聽力受損的人,通常會藉由助聽器、人工耳蝸等來重獲部份聽力。不過,人工耳蝸並非全部植入耳朵內,仍需要依賴外部硬體,這限制了使用者的生活體驗。現在,美國科學家們正在開發一款新型植入式的麥克風,有望解決這些限制。
人工耳蝸是一種微型電子設備,可以繞過耳朵受損部份直接刺激聽覺神經,為耳聾或聽力受損的人提供聲音感。據美國國立衛生研究院稱,目前已經幫助全球超過100萬人改善聽力。
不過,這種人工耳蝸,並非完全植入耳朵裏面。它仍需要外部的硬體去獲得音感,這意味著使用者無法利用外耳結構,進行噪音過濾和聲音定位。另外,
配戴人工耳蝸限制了一些戶外運動,特別是游泳,甚至還會影響睡眠。
目前已有的完全植入式的輔助工具,大多是透過感知皮膚下的聲音,或來自中耳骨(聽小骨)的運動去感知外界的聲音,但這可能很難捕捉柔和的聲音和寬頻率。所以,人們一直希望能有一種完全植入式人工耳蝸(TICI),或完全植入式麥克風,讓這些設備能夠解決先前的缺點,還能為聽力受損的人帶來更好的聽覺體驗。
麻省理工學院和麻薩諸塞州眼耳專科醫院(Massachusetts Eye and Ear)、哈佛醫學院及哥倫比亞大學組成的研究團隊,共同研發了一種完全植入式麥克風,有望解決上述提到的缺點。這項研究手稿於6月底已交給《微機械與微工程》期刊(Journal of Micromechanics and Microengineering)。
他們將這款完全植入式麥克風原型命名「傘蓋麥克風」(UmboMic),其外型與馬斯克火箭相似,頂部為長度3毫米的正三角形,而裏面有一個雙壓電晶片。UmboMic是印刷在柔性印刷電路板(PCB)上,外面則用防水兼生物相容性壓電材料聚偏二氟乙烯 (PVDF)製作而成,其整體厚度約200微米(人類頭髮厚度2倍)。
在此之前,麻省理工學院和麻州眼耳專科醫院已經做了十多年的大量研究,其性能與商用外部助聽器相似。
人類耳朵的生理構造大致分為外耳、中耳、內耳三個部份。外耳包括耳廓、耳垂和外耳道。中耳位於耳腔內,主要由耳鼓膜連結三塊聽小骨組成,並透過這些來識別震動和聲波。內耳主要由耳蝸、半規管、聽神經、前庭組成,主要掌管平衡和聽覺神經,它們將神經感應到的訊號傳至大腦,讓人產生聽覺。
之所以用「傘蓋」命名這款麥克風,是因為研究團隊把目標定在中耳的「耳鼓膜傘蓋」(umbo)上,它位於耳鼓膜凹陷處的中心點,擁有單向振動(向內和向外)能力,讓人們的耳朵更容易感知這些簡單的運動。
不過,在實驗中他們發現,耳鼓膜傘蓋的運動幅度很小,大約只有幾納米,使得該儀器得到訊號太小無法正常運作。於是他們特地開發了一款低雜訊放大器以增強訊號,同時最大限度地減少電子設備的雜訊。
經過改良後,他們再次對機器進行測試。結果顯示,「傘蓋麥克風」擁有良好的響應,可以在100赫茲(Hz)至7,000赫茲的頻率範圍內,實現強度約32.3分貝的有效輸出,能明確區分非常安靜的聲音與整體噪音。
這項實驗成果讓研究團隊為之振奮。他們準備下一步對活體動物進行測驗,以確定其反應和存在的問題。另外,他們正在探討「傘蓋麥克風」的封裝方法,使其能夠在耳內保留10年左右。
論文的共同主要作者、麻省理工學院電機工程與電腦科學(EECS)研究生艾瑪·瓦茲內克(Emma Wawrzynek)表示,「我們的目標是讓外科醫生在植入耳蝸和內化處理器時,同時植入該設備,以達到優化整個手術的目的。」
這項研究的部份資金,由美國國立衛生研究院(HIN)、美國國家科學基金會(National Science Foundation)、瑞士蘇黎世克洛埃塔(Cloetta Foundation)基金會、瑞士巴塞爾大學(University of Basel)研究基金資助。@
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