2020 Fiscal Year Annual Research Report
内耳蝸牛の流体構造連成解析に着目したバイオミメティック人工内耳の開発
| Project/Area Number |
19J20157
|
|---|
| Research Institution | Osaka University |
|---|
Principal Investigator |
山崎 嘉己 大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(DC1)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-04-25 – 2022-03-31
|
| Keywords | 振動制御 / 音響 / バイオミメティクス / 流体構造連成 / 圧電素子 / 内耳蝸牛 / 人工聴覚上皮 / 進行波 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，感音性難聴に対する未来医療に関連して，内耳蝸牛の機能を模倣した人工聴覚上皮の開発を進めてきた．これまでに，動物実験用デバイスの創製と最適化に向けて，人工聴覚上皮を用いた音認識プロセスのモデル化を行った．外有毛細胞を模倣したフィードバック制御機構を人工聴覚上皮に統合し，実験と数値解析の両面から基底膜の非線形振動を模倣・解析した．また，圧電効果により振動を電圧に変換し，Hodgkin-Huxleyモデルに接続することで聴神経の応答を再現した．先行研究で行われた動物実験における結果と定性的に一致しており，本内容について国際学術雑誌より出版された．
2020年度は，動物実験に適したMEMSデバイスおよび計測系の最適化を進めた．はじめに，フィードバック制御の高速化に取り組んだ．先行研究で開発したフィードバック制御機構では，人工聴覚上皮における共振位置の特定に約50 s要していたが，臨床応用にはさらなる高速化が求められる．そこで，人工聴覚上皮の改良により電圧の計測を可能とし，共振点の特定およびフィードバック制御の高速化に成功した．得られた結果を取りまとめ，国際学術雑誌に出版することができた．また，内耳基底膜の特徴である進行波を人工聴覚上皮において観測した．これまでの研究では，人工聴覚上皮の周波数特性や位置依存性を評価してきたが，計測系の改良を行い，位相差や整定時間の高精度な解析が可能となった．さらに，有限要素法を用いて人工聴覚上皮の3次元モデルを構築し，実験結果と同様の進行波を観測することができた．これらの結果をとりまとめ，国際会議ICFD2020において口頭発表した．動物実験に向けた取り組みとして，小型デバイスの作製を継続している．共同研究先の大阪大学医学系研究科においてモルモット蝸牛への埋め込み手術を計画しており，生体機械工学的な設計指針の確立に取り組んでいる．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
はじめに，外有毛細胞を模倣したフィードバック制御の高速化に取り組んだ．先行研究においてフィードバック制御機構を構築し，人工聴覚上皮のダイナミックレンジを拡大することができた．フィードバック制御において共振位置の特定が必要となるが，先行研究では50 s要していた．これは，各位置における振動をレーザードップラー振動計によりスキャンし，その大きさを比較することによって共振位置を決定していたためである．そこで，人工聴覚上皮をバイモルフ型とし，電極をひずみの大きい固定境界近傍に取り付けることにより，人工聴覚上皮に生じる電圧の計測を可能とした．これにより，振動をスキャンする時間が削減され，複数の電極から得られる電圧を同時に計測および共振位置を判断することで，制御に要する時間を約99%短縮することができた．
また，人工聴覚上皮を伝わる進行波の観測を行った．内耳蝸牛に音が伝わると基底膜に進行波が生じることが知られており，人工聴覚上皮上においても進行波を観測することは生体模倣において重要な取り組みである．そこで，進行波の観測には時間特性を明らかにする必要があるため，計測系の改良を行った．これまで，スピーカによる音圧の印加や振動子による加振を行ってきたが，内耳蝸牛における音伝播機構を模倣した振動系を考案した．また，汎用ソフトLabVIEWを用いた自動計測プログラムを自作し，時系列データの高速処理が可能となった．これにより，空気中に設置した人工聴覚上皮において進行波が観測され，位相差や整定時間について解析が可能となった．さらに，有限要素法を用いて人工聴覚上皮の3次元モデルを構築し，実験結果と同様の進行波を観測することができた．本内容は，バイオミメティクスのみならず，機械工学の観点からも大変興味深い知見であるため，これらの結果をとりまとめ，国際学術雑誌に投稿する予定である．
|
| Strategy for Future Research Activity |
次の2項目に重点を置き，研究を遂行する．
第1に，動物実験用デバイスを用いて聴性脳幹反応の計測を試みる．開発しているデバイスは，代表長さ100 μmの寸法であり，蝸牛の螺旋構造に適応するように曲率を有する台形状としている．また，先行研究を応用し，Ti/Auを用いた大きさ約0.2 mm2の認識用/制御用電極を蒸着しており，聴神経の刺激や振動制御を行うことができる．これらの電極は，有限要素法を用いて振動モードを解析し，応力が最大となる位置に取り付けているため，設計上最大の電圧を抽出することが可能である．まず，振動によって生じる電圧が聴神経の発火に必要な閾値を超えるかを実験的に検証する．圧電体であるP(VDF-TrFE)を用いてデバイスを自作しており，圧電性を発現させるために分極処理を行う．昨年度に微小針型プローブおよび実体顕微鏡を導入しており，電極や圧電薄膜の作製工程を再検討し，圧電性能の大幅な向上と再現性の高いスキームの確立を目指す．その上で，医学系研究者との情報共有を行いながら，デバイスの最適化を進め，聴性脳幹反応の計測を行う．
第2に，液中における振動特性を実験的に評価する．蝸牛内はリンパ液で満たされているため，人工聴覚上皮は流体と連成振動する．現在，有限要素法による流体構造連成解析を行っており，人工聴覚上皮に対する周囲流体の影響を調査している．デバイスの小型化にともない，共振周波数帯が可聴域を超過すると予想されたが，周囲流体の影響により周波数帯が減少することがわかったため，設計上の制限を大幅に緩和できると考えられる．そこで，蝸牛への埋め込み実験を想定した振動系を構築し，数値解析の妥当性を評価する．これらの知見は，人工聴覚上皮の開発のみならず，流体力学と機械力学の融合による興味深い知見であるため，得られた結果をとりまとめ，国際学術雑誌への投稿を行う．
|
