Kleiner Wandler, große Schwingung: Eine innovative Gehörhilfe

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Kleiner Wandler, große Schwingung: Eine innovative Gehörhilfe
Auf einen Blick
Innenohr-Aktor übernimmt
Funktion der
Gehörknöchelchen
Bessere Verstärkung als bei
konventionellen Hörgeräten
Natürlicheres Hörempfinden
als bei Cochlea-Implantaten
02. 2015
IMPT | Konventionelle Hörgeräte helfen nicht jedem Schwerhörigen, und
auch Cochlea-Implantate stoßen an ihre Grenzen. Forscher am IMPT
haben deshalb einen Innenohraktor entwickelt: Eine Gehörhilfe zwischen
Hörgerät und Implantat, die die Funktion der Gehörknöchelchen aktiv
übernehmen soll.
Allein in Deutschland sind mehr als 290.000 Menschen schwerhörig. Die
Ursachen und der Grad der Beeinträchtigung sind jedoch ganz
unterschiedlich: Während sich bei manchen Menschen der Schall im
Gehörgang nicht richtig ausbreiten kann, sind bei anderen die Hörnerven
geschädigt oder die akustischen Signale werden vom Gehirn nicht richtig
verarbeitet (siehe Bild 2).
Genauso vielfältig wie die Ursachen sind die medizintechnischen Lösungen,
die derzeit eingesetzt werden, um das Hörvermögen der Patienten zumindest
teilweise
wiederherzustellen.
Während
einfache
Hörgeräte
die
Luftschallleitung verstärken, setzen sogenannte Cochlea-Implantate direkt am
Hörnerv an und wandeln den Schall in ein elektrisches Signal um.
Hörgerät oder Cochlea-Implantat: Nicht immer optimal
Im Falle einer Schalleitungsschwerhörigkeit, etwa wenn das Trommelfell oder
die Gehörknöchelchenkette geschädigt ist, kann das Schallereignis direkt auf
das Innenohr übertragen werden. Der durch einfache Hörgeräte verstärkte
Luftschall reicht nicht aus, um die Membran am sogenannten Ovalen Fenster
der Hörschnecke (lat. Cochlea) anzuregen, da sie kleiner und steifer ist als
das Trommelfell. Im gesunden Ohr würden die Gehörknöchelchen die Signale
weiterleiten. Ein Cochlea-Implantat ist für diese Patienten jedoch ebenfalls
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nicht die optimale Lösung – zumindest, wenn die Hörschnecke an sich noch
voll funktionsfähig ist. Denn das Implantat kann das natürliche Hörempfinden
eines gesunden Ohres nur verändert nachempfinden.
Für diese Patienten hat das Institut für Mikroproduktionstechnik (IMPT) ein
teilimplantierbares Hörgerät entwickelt: Einen Aktor, der die Funktion der
Schallübertragung im Mittelohr übernimmt und so dem natürlichen
Hörempfinden
sehr
nahe
kommt.
Im
Rahmen
der
Projekte
„Innenohrmikrowandler zur Anregung der Perilymphe bei Schwerhörigkeit“
(DFG) und „Hearing4All“ (Exzellenzcluster) in Zusammenarbeit mit der
Medizinischen Hochschule Hannover haben die Forscher eine innovative
Gehörhilfe zwischen konventionellem Hörgerät und Cochlea-Implantat
entwickelt.
Klein, aber fein ? Implantate statt Hörgeräte
Die teilimplantierbare Gehörhilfe könnte konventionelle Hörgeräte, die das
Schallereignis rein akustisch verstärken, auf lange Sicht komplett ersetzen.
Damit ließe sich die Verstärkungsgrenze von üblicherweise 30 Dezibel
erweitern und die schlechte Klangqualität bei hohen Frequenzen verbessern.
Das Implantat setzt direkt am runden Fenster der Hörschnecke an. Hier
können die Schallwellen mechanisch besser verstärkt werden, als es durch
reine Luftleitung des Schalls möglich wäre. Das Implantat wäre somit nicht nur
bei einer reinen Schalleitungsschwerhörigkeit einsetzbar, sondern verspricht
auch Linderung bei Schallempfindungsschwerhörigkeit.
Die Rundfenstermembran wird durch ein verstärktes Schallereignis in
Schwingung versetzt, und diese Schwingung überträgt sich auf die Flüssigkeit
in den Gängen der Hörschnecke. Diese wandert an den Wänden entlang und
versetzt die Haarzellen der Basilarmembran in Bewegung, wodurch die
mechanische Schwingung in ein elektrisches Signal umgewandelt und über
den Hörnerv an das Gehirn weitergeleitet wird.
Verbessertes Hörvermögen durch magnetische Wandler
Die mechanische Bewegung, welche die Rundfenstermembran zum
Schwingen bringt, wird in diesem Fall durch einen elektromagnetischen Aktor
erzeugt. Auf diese Weise können auf kleinem Bauraum Kräfte erzeugt werden,
die groß genug sind, die Membran ausreichend auszulenken. Die hierfür
nötigen Magnetfelder werden mittels Mikrospulen generiert. Zunächst haben
die Wissenschaftler am IMPT diese Mikrospulen unter Verwendung
fotolithografischer Prozesse auf einem Substrat schichtweise galvanisch
aufgebaut. So lassen sich vor allem flächige Spulen fertigen, deren Höhe nur
wenige zehn Mikrometer beträgt. Der fertigungstechnische Aufwand für diese
Art Spulen ist jedoch hoch und die Nutzleistung des Aktors gering.
In der zweiten Projektphase ging das IMPT daher dazu über, einen neuartigen
biomedizinischen Hybridaktor zu entwerfen und zu fertigen, der auf einer
Kombination
aus
mikrosystemund
feinwerktechnischen
Herstellungsverfahren basiert. Diese hybride Prozesstechnik erlaubt eine
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einfachere Fertigung, zudem können höhere Aktorkräfte erreicht werden. Die
bisher verwendeten Planarspulen wurden so durch feinwerktechnisch
hergestellte Wickelspulen ersetzt, welche den Erregerteil bilden (siehe Bild 4).
Der
mechanische
Wandler
wird
weiterhin
mit
konventionellen
mikrosystemtechnischen Fertigungsverfahren erzeugt.
Zu große Hitze würde Gewebe schädigen
Bei der Entwicklung der innovativen Gehörhilfe mussten die Forscher eine
Vielzahl von Randbedingungen beachten. So dürfen sich die Mikrospulen nicht
stärker als 3,5°C erwärmen, um das umliegende Gewebe nicht zu schädigen.
Das ist ein entscheidender Faktor bei der Limitierung der Kraftentwicklung und
damit der möglichen Leistungsfähigkeit bezüglich der Membranauslenkung.
Ein weiterer einschränkender Faktor ist die Baugröße: Der Außendurchmesser
des Implantats darf maximal 1,5 Millimeter betragen. Trotz dieser scharfen
Restriktionen konnten die Wissenschaftler am IMPT einen leistungsfähigen
Aktor auf Basis einer elektromagnetisch-mechanischen Wandlung entwickeln
(siehe Bild 5).
von Rahel Kruppe und Mathias Rechel
E-Mail: [email protected]r.de
Tel.: (0511) 762-18024
Webseite: www.impt.uni-hannover.de
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