Microfone implantável pode levar a implantes cocleares totalmente internos

Os implantes cocleares, pequenos dispositivos eletrônicos que podem fornecer uma sensação de som para pessoas surdas ou com deficiência auditiva, ajudaram a melhorar a audição de mais de um milhão de pessoas em todo o mundo, de acordo com o National Institutes of Health dos Estados Unidos.

No entanto, os implantes cocleares hoje são apenas parcialmente implantados e dependem de hardware externo que normalmente fica na lateral da cabeça¹. Esses componentes restringem os usuários, que não podem, por exemplo, nadar, se exercitar ou dormir enquanto usam a unidade externa, e podem fazer com que outros renunciem ao implante² completamente.

No caminho para criar um implante² coclear totalmente interno, uma equipe multidisciplinar de pesquisadores do MIT, Massachusetts Eye and Ear, Harvard Medical School e Columbia University produziu um microfone implantável que funciona tão bem quanto microfones comerciais de aparelhos auditivos externos. O microfone continua sendo um dos maiores obstáculos para a adoção de um implante² coclear totalmente internalizado.

Este pequeno microfone, um sensor produzido a partir de um material piezoelétrico³ biocompatível, mede movimentos minúsculos na parte inferior do tímpano⁴. Materiais piezoelétricos geram uma carga elétrica quando comprimidos ou esticados. Para maximizar o desempenho do dispositivo, a equipe também desenvolveu um amplificador de baixo ruído que melhora o sinal⁵ enquanto minimiza o ruído da eletrônica.

Dessa forma, este pequeno sensor biocompatível pode superar um dos maiores obstáculos que impedem que os dispositivos sejam completamente implantados.

Embora muitos desafios devam ser superados antes que tal microfone possa ser usado com um implante² coclear, a equipe colaborativa espera refinar e testar ainda mais este protótipo, que se baseia no trabalho iniciado no MIT e no Mass Eye and Ear há mais de uma década.

“Começa com os médicos otorrinolaringologistas que estão com isso todos os dias da semana, tentando melhorar a audição das pessoas, reconhecendo uma necessidade e trazendo essa necessidade para nós. Se não fosse por essa colaboração da equipe, não estaríamos onde estamos hoje”, diz Jeffrey Lang, professor de engenharia elétrica, membro do Laboratório de Pesquisa de Eletrônica e co-autor sênior⁶ de um artigo sobre o microfone.

Os co-autores de Lang incluem a co-autora principal Emma Wawrzynek, uma estudante de pós-graduação em engenharia elétrica e ciência da computação, entre outros pesquisadores. A pesquisa foi publicada no Journal of Micromechanics and Microengineering.

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Os microfones de implante² coclear geralmente são colocados na lateral da cabeça¹, o que significa que os usuários não podem aproveitar a filtragem de ruído e as dicas de localização sonora fornecidas pela estrutura do ouvido externo⁷.

Microfones totalmente implantáveis oferecem muitas vantagens. Mas a maioria dos dispositivos atualmente em desenvolvimento, que detectam sons sob a pele⁸ ou movimento dos ossos do ouvido médio⁹, podem ter dificuldade para capturar sons suaves e frequências amplas.

Para o novo microfone, a equipe mirou em uma parte do ouvido médio⁹ chamada umbo. O umbo vibra unidirecionalmente (para dentro e para fora), facilitando a detecção desses movimentos simples.

Embora o umbo tenha a maior amplitude de movimento dos ossos do ouvido médio⁹, ele se move apenas alguns nanômetros. Desenvolver um dispositivo para medir essas vibrações diminutas apresenta seus próprios desafios.

Além disso, qualquer sensor implantável deve ser biocompatível e capaz de suportar o ambiente úmido e dinâmico do corpo sem causar danos, o que limita os materiais que podem ser usados.

“Nosso objetivo é que um cirurgião implante² esse dispositivo ao mesmo tempo que o implante² coclear e o processador internalizado, o que significa otimizar a cirurgia enquanto trabalha em torno das estruturas internas do ouvido sem interromper nenhum dos processos que ocorrem lá”, diz Wawrzynek.

Com engenharia cuidadosa, a equipe superou esses desafios.

Eles criaram o UmboMic, um sensor de movimento triangular de 3 milímetros por 3 milímetros composto de duas camadas de um material piezoelétrico³ biocompatível chamado difluoreto de polivinilideno (PVDF). Essas camadas de PVDF são intercaladas em ambos os lados de uma placa¹⁰ de circuito impresso (PCI) flexível, formando um microfone que tem aproximadamente o tamanho de um grão de arroz e 200 micrômetros de espessura. (Um cabelo¹¹ humano médio tem cerca de 100 micrômetros de espessura.)

