植入式PVDF压电麦克风，助力实现完全内置人工耳蜗
2024-07-03 23:42:54   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

这种微型生物相容性压电麦克风，有望攻克阻碍完全内置人工耳蜗的最大障碍。

据麦姆斯咨询介绍，人工耳蜗是一种微型电子设备，可以为耳聋或听力障碍人群提供声音感知，已经帮助全球超过一百万人改善听力。

然而，如今的人工耳蜗是部分植入式的，通常还需要置于头部侧面的外部硬件。这些组件对用户活动造成了一定的限制，例如，用户在佩戴这些外部设备时无法游泳、锻炼或睡觉，这可能导致部分患者完全放弃耳蜗植入。

在打造完全内置人工耳蜗的过程中，麻省理工学院（MIT）、哈佛大学医学院附属麻省眼耳医院和哥伦比亚大学的多学科联合研究团队研发出一种植入式压电麦克风，其性能与商用外部助听器麦克风相当。目前，麦克风仍然是完全内置式人工耳蜗的最大障碍之一。

研究人员开发的这种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器件性能，该团队还开发了一种低噪声放大器，以增强信号，同时最大限度地减少电子器件的噪声。

该压电麦克风原型基于麻省理工学院和麻省眼耳医院自十多年前就开始的研究积累。当然，这种麦克风要想真正应用于人工耳蜗仍有许多挑战有待克服，合作团队期待进一步完善并测试该原型。

“其灵感始于耳科医生，他们每天都在努力改善人们的听力，了解用户的需求，并将这种需求带给了我们。凭借团队合作，我们才能取得目前的研究成果。”电子研究实验室（RLE）成员、Vitesse电气工程教授Jeffrey Lang说。

攻克植入挑战

传统的人工耳蜗麦克风通常置于头部一侧，这意味着用户无法利用外耳结构提供的噪声过滤和声音定位信息。

完全植入式麦克风具有许多优点。但目前正在开发的大多数器件都是用来感知皮肤下的声音或中耳骨的运动，难以捕捉柔和的声音和宽广的频率。

对于这种新型压电麦克风，研究团队将中耳的一个称为“Umbo”的部分（鼓膜内面凸出处）作为目标。Umbo单向振动（向内和向外），使其更易于感知这些简单的运动。

虽然Umbo是中耳骨骼中运动范围最大的部分，但其移动幅度也仅为几纳米。开发能够测量这种微小振动的器件本身就面临着挑战。

最重要的是，任何植入式传感器都必须具有生物相容性，并且能够承受人体潮湿、动态的环境而不造成损害，这又限制了器件可以使用的材料。

“我们的目标是外科医生在植入人工耳蜗和内置处理器的同时植入该器件，这意味着要围绕耳朵内部结构并且不干扰其正常活动的情况下优化手术。”该论文共同作者电气工程和计算机科学（EECS）研究生Emma Wawrzynek介绍说。

通过精心设计，研究团队克服了这些挑战。

他们成功打造了了UmboMic——一种三角形的3 mm x 3 mm运动传感器，由两层聚偏二氟乙烯（PVDF）生物相容性压电材料组成。这些PVDF层夹在柔性印刷电路板的两侧，形成一个米粒大小、厚度为200 um的麦克风（人类头发的平均厚度约为100 um）。

UmboMic的狭窄尖端将靠在Umbo上。当Umbo振动并推动压电材料时，PVDF层弯曲并产生电荷，再利用柔性印刷电路板层中的电极测量这些电荷。

增强性能

研究团队采用一种“PVDF三明治”设计来降低噪音。当传感器弯曲时，一层PVDF产生正电荷，另一层产生负电荷。电气干扰对两者的影响相同，因此采用电荷之间的差值可以抵消噪声。

采用PVDF具有许多优点，但这种材料使制造过程特别困难。PVDF暴露在约80℃以上的温度下会失去其压电特性，然而要将另一种生物相容性材料钛蒸发并沉积到传感器上又需要非常高的温度。Wawrzynek通过逐步沉积钛并使用散热器冷却PVDF来解决这个问题。

然而，开发传感器只成功了一半，Umbo的振动非常微小，研究团队需要在不引入太多噪音的情况下放大信号。当他们找不到合适且功耗极低的低噪声放大器时，就自己开发了一个放大器。

两个原型都就位后，研究人员在尸体的人耳骨中测试了UmboMic，发现它在人类语音的强度和频率范围内具有卓越的性能。并且，压电麦克风和放大器的本底噪声也较低，这意味着它们可以将非常安静的声音与整体噪声水平区分开来。

“我们发现的非常有趣的一件事是，传感器的频率响应受到我们正在试验的耳朵解剖结构的影响，因为不同人的Umbo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。这些实验将帮助他们确定 UmboMic植入后的反应。

此外，他们正在研究封装传感器的方法，使其可以安全地在人体内留置长达10年仍足以捕捉振动。植入物通常采用钛封装，这对于UmboMic来说太坚硬。他们还计划探索安装UmboMic的方法，以避免引入额外的振动。

密歇根大学机械工程教授Karl Grosh没有参与这项研究，他评价称：“该研究成果显示了作为声学传感器所需要的宽带响应和低噪声。结果令人欣喜，因为其带宽和本底噪声与商用助听器麦克风相比非常具有竞争力。这一表现显示了该方法的前景，这应该会激励其他研究人员采用这一概念。我预计下一代器件将需要更小尺寸的传感元件和更低功率的电子器件，以提高植入的便利性，并改善电池的寿命问题。”

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