植入式麥克風(fēng)帶來全內(nèi)耳蝸植入

根據(jù)美國國立衛(wèi)生研究院的數(shù)據(jù)，人工耳蝸是一種微小的電子設(shè)備，可以為失聰或重聽的人提供聲音感，已經(jīng)幫助全球一百多萬人改善了聽力。

然而，今天的人工耳蝸只能部分植入，而且它們依賴于通常位于頭部一側(cè)的外部硬件。這些組件限制了使用者，例如，他們不能在佩戴外接設(shè)備時游泳、鍛煉或睡覺，它們可能會導(dǎo)致其他人完全放棄植入。

在制造完全內(nèi)置人工耳蝸的過程中，一個由麻省理工學(xué)院、麻省眼耳學(xué)院、哈佛醫(yī)學(xué)院和哥倫比亞大學(xué)的多學(xué)科研究人員組成的團隊已經(jīng)生產(chǎn)出一種可植入的麥克風(fēng)，其性能與商業(yè)外置助聽器麥克風(fēng)一樣好。麥克風(fēng)仍然是采用完全內(nèi)化人工耳蝸的最大障礙之一。

這種微型麥克風(fēng)是一種由生物相容性壓電材料制成的傳感器，可以測量鼓膜底部的微小運動。壓電材料在被壓縮或拉伸時產(chǎn)生電荷。為了最大限度地提高設(shè)備的性能，該團隊還開發(fā)了一種低噪聲放大器，可以增強信號，同時最大限度地減少電子設(shè)備的噪聲。

雖然在這種麥克風(fēng)與人工耳蝸一起使用之前必須克服許多挑戰(zhàn)，但合作團隊期待著進一步完善和測試這個原型，它建立在十多年前麻省理工學(xué)院和Mass Eye and Ear開始的工作的基礎(chǔ)上。

“首先是耳科醫(yī)生，他們每天都在努力改善人們的聽力，認(rèn)識到需要，并把這種需要帶給我們。如果沒有這個團隊的合作，我們就不會有今天的成就，”維特斯電子工程教授杰弗里·朗說，他是電子研究實驗室(RLE)的成員，也是一篇關(guān)于麥克風(fēng)論文的資深作者之一。

Lang的共同作者包括電子工程和計算機科學(xué)(EECS)研究生Emma Wawrzynek和Aaron Yeiser SM ' 21;以及機械工程研究生John Zhang;《大眾眼與耳》的盧卡斯·格拉夫和克里斯托弗·麥克休;哥倫比亞大學(xué)Kenneth Brayer電子工程教授約阿尼斯·基米西斯;哥倫比亞大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程和聽覺生物物理學(xué)教授伊麗莎白·s·奧爾森(Elizabeth S. Olson);共同資深作者Hideko Heidi Nakajima是哈佛醫(yī)學(xué)院耳鼻喉頭頸外科和Mass Eye and Ear的副教授。這項研究今天發(fā)表在《微力學(xué)與微工程雜志》上。

克服植入僵局

人工耳蝸麥克風(fēng)通常放置在頭部的一側(cè)，這意味著使用者無法利用外耳結(jié)構(gòu)提供的噪音過濾和聲音定位線索。

完全植入式麥克風(fēng)有很多優(yōu)點。但目前正在開發(fā)的大多數(shù)設(shè)備，在皮膚或中耳骨的運動下感知聲音，很難捕捉到柔和的聲音和寬頻率。

對于這種新的麥克風(fēng)，研究小組將目標(biāo)對準(zhǔn)了中耳中被稱為“傘蓋”的部分。雨傘單向振動(向內(nèi)和向外)，使它更容易感覺到這些簡單的動作。

盡管umbo在中耳骨中有最大的移動范圍，但它只移動了幾納米。開發(fā)一種測量如此微小振動的設(shè)備本身就存在挑戰(zhàn)。

最重要的是，任何植入式傳感器都必須具有生物相容性，能夠承受身體潮濕、動態(tài)的環(huán)境而不會造成傷害，這限制了可以使用的材料。

Wawrzynek說:“我們的目標(biāo)是外科醫(yī)生在植入人工耳蝸和內(nèi)化處理器的同時植入這種設(shè)備，這意味著在圍繞耳朵內(nèi)部結(jié)構(gòu)工作的同時優(yōu)化手術(shù)，而不會干擾耳朵內(nèi)部進行的任何過程。

通過精心的工程設(shè)計，團隊克服了這些挑戰(zhàn)。

他們創(chuàng)造了UmboMic，這是一個三角形的，3毫米乘3毫米的運動傳感器，由兩層生物相容性壓電材料組成，這種材料被稱為聚偏二氟乙烯(PVDF)。這些PVDF層被夾在柔性印刷電路板(PCB)的兩側(cè)，形成一個大約一粒米大小、200微米厚的麥克風(fēng)。(人類頭發(fā)的平均厚度約為100微米。)

