如何實(shí)現(xiàn)耳朵供電驅(qū)動(dòng)醫(yī)療電子芯片？
2021-2-22 19:36:35??????點(diǎn)擊：
哺乳動(dòng)物的內(nèi)耳深處都是一個(gè)天然電池：一個(gè)充滿了離子的小室，能產(chǎn)生電壓驅(qū)動(dòng)神經(jīng)信號(hào)。據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，來自麻省理工學(xué)院、馬薩諸塞眼耳醫(yī)院等單位的研究人員，首次證明了這種“電池”能給植入的電子設(shè)備供電，而且不會(huì)損害聽力。植入內(nèi)耳的設(shè)備可用來監(jiān)控生物活動(dòng)，比如聽到聲音、平衡失調(diào)或?qū)χ委煹姆磻?yīng)。最終，植入設(shè)備本身可發(fā)展成一種治療手段。
“60年前我們就知道有一種‘電池’對(duì)聽力非常重要，但沒人會(huì)用它給電器供電?！瘪R薩諸塞眼耳醫(yī)院耳外科醫(yī)生康斯坦尼亞·斯坦科維奇說。
耳朵能把機(jī)械壓力——耳膜的振動(dòng)——轉(zhuǎn)換為大腦可處理的電信號(hào)，而生物電池是信號(hào)電流的電源。電池室位于內(nèi)耳一個(gè)叫做耳蝸的地方，由一層膜隔開，這里一些細(xì)胞已經(jīng)特化成專用的離子泵。膜的另一邊是不平衡的鉀、鈉離子，結(jié)合這些細(xì)胞泵的特殊排列形式，就產(chǎn)生了電壓。雖然此處電壓是體內(nèi)最高的(至少對(duì)單個(gè)細(xì)胞而言)，但仍然非常低，而且為了不擾亂聽力，可用電流只能占其很小一部分。
麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研究員安納薩·錢德拉卡珊小組開發(fā)的低功率芯片正好解決了這一問題。他們還在芯片上裝了一種超低功率無線發(fā)射器，以獲得所檢測(cè)的數(shù)據(jù)。由于生物電池的電壓不穩(wěn)定，芯片上還裝了電源轉(zhuǎn)換線路，就像一般電子設(shè)備電源線兩端的盒式轉(zhuǎn)換器，能逐漸充電。充電時(shí)間一般為40秒到4分鐘，就能給發(fā)射器供電。信號(hào)頻率本身就指示了內(nèi)耳的電化性質(zhì)。
在實(shí)驗(yàn)中，研究人員在豚鼠內(nèi)耳生物電池膜的兩邊植入了電極，并將低功率芯片與電極相連。芯片留在豚鼠體外，但它非常小，足以放入中耳腔內(nèi)。植入電極設(shè)備后，豚鼠在聽力測(cè)試中反應(yīng)正常，該設(shè)備也能以無線方式傳輸數(shù)據(jù)，報(bào)告耳朵和外部接收器的化學(xué)情況。
凱斯西儲(chǔ)大學(xué)耳鼻喉系董事長(zhǎng)克利夫·梅杰利恩說，這項(xiàng)研究有三種可能的應(yīng)用：耳蝸植入、診斷疾病及作為植入式助聽器。用耳蝸本身的低壓產(chǎn)生電流，這就讓它變成了一種電源，給植入耳蝸的電子設(shè)備供電。此外，如果能檢測(cè)出各種疾病狀態(tài)下的電壓，基于這種電流輸出偏差，可能開發(fā)出一種診斷計(jì)算方法。
“60年前我們就知道有一種‘電池’對(duì)聽力非常重要，但沒人會(huì)用它給電器供電?！瘪R薩諸塞眼耳醫(yī)院耳外科醫(yī)生康斯坦尼亞·斯坦科維奇說。
耳朵能把機(jī)械壓力——耳膜的振動(dòng)——轉(zhuǎn)換為大腦可處理的電信號(hào)，而生物電池是信號(hào)電流的電源。電池室位于內(nèi)耳一個(gè)叫做耳蝸的地方，由一層膜隔開，這里一些細(xì)胞已經(jīng)特化成專用的離子泵。膜的另一邊是不平衡的鉀、鈉離子，結(jié)合這些細(xì)胞泵的特殊排列形式，就產(chǎn)生了電壓。雖然此處電壓是體內(nèi)最高的(至少對(duì)單個(gè)細(xì)胞而言)，但仍然非常低，而且為了不擾亂聽力，可用電流只能占其很小一部分。
麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研究員安納薩·錢德拉卡珊小組開發(fā)的低功率芯片正好解決了這一問題。他們還在芯片上裝了一種超低功率無線發(fā)射器，以獲得所檢測(cè)的數(shù)據(jù)。由于生物電池的電壓不穩(wěn)定，芯片上還裝了電源轉(zhuǎn)換線路，就像一般電子設(shè)備電源線兩端的盒式轉(zhuǎn)換器，能逐漸充電。充電時(shí)間一般為40秒到4分鐘，就能給發(fā)射器供電。信號(hào)頻率本身就指示了內(nèi)耳的電化性質(zhì)。
在實(shí)驗(yàn)中，研究人員在豚鼠內(nèi)耳生物電池膜的兩邊植入了電極，并將低功率芯片與電極相連。芯片留在豚鼠體外，但它非常小，足以放入中耳腔內(nèi)。植入電極設(shè)備后，豚鼠在聽力測(cè)試中反應(yīng)正常，該設(shè)備也能以無線方式傳輸數(shù)據(jù)，報(bào)告耳朵和外部接收器的化學(xué)情況。
凱斯西儲(chǔ)大學(xué)耳鼻喉系董事長(zhǎng)克利夫·梅杰利恩說，這項(xiàng)研究有三種可能的應(yīng)用：耳蝸植入、診斷疾病及作為植入式助聽器。用耳蝸本身的低壓產(chǎn)生電流，這就讓它變成了一種電源，給植入耳蝸的電子設(shè)備供電。此外，如果能檢測(cè)出各種疾病狀態(tài)下的電壓，基于這種電流輸出偏差，可能開發(fā)出一種診斷計(jì)算方法。
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