Un micrófono implantable puede dar lugar a implantes cocleares totalmente internos

Hoy en día, sin embargo, los implantes cocleares sólo se implantan parcialmente y dependen de dispositivos externos, generalmente ubicados en el costado de la cabeza. Estos componentes limitan a los usuarios que, por ejemplo, no pueden nadar, hacer ejercicio o dormir mientras usan el dispositivo externo, y pueden llevar a otros a abandonar el implante por completo.

Para crear un implante coclear completamente interno, un equipo multidisciplinario de investigadores del MIT, Massachusetts Eye and Ear, la Facultad de Medicina de Harvard y la Universidad de Columbia han desarrollado un micrófono implantable que funciona tan bien como los micrófonos comerciales para audífonos externos. El micrófono sigue siendo una de las mayores barreras para la aceptación de un implante coclear totalmente internalizado.

Este diminuto micrófono, un sensor hecho de material piezoeléctrico biocompatible, mide pequeños movimientos en la parte inferior del tímpano. Los materiales piezoeléctricos crean una carga eléctrica cuando se comprimen o estiran. Para maximizar el rendimiento del dispositivo, el equipo también diseñó un amplificador de bajo ruido que mejora la señal al tiempo que reduce el ruido de los componentes electrónicos.

Aunque hay muchos desafíos que superar antes de que un micrófono de este tipo pueda usarse con un implante coclear, el equipo colaborativo espera seguir desarrollando y probando este prototipo, que se basa en el trabajo iniciado en el MIT y Mass Eye and Ear hace más de una década. .

«Todo comienza con los otorrinolaringólogos que trabajan en esto todos los días de la semana, tratando de mejorar la audición de las personas, reconociendo la necesidad y haciéndonos llegar esa necesidad. Sin la colaboración de este equipo, no estaríamos donde estamos hoy. «, dice Jeffrey Lang, profesor de Ingeniería Eléctrica de Vitesse, miembro del Laboratorio de Investigación en Electrónica (RLE) y coautor del artículo sobre el micrófono.

Los coautores de Lang incluyen a los coautores Emma Vavzynek, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica e informática (EECS), y Aaron Yeiser SM ’21; así como el estudiante de Maestría en Ingeniería Mecánica John Zhang; Lukas Graf y Christopher McHugh de Mass Eye and Ear; Ioannis Kymissis, Profesor Kenneth Brayer de Ingeniería Eléctrica en Columbia; Elizabeth S. Olson, profesora de Ingeniería Biomédica y Biofísica Auditiva de Columbia; y el coautor Hideko Heidi Nakajima, profesor asociado de otorrinolaringología, cirugía de cabeza y cuello en la Facultad de Medicina de Harvard y Mass Eye and Ear. El estudio se publica hoy. Revista de Micromecánica y Microingeniería..

Superar el impasse de los implantes

Los micrófonos de implante coclear generalmente se colocan en el costado de la cabeza, lo que significa que los usuarios no pueden utilizar el filtrado de ruido y la guía de localización del sonido que proporciona la estructura del oído externo.

Los micrófonos totalmente implantables ofrecen muchas ventajas. Sin embargo, la mayoría de los dispositivos desarrollados actualmente que detectan el sonido debajo de la piel o el movimiento de los huesos del oído medio pueden tener dificultades para captar sonidos suaves y frecuencias amplias.

Para el nuevo micrófono, el equipo se centró en una parte del oído medio llamada umbo. El umbo vibra unidireccionalmente (hacia adentro y hacia afuera), lo que hace que estos movimientos simples sean más fáciles de sentir.

Aunque el umbo tiene el mayor rango de movimiento de los huesos del oído medio, sólo se mueve unos pocos nanómetros. Desarrollar un dispositivo de medición de vibraciones tan pequeño presenta sus propios desafíos.

Además, 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 el cirujano implante este dispositivo al mismo tiempo que el implante coclear y el procesador internalizado, lo que significa optimizar la operación y tratar las estructuras internas del oído sin alterar ninguno de los procesos que allí tienen lugar», Wawrzynek. dice.

