紅外光可以用來(lái)替代或改進(jìn)助聽器和人工耳蝸植入物

閃爍的燈光很快將有一個(gè)新的作用了。德國(guó)、瑞士和奧地利的研究人員最近開發(fā)了一種這一概念開發(fā)了一種原型聽覺植入物，這一概念是一系列激光脈沖能夠觸發(fā)位于內(nèi)耳內(nèi)的毛細(xì)胞發(fā)出的聽覺信號(hào)。

研究人員認(rèn)為，一系列近紅外激光器可以利用所謂的光聲效應(yīng)產(chǎn)生聲波。在它們的裝置中，微小的垂直腔表面發(fā)射激光器（其在1.4至1.9微米的光譜中脈動(dòng)光）在內(nèi)耳的“人造耳蝸管”中作用于液體。

基本上，紅外光被耳蝸內(nèi)的液體吸收。一小部分液體會(huì)因熱量而膨脹。如果這種情況迅速發(fā)生，它會(huì)在耳蝸管道內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)聲波。這會(huì)刺激或移動(dòng)位于那里的微小毛細(xì)胞，而細(xì)胞又沿著聽覺神經(jīng)發(fā)出信號(hào)，大腦將理解其為聲音。

在過(guò)去三年中，研究人員已經(jīng)建立了微小的激光陣列，并完成了對(duì)豚鼠的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)它們可以產(chǎn)生動(dòng)作電位，信號(hào)由聽覺神經(jīng)攜帶，使用垂直激光和光聲效應(yīng)。 他們比較激光陣列的豚鼠的刺激與聲音的咔嗒聲。兩者都產(chǎn)生了形式和幅度匹配的神經(jīng)信號(hào)。

“現(xiàn)在還處于早期階段，但希望這種技術(shù)可以用來(lái)替代或改進(jìn)助聽器和人工耳蝸植入物?！比鹗?a target="_blank">電子與微技術(shù)中心（CSEM）的物理學(xué)家兼項(xiàng)目經(jīng)理Mark Fretz說(shuō)。 該應(yīng)用研究中心是位于瑞士Alpnach的技術(shù)非營(yíng)利組織。

下一步將是提高設(shè)備的能源效率，并使其更小。為原型而開發(fā)的各個(gè)組件（包括用于密封植入身體傳感器的微小藍(lán)寶石外殼以及改進(jìn)的激光透鏡設(shè)計(jì)）還可以找到其他用途，例如允許激光照射耳內(nèi)以改善平衡。

今天的人工耳蝸依靠電極組穿過(guò)頭骨到內(nèi)耳。 電極產(chǎn)生刺激耳蝸神經(jīng)的電場(chǎng)，將周圍的聲音轉(zhuǎn)換成神經(jīng)攜帶到大腦的電信號(hào)。 然而，聚焦電場(chǎng)很困難，所以它往往會(huì)流入其他組織，產(chǎn)生噪音。

Fretz和CSEM是漢諾威醫(yī)療Hochschule的聽覺和激光研究團(tuán)隊(duì)成員，以及巴伐利亞激光制造商Vertilas、精密鏡頭和陣列制造商SUSS MicroOptics等。 該團(tuán)隊(duì)的專家經(jīng)驗(yàn)十分豐富。 作為最大的人工耳蝸制造商之一，因斯布魯克的MED-EL也參與開發(fā)硬件。芬蘭的VTT技術(shù)研究中心，提供防污涂層以保護(hù)植入導(dǎo)線免受過(guò)度纖維生長(zhǎng)。

原型還面臨著設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，包括如何解決功耗問題以及如何縮小組件。 植入身體不能產(chǎn)生太多的熱量，否則會(huì)損傷周圍的細(xì)胞和組織。 研究人員發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生許多50納秒的脈沖，基本上可以復(fù)制50微秒的一次脈沖，并減少持續(xù)閃光產(chǎn)生的熱量。 這種爆發(fā)是創(chuàng)造聲學(xué)復(fù)合動(dòng)作電位所需要的 - 一種沿聽覺神經(jīng)傳遞的信號(hào)。

該團(tuán)隊(duì)使用藍(lán)寶石盒來(lái)密封激光器和組件以隔絕體液和腐蝕，將組件連接到鉑金帶上，并用硅橡膠將其成型。 在豚鼠測(cè)試，研究人員使用了他們的設(shè)備的插件版本，但是在更新的原型中，他們能夠?qū)⒓す馔鈿さ拈L(zhǎng)度減少到兩毫米、寬度為一毫米。

整個(gè)裝置現(xiàn)在是一個(gè)瘦身的九伏電池的形狀，可以放在手掌上。 “這需要進(jìn)一步縮小，” Fretz說(shuō)，對(duì)于商業(yè)植入物來(lái)說(shuō)，“這是可能的?！?/p>

美國(guó)西北大學(xué)耳鼻喉科研究副主席克勞斯 - 彼得里克特（Claus-Peter Richter）從一開始就參與了該項(xiàng)研究，他說(shuō)，“近年來(lái)，利用光傳遞聽覺信號(hào)是個(gè)引起很多爭(zhēng)議的話題，同時(shí)有很多實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行，也有很大發(fā)展。”

一種早期的方法試圖用光直接刺激聽覺神經(jīng); 另一個(gè)目的是基因改變細(xì)胞，使它們對(duì)光作出反應(yīng) - 這是由麻省理工學(xué)院的分子制造者Ed Boyden和德國(guó)哥廷根大學(xué)的Tobias Moser團(tuán)隊(duì)率先推出的一個(gè)概念。

十年前，Richter和他的團(tuán)隊(duì)一次使用激光直接刺激沙鼠的聽覺神經(jīng)幾個(gè)小時(shí)。 到2013年，他們能夠使用相同的技術(shù)在聾和聽覺受損貓進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)六周的測(cè)試，而貓則穿著改良的背包。

今天，還有其他幾個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)是利用光學(xué)來(lái)改善助聽器：德國(guó)洪堡薩爾蘭大學(xué)的Gentiana Wenzel正在嘗試使用編碼為聲頻的綠色激光來(lái)激活內(nèi)耳。 美國(guó)軍方一直關(guān)心在過(guò)去十年的戰(zhàn)爭(zhēng)中的聽力受損，其以與美國(guó)國(guó)家耳聾和其他交流障礙研究所共同資助激光相關(guān)的植入物研究。

捕捉嘈雜世界的所有波形并將其轉(zhuǎn)化為信號(hào)是一項(xiàng)棘手而艱巨的任務(wù)。 Richter指出迄今所做的動(dòng)物研究評(píng)估技術(shù)有局限性。 他說(shuō)：“你能用貓做實(shí)驗(yàn)的只有這么多。你可以測(cè)量信號(hào)，但是貓不會(huì)告訴你我聽到了，或者聽不到。