研究植入式麦克风或将实现完全内置式人工耳
在开发完全内置式人工耳蜗的过程中，麻省理工学院、医院、哈佛医学院和哥伦比亚大学的多学科研究团队已经开发出一种可植入式麦克风，其性能与商用外部助听器麦克风一样好。麦克风仍然是采用完全内置式人工耳蜗的最大障碍之一。
这个微型麦克风是一种由生物相容性压电材料制成的传感器，可以测量耳膜下侧的微小运动。压电材料在压缩或拉伸时会产生电荷。为了最大限度地提高设备的性能，该团队还开发了一种低噪声放大器，它可以增强信号，同时最大限度地降低电子设备的噪声。
虽然在将这种麦克风用于人工耳蜗之前必须克服许多挑战，但合作团队期待进一步完善和测试这个原型，该原型建立在十多年前麻省理工学院医院开始的研究基础之上。
“如果没有这次团队合作，我们就不会取得今天的成就，”电子研究实验室(RLE)成员、维特斯电气工程教授JeffreyLang说，他是在《微机械与微工程杂志》（JournalofMicromechanicsandMicroengineering）上发表有关麦克风的论文的作者之一。
克服植入障碍人工耳蜗麦克风通常放置在头部侧面，这意味着用户无法利用外耳结构提供的噪音过滤和声音定位提示。
完全植入式麦克风具有诸多优势。但目前研发中的大多数设备（可感知皮下声音或中耳骨运动）都难以捕捉到柔和的声音和宽频率。
对于新麦克风，团队瞄准了中耳的一个部位，即耳廓凸。耳廓凸单向振动（向内和向外），使其更容易感知这些简单的运动。
虽然耳廓骨是中耳骨中活动范围最大的，但它的移动幅度只有几纳米。开发一种设备来测量这种微小的振动本身就具有挑战性。
最重要的是，任何可植入传感器都必须具有生物相容性，能够承受身体潮湿、动态的环境而不会造成伤害，这限制了可使用的材料。
“我们的目标是让外科医生在植入人工耳蜗和内置处理器的同时植入该设备，这意味着可以在优化手术的同时绕过耳朵的内部结构，而不会干扰耳朵内正在进行的任何过程，”Wawrzynek说道。
通过精心设计，团队克服了这些挑战。
传感器修整至最终形状。来源：DOI：10./arxiv..
他们发明了UmboMic，这是一种三角形的、mmxmm的运动传感器，由两层生物相容性压电材料聚偏二氟乙烯(PVDF)组成。这些PVDF层夹在柔性印刷电路板(PCB)的两侧，形成一个大约米粒大小、厚度为um的麦克风。（人类头发的平均厚度约为um。）
UmboMic的窄尖端将抵住凸起部分。当凸起部分振动并推压电材料时，PVDF层会弯曲并产生电荷，这些电荷由PCB层中的电极测量。
提高性能该团队采用了“PVDF三明治”设计来降低噪音。当传感器弯曲时，一层PVDF会产生正电荷，另一层会产生负电荷。电干扰会同时增加两层，因此取两者之间的电荷差可以抵消噪音。
差分PVDF悬臂图（未按比例）。我们用两层PVDF夹住柔性PCB基座来构建悬臂。我们将电荷感应电极溅射涂覆到柔性PCB上，并通过薄胶层将电极电容耦合到PVDF。图片来源：arXiv()。DOI：10./arxiv..
使用PVDF有很多优点，但这种材料很难加工。当温度高于80°C以上时，PVDF会失去其压电特性，而将钛（另一种生物相容性材料）气化并沉积到传感器上则需要极高的温度。Wawrzynek通过逐渐沉积钛和使用散热器来冷却PVDF解决了这个问题。
但开发传感器只是成功的一半——耳廓凸的振动非常微小，因此团队需要放大信号，同时又不能引入太多噪音。当他们找不到合适的低噪音放大器且功耗极低时，他们就自己制作了放大器。
在两个原型都安装到位后，研究人员在人耳骨中测试了UmboMic，发现它在人声的强度和频率范围内具有强大的性能。麦克风和放大器的本底噪声也很低，这意味着它们可以从整体噪声水平中区分出非常安静的声音。
“我们观察到一个非常有趣的现象，传感器的频率响应受到实验者耳部解剖结构的影响，因为耳廓凸在不同人的耳朵中的运动略有不同，”Wawrzynek说。
研究人员正准备开展活体动物研究，以进一步探索这一发现。这些实验还将帮助他们确定UmboMic植入后的反应。
此外，他们还在研究如何封装传感器，以便它能够安全地留在体内长达10年，同时又具有足够的灵活性来捕捉振动。植入物通常用钛制成，而钛对UmboMic来说太硬了。他们还计划探索安装UmboMic时不会引入振动的方法。
“本文的结果显示了作为声学传感器所需的必要的宽带响应和低噪声。这个结果令人惊讶，因为带宽和本底噪声与商用助听器麦克风非常具有竞争力。这种性能表明了该方法的前景，应该会激励其他人采用这一概念。
密歇根大学机械工程学教授卡尔·格罗什(KarlGrosh)表示：“我预计下一代设备将需要更小尺寸的传感元件和更低功耗的电子设备，以提高植入的简易性并延长电池寿命。”
信息源于：medicalxpress
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