植入式麦克风或将实现完全内置式人工耳蜗

然而，如今的人工耳蜗只是部分植入，它们依赖于通常位于头部侧面的外部硬件。这些组件限制了用户，例如，他们无法在佩戴外部设备时游泳、锻炼或睡觉，并且可能会导致其他人完全放弃植入。

在开发完全内置式人工耳蜗的过程中，麻省理工学院、麻省眼耳医院、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和马萨诸塞州眼耳医院开始的研究的基础上。

“这一切始于耳科医生，他们每周都与此打交道，试图改善人们的听力，识别需求，并将这种需求带给我们。如果没有这种团队合作，我们就不会取得今天的成就，”Vitesse 电气工程教授、电子研究实验室 (RLE) 成员、麦克风论文的共同资深作者 Jeffrey Lang 说道。

Lang 的合著者包括共同主要作者、电气工程和计算机科学 (EECS) 研究生 Emma Wawrzynek 和 Aaron Yeiser SM ‘21；以及机械工程研究生 John Zhang；麻省眼耳医院的 Lukas Graf 和 Christopher McHugh；哥伦比亚大学 Kenneth Brayer 电气工程教授 Ioannis Kymissis；哥伦比亚大学生物医学工程和听觉生物物理学教授 Elizabeth S. Olson；以及共同资深作者、哈佛医学院和麻省眼耳医院耳鼻咽喉头颈外科副教授 Hideko Heidi Nakajima。这项研究今天发表在 微力学与微工程杂志。

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，称为耳廓。耳廓单向振动（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处理耳朵的内部结构，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。

他们发明了 UmboMic，这是一种三角形、3 毫米 x 3 毫米的运动传感器，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 200 微米的麦克风。（人类头发的平均厚度约为 100 微米。）

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。

提高绩效

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，因此取两层电荷之间的差值可以抵消噪音。

使用 PVDF 有很多优点，但这种材料使得制造过程特别困难。当暴露在 80 摄氏度以上的温度下时，PVDF 会失去其压电特性，而蒸发钛（另一种生物相容性材料）并将其沉积到传感器上则需要极高的温度。Wawrzynek 通过逐渐沉积钛并使用散热器冷却 PVDF 解决了这个问题。

但开发传感器只是成功的一半——脐带振动非常微小，因此团队需要放大信号，但不能引入太多噪音。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，研究人员在尸体的耳骨中测试了 UmboMic，发现它在人类语音的强度和频率范围内表现出色。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。

“我们发现一件非常有趣的事情是，传感器的频率响应受到我们正在实验的耳朵的解剖结构的影响，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。这种性能表明该方法很有前景，应该会激励其他人采用这一概念。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，以提高植入的便利性和电池寿命问题，”密歇根大学机械工程学教授卡尔·格罗什 (Karl Grosh) 表示，他没有参与这项工作。

这项研究的部分资金来自美国国立卫生研究院、美国国家科学基金会、瑞士苏黎世克洛塔基金会以及瑞士巴塞尔大学研究基金。