La electrónica requeriría ingeniería de la Universidad de Michigan, que no participó en este trabajo.
Esta investigación fue financiada, en parte, por los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación Cloita en Zurich, Suiza, y el Fondo de Investigación de la Universidad de Basilea, Suiza.
