著者: アダム・ゼウェ | MITニュース
発表日: 2024年7月2日
人工内耳、音の感覚を提供する小型電子機器は、全世界で100万人以上の人々の聴覚を改善してきたと、米国国立衛生研究所が報告しています。
しかし、現在の人工内耳は部分的にしか植え込まれておらず、通常は頭の側面に置かれる外部ハードウェアに依存しています。これらのコンポーネントは使用者に制約をかけ、たとえば水泳や運動、睡眠中の使用が難しく、結果として他の人々はインプラントを完全に諦める可能性があります。
完全に内部化された人工内耳を実現するための道のりの一環として、MIT、マサチューセッツ眼耳病院、ハーバード医科大学、コロンビア大学の多分野にわたる研究チームが、商業的な外部補聴器マイクロフォンと同等の性能を持つ植込み型マイクロフォンを開発しました。マイクロフォンは、完全に内部化された人工内耳を採用する上での最大の障害の一つです。
この小型マイクロフォンは、生体適合性の圧電材料で作られたセンサーで、耳の鼓膜の裏側の微細な動きを測定します。圧電材料は圧縮や伸展されると電荷を発生します。デバイスの性能を最大化するために、チームは低ノイズ増幅器も開発し、信号を強化しながら電子機器からのノイズを最小限に抑えました。
このマイクロフォンが人工内耳で使用できるようになるまでには多くの課題がありますが、共同研究チームは、このプロトタイプのさらなる改良とテストを楽しみにしています。この研究はMITとマサチューセッツ眼耳病院で10年以上前に始まった仕事を基にしています。
「耳の専門医が毎週この分野で人々の聴覚改善に努め、必要性を認識し、そのニーズを私たちに伝えてくれるところから始まります。このチームの協力がなければ、今日の成果はなかったでしょう」と、電気工学のVitesse教授であり、研究所のメンバーであるジェフリー・ラング氏は語っています。ラング氏は、このマイクロフォンに関する論文の共著者の一人です。
ラング氏の共著者には、共同リード著者である電気工学・コンピュータサイエンス（EECS）の大学院生エマ・ワーワズネク氏、アーロン・イエイサーSM ’21、機械工学大学院生ジョン・ジャン氏、マサチューセッツ眼耳病院のルーカス・グラフ氏とクリストファー・マキュー氏、コロンビア大学のケネス・ブレイヤー電気工学教授イオアニス・キミシス氏、コロンビア大学の生物医学工学および聴覚生物物理学のエリザベス・S・オルソン教授、ハーバード医科大学およびマサチューセッツ眼耳病院の耳鼻咽喉科・頭頸部外科の准教授ヒデコ・ヘイディ・ナカジマ氏が含まれています。研究成果は本日、Journal of Micromechanics and Microengineeringに発表されました。
インプラントの行き詰まりを克服する
人工内耳のマイクロフォンは通常、頭の側面に取り付けられるため、ユーザーは外耳の構造が提供するノイズフィルタリングや音の定位に関する手がかりを活用できません。
完全に埋め込み可能なマイクロフォンは多くの利点を提供しますが、現在開発中のほとんどのデバイスは、皮膚の下で音を感知したり、中耳の骨の動きを捉えたりするものの、柔らかい音や広い周波数を捕えるのが難しいという問題があります。
新しいマイクロフォンでは、チームは中耳の一部である「ウンボ（umbo）」に注目しました。ウンボは一方向に振動（内外方向）し、これによりシンプルな動きを感知しやすくなります。
ウンボは中耳の骨の中で最も広い動きの範囲を持ちますが、動きは数ナノメートルしかありません。こうした微小な振動を測定するデバイスを開発することは、それ自体が挑戦を伴います。
加えて、埋め込み可能なセンサーは生体適合性があり、体内の湿潤で動的な環境に耐えつつ害を及ぼさない必要があり、使用できる材料に制限があります。
「私たちの目標は、外科医が人工内耳と内部プロセッサを一緒に埋め込む際に、このデバイスも同時に埋め込むことです。つまり、耳の内部構造を取り扱いながら手術を最適化し、耳内部で行われるプロセスを中断することなく作業するということです」と、ワーワズネク氏は述べています。
チームは慎重な工学的アプローチでこれらの課題を克服しました。
彼らは、ポリフルオロビニリデン（PVDF）という生体適合性の圧電材料で構成された三角形の3ミリメートル×3ミリメートルのモーションセンサー「UmboMic」を開発しました。これらのPVDF層は、柔軟なプリント基板（PCB）の両側にサンドイッチされており、サイズは約米粒ほどで厚さは200マイクロメートルです（平均的な人間の髪の毛は約100マイクロメートルの厚さです）。
UmboMicの狭い先端はウンボに対して配置されます。ウンボが振動して圧電材料に押し当てられると、PVDF層が曲がり、電荷を生成します。これらの電荷はPCB層の電極によって測定されます。
性能の増幅
チームは「PVDFサンドイッチ」設計を採用し、ノイズを低減しました。センサーが曲がると、PVDFの一層が正の電荷を、もう一層が負の電荷を生成します。電気的干渉は両方に同等に加わるため、電荷の差を取ることでノイズを相殺することができます。
PVDFを使用することで多くの利点がありますが、この材料の製造は特に困難でした。PVDFは約80度セルシウスを超える温度にさらされると圧電特性を失いますが、センサーに他の生体適合材料であるチタンを蒸発させて堆積させるには非常に高い温度が必要です。ワーワズネク氏は、チタンを徐々に堆積させ、PVDFを冷却するためのヒートシンクを使用することでこの問題を解決しました。
しかし、センサーの開発は戦いの半ばに過ぎませんでした。ウンボの振動は非常に微小であるため、チームはノイズを過度に導入することなく信号を増幅する必要がありました。適切な低ノイズアンプが見つからなかったため、自分たちで設計・製作しました。
両方のプロトタイプが整った状態で、研究者たちは死体から取り出した人間の耳の骨でUmboMicをテストし、人間の音声の強度と周波数範囲内で優れた性能を発揮することが分かりました。マイクロフォンとアンプはともに低いノイズフロアを持ち、非常に静かな音を全体のノイズレベルから識別することができます。
「非常に興味深かったのは、センサーの周波数応答が実験している耳の解剖学に影響されることです。ウンボは人それぞれの耳でわずかに異なる動きをします」とワーワズネク氏は述べています。
研究者たちは、この発見をさらに探求するために生体動物研究を開始する準備をしています。これらの実験は、UmboMicが埋め込まれた場合にどのように反応するかを明らかにする助けにもなります。
また、センサーを体内に安全に10年間留まらせつつ、振動をキャッチできるようにする方法を研究しています。インプラントはしばしばチタンで包装されますが、これはUmboMicには硬すぎます。UmboMicを取り付ける方法についても振動を導入しない方法を検討しています。
「この論文の結果は、アコースティックセンサーとして必要な広帯域応答と低ノイズを示しています。この結果は驚くべきことで、帯域幅とノイズフロアが商業的な補聴器マイクロフォンと競争できるほどです。この性能はこのアプローチの可能性を示しており、他の人々がこの概念を採用することを促すべきです。次世代のデバイスには、インプラントの容易さとバッテリー寿命の問題を改善するために、より小さなサイズのセンサー要素と低電力の電子機器が必要になると考えています」と、今回の研究に関与していないミシガン大学の機械工学教授カール・グロッシュ氏は述べています。
この研究は、部分的に国立衛生研究所（NIH）、国立科学財団（NSF）、スイス・チューリッヒのクロエッタ財団、スイス・バーゼル大学の研究資金によって支援されました。
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