دانشمندان MIT, هاروارد و کلمبیا میکروفون‌های قابل کاشت برای ناشنوایان ایجاد کردند
تیمی از محققان سنسور نوآورانه‌ای به نام UmboMic را توسعه داده‌اند که منجر به ایجاد سمعک‌های کاملاً داخلی می‌شود.
سنسور UmboMic که از پلی‌وینیلیدین دی‌فلوئوراید (PVDF) ساخته شده است، انعطاف‌پذیر و ایمن برای استفاده در بدن می‌باشد. تلاش‌های آنها منجر به ایجاد میکروفونی قابل کاشت با عملکردی مشابه میکروفون‌های خارجی سمعک‌های تجاری شد.
به گفته محققان، این نوآوری یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های دستیابی به کاشت حلزون کاملاً داخلی را برطرف می‌کند.
راه‌حل‌های شنوایی داخلی
کاشت‌های حلزون معمولاً فقط به صورت جزئی درون بدن کاشته می‌شوند و وابسته به سخت‌افزار‌های خارجی‌ای هستند که در کنار سر قرار می‌گیرند. این قطعه خارجی کاربران را محدود می‌کند و از شنا، ورزش یا خوابیدن با آن جلوگیری می‌کند. در نتیجه، برخی افراد تصمیم می‌گیرند از کاشت‌های حلزون استفاده نکنند.
از آنجایی که میکروفون‌های کاشت حلزون معمولاً در کنار سر قرار می‌گیرند، کاربران نمی‌توانند از نشانه‌های طبیعی محلی‌سازی صدا و قابلیت‌های فیلتر نویز گوش خارجی بهره‌مند شوند.
به گفته محققان، مزایای میکروفون‌های کاملاً کاشت شده بسیار است. با این حال، بیشتر دستگاه‌های جدیدی که صدا را از طریق پوست یا حرکت استخوان‌های گوش میانی تشخیص می‌دهند، در ضبط صداهای ظریف و دامنه‌های فرکانسی گسترده مشکل دارند.
تیم ما موقعیت هدف برای میکروفون جدید را منطقه‌ای از گوش میانی به نام امبو (umbo) انتخاب کرد. امبو به یک جهت، به داخل و بیرون، می‌لرزد، که به درک این حرکات اساسی کمک می‌کند.
«هدف ما این است که جراح در همان زمان که دستگاه کاشت حلزون و پردازنده داخلی را قرار می‌دهد، این دستگاه را نیز کاشت کند، که به معنی بهینه‌سازی جراحی در حین کار در اطراف ساختارهای داخلی گوش بدون اختلال در هیچ‌یک از فرایند‌های آنجا است»، گفت اما وارژینک، دانشجوی تحصیلات تکمیلی مهندسی برق و علوم کامپیوتر (EECS) و یکی از نویسندگان این مطالعه، در یک بیانیه.
طراحی کاهنده نویز
تیم UmboMic، سنسوری با حرکت سه‌گوش به اندازه ۳ میلی‌متر در ۳ میلی‌متر و ساخته شده از دو لایه PVDF که یک ماده پیزوالکتریک زیست‌سازگار است، توسعه دادند.
این لایه‌های PVDF در دو طرف یک مدار چاپی انعطاف‌پذیر (PCB) قرار گرفتند و میکروفونی به اندازه یک دانه برنج و ۲۰۰ میکرومتر ضخامت ایجاد کردند (برای مقایسه، یک موی انسانی به طور متوسط حدود ۱۰۰ میکرومتر ضخامت دارد).
به گفته محققان، نوک باریک UmboMic برای قرار گرفتن در برابر امبو طراحی شده است. وقتی امبو لرزش می‌کند، به ماده پیزوالکتریک فشار می‌آورد و باعث خم شدن لایه‌های PVDF و تولید بارهای الکتریکی می‌شود. این بارها سپس توسط الکترودهای موجود در لایه PCB اندازه‌گیری می‌شوند.
تیم طراحی «ساندویچ PVDF» را برای کاهش نویز ایجاد کرد، که در آن بارهای مثبت و منفی از لایه‌های PVDF تداخل الکتریکی را لغو می‌کنند.
محققان برجسته کرده‌اند که ساخت این دستگاه چالش‌برانگیز بود زیرا PVDF در دماهای بالای ۸۰ درجه سانتی‌گراد خواص خود را از دست می‌دهد، اما آنها با تدریجی افزودن تیتانیوم با یک سینک حرارتی موفق شدند. برای تقویت لرزش‌های کوچک امبو بدون افزودن نویز، همچنین یک تقویت‌کننده سفارشی با نویز کم و مصرف کم انرژی توسعه دادند.
سنسور شنیداری پیشرفته
محققان نمونه‌های اولیه UmboMic را در استخوان‌های گوش انسان از اجساد تست کردند و عملکرد قوی در دامنه شدت و فرکانسی گفتار انسانی پیدا کردند. میکروفون و تقویت‌کننده نویز پایین داشتند و این امکان را فراهم می‌کرد که صداهای بسیار آرام تشخیص داده شوند.
«یکی از چیزهایی که دیدیم و واقعاً جالب بود این است که پاسخ فرکانسی سنسور تحت تأثیر آناتومی گوش قرار می‌گیرد که ما بر روی آن کار می‌کنیم، زیرا امبو در گوش‌های مختلف افراد کمی متفاوت حرکت می‌کند»، گفت وارژینک.
تیم در حال آمادگی برای مطالعات بر روی حیوانات زنده است تا این یافته را بیشتر بررسی کند و به واکنش UmboMic به کاشت پی ببرد. آنها همچنین روش‌های محصورسازی را برای حفظ ایمنی سنسور در بدن تا ۱۰ سال در حالی که انعطاف‌پذیری حفظ شود، بررسی می‌کنند، از تیتانیوم سخت اجتناب می‌کنند و تکنیک‌های نصب بدون لرزش را کاوش می‌کنند.
جزئیات این مطالعه که توسط محققان MIT، بیمارستان چشم و گوش ماساچوست، مدرسه پزشکی هاروارد و دانشگاه کلمبیا هدایت شد، در Journal of Micromechanics and Microengineering منتشر شد.
