Theoretical and Experimental Study of a Human Inner Ear Implant with an Ultrasonic Communication Line

Abstract

В роботі розглянуті принципи побудови системи кохлеарної імплантації з новою акустичною лінією зв’язку між її зовнішньою і внутрішньою частинами. Така система застосовується для відновлення слухової функції людини, яка порушена внаслідок захворювання або зовнішнього впливу (мінновибухової травми). Для відновлення слуху система безпосередньо діє на нервові волокна електричними імпульсами, які і викликають слухові відчуття. Розроблена система з імплантацією електродів складається з трьох основних частин: мікрофону; пристрою обробки звуку; та ряду електродів, і використовує принцип місця, який полягає в тому, що певній частоті звуку відповідає певне місце в завитці внутрішнього вуха людини. Визначено вимоги до окремих блоків кохлеарного імплантату: мікрофону, компресора, смугових фільтрів, підсилювачів, регулятора гучності, модулятора, ультразвукової лінії зв’язку, демодулятора. Вибрана стратегія кодування звукових сигналів в системі, яка полягає у представленні мовного сигналу у цифровій формі. Вона передбачає зміну як ширини імпульсу, так і його амплітуди, для отримання найефективнішого енергетично стимулу. Обговорено важливе питання розміщення електродів у завитці внутрішнього вуха людини, які в розробленій системі повністю забезпечують мовний діапазон частот. Використання земельного електроду, розташованого в скроневому м'язі, дозволило вдвічі знизити поріг збудження нервових волокон. Створено макет імплантату внутрішнього вуха людини з акустичним каналом передачі інформації, і з його використанням підтверджена можливість отримання імпульсів з необхідною тривалістю та амплітудою струму. Зазначено, що важливою додатковою перевагою системи є можливість імплантації лише пасивних елементів, що значно підвищує її надійність та безпечність.

The study examines the principles of constructing a cochlear implantation system with a new acoustic communication line between its external and internal components. This system is used to restore human auditory function, which may be impaired due to illness or external factors (such as mine-blast injury). To restore hearing, the system directly stimulates nerve fibers with electrical impulses that generate auditory sensations. The developed system with implanted electrodes consists of three main components: a microphone, a sound processing device, and a series of electrodes. It utilizes the place principle, where a specific sound frequency corresponds to a particular location in the cochlea of the human inner ear. The study defines the requirements for the individual components of the cochlear implant, including the microphone, compressor, bandpass filters, amplifiers, volume regulator, modulator, ultrasonic communication line, and demodulator. The chosen sound signal encoding strategy represents speech signals in digital form, modifying both pulse width and amplitude to achieve the most energy-efficient stimulation. A critical issue discussed is the placement of electrodes in the cochlea, ensuring full coverage of the speech frequency range. The use of a ground electrode placed in the temporal muscle reduced the nerve fiber excitation threshold by half. A prototype of the human inner ear implant with an acoustic information transmission channel has been developed, and its use has confirmed the possibility of generating impulses with the required duration and current amplitude. Additionally, an important advantage of the system is the ability to implant only passive elements, significantly enhancing its reliability and safety.