UmboMic的窄尖將被放置在umbo上。當(dāng)umbo振動并推動壓電材料時，PVDF層彎曲并產(chǎn)生電荷，這些電荷由PCB層中的電極測量。

放大性能

該團隊使用了“PVDF三明治”設(shè)計來降低噪音。當(dāng)傳感器彎曲時，一層PVDF產(chǎn)生正電荷，另一層產(chǎn)生負(fù)電荷。電子干擾對兩者的影響是相等的，所以取電荷之間的差異可以抵消噪音。

使用PVDF提供了許多優(yōu)點，但材料制造特別困難。PVDF暴露在80攝氏度以上的溫度下就會失去壓電特性，而另一種生物相容性材料鈦則需要非常高的溫度才能蒸發(fā)并沉積到傳感器上。Wawrzynek通過逐漸沉積鈦和使用散熱器冷卻PVDF來解決這個問題。

但開發(fā)傳感器只是成功了一半——umbo的振動非常微小，研究小組需要在不引入太多噪音的情況下放大信號。當(dāng)他們找不到合適的低噪音放大器時，他們自己造了一個。

有了這兩種原型，研究人員在尸體的人耳骨上測試了UmboMic，發(fā)現(xiàn)它在人類語言的強度和頻率范圍內(nèi)都有很好的表現(xiàn)。麥克風(fēng)和放大器一起也有一個低噪聲底，這意味著他們可以區(qū)分非常安靜的聲音從整體噪音水平。

Wawrzynek說:“我們發(fā)現(xiàn)非常有趣的一件事是，傳感器的頻率響應(yīng)受到我們正在實驗的耳朵解剖結(jié)構(gòu)的影響，因為umbo在不同人的耳朵里的運動略有不同?！?/p>

研究人員正準(zhǔn)備開展活體動物研究，以進一步探索這一發(fā)現(xiàn)。這些實驗也將幫助他們確定UmboMic對植入的反應(yīng)。

此外，他們正在研究封裝傳感器的方法，這樣它就可以安全地留在體內(nèi)長達10年，但仍然足夠靈活，可以捕捉振動。植入物通常用鈦包裝，這對UmboMic來說太硬了。他們還計劃探索安裝UmboMic不會產(chǎn)生振動的方法。

“本文的結(jié)果顯示了作為聲學(xué)傳感器所需的必要的寬帶響應(yīng)和低噪聲。這個結(jié)果是令人驚訝的，因為帶寬和噪聲底是如此具有競爭力的商業(yè)助聽器麥克風(fēng)。這種表現(xiàn)顯示了這種方法的前景，應(yīng)該會激勵其他人采用這種概念。我希望下一代設(shè)備需要更小尺寸的傳感元件和更低功耗的電子元件，以提高植入的便利性和電池壽命問題，”密歇根大學(xué)機械工程教授卡爾·格羅什說，他沒有參與這項工作。

來源：AAAS

異丁醛（也稱為2-丁醛，化學(xué)式：C4H8O）是一種有機化合物，屬于醛類化合物。以下是異丁醛的一些化學(xué)性質(zhì)：

1. 功能團：異丁醛分子中含有一個醛基（─CHO功能團），即碳氧雙鍵和一個氫原子。

2. 溶解性：異丁醛具有一定的溶解性。它可以在水和許多有機溶劑中溶解，如乙醇、醚等。

3. 氧化性：異丁醛易被氧氣氧化成相應(yīng)的酸。

4. 反應(yīng)活性：異丁醛是一種活潑的化合物，可以與多種化學(xué)物質(zhì)發(fā)生以下反應(yīng)：

   - 還原反應(yīng)：可以被還原劑還原為相應(yīng)的醇。

   - 加成反應(yīng)：與親核試劑（如氨、氫氯化物）加成反應(yīng)，形成相應(yīng)的加成產(chǎn)物。

   - 導(dǎo)入反應(yīng)：與親電試劑（如酸性條件下的醇或酰氯）反應(yīng)，發(fā)生導(dǎo)入反應(yīng)，形成醇或酯。

5. 異構(gòu)性：異丁醛和正丁醛（1-丁醛）是同分異構(gòu)體，它們的分子結(jié)構(gòu)不同。

需要注意的是，異丁醛是一種具有刺激性氣味的液體，在處理和使用時應(yīng)采取適當(dāng)?shù)姆雷o措施。同時，由于異丁醛易燃，應(yīng)避免與火源接觸和存放在易燃物質(zhì)附近。