A ponta estreita do UmboMic seria colocada contra o umbo. Quando o umbo vibra e empurra o material piezoelétrico³, as camadas de PVDF se dobram e geram cargas elétricas, que são medidas por eletrodos na camada de PCI.

A equipe usou um design de “sanduíche de PVDF” para reduzir o ruído. Quando o sensor é dobrado, uma camada de PVDF produz uma carga positiva e a outra produz uma carga negativa. A interferência elétrica se soma a ambas igualmente, então tirar a diferença entre as cargas cancela o ruído.

Usar PVDF oferece muitas vantagens, mas o material tornou a fabricação especialmente difícil. O PVDF perde suas propriedades piezoelétricas quando exposto a temperaturas acima de 80 graus Celsius, mas temperaturas muito altas são necessárias para vaporizar e depositar titânio, outro material biocompatível, no sensor. Wawrzynek contornou esse problema depositando o titânio gradualmente e empregando um dissipador de calor para resfriar o PVDF.

Mas desenvolver o sensor foi apenas metade da batalha — as vibrações do umbo são tão pequenas que a equipe precisava amplificar o sinal⁵ sem introduzir muito ruído. Quando não conseguiram encontrar um amplificador de baixo ruído adequado que também usasse muito pouca energia, eles construíram o seu próprio.

Com ambos os protótipos em funcionamento, os pesquisadores testaram o UmboMic em ossos do ouvido humano de cadáveres e descobriram que ele tinha um desempenho robusto dentro da faixa de intensidade e frequência da fala humana. O microfone e o amplificador juntos também têm um baixo nível de ruído, o que significa que eles podem distinguir sons muito baixos do nível geral de ruído.

“Uma coisa que vimos que foi realmente interessante é que a resposta de frequência do sensor é influenciada pela anatomia do ouvido em que estamos experimentando, porque o umbo se move de forma ligeiramente diferente nos ouvidos de pessoas diferentes”, diz Wawrzynek.

Os pesquisadores estão se preparando para lançar estudos com animais vivos para explorar mais essa descoberta. Esses experimentos também os ajudarão a determinar como o UmboMic responde ao implante².

Além disso, eles estão estudando maneiras de encapsular o sensor para que ele possa permanecer no corpo com segurança por até 10 anos, mas ainda seja flexível o suficiente para capturar vibrações. Os implantes geralmente são embalados em titânio, o que seria muito rígido para o UmboMic. Eles também planejam explorar métodos para montar o UmboMic que não introduzam vibrações.

“Os resultados neste artigo mostram a resposta de banda larga necessária e o baixo ruído necessário para atuar como um sensor acústico. Este resultado é surpreendente, porque a largura de banda e o nível de ruído são muito competitivos com o microfone comercial de aparelho auditivo. Este desempenho mostra a promessa da abordagem, que deve inspirar outros a adotarem este conceito. Eu esperaria que elementos de detecção de tamanho menor e eletrônicos de menor potência fossem necessários para dispositivos de próxima geração para melhorar a facilidade de implantação e problemas de vida útil da bateria”, diz Karl Grosh, professor de engenharia mecânica na Universidade de Michigan, que não estava envolvido neste trabalho.

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Confira a seguir o resumo do artigo publicado.

O UmboMic: um microfone cantilever de PVDF

Este estudo apresenta o “UmboMic”, um protótipo de microfone cantilever piezoelétrico³ projetado para uso futuro com implantes cocleares totalmente implantáveis. O sensor UmboMic é feito de difluoreto de polivinilideno (PVDF) devido ao seu baixo módulo de Young (indicando um material mais flexível) e biocompatibilidade. O sensor é projetado para se encaixar no ouvido médio⁹ e medir o movimento da parte inferior do tímpano⁴ no umbo. Para maximizar seu desempenho, desenvolveu-se um amplificador de carga de baixo ruído em conjunto com o sensor UmboMic.

Este artigo apresenta o desempenho do sensor e amplificador UmboMic em ossos temporais humanos de cadáveres frescos. Quando testado em ossos temporais humanos, o aparelho UmboMic atinge um ruído de entrada equivalente de 32,3 dB SPL na faixa de frequência de 100 Hz–7 kHz, boa linearidade e uma resposta de frequência plana dentro de 10 dB de cerca de 100 Hz–6 kHz.

Esses resultados demonstram a viabilidade de um microfone baseado em PVDF quando pareado com um amplificador de baixo ruído. O aparelho UmboMic relatado é comparável em desempenho a um microfone convencional de aparelho auditivo.

O aparelho UmboMic de prova de conceito¹² é um passo promissor para a criação de um implante² coclear totalmente implantável. Um sistema completamente interno melhoraria a qualidade de vida dos usuários de implante² coclear.

Fontes:
Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 34, Nº 8, em 18 de julho de 2024.
MIT News, notícia publicada em 02 de julho de 2024.