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内耳供电:人体植入式电子设备的福音

2019-07-07 11:40编辑:admin人气:


  你知道吗?哺乳动物的内耳深处存在一个天然的电池,它可以为植入耳朵的电子设备供电,且不影响听力。不久前,来自麻省理工学院(MIT)、马萨诸塞州眼耳诊所(MEEI)和哈佛-MIT健康科学技术学院(HST)的一个联合研究团队在《自然生物技术》(Nature Biotechnology)杂志发表论文,首次公布了这一研究成果。

  在试验中,MEEI听觉外科医生康斯坦特拉斯坦科维奇(Konstantina Stankovic)和HST研究生安德鲁莱萨特(Andrew Lysaght)将电极植入豚鼠的内耳,成功地为连接到电极的无线电发射器提供了电能,使之能够向外部接收器无线传递豚鼠内耳的电化学数据。整个过程中,豚鼠的听力未受到伤害。

  斯坦科维奇称:过去很长一段时间里,人们认为在内耳这样的高电位空间植入电子设备是不可能的,因为这非常危险。早在60年前,人们就发现哺乳动物的内耳存在电池,那是实现听力功能的重要保证。不过,没有人想过能利用这个天然的电池为电子设备供电。

  内耳电池是听力形成的关键。通常,内耳会将来自外部的机械力(鼓膜的振动)转化为可被大脑处理的电化学信号,这些电化学信号以电流的方式传输给大脑,而存在于内耳的这个天然电池正是这些电流产生的原因。

  然而,尽管这个天然电池的电压值在人体中是最高的,但它仍然十分微弱。并且,为了不影响听力,植入电子设备的功耗必须非常低,只能从内耳电池借一小部分电量。此次试验中,联合研究团队采用了MIT微系统技术实验室(MTL)的低功耗电子设备。

  MTL的研究员们在植入豚鼠内耳的芯片上搭载了无线电发射器,用以将监测到的数据传送给外部接收器。植入人体内耳的电子设备可以监测人耳的生物活性,包括听觉、平衡障碍或它对某种疗法的反应。

  尽管随芯片植入豚鼠内耳的无线电发射器效率要远高于用在手机中的无线发射器的效率,但它仍不能直接运行在豚鼠内耳的天然电池上。所以MTL还在芯片中加入了电源转换电路,通过其中的电容逐步为芯片充电,其功能相当于许多电子设备都要使用的电源转换器。

  豚鼠内耳天然电池的电压是微弱且波动的,要积聚足以启动无线电发射器的电压,需要花费40秒至4分钟的时间。因此,外部接收器接收到的无线信号频率实际上就是内耳生物活性的电化学性能反映。

  为了降低能耗,电源转换电路的设计已经被大大简化,但与无线电发射器一样,豚鼠内耳电池的电压仍不足以提供足以让它运转的电压。但电源转换电路一旦运行起来,它就能够自我驱动实现运转。因此问题的关键是如何让启动和运转。为了解决这一问题,MTL的研究员们采取了以一次性突发的无线电波来启动。

  这一发现有什么应用前景呢?MIT电子工程师及计算机科学家安娜莎钱德诺卡森(Anantha Chandrakasan)表示:这项研究将使我们得以发展完全植入人体的电子设备,如带有无线芯片的内耳传感器,而不需要再植入传统的电池,因为内耳是一个非常稳定的能量来源,这个系统可以维持自身运转。

  美国凯斯西储大学耳鼻喉科主任克里夫梅格瑞恩(Cliff Megerian)认为,这项研究可用在三个领域:人工耳蜗植入、诊断和植入式助听器。他表示,也许目前还不是时候,但如果我们能够充分发掘内耳电池的天然电源,那将是未来放大技术的福音。

(来源:未知)

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