Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Medical devices powered by the ear itself

09.11.2012
For the first time, researchers power an implantable electronic device using an electrical potential — a natural battery — deep in the inner ear.

Deep in the inner ear of mammals is a natural battery — a chamber filled with ions that produces an electrical potential to drive neural signals.

In today’s issue of the journal Nature Biotechnology, a team of researchers from MIT, the Massachusetts Eye and Ear Infirmary (MEEI) and the Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology (HST) demonstrate for the first time that this battery could power implantable electronic devices without impairing hearing.

The devices could monitor biological activity in the ears of people with hearing or balance impairments, or responses to therapies. Eventually, they might even deliver therapies themselves.

In experiments, Konstantina Stankovic, an otologic surgeon at MEEI, and HST graduate student Andrew Lysaght implanted electrodes in the biological batteries in guinea pigs’ ears. Attached to the electrodes were low-power electronic devices developed by MIT’s Microsystems Technology Laboratories (MTL). After the implantation, the guinea pigs responded normally to hearing tests, and the devices were able to wirelessly transmit data about the chemical conditions of the ear to an external receiver.

“In the past, people have thought that the space where the high potential is located is inaccessible for implantable devices, because potentially it’s very dangerous if you encroach on it,” Stankovic says. “We have known for 60 years that this battery exists and that it’s really important for normal hearing, but nobody has attempted to use this battery to power useful electronics.”

The ear converts a mechanical force — the vibration of the eardrum — into an electrochemical signal that can be processed by the brain; the biological battery is the source of that signal’s current. Located in the part of the ear called the cochlea, the battery chamber is divided by a membrane, some of whose cells are specialized to pump ions. An imbalance of potassium and sodium ions on opposite sides of the membrane, together with the particular arrangement of the pumps, creates an electrical voltage.

Although the voltage is the highest in the body (outside of individual cells, at least), it’s still very low. Moreover, in order not to disrupt hearing, a device powered by the biological battery can harvest only a small fraction of its power. Low-power chips, however, are precisely the area of expertise of Anantha Chandrakasan’s group at MTL.

The MTL researchers — Chandrakasan, who heads MIT’s Department of Electrical Engineering and Computer Science; his former graduate student Patrick Mercier, who’s now an assistant professor at the University of California at San Diego; and Saurav Bandyopadhyay, a graduate student in Chandrakasan’s group — equipped their chip with an ultralow-power radio transmitter: After all, an implantable medical monitor wouldn’t be much use if there were no way to retrieve its measurements.

But while the radio is much more efficient than those found in cellphones, it still couldn’t run directly on the biological battery. So the MTL chip also includes power-conversion circuitry — like that in the boxy converters at the ends of many electronic devices’ power cables — that gradually builds up charge in a capacitor. The voltage of the biological battery fluctuates, but it would take the control circuit somewhere between 40 seconds and four minutes to amass enough charge to power the radio. The frequency of the signal was thus itself an indication of the electrochemical properties of the inner ear.

To reduce its power consumption, the control circuit had to be drastically simplified, but like the radio, it still required a higher voltage than the biological battery could provide. Once the control circuit was up and running, it could drive itself; the problem was getting it up and running.

The MTL researchers solve that problem with a one-time burst of radio waves. “In the very beginning, we need to kick-start it,” Chandrakasan says. “Once we do that, we can be self-sustaining. The control runs off the output.”

Stankovic, who still maintains an affiliation with HST, and Lysaght implanted electrodes attached to the MTL chip on both sides of the membrane in the biological battery of each guinea pig’s ear. In the experiments, the chip itself remained outside the guinea pig’s body, but it’s small enough to nestle in the cavity of the middle ear.

Cliff Megerian, chairman of the otolaryngology department at Case Western Reserve University, says that he sees three possible applications of the researchers’ work: in cochlear implants, diagnostics and implantable hearing aids. “The fact that you can generate the power for a low voltage from the cochlea itself raises the possibility of using that as a power source to drive a cochlear implant,” Megerian says. “Imagine if we were able to measure that voltage in various disease states. There would potentially be a diagnostic algorithm for aberrations in that electrical output.”

“I’m not ready to say that the present iteration of this technology is ready,” Megerian cautions. But he adds that, “If we could tap into the natural power source of the cochlea, it could potentially be a driver behind the amplification technology of the future.”

The work was funded in part by the Focus Center Research Program, the National Institute on Deafness and Other Communication Disorders, and the Bertarelli Foundation.

Kimberly Allen | EurekAlert!
Further information:
http://www.mit.edu

More articles from Power and Electrical Engineering:

nachricht Did you know that the wrapping of Easter eggs benefits from specialty light sources?
13.04.2017 | Heraeus Noblelight GmbH

nachricht To e-, or not to e-, the question for the exotic 'Si-III' phase of silicon
05.04.2017 | Carnegie Institution for Science

All articles from Power and Electrical Engineering >>>

The most recent press releases about innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie