MEMS/NEMS人工聴覚器による感音難聴治療法開発

文献情報

文献番号
201224036A
報告書区分
総括
研究課題名
MEMS/NEMS人工聴覚器による感音難聴治療法開発
課題番号
H22-感覚-一般-004
研究年度
平成24(2012)年度
研究代表者(所属機関)
伊藤　壽一(京都大学　医学研究科耳鼻咽喉科)
研究分担者(所属機関)
  • 中川　隆之(京都大学　医学研究科　耳鼻咽喉科)
  • 坂本　達則(京都大学　医学部附属病院　耳鼻咽喉科)
  • 平海　晴一(京都大学　医学部附属病院　耳鼻咽喉科)
  • 川野　聡恭(大阪大学大学院　基礎工学研究科)
  • 土井　謙太郎(大阪大学大学院　基礎工学研究科)
  • 和田　仁(東北大学大学院　工学研究科)
  • 小池　卓二(電気通信大学　電気通信学部　)
研究区分
厚生労働科学研究費補助金 疾病・障害対策研究分野 障害者対策総合研究
研究開始年度
平成22(2010)年度
研究終了予定年度
平成24(2012)年度
研究費
7,645,000円
研究者交替、所属機関変更
-

研究報告書（概要版）

研究目的
平成23年度までの研究成果で圧電素子膜を用いた完全埋め込み型デバイスが実際に蝸牛内で音響刺激により起電可能なことを示した。平成24年度には、実用化に向けて、１）デバイスからの出力向上、２）応答周波数帯域の広域化、３）ラセン神経節刺激に必要な電圧を減じることが可能な電極開発、４）蝸牛内での固定方法の開発を行った。
研究方法
デバイスからの出力向上に関しては、新しい圧電素子膜の使用、デバイスデザインの改訂を行い、体外での音響刺激に対する応答を記録した。応答周波数の広域化については、平成23年度に引き続き、音波を検知する振動部に厚み変化を与えることで応答周波数帯域を広げる方法で、応答周波数の広域化を図った。電極開発については、蝸牛軸内に挿入する電極開発を行い、蝸牛埋め込み実験を行い、実際の手術操作に耐えうる仕様を調べた。蝸牛内での固定法に関しては、上記の電極デザイン改訂によるデバイスの固定を検討すると同時に、数値モデルを用い、デバイス挿入による基底板振動の変化についての解析を行った。また、平成23年度開発デバイスの蝸牛内長期埋め込みの蝸牛組織に与える組織学的な影響について調べた。
結果と考察
デバイス出力については、新規圧電素子材料の採用とフレームに対する圧電素子膜固定法の変更などのデザイン変更により、体外計測で過去に開発したプロトタイプに比較して、約3000倍の出力増大を達成することができた。応答周波数広域化に関しては、グレイスケール露光法を用いて、膜厚を長軸方向に変化させる圧電素子膜を作製し、圧電素子膜の厚さで最大46倍の変化をつけることに成功した。振動特性では、過去に開発したプロトタイプに比べて、20倍以上の帯域拡大に成功した。電極開発においては、異なる電極長のデバイスを作製し、モルモット蝸牛鼓室階から蝸牛軸への装着実験を行い、電極2本を確実に挿入可能で、デバイス固定にも有効なデザイン変更点が明確となり、詳細な仕様を決定することができた。数値モデル解析では、材質を既存の人工内耳電極の組成と仮定した解析を行い、長さについては、基底板全長とその半分の2通りとした。結果、蝸牛頂部付近の電極の存在が振幅値の低下に影響を及ぼす事が示唆された。特徴周波数位置について解析したところ、基底板長と同じ長さの電極の場合、周波数特性が全体に基底側にシフトすることが明らかとなった。一方、半分の長さの場合、高音域にのみ同様の現象が観察された。したがって、蝸牛基底回転部分のみにデバイスを挿入した場合の蝸牛基底板振動特性に対して与える影響は小さいことが分かった。長期埋め込み実験については、既存の人工内耳電極および平成23年度モデルデバイスを蝸牛基底回転鼓室階に開窓を設け、それぞれを挿入後、筋膜および有茎筋肉弁で閉鎖し、4週間後に組織学的解析を行った。蝸牛基底回転、第2回転鼓室階に軽度の炎症細胞浸潤を認めたが、明らかな線維化はなく、蝸牛感覚上皮、側壁、ラセン神経節に明らかな変性所見は認められなかった。また、既存の人工内耳電極挿入を行った蝸牛との間に明らかな差違は認めなかった。
結論
平成23年度までに開発したデバイスの実用化に関する諸問題解決に向けた研究を行い、最も懸念される問題であった出力向上に関して、圧電素子材料の変更とデザイン改訂により大幅な出力増大に成功した。また、蝸牛内へのデバイス固定にも応用できる蝸牛軸挿入型電極開発を行い、デバイスの実用化に向け、有意義な進捗が認められた。