A través de una cuidadosa ingeniería, el equipo superó estos desafíos.

Crearon el UmboMic, un sensor de movimiento triangular de 3 x 3 milímetros compuesto por dos capas de un material piezoeléctrico biocompatible llamado difluoruro de polivinilideno (PVDF). Estas capas de PVDF están intercaladas en ambos lados de una placa de circuito impreso (PCB) flexible, formando un micrófono del tamaño de un grano de arroz y 200 micrómetros de espesor. (El cabello humano promedio tiene aproximadamente 100 micrómetros de espesor).

El extremo estrecho del UmboMic se colocaría contra el umbo. Cuando el umbo vibra y presiona contra el material piezoeléctrico, las capas de PVDF se doblan y generan cargas eléctricas que se miden mediante electrodos en la capa de PCB.

Impulsar el rendimiento

El equipo utilizó un diseño de «sándwich de PVDF» para reducir el ruido. Cuando se dobla el sensor, una capa de PVDF crea una carga positiva y la otra negativa. La interferencia eléctrica aumenta ambos por igual, por lo que tener en cuenta la diferencia entre las cargas elimina el ruido.

El uso de PVDF tiene muchas ventajas, pero el material dificulta especialmente la fabricación. El PVDF pierde sus propiedades piezoeléctricas cuando se expone a temperaturas superiores a unos 80 grados Celsius; sin embargo, se requieren temperaturas muy altas para vaporizar y depositar titanio, otro material biocompatible, en el sensor. Wawrzynek resolvió este problema depositando gradualmente el titanio y utilizando un disipador de calor para enfriar el PVDF.

Pero desarrollar el sensor fue sólo la mitad de la batalla: las vibraciones del umbo son tan pequeñas que el equipo tuvo que amplificar la señal sin hacer demasiado ruido. Cuando no pudieron encontrar un amplificador de bajo ruido adecuado que además consumiera muy poca energía, construyeron el suyo propio.

Una vez instalados ambos prototipos, los investigadores probaron el UmboMic en huesos de oídos humanos procedentes de cadáveres y descubrieron que tenía un gran rendimiento en todo el rango de volumen y frecuencia del habla humana. El micrófono y el amplificador juntos también tienen un nivel de ruido bajo, lo que significa que pueden distinguir sonidos muy bajos del nivel de ruido general.

«Una cosa que vimos que fue realmente interesante es que la respuesta de frecuencia del sensor se ve afectada por la anatomía del oído con el que estamos experimentando, porque el umbo se mueve de manera un poco diferente en los oídos de diferentes personas», dice Vavzinek.

Los investigadores están a punto de comenzar estudios con animales vivos para investigar más a fondo este hallazgo. Estos experimentos también les ayudarán a determinar cómo responde UmboMic a la implantación.

Además, están investigando formas de encapsular el sensor para que pueda permanecer de forma segura en el cuerpo hasta 10 años, pero que siga siendo lo suficientemente flexible como para captar vibraciones. Los implantes suelen estar empaquetados en titanio, lo que sería demasiado rígido para el UmboMic. También planean explorar métodos para montar el UmboMic que no causen vibraciones.

«Los resultados presentados en este artículo demuestran la respuesta de banda ancha necesaria y el bajo nivel de ruido necesarios para funcionar como un sensor acústico. Este resultado es sorprendente porque el ancho de banda y el nivel de ruido son muy competitivos con los micrófonos comerciales para audífonos. Este rendimiento es prometedor. Creo que «Los dispositivos de próxima generación requerirán elementos sensores más pequeños y componentes electrónicos de menor potencia para facilitar la implantación y mejorar la duración de la batería», dice Carl Grosch, profesor de ciencias mecánicas. en ingeniería en la Universidad de Michigan, que no participó en este trabajo.

Este estudio fue financiado en parte por los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación Cloetta, Zurich, Suiza, y la Fundación de Investigación de la Universidad de Basilea, Suiza.