Les implants cochléaires, qui sont des prothèses neurales similaires aux appareils auditifs classiques, représentent une avancée significative pour les personnes souffrant de perte auditive sévère. Cependant, de nombreux candidats potentiels sont rebutés par le matériel externe encombrant de ces dispositifs, qui doit être porté pour traiter les signaux transmis par l’implant. C’est pourquoi les chercheurs s’efforcent de concevoir un implant cochléaire entièrement interne, permettant de restaurer la perception de la parole et des sons sans les contraintes de style de vie imposées par les appareils actuels.
Un nouveau microphone biocompatible pourrait ouvrir la voie à des implants cochléaires totalement internes. De la taille d’un grain de riz, ce microphone est fabriqué à partir d’un matériau piézoélectrique flexible qui mesure directement les mouvements induits par le son sur le tympan. La sensibilité de ce microphone miniature est comparable à celle des meilleurs appareils auditifs externes d’aujourd’hui.
Les implants cochléaires créent un chemin inédit pour que les sons atteignent le cerveau. Un microphone et un processeur externes, portés derrière l’oreille ou sur le cuir chevelu, collectent et traduisent les sons entrants en signaux électriques, qui sont ensuite transmis à un électrode implantée chirurgicalement dans la cochlée, au plus profond de l’oreille interne. Là, les signaux électriques stimulent directement le nerf auditif, envoyant des informations au cerveau pour qu’il les interprète comme des sons.
Cependant, Hideko Heidi Nakajima, professeure associée en oto-rhino-laryngologie à la Harvard Medical School et au Massachusetts Eye and Ear, souligne que « les gens n’apprécient pas le matériel externe ». Ils ne peuvent pas le porter en dormant, en nageant ou en pratiquant de nombreuses autres activités physiques, ce qui pousse de nombreux candidats potentiels à renoncer à l’appareil. De plus, le son entrant va directement au microphone, contournant l’oreille externe, qui joue normalement un rôle crucial dans l’amplification des sons et le filtrage des bruits. « L’idée principale est maintenant d’intégrer tout — processeur, batterie, microphone — à l’intérieur de l’oreille », explique Nakajima. Cependant, même lors des essais cliniques de conceptions entièrement internes, la sensibilité du microphone a constitué un obstacle majeur.
Nakajima, avec des collègues du MIT, de Harvard et de l’Université de Columbia, a conçu un microphone à cantilever qui détecte le mouvement d’un os attaché derrière le tympan, appelé umbo. Les sons entrant dans le canal auditif provoquent une vibration unidirectionnelle de l’umbo, avec un déplacement dix fois plus important que celui des autres os voisins. La pointe de l’« UmboMic » touche l’umbo, et les mouvements de celui-ci fléchissent le matériau, produisant une charge électrique grâce à l’effet piézoélectrique. Ces signaux électriques peuvent ensuite être traités et transmis au nerf auditif. « Nous utilisons ce que la nature nous a donné, qui est l’oreille externe », déclare Nakajima.
Importance d’une Électronique à Faible Bruit et Faible Consommation pour les Implants Cochléaires
Créer un microphone biocompatible capable de détecter les mouvements infimes du tympan n’est pas une tâche facile. Jeff Lang, professeur en ingénierie électrique au MIT et co-leader du projet, souligne que seuls certains matériaux sont acceptés par le corps humain. Un autre défi consiste à protéger le dispositif des bruits internes générés par l’électronique. De plus, la fiabilité à long terme est cruciale. « Nous souhaitons qu’un implant dure des décennies », affirme Lang.
Lors des tests du prototype de microphone implantable, un faisceau laser mesure le mouvement de l’umbo, qui est transféré à la pointe du capteur.JEFF LANG & HEIDI NAKAJIMA
Les chercheurs ont opté pour un design triangulaire pour le capteur de 3 par 3 millimètres, composé de deux couches de fluorure de polyvinylidène (PVDF), un polymère piézoélectrique biocompatible, intercalées entre des couches de polymère flexible à électrodes. Lorsque la pointe du cantilever se plie, une couche de PVDF génère une charge positive et l’autre une charge négative, ce qui permet d’annuler une grande partie du bruit. La forme triangulaire assure une distribution uniforme du stress au sein du cantilever, maximisant le déplacement qu’il peut supporter avant de se briser. « Le capteur peut détecter des sons inférieurs à un murmure », précise Lang.
Emma Wawrzynek, étudiante diplômée au MIT, souligne que travailler avec le PVDF est délicat car il perd ses propriétés piézoélectriques à haute température, et la plupart des techniques de fabrication impliquent de chauffer l’échantillon. « C’est un défi, surtout pour l’encapsulation », qui consiste à enfermer le dispositif dans une couche protectrice pour qu’il puisse rester en toute sécurité dans le corps, explique-t-elle. Le groupe a réussi en déposant progressivement du titane et de l’or sur le PVDF tout en utilisant un dissipateur thermique pour le refroidir. Cette approche a créé une couche de protection qui préserve les électrodes de détection de charge des interférences électromagnétiques.
Un autre moyen d’améliorer les performances d’un microphone est, bien sûr, d’amplifier le signal. « Du côté électronique, un amplificateur à faible bruit n’est pas nécessairement un énorme défi à construire si vous êtes prêt à consommer plus d’énergie », explique Lang. Cependant, selon John Zhang, étudiant au MIT, les fabricants d’implants cochléaires essaient de limiter la consommation d’énergie de l’ensemble du dispositif à 5 milliwatts, et à seulement 1 mW pour le microphone. « Le compromis entre bruit et puissance est difficile à atteindre », déclare Zhang. Lui et son camarade Aaron Yeiser ont développé un amplificateur de charge personnalisé à faible bruit et faible consommation qui surpasse les options disponibles sur le marché.
« Notre objectif était de surpasser ou au moins d’égaler les performances des microphones externes capacitatifs haut de gamme », explique Nakajima. Pour les microphones d’appareils auditifs externes de pointe, cela signifie une sensibilité jusqu’à un niveau de pression sonore de 30 décibels, équivalent à un murmure. Lors des tests de l’UmboMic sur des cadavres humains, les chercheurs ont implanté le microphone et l’amplificateur près de l’umbo, ont introduit des sons par le canal auditif et mesuré ce qui était détecté. Leur dispositif a atteint 30 décibels sur une plage de fréquences allant de 100 hertz à 6 kilohertz, qui est la norme pour les implants cochléaires et les appareils auditifs, couvrant les fréquences de la parole humaine. « Mais en ajoutant les effets de filtrage de l’oreille externe, nous faisons mieux [que les appareils auditifs traditionnels], jusqu’à 10 dB, surtout dans les fréquences de la parole », ajoute Nakajima.
De nombreux tests restent à réaliser, tant en laboratoire que sur des moutons, avant un éventuel essai humain. Cependant, si leur UmboMic réussit, l’équipe espère qu’il permettra à plus d’un million de personnes dans le monde de vivre avec un nouveau sens du son.
Cette recherche a été publiée le 27 juin dans le Journal of Micromechanics and Microengineering.
