基于材料非线性人耳模型的压电式人工中耳植入特性研究

发布时间：2019-07-12 17:16

【摘要】：植入式中耳助听装置(人工中耳)是目前治疗感音神经性听力损伤的一种新型手段。由于其采用机械激励的方式直接刺激听骨链等中耳结构,既可解决传统助听器存在的声反馈、高频增益小等问题,又可规避电子耳蜗所导致的内耳手术创伤,因此是中至重度感音神经性听力损伤的一种理想补偿方案。目前已有的电磁式人工中耳,存在着能耗较高、易受外界磁场干扰等问题,而采用压电双晶片的压电式人工中耳,则存在补偿频率低、增益量有限等局限性,因此,研究并设计一种高频补偿能力强、能耗低、可靠性高的植入式中耳助听装置,具有现实的必要性。在人工中耳的理论设计阶段,结合人耳的力学特性进行等效声压级和功耗等植入特性的研究,是人工中耳设计的一个重要环节。目前已发表的人耳力学模型中,软组织的材料属性仍然普遍采用线弹性的假设条件,这一方面与人耳真实的非线性材料特性并不相符,无法准确反映人耳的生物力学特征,另一方面,基于此的人工中耳数值评价也无法有效地应用于结构设计与理论研究。针对以上问题,本文首先致力于构建准确且完整的人耳力学模型,该模型中考虑了软组织的超弹性和粘弹性材料特性,并实现外耳、中耳和内耳的整耳集成。以此为基础,对压电式人工中耳的等效声压级和功耗等植入特性进行了深入研究,并设计了一款以压电叠堆作为振源的砧骨激励式压电振子。最终基于搭建的人体颞骨实验平台,通过声激励和机械激励分别完成了人耳模型与压电振子的实验验证。论文的主要内容与研究成果如下:1.对人耳软组织的准静态超弹性和动态粘弹性材料特性的本构模型建立方法进行了深入研究,分别以三阶Ogden应变能函数和一阶Prony级数拟合已有的实验数据,获得了各软组织结构的非线性材料参数。进一步通过等效应变的度量,得到了动态分析中长期模量的表达式,实现了超弹性与粘弹性的本构连接,确定了在人耳力学模型中考虑材料非线性的建模方法。2.建立了完整且准确的人耳三维有限元模型,并利用该模型对人耳的力学特性和传声机制进行了分析与研究。基于高精度微CT扫描的成像数据,采用逆向成型技术建立了外耳和中耳的几何模型,内耳的几何模型则以双腔导管的形式进行表达,同时,利用多场耦合的建模方法,完成了外耳气体、中耳固体、内耳流体的物理连接,从而可实现声信号由外耳、经中耳并最终传递至内耳的完整路径模拟。更进一步,在模型中考虑了软组织的超弹性和粘弹性材料特性,使得模型可同时进行动态声压加载和静态压强加载下的仿真分析。采用该模型,分别模拟了人耳系统的静态特性和动态特性,计算结果与实验数据取得了较好的匹配效果,并最终利用该模型分析了几何非线性和材料非线性对于人耳传声机制的影响。3.利用人耳系统与压电振子的耦合模型,对正向与逆向激励式人工中耳的植入特性进行了针对性分析。以压电叠堆作为压电式人工中耳的基本振动元件,对其力电耦合特性与仿真建模方法进行了研究。针对正向激励式人工中耳,设计了悬浮式压电振子的外周结构,利用耦合模型完成了振子的等效声压级和功耗计算以及结构的优化设计,并通过考虑软组织的材料非线性,分析了中耳静压和粘弹性对于人工中耳植入特性的影响。针对逆向激励式人工中耳,通过将振子作用于圆窗膜,分析了连接方式对于圆窗激励的影响。最后,通过人工中耳三种激励位置的比较分析,确定了砧骨体激励式压电振子的设计方案,并完成了具体的结构设计与植入效果分析。4.基于人体颞骨平台的砧骨体激励式压电振子的实验研究。根据设计的结构参数与技术指标,完成了压电振子的加工制造工作。在压电振子端部自由的边界条件下,对其动态输出性能进行了实验测量,结果表明该压电振子的输出位移满足设计要求,同时具有良好的位移线性度和较宽的动态范围,有益于处理算法的开发以及高频听力损伤的补偿。进一步,搭建了人体颞骨的实验平台,并分别测量了外耳道声激励和压电振子激励下的镫骨位移。实验结果验证了所建的人耳模型能够准确反映人耳的动态特性,同时,通过两种激励形式的镫骨位移比较,表明了压电振子的低功耗和高频补偿能力强的特点,适用于感音神经性听力损伤的治疗。
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图片说明： 境噪声以及职业性噪声等因素的影响，由此所导致的听力损伤已成为困扰广大日常生活的一个医疗难题。鉴于本课题的医工交叉学科属性，在进行课题背景与意义的介绍之前，有必要耳系统的生理组织结构及其伴随的听力损伤进行详细的说明，从而利于后续研作的展开。基于此，本节从解剖学的角度对人耳的组织构成、传声路径以及多场的生理特点进行了系统性介绍，同时，基于人工中耳设计的需要，对听力损伤的、程度划分以及治疗手段进行了说明，并阐述了人工中耳的适应病症。.2.1.1 人耳系统人耳由外耳（outerear）、中耳（middleear）和内耳（innerear）三部分组成， 1-1 所示。从总体功能上来讲，外耳和中耳分别起到集声和传声的作用，内耳受声信号并形成神经冲动。同时，外耳的骨部、中耳以及内耳都包含在颞temporal bone）内。
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图片说明： 通过颅骨传导，简称骨导。在正常情况，人耳以气导为主。鉴于本论文中人工中听力补偿是人耳气导的重建，骨导在此不做详细介绍。就气导而言，如图 1-2 ，外界的声信号首先被外耳采集，通过外耳道引起鼓膜的振动，进而带动听骨ossicularchain）的机械振动，听骨链的振动进一步通过镫骨底板（stapesfootplate递至内耳外淋巴。在内耳中，传至外淋巴的声能量转换成内耳流体的振动，后者基底膜（basilarmembrane）的振动，位于基底膜上的螺旋器毛细胞静纤毛弯曲，毛细胞的电活动。毛细胞释放神经递质激动螺旋神经节细胞轴突末梢，产生轴突电位。神经冲动沿脑干听觉传导径路到达大脑颞叶听觉皮质中枢面，，并最终产生。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R764;R318.1

【参考文献】

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1 张官萍;巫爱霞;戴朴;韩东一;陈俊生;韩正理;李永奇;;中耳三维有限元模型的建立与中耳实体模型质量属性分析[J];中华耳鼻咽喉头颈外科杂志;2007年05期

本文编号：2513851