外毛細胞の機能を模倣した人工蝸牛感覚上皮の高速フィードバック制御の予備的試作

A Preliminary Prototype High-Speed Feedback Control of an Artificial Cochlear Sensory Epithelium Mimicking Function of Outer Hair Cells.

• Hiroki Yamazaki
• Dan Yamanaka
• Satoyuki Kawano

抄録

蝸牛の外毛細胞の機能を模倣した人工蝸牛感覚上皮の局所振動振幅のフィードバック制御技術を開発し、数百ミリ秒オーダーの制御時間で実現することに成功しました。試作した人工蝸牛感覚上皮は、先の研究で開発したものを改良し、バイモルフ圧電膜からの電気出力に基づいて局所共振位置を瞬時に決定できるようにした。この装置は、微小電気機械システム(MEMS)技術を用いて堆積された局所的なパターン化された電極を含んでおり、局所的な電気刺激を加えることで電気出力を検出して装置を振動させることができる。本発明のフィードバック制御システムの最大の特徴は、全ての電極の局所的な電気出力を同時に測定し、その大きさを比較することで共振位置を認識する原理であり、フィードバック制御時間を大幅に短縮することができる。このようにして、装置の局所的な振動を制御するのに0.8秒かかり、各電極の振動振幅を機械的な自動ステージでスキャンしていた従来の研究に比べて、100倍の速度で制御できることになる。さらに、電磁ノイズに対する電気的測定、材料の付着、振動系の疲労破壊メカニズムなど、実験に内在する難点を多くの科学的側面を踏まえて詳細に示し、議論している。また、MEMS製作や実験計測に関する基礎知識は、今後の研究に有益な示唆を与えるものである。提案された高速フィードバック制御の予備的なプロトタイプは、将来的にはより広いダイナミックレンジを持つ完全埋め込み型人工内耳の開発に貢献することが期待される。

A novel feedback control technique for the local oscillation amplitude in an artificial cochlear sensory epithelium that mimics the functions of the outer hair cells in the cochlea is successfully developed and can be implemented with a control time on the order of hundreds of milliseconds. The prototype artificial cochlear sensory epithelium was improved from that developed in our previous study to enable the instantaneous determination of the local resonance position based on the electrical output from a bimorph piezoelectric membrane. The device contains local patterned electrodes deposited with micro electro mechanical system (MEMS) technology that is used to detect the electrical output and oscillate the device by applying local electrical stimuli. The main feature of the present feedback control system is the principle that the resonance position is recognized by simultaneously measuring the local electrical outputs of all of the electrodes and comparing their magnitudes, which drastically reduces the feedback control time. In this way, it takes 0.8 s to control the local oscillation of the device, representing the speed of control with the order of one hundred times relative to that in the previous study using the mechanical automatic stage to scan the oscillation amplitude at each electrode. Furthermore, the intrinsic difficulties in the experiment such as the electrical measurement against the electromagnetic noise, adhesion of materials, and fatigue failure mechanism of the oscillation system are also shown and discussed in detail based on the many scientific aspects. The basic knowledge of the MEMS fabrication and the experimental measurement would provide useful suggestions for future research. The proposed preliminary prototype high-speed feedback control can aid in the future development of fully implantable cochlear implants with a wider dynamic range.