公開日・更新日

公開日
2013-06-04
更新日
-

研究報告書（PDF）

文献情報

文献番号
201224036B
報告書区分
総合
研究課題名
MEMS/NEMS人工聴覚器による感音難聴治療法開発
課題番号
H22-感覚-一般-004
研究年度
平成24(2012)年度
研究代表者(所属機関)
伊藤　壽一(京都大学　医学研究科耳鼻咽喉科)
研究分担者(所属機関)
  • 中川　隆之(京都大学　医学研究科　耳鼻咽喉科)
  • 坂本　達則(京都大学　医学部附属病院　耳鼻咽喉科)
  • 平海　晴一(京都大学　医学部附属病院　耳鼻咽喉科)
  • 川野　聡恭(大阪大学大学院　基礎工学研究科)
  • 土井　謙太郎(大阪大学大学院　基礎工学研究科)
  • 新宅　博文(大阪大学大学院　基礎工学研究科)
  • 舘野　高(大阪大学大学院　基礎工学研究科)
  • 和田　仁(東北大学大学院　工学研究科)
  • 小池　卓二(電気通信大学　電気通信学部)
研究区分
厚生労働科学研究費補助金 疾病・障害対策研究分野 障害者対策総合研究
研究開始年度
平成22(2010)年度
研究終了予定年度
平成24(2012)年度
研究者交替、所属機関変更
-

研究報告書（概要版）

研究目的
高度難聴および中等度難聴に対する新しい治療方法として、Micro/Nano-Electro-Mechanical Systems (ＭＥＭＳ／ＮＥＭＳ)を用い、完全埋め込み可能であり、外部電源を必要としない人工聴覚器および関連する手術手技を開発し、前臨床試験を行うことである。本研究課題では、圧電素子を用いた人工聴覚器の臨床応用を目的とし、日常生活レベルの音響聴取を可能とするための圧電素子を用いた人工聴覚器の出力向上および刺激の伝達効率を高めるためのデバイス、インプラント法の改善を行い、ヒトへの外挿性検討に関する研究を行う。
研究方法
モルモットを実験動物として用い、モルモット蝸牛基底回転鼓室階に埋め込むことを想定した圧電素子膜を用いたデバイスを作製し、圧電素子膜への音響刺激の伝達、伝達に応答した起電計測を行い、実際に聴性脳幹反応誘導に必要な諸条件を明確とし、必要な仕様を決定する。次に、目標とする諸条件を解決するためのデバイス材料、デザインの改訂を行う。同時に、数値モデルを用い、求められる条件を予測し、デバイスの開発、埋め込み手術開発に応用する。また、ヒト側頭骨標本を用いて、デバイス埋め込みの臨床応用に際しての問題点を明らかにする。
結果と考察
第一にモルモット蝸牛への圧電素子膜デバイス埋め込み実験により、外耳あるいは中耳からの音響刺激が圧電素子膜に伝達されることを確認し、これに対応した起電を計測することができた。しかし、体外計測時の理想的な状態に比較して、蝸牛埋め込み後の出力が大幅に抵抗することが明らかとなった。このため、デバイスからの出力向上、音響刺激伝達の至適化を考えた埋め込み方法、ラセン神経節を効率的に刺激できる電極の開発が必要であることが明らかになった。また、デバイスの応答可能な周波数帯域を拡大する必要も示唆された。新規圧電素子材料の採用とフレームに対する圧電素子膜固定法の変更などのデザイン変更により、目標とするレベルの出力増大を達成することができた。応答周波数広域化に関しては、グレイスケール露光法を用いて、膜厚を長軸方向に変化させる圧電素子膜を作製し、過去に開発したプロトタイプに比べて、20倍以上の帯域拡大に成功した。電極開発においては、蝸牛への埋め込み実験に耐えうる強度の蝸牛軸挿入型電極の作製に成功した。数値モデル解析では、材質を既存の人工内耳電極の組成と仮定した解析を行い、基底板長と同じ長さの電極の場合、周波数特性が全体に基底側にシフトすることが明らかとなったが、半分の長さの場合、高音域にのみ同様の現象が観察された。したがって、蝸牛基底回転部分のみにデバイスを挿入した場合の蝸牛基底板振動特性に対して与える影響は小さいことが分かった。長期埋め込み実験による既存の人工内耳電極との比較試験により、安全性を示唆する所見が得られた。ヒト側頭骨を用いた解析から、現在行われている人工内耳手術と同等の侵襲の手術でデバイス挿入固定が可能であることを確認した。
結論
本研究で得られた結果は、圧電素子膜を用いた聴覚デバイスによる聴覚再生の実現性を示唆するものであり、今後の難聴モデル動物での聴覚改善の実証に期待が持たれる。また、今後製品化を前提とした産業界との共同研究への進展が期待できることを示すことができた。

