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新型人工中耳压电振子听力补偿的理论与实验研究

刘后广  
【摘要】:听力损伤是社会上最常见的疾病之一,随着听力学及耳显微外科手术的迅速发展,绝大多数传导性听力损伤已能通过手术提高听力。但大部分感音神经性听力损伤目前仍缺乏具有针对性的有效治疗,常规的还是采用佩戴传统助听器的方式来改善听力。而传统助听器具有输出增益小、伴有声反馈及耳道堵塞等不足。针对助听器的这些问题,通过直接机械激振听骨链运动,进而对听力损伤进行高效补偿的中耳植入式助听装置(人工中耳)成为近年来国际上的一个研究热点。现有的人工中耳,根据其植入振子驱动原理的不同,可分为压电式和电磁式两种。其中,压电式人工中耳具有频带宽、功耗小、制造成本低、抗电磁干扰等优点。但现有压电式人工中耳的压电振子通常采用压电双晶片结构,输出增益较小,不能补偿较高程度的感音神经性听力损伤。 针对以上问题,论文密切结合开发新型压电式人工中耳的需要,在国家自然科学基金的资助下,以通过机械激振听骨链而补偿听力损伤的新型人工中耳压电振子为研究对象,系统地进行了人耳传声的生物力学模拟、人工中耳的振子各设计参数对中耳传声特性影响分析、听骨链有效激振的压电振子设计,并最终通过人体颞骨实验,验证了所设计的砧骨激励式压电振子在听力损伤补偿上的有效性和可行性。论文的主要研究工作和创新性成果如下: 1.基于三维人体耳蜗宏观力学模型,提取了耳蜗等效输入阻抗。通过近似处理,采用解析法建立了三维耳蜗宏观动力学模型,将计算结果与实验所测数据进行对比,验证了模型的可信度。基于该模型,分析了基底膜的动态特性,特别是其选频特性。再在模型中,将耳蜗内行波和压缩波同时考虑,对蜗内压强进行了计算并结合实验加以验证。最终,基于人体耳蜗解析三维模型,提取了耳蜗等效输入阻抗,为中耳建模提供了耳蜗处边界条件。 2.建立了高精度的三维人体中耳有限元模型,并对其传声力学特性进行模拟和分析。基于Micro-CT扫描和逆向成型技术,建立了高精度三维人体中耳有限元模型。为了真实模拟听小骨空间支撑框架的边界条件,模型中韧带、肌腱也采用逆向成型建成。为了保证模型不失中耳的个体样本特性,采用模态与运动位移综合的方法,对现有报道偏差较大的中耳组织材料特性进行优选。最终,通过对比镫骨足板位移、镫骨速度传递函数、鼓膜脐部位移、听骨链杠杆比率,对所建模型的可信度进行了验证。并基于该模型,分析了听骨链杠杆系统比率在2000 Hz处突变的可能原因。 3.研究了振子主要设计参数对正常人耳传声特性的影响。基于所建的中耳有限元力学模型,分析了激振部位对振子听力补偿效果的影响,提出了振子的最佳激振位置。考虑到悬浮式振子惰性易影响患者的残余听力,建立了带有悬浮质量块的中耳力学模型,并由该模型系统研究了悬浮式振子质量、振子驱动力、振子植入位置等设计参数对中耳传声特性的影响。研究结果表明:针对悬浮式压电振子,其质量不宜过大,增加该质量将恶化患者高频残余听力;振子植入位置靠近镫砧关节,听力补偿效果更好;植入的振子驱动力为89μN、驱动位移为100 nm便能激起相应于鼓膜处100 dB声压激励的效果。补偿同样程度的听力损伤,砧骨长突所需的激振力小于激励砧骨体所需的力,且激振效果不敏感于植入手术误差。 4.基于相应的压电振子-中耳耦合力学模型,提出并设计了两款能对听骨链有效激振的新型压电振子。针对现有人工中耳的感音神经性听力损伤高频段补偿能力不足的问题,综合考虑了中耳内部解剖结构、中耳传声的动态特性,提出了两款利用压电叠堆逆压电效应驱动的新型人工中耳压电振子(悬浮式压电振子、砧骨激励式压电振子)。就这两款压电振子,分别建立了相应的压电振子-中耳耦合动力学模型。并基于这两个模型,分别对相应振子进行设计,分析了其功耗及听力补偿能力。结果表明:相对于人工中耳电磁式振子,所设计的两款压电振子均能够以较低的功耗量对听力损伤进行补偿;且这两款压电振子的高频听力补偿能力较强,特别适合感音神经性听力损伤的补偿。相比较而言,砧骨激励式压电振子的制造成本较低,因其对振子质量限制较小。 5.设计并搭建了颞骨实验台,对砧骨激励式压电振子在听力损伤补偿上的性能进行了实验研究和评价。搭建了自行设计的可用于人工中耳测试的颞骨实验平台,并基于该实验平台对所设计的砧骨激励式压电振子的听力损伤补偿能力进行实验研究。为了研究人工中耳听力补偿时的清晰度,将助听器规范中的谐波失真要求引入到人工中耳。实验结果表明,砧骨激励式压电振子在低功耗、低电压下,便能对听力损伤进行有效的补偿。此外,它在高频段表现出更优异的补偿能力:一方面其高频段输出增益较大;另一方面,其高频段谐波失真更小。该压电振子高频优异的特性与理论分析相符,特别适合感音神经性听力损伤的治疗。


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