Un microphone implantable pourrait conduire à des implants cochléaires entièrement internes

Les implants cochléaires, de minuscules appareils électroniques qui peuvent fournir une sensation sonore aux personnes sourdes ou malentendantes, ont contribué à améliorer l’audition de plus d’un million de personnes dans le monde, selon les National Institutes of Health.

Cependant, les implants cochléaires actuels ne sont implantés que partiellement et reposent sur un matériel externe qui se place généralement sur le côté de la tête. Ces composants limitent les utilisateurs, qui ne peuvent pas, par exemple, nager, faire de l’exercice ou dormir en portant l’unité externe, et ils peuvent amener d’autres à renoncer complètement à l’implant.

En route vers la création d’un implant cochléaire entièrement interne, une équipe multidisciplinaire de chercheurs du MIT, du Massachusetts Eye and Ear, de la Harvard Medical School et de l’Université Columbia a produit un microphone implantable qui fonctionne aussi bien que les microphones externes des prothèses auditives commerciales. Le microphone reste l’un des plus grands obstacles à l’adoption d’un implant cochléaire entièrement internalisé.

Ce micro miniature, un capteur fabriqué à partir d’un matériau piézoélectrique biocompatible, mesure les mouvements infimes de la face inférieure du tympan. Les matériaux piézoélectriques génèrent une charge électrique lorsqu’ils sont comprimés ou étirés. Pour maximiser les performances de l’appareil, l’équipe a également développé un amplificateur à faible bruit qui améliore le signal tout en minimisant le bruit de l’électronique.

Bien que de nombreux défis doivent être surmontés avant qu’un tel microphone puisse être utilisé avec un implant cochléaire, l’équipe collaborative a hâte d’affiner et de tester davantage ce prototype, qui s’appuie sur les travaux commencés au MIT et à Mass Eye and Ear il y a plus de dix ans.

« Tout commence avec les ORL qui sont là tous les jours de la semaine, essayant d’améliorer l’audition des gens, en reconnaissant un besoin et en nous le faisant part.

« Sans cette collaboration d’équipe, nous ne serions pas là où nous en sommes aujourd’hui », déclare Jeffrey Lang, professeur de génie électrique à Vitesse, membre du laboratoire de recherche en électronique (RLE) et co-auteur principal d’un article sur le microphone publié dans le Journal de micromécanique et de microtechnique.

Les co-auteurs de Lang incluent les co-auteurs principaux Emma Wawrzynek, étudiante diplômée en génie électrique et informatique (EECS), et Aaron Yeiser SM ’21 ; ainsi que l’étudiant diplômé en génie mécanique John Zhang.

Parmi les autres co-auteurs figurent Lukas Graf et Christopher McHugh de Mass Eye and Ear ; Ioannis Kymissis, professeur Kenneth Brayer de génie électrique à Columbia ; Elizabeth S. Olson, professeure de génie biomédical et de biophysique auditive à Columbia ; et le co-auteur principal Hideko Heidi Nakajima, professeur associé d’oto-rhino-laryngologie et de chirurgie de la tête et du cou à la Harvard Medical School et à Mass Eye and Ear.

Surmonter l’impasse d’un implant

Les microphones des implants cochléaires sont généralement placés sur le côté de la tête, ce qui signifie que les utilisateurs ne peuvent pas profiter du filtrage du bruit et des signaux de localisation du son fournis par la structure de l’oreille externe.

Les microphones entièrement implantables offrent de nombreux avantages. Mais la plupart des appareils actuellement en développement, qui détectent les sons sous la peau ou les mouvements des osselets de l’oreille moyenne, ont du mal à capter les sons faibles et les fréquences larges.

Pour le nouveau microphone, l’équipe a ciblé une partie de l’oreille moyenne appelée l’umbo. L’umbo vibre de manière unidirectionnelle (vers l’intérieur et vers l’extérieur), ce qui permet de détecter plus facilement ces mouvements simples.

Bien que l’umbo soit l’os de l’oreille moyenne qui présente la plus grande amplitude de mouvement, il ne se déplace que de quelques nanomètres. Développer un appareil capable de mesurer des vibrations aussi minuscules présente des défis particuliers.

De plus, tout capteur implantable doit être biocompatible et capable de résister à l’environnement humide et dynamique du corps sans causer de dommages, ce qui limite les matériaux pouvant être utilisés.

