声桥系统压电植入振子力学建模及参数优化

    正常听觉系统中,在空气中传播的声音即声波,经耳廓收集,通过外耳道到达鼓膜。声波到达鼓膜后,经听骨链传至内耳。声波的振动能量通过镫骨底板传至耳蜗外淋巴时,传到整个耳蜗系统。耳蜗基底膜的运动引起毛细胞兴奋,使蜗神经末梢产生神经冲动,经蜗神经及中枢传导径路传到大脑的听觉皮层,从而产生听觉。听骨链由锤骨、砧骨和镫骨三块听小骨组成,锤骨柄连接鼓膜,底板嵌连在内耳的卵圆窗。听小骨畸形、断裂,或慢性化脓性中耳炎等病状可致使声波的振动能量无法传达耳蜗系统,造成传导性的听力损失。振动声桥(VibrantSoundbridge, VSB)是针对于此类听力损失的新型助听装置。

    振动声桥是Symphonix公司于1994年开始研制开发的一种部分植入式中耳助听器。该产品于1998年2月开始在欧洲投入临床使用, 2000年8月开始在美国投入临床使用,并且在2006年通过了中国食品药品监督管理局审查,即将在中国市场推出[1]。

    振动声桥结构布局如图1所示,分体外部分和中耳植入系统两个部分,体外部分主要是麦克风和语音处理器,中耳植入系统主要是植入振子(FMT),植入振子又可分电磁式和压电式两种[2]。其主要机理是:外部声音信号用麦克风接受并转化为电信号,语言处理器对电信号的噪音或不需要的音频信号抑制,对有用的语音信号进行补偿或放大等一系列滤波处理,处理后的电模拟信号驱动绑定于蹬骨或贴在耳蜗圆窗的作动器,使圆窗产生振动,圆窗将信号传至内耳,使人产生听觉。

    目前植入振子采用电磁式,但电磁式植入振子其质量较大,与砧骨的捆绑增加了听小骨的质量,从而提高残余听力的阈值和耳蜗对不同频率的反应[3]。FMT与砧骨的捆绑还有造成砧骨长脚破坏的趋势[4]。In-go[5]认为植入振动声桥后,患者500Hz听阈上升,可能与FMT的远期稳定性相关。有学者报道植入振动声桥后,在0. 5 kHz~4 kHz频率范围内,患者的残余听阈会比术前提高8 dB,且治疗效果也不优于传统助听器。

    本文采用智能压电材料(压电晶体或压电薄膜)作为植入振子,利用其逆压电效应将声音电信号转化为圆窗的振动信号。它具有频率响应好、效率高、机电耦合特性好和稳定性高等优点[6, 7],可以解决由于附加质量带来的听小骨惰性的问题,从而降低残余听力的阈值,而且不会破坏砧骨长脚,提高佩戴稳定性。由于压电植入振子体积小、重量轻,振动声桥可以由圆窗龛植入,使不适于佩戴VSB的传导性聋及混合性聋患者也可从中受益。

    本文针对贴于圆窗的压电式植入振子的情况,做了以下几部分研究:首先,分析作动器压电陶瓷的边界条件,推导出压电振子的压电方程;第二;以支座、压电振子和圆窗组成的系统为研究对象,建立力学模型,求得系统的传递函数。第三;在Matlab环境中对传递函数的进行仿真,分析其滤波特性,并讨论支座和压电振子各数对滤波特性的影响,优化各个参数,得到了较为理想的理论模型。