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红外光可以用来替代或改进助听器和人工耳蜗植入物
作者:佚名 日期:2017年12月22日 来源:IEEE电气电子工程师学会   录入:admin

闪烁的灯光很快将有一个新的作用了。德国、瑞士和奥地利的研究人员最近开发了一种这一概念开发了一种原型听觉植入物,这一概念是一系列激光脉冲能够触发位于内耳内的毛细胞发出的听觉信号。

研究人员认为,一系列近红外激光器可以利用所谓的光声效应产生声波。在它们的装置中,微小的垂直腔表面发射激光器(其在1.4至1.9微米的光谱中脉动光)在内耳的“人造耳蜗管”中作用于液体。

基本上,红外光被耳蜗内的液体吸收。一小部分液体会因热量而膨胀。如果这种情况迅速发生,它会在耳蜗管道内产生一个声波。这会刺激或移动位于那里的微小毛细胞,而细胞又沿着听觉神经发出信号,大脑将理解其为声音。
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在过去三年中,研究人员已经建立了微小的激光阵列,并完成了对豚鼠的测试,发现它们可以产生动作电位,信号由听觉神经携带,使用垂直激光和光声效应。 他们比较激光阵列的豚鼠的刺激与声音的咔嗒声。两者都产生了形式和幅度匹配的神经信号。

“现在还处于早期阶段,但希望这种技术可以用来替代或改进助听器和人工耳蜗植入物。”瑞士电子与微技术中心(CSEM)的物理学家兼项目经理Mark Fretz说。 该应用研究中心是位于瑞士Alpnach的技术非营利组织。

下一步将是提高设备的能源效率,并使其更小。为原型而开发的各个组件(包括用于密封植入身体传感器的微小蓝宝石外壳以及改进的激光透镜设计)还可以找到其他用途,例如允许激光照射耳内以改善平衡。

今天的人工耳蜗依靠电极组穿过头骨到内耳。 电极产生刺激耳蜗神经的电场,将周围的声音转换成神经携带到大脑的电信号。 然而,聚焦电场很困难,所以它往往会流入其他组织,产生噪音。

Fretz和CSEM是汉诺威医疗Hochschule的听觉和激光研究团队成员,以及巴伐利亚激光制造商Vertilas、精密镜头和阵列制造商SUSS MicroOptics等。 该团队的专家经验十分丰富。 作为最大的人工耳蜗制造商之一,因斯布鲁克的MED-EL也参与开发硬件。芬兰的VTT技术研究中心,提供防污涂层以保护植入导线免受过度纤维生长。

原型还面临着设计挑战,包括如何解决功耗问题以及如何缩小组件。 植入身体不能产生太多的热量,否则会损伤周围的细胞和组织。 研究人员发现,产生许多50纳秒的脉冲,基本上可以复制50微秒的一次脉冲,并减少持续闪光产生的热量。 这种爆发是创造声学复合动作电位所需要的 - 一种沿听觉神经传递的信号。

该团队使用蓝宝石盒来密封激光器和组件以隔绝体液和腐蚀,将组件连接到铂金带上,并用硅橡胶将其成型。 在豚鼠测试,研究人员使用了他们的设备的插件版本,但是在更新的原型中,他们能够将激光外壳的长度减少到两毫米、宽度为一毫米。

整个装置现在是一个瘦身的九伏电池的形状,可以放在手掌上。 “这需要进一步缩小,” Fretz说,对于商业植入物来说,“这是可能的。”

美国西北大学耳鼻喉科研究副主席克劳斯 - 彼得里克特(Claus-Peter Richter)从一开始就参与了该项研究,他说,“近年来,利用光传递听觉信号是个引起很多争议的话题,同时有很多实验在进行,也有很大发展。”

一种早期的方法试图用光直接刺激听觉神经; 另一个目的是基因改变细胞,使它们对光作出反应 - 这是由麻省理工学院的分子制造者Ed Boyden和德国哥廷根大学的Tobias Moser团队率先推出的一个概念。

十年前,Richter和他的团队一次使用激光直接刺激沙鼠的听觉神经几个小时。 到2013年,他们能够使用相同的技术在聋和听觉受损猫进行长达六周的测试,而猫则穿着改良的背包。

今天,还有其他几个项目的目标是利用光学来改善助听器:德国洪堡萨尔兰大学的Gentiana Wenzel正在尝试使用编码为声频的绿色激光来激活内耳。 美国军方一直关心在过去十年的战争中的听力受损,其以与美国国家耳聋和其他交流障碍研究所共同资助激光相关的植入物研究。

捕捉嘈杂世界的所有波形并将其转化为信号是一项棘手而艰巨的任务。 Richter指出迄今所做的动物研究评估技术有局限性。 他说:“你能用猫做实验的只有这么多。你可以测量信号,但是猫不会告诉你我听到了,或者听不到。

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