公開日・更新日

公開日
2013-06-04
更新日
-

研究報告書（PDF）

行政効果報告

文献番号
201224036C

成果

専門的・学術的観点からの成果
圧電素子膜を用いた完全埋め込み型聴覚デバイスの実用化に向けて、実験的に蝸牛内に埋め込んだ圧電素子膜に音響刺激が伝達され、起電することが確認され、理論的に必要と考えられる起電力向上を圧電素子膜材料、デザインの工夫により実現することができた。これら一連の結果は、圧電素子膜を用いた蝸牛内完全埋め込み型デバイスの実現性を示すものであり、新しい研究分野を切り拓くものと評価できる。
臨床的観点からの成果
感音難聴に対する治療法の中心は、人工内耳や補聴器といった聴覚デバイスによる聴覚改善が中心であるが、本研究課題の成果は、外部電源を要しない新規聴覚デバイス開発の可能性を強く示すものであり、将来的に中等度、高度難聴治療に新しい治療オプションを提供する研究成果として評価できる。
ガイドライン等の開発
なし
その他行政的観点からの成果
本研究課題で開発した新規聴覚デバイスは、全く新しい人工内耳ともいえる。現在、人工内耳は高度感音難聴に対する唯一の治療法であり、世界に広く普及している。本邦での人工内耳医療は100％輸入によるものであり、本研究成果は本邦独自の人工内耳医療開発につながるものであり、今後産業界との共同研究による開発が期待される。
その他のインパクト
公開シンポジウム聴覚、音声障害治療のこれからを平成24年10月11日京都市にて開催した。また、同年9月7日日経産業新聞にて本研究成果の一部が紹介された。

発表件数

原著論文（和文）
9件
原著論文（英文等）
20件
その他論文(和文)
0件
その他論文(英文等)
0件
学会発表(国内学会)
62件
学会発表(国際学会等)
34件
その他成果(特許の出願)
1件
その他成果(特許の取得)
0件
その他成果(施策への反映)
0件
その他成果(普及・啓発活動)
0件

特許

特許の名称
人工感覚上皮
詳細情報
分類:
特許番号: 2012-191109
発明者名: 川野聡恭、伊藤壽一、中川隆之、新宅博文
権利者名: 国立大学法人大阪大学
出願年月日: 20120831
国内外の別: 国内

主な原著論文20編（論文に厚生労働科学研究費の補助を受けたことが明記された論文に限る）

論文に厚生労働科学研究費の補助を受けたことが明記された論文に限ります。

原著論文1
Hideaki Ogita, MD; Takayuki Nakagawa, MD, PhD; Tatsunori Sakamoto, MD, PhD;et al.
Transplantation of Bone Marrow-Derived Neurospheres Into Guinea Pig Cochlea
The Laryngoscope , 120 , 576-581  (2010)
10.1002/lary.20776
原著論文2
TATSUNORI SAKAMOTO, TAKAYUKI NAKAGAWA, RIE T. HORIE,
Inner ear drug delivery system from the clinical point of view
Acta Oto-Laryngologica , 130 , 101-104  (2010)
10.3109/00016489.2010.486801
原著論文3
Kenji Ishihara, Shuhei Okuyama, Shun Kumano,et al.
Salicylate restores transport function and anion exchanger activity of missense
Hearing Research , 270 , 110-118  (2010)
10.1016/j.heares.2010.08.015
原著論文4
Shun Kumano, Michio Murakoshi, Koji Iida,et al.
Atomic force microscopy imaging of the structure of the motor protein prestin
FEBS Letters , 584 , 2872-2876  (2010)
10.1016/j.febslet.2010.04.076
原著論文5
Shun Kumano, Koji Iida, Kenji Ishihara,et al.
Salicylate-induced translocation of prestin having mutation in the GTSRH
FEBS Letters , 584 , 2327-2332  (2010)
10.1016/j.febslet.2010.04.010
原著論文6
Takatoshi Inaoka, Hirofumi Shintaku, Takayuki Nakagawa,et al.
Piezoelectric materials mimic the function of the cochlear sensory epithelium
PNAS , 108 , 18390-18395  (2011)
10.1073/pnas.1110036108
原著論文7
Shintaku H, Inaoka T, Nakagawa T, Kawano S, Ito J.
Electrically evoked auditory brainstem response by using bionic auditory membrane in guinea pigs.
Journal of Biomechanical Science and Engineering , 8 , 198-208  (2013)

公開日・更新日

公開日
2017-05-23
更新日
-

収支報告書

文献番号
201224036Z
報告年月日

収入

(1)補助金交付額
9,938,000円
(2)補助金確定額
9,938,000円
差引額 [(1)-(2)]
0円

支出

研究費 (内訳) 直接研究費 物品費 4,686,727円
人件費・謝金 1,509,058円
旅費 597,730円
その他 851,485円
間接経費 2,293,000円
合計 9,938,000円

備考

備考
-

公開日・更新日

公開日
2015-05-21
更新日
-