Mikrofon ucha środkowego: urządzenie, które może uczynić implanty ślimakowe bardziej funkcjonalnymi

Wynalazek implantu ślimakowego do tej pory przywrócił słuch u 220 tys. głuchoniemych. To świetny wynalazek, jednakże ma on jedną, bardzo dużą wadę: mikrofon i cała elektronika muszą być noszone na głowie, co znacznie zwiększa zawodność urządzenia, a także utrudnia kontakty społeczne oraz takie podstawowe czynności, jak np. pływanie. Jednakże inżynierzy z Uniwersytetu w Utah zaprojektowali prototyp małego miniaturowego mikrofonu wielkości gumki na ołówku, który może zostać wszczepiony do ucha środkowego i zarazem zapobiec tym problem.

Wczesna wersja tego urządzenia została przetestowana z pozytywnym skutkiem na czterech zwłokach. Wyniki testów zostały opublikowane w internetowym wydaniu magazynu "Transakcje na inżynierii biomedycznej", publikowanego przez Instytut
Elektrycznej i Elektronicznej Inżynerii.

Prototyp jednak musi być jeszcze zmniejszony, w dodatku występują problemy z wykrywaniem bardziej cichych oraz niższych dźwięków. Testy wykazały też, że dźwięk jest znacznie lepszy, jeśli z ucha zostanie usunięte kowadełko - jedna z trzech małych kości wewnątrzusznych. Do takiej operacji niezbędna jest zgoda Ministerstwa Leków i Żywności. Obecny prototyp mierzy średnio 2,5 - 6,2 mm i waży 25 miligramów. Wersja, która ma zostać wprowadzona do użytku, ma mieć wymiary 2x2 mm.

Narodowy Instytut Zdrowotny ostatnio ogłosił, że z implantów ślimakowych korzysta niemalże 220 tys. osób głuchoniemych lub mających problemy ze słuchem, z czego jedna trzecia nich to mieszkańcy Stanów Zjednoczonych, z których dwie piąte to dzieci.

W tradycyjnym implancie ślimakowym możemy wyróżnić trzy noszone za uchem części: mikrofon, procesor mowy oraz cewka radiotransmitera. Implanty wewnętrzne wszczepiane za uchem są zarówno odbiornikiem, jak i stymulatorem konwertującym sygnały dźwiękowe w impulsy elektryczne, które idą kablem do 4-16 elektrod, które przesyłają je przez ślimaka wewnętrznego ucha i stymulują nerwy słuchu.

"Noszenie tych wszysykich rzeczy na zewnątrz to straszne utrudnienie" - mówi Darrin J. Young, profesor inżynierii elektronicznej na Uniwersytecie w Utah, który zajmuje się tym urządzeniem. "Proszę sobie wyobrazić np. małe dziecko noszące mikrofon za uchem. Nie dość, że utrudniałoby to mu wiele czynności, to jeszcze mogłoby być ono wyśmiewane przez kolegów w szkole. To samo się tyczy dorosłych: gdy ktoś widzi dorosłego z mikrofonem na swojej głowie, od razu traktuje go jako niepełnosprawnego i, siłą rzeczy, gorszego. Nie mówiąc o tym, że te kable mogą się bardzo łatwo uszkodzić podczas złych warunków pogodowych".

U osoby zdrowej dźwięk przemieszcza się przez kanał słuchowy i powoduje wibracje bębenka. Ten, przy tzw. garbku, łączy się łańcuchem z trzema małymi kościami: młoteczkiem, kowadełkiem i strzemiączkiem, które wibrują. Strzemiączko dotyka ślimaka, wypełnionego fluidem ucha wewnętrznego. Komórki włosów na membranie wewnętrznej ślimaka przemieszczają się, zwalniając chemiczny neuroprzekaźnik, który przenosi sygnały dźwiękowe do mózgu.

U głęboko głuchych, którzy mogą potencjalnie nosić implant ślimakowy, problem jest z komórkami rzęskowatymi, które nie reagują z różnych powodów, takich jak wada nabyta, efekt uboczny lekarstw czy narażanie się na hałasy. W tradycyjnym implancie, jak już było
wspomniane, sygnały zewnętrzne odbiera mikrofon, który przesyła je do procesora i radiotransmitera, które potem przenoszą je przez system nerwowy do wnętrza ucha.

Zaprojektowany przez Yanga mikroimplant zawiera te wszystkie elementy. Dźwięk przemieszcza się w nim przez kanał uszny do bębenka, który wibruje bez żadnych zakłóceń. Jednak przy garbku, dołączony akcelerometr wykrywający wibrację, jest dołączony
też do chipu, zatem razem działają jako mikrofon, który zbiera wibracje dźwięku i przesyła je przez sygnały elektryczne do elektrody w ślimaku. Mimo to nadal pacjenci będą musieli nosić "ustrojstwo" za uchem - ładowarkę, którą jednak wystarczy założyć, kładąc się spać. Young twierdzi, że na naładowanej baterii urządzenie docelowo ma działać od dnia do kilku.

Tradycyjny mikrofon zawiera membranę, która porusza się i generuje zmienne, elektryczne sygnały w odpowiedzi na dźwięk. Jednak wymagają one zrobienia dziury, przez którą dźwięk ma się przedostać, a która mogłaby się zatkać przez np. rosnącą tkankę.
Zatem zamiast tego, implant Younga używa 2,5 mikrogramowego akcelerometru, który miałby zostać położony w zapieczętowanym pakiecie wraz z silikonowym czipem konwertującym wibracje do sygnałów elektrycznych.

Pakiet ten miałby być przyklejony do garbka, zatem akcelerometr wibrowałby w odpowiedzi na wibracje bębenka. Poruszająca się masa generowałaby elektryczny sygnał wzmacniany przez czip, który łączyłby się z tradycyjnymi częściami implantu: procesorem mowy i stymulatorem, połączonymi kabelkami ze ślimakiem.

W celach przetestowania nowego mikrofonu, naukowcy użyli "tymczasowych" kości wewnątrz czaszki, związanych z kanałem usznym, bębenkiem i kościami słuchowymi, wziętych ze czterech zwłok. Naukowcy włożyli mały głośniczek do kanału usznego i generowali różne dźwięki o różne głośności i częstotliwości. Gdy dźwięki zostały "złapane" do mikrofonu, naukowcy użyli lasera, celem zmierzenia wibracji w drobnych kościach usznych. Okazało się, że największe wibracje produkuje garbek, zwłaszcza po chirurgicznym usunięciu kowadełka.

Eksperyment wykazał, że gdy prototyp mikrofonu został przyczepiony do garbka, bez problemu wykrywał średnie dźwięki podczas rozmów, ale miał problemy z wykryciem bardziej cichych i niższych dźwięków, nad czym są prowadzone prace.

Podczas testów, dźwięk z mikrofonu był podłączony do głośników; jednakże domyślnie ma być wysyłany do procesora mowy. By zademonstrować działanie mikrofonu, Young użył nagrania Dziewiątej Symfonii Beethovena, które odtworzył w uchu trupa. Co prawda,
było słychać drobne szumy ("Które da się usunąć" - twierdzi Young), ale mimo to dźwięk był rozpoznawalny.

Nagrania można odsłuchać tutaj:
http://unews.utah.edu/news_releases/a-middle-ear-microphone/