« Notre objectif est qu’un chirurgien implante ce dispositif en même temps que l’implant cochléaire et le processeur internalisé, ce qui signifie optimiser la chirurgie tout en travaillant autour des structures internes de l’oreille sans perturber aucun des processus qui s’y déroulent », explique Wawrzynek.

Grâce à une ingénierie minutieuse, l’équipe a surmonté ces défis.

Ils ont créé l’UmboMic, un capteur de mouvement triangulaire de 3 millimètres sur 3 millimètres composé de deux couches d’un matériau piézoélectrique biocompatible appelé polyfluorure de vinylidène (PVDF). Ces couches de PVDF sont placées de chaque côté d’un circuit imprimé flexible (PCB), formant un microphone de la taille d’un grain de riz et d’une épaisseur de 200 micromètres. (Un cheveu humain moyen mesure environ 100 micromètres d’épaisseur.)

La pointe étroite de l’UmboMic serait placée contre l’umbo. Lorsque l’umbo vibre et pousse contre le matériau piézoélectrique, les couches de PVDF se courbent et génèrent des charges électriques, qui sont mesurées par des électrodes dans la couche PCB.

Amplification des performances

L’équipe a utilisé une conception « sandwich PVDF » pour réduire le bruit. Lorsque le capteur est plié, une couche de PVDF produit une charge positive et l’autre une charge négative. Les interférences électriques s’ajoutent aux deux de manière égale, donc la différence entre les charges annule le bruit.

L’utilisation du PVDF présente de nombreux avantages, mais ce matériau rend la fabrication particulièrement difficile. Le PVDF perd ses propriétés piézoélectriques lorsqu’il est exposé à des températures supérieures à 80 °C environ, mais des températures très élevées sont nécessaires pour vaporiser et déposer le titane, un autre matériau biocompatible, sur le capteur. Wawrzynek a contourné ce problème en déposant le titane progressivement et en utilisant un dissipateur thermique pour refroidir le PVDF.

Mais le développement du capteur n’était que la moitié du travail : les vibrations umbo sont si infimes que l’équipe devait amplifier le signal sans introduire trop de bruit. N’ayant pas réussi à trouver un amplificateur à faible bruit adapté et consommant très peu d’énergie, ils ont construit leur propre amplificateur.

Une fois les deux prototypes en place, les chercheurs ont testé l’UmboMic dans des os d’oreille humains prélevés sur des cadavres et ont constaté qu’il offrait de bonnes performances dans la gamme d’intensité et de fréquence de la parole humaine. Le microphone et l’amplificateur ont également un faible niveau de bruit, ce qui signifie qu’ils peuvent distinguer les sons très faibles du niveau de bruit global.

« Une chose que nous avons constatée et qui était vraiment intéressante est que la réponse en fréquence du capteur est influencée par l’anatomie de l’oreille sur laquelle nous expérimentons, car l’umbo bouge légèrement différemment dans les oreilles de différentes personnes », explique Wawrzynek.

Les chercheurs se préparent à lancer des études sur des animaux vivants pour approfondir cette découverte. Ces expériences les aideront également à déterminer comment l’UmboMic réagit à son implantation.

En outre, ils étudient des moyens d’encapsuler le capteur afin qu’il puisse rester dans le corps en toute sécurité pendant 10 ans, tout en restant suffisamment flexible pour capter les vibrations. Les implants sont souvent emballés dans du titane, ce qui serait trop rigide pour l’UmboMic. Ils prévoient également d’explorer des méthodes de montage de l’UmboMic qui n’introduiront pas de vibrations.

« Les résultats de cet article montrent la réponse à large bande et le faible bruit nécessaires pour agir comme un capteur acoustique. Ce résultat est surprenant, car la bande passante et le niveau de bruit sont très compétitifs avec le microphone d’aide auditive commercial. Ces performances montrent le potentiel de l’approche, ce qui devrait inspirer d’autres à adopter ce concept.

« Je m’attends à ce que des éléments de détection de plus petite taille et une électronique de plus faible puissance soient nécessaires pour les appareils de nouvelle génération afin d’améliorer la facilité d’implantation et de résoudre les problèmes de durée de vie de la batterie », explique Karl Grosh, professeur de génie mécanique à l’Université du Michigan, qui n’a pas participé à ces travaux.

Cet article est republié avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement au MIT.