基于材料非線性人耳模型的壓電式人工中耳植入特性研究.pdf

1、植入式中耳助聽裝置（人工中耳）是目前治療感音神經(jīng)性聽力損傷的一種新型手段。由于其采用機(jī)械激勵的方式直接刺激聽骨鏈等中耳結(jié)構(gòu)，既可解決傳統(tǒng)助聽器存在的聲反饋、高頻增益小等問題，又可規(guī)避電子耳蝸所導(dǎo)致的內(nèi)耳手術(shù)創(chuàng)傷，因此是中至重度感音神經(jīng)性聽力損傷的一種理想補(bǔ)償方案。目前已有的電磁式人工中耳，存在著能耗較高、易受外界磁場干擾等問題，而采用壓電雙晶片的壓電式人工中耳，則存在補(bǔ)償頻率低、增益量有限等局限性，因此，研究并設(shè)計(jì)一種高頻補(bǔ)償能力強(qiáng)、能

2、耗低、可靠性高的植入式中耳助聽裝置，具有現(xiàn)實(shí)的必要性。
　　在人工中耳的理論設(shè)計(jì)階段，結(jié)合人耳的力學(xué)特性進(jìn)行等效聲壓級和功耗等植入特性的研究，是人工中耳設(shè)計(jì)的一個重要環(huán)節(jié)。目前已發(fā)表的人耳力學(xué)模型中，軟組織的材料屬性仍然普遍采用線彈性的假設(shè)條件，這一方面與人耳真實(shí)的非線性材料特性并不相符，無法準(zhǔn)確反映人耳的生物力學(xué)特征，另一方面，基于此的人工中耳數(shù)值評價(jià)也無法有效地應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與理論研究。
　　針對以上問題，本文首先致力于

3、構(gòu)建準(zhǔn)確且完整的人耳力學(xué)模型，該模型中考慮了軟組織的超彈性和粘彈性材料特性，并實(shí)現(xiàn)外耳、中耳和內(nèi)耳的整耳集成。以此為基礎(chǔ)，對壓電式人工中耳的等效聲壓級和功耗等植入特性進(jìn)行了深入研究，并設(shè)計(jì)了一款以壓電疊堆作為振源的砧骨激勵式壓電振子。最終基于搭建的人體顳骨實(shí)驗(yàn)平臺，通過聲激勵和機(jī)械激勵分別完成了人耳模型與壓電振子的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。論文的主要內(nèi)容與研究成果如下：
　　1.對人耳軟組織的準(zhǔn)靜態(tài)超彈性和動態(tài)粘彈性材料特性的本構(gòu)模型建立方法進(jìn)行

4、了深入研究，分別以三階Ogden應(yīng)變能函數(shù)和一階Prony級數(shù)擬合已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得了各軟組織結(jié)構(gòu)的非線性材料參數(shù)。進(jìn)一步通過等效應(yīng)變的度量，得到了動態(tài)分析中長期模量的表達(dá)式，實(shí)現(xiàn)了超彈性與粘彈性的本構(gòu)連接，確定了在人耳力學(xué)模型中考慮材料非線性的建模方法。
　　2.建立了完整且準(zhǔn)確的人耳三維有限元模型，并利用該模型對人耳的力學(xué)特性和傳聲機(jī)制進(jìn)行了分析與研究?；诟呔任T掃描的成像數(shù)據(jù)，采用逆向成型技術(shù)建立了外耳和中耳的幾何模

5、型，內(nèi)耳的幾何模型則以雙腔導(dǎo)管的形式進(jìn)行表達(dá)，同時，利用多場耦合的建模方法，完成了外耳氣體、中耳固體、內(nèi)耳流體的物理連接，從而可實(shí)現(xiàn)聲信號由外耳、經(jīng)中耳并最終傳遞至內(nèi)耳的完整路徑模擬。更進(jìn)一步，在模型中考慮了軟組織的超彈性和粘彈性材料特性，使得模型可同時進(jìn)行動態(tài)聲壓加載和靜態(tài)壓強(qiáng)加載下的仿真分析。采用該模型，分別模擬了人耳系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取得了較好的匹配效果，并最終利用該模型分析了幾何非線性和材料非線性對于人

6、耳傳聲機(jī)制的影響。
　　3.利用人耳系統(tǒng)與壓電振子的耦合模型，對正向與逆向激勵式人工中耳的植入特性進(jìn)行了針對性分析。以壓電疊堆作為壓電式人工中耳的基本振動元件，對其力電耦合特性與仿真建模方法進(jìn)行了研究。針對正向激勵式人工中耳，設(shè)計(jì)了懸浮式壓電振子的外周結(jié)構(gòu)，利用耦合模型完成了振子的等效聲壓級和功耗計(jì)算以及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過考慮軟組織的材料非線性，分析了中耳靜壓和粘彈性對于人工中耳植入特性的影響。針對逆向激勵式人工中耳，通過將振

7、子作用于圓窗膜，分析了連接方式對于圓窗激勵的影響。最后，通過人工中耳三種激勵位置的比較分析，確定了砧骨體激勵式壓電振子的設(shè)計(jì)方案，并完成了具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與植入效果分析。
　　4.基于人體顳骨平臺的砧骨體激勵式壓電振子的實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)，完成了壓電振子的加工制造工作。在壓電振子端部自由的邊界條件下，對其動態(tài)輸出性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量，結(jié)果表明該壓電振子的輸出位移滿足設(shè)計(jì)要求，同時具有良好的位移線性度和較寬的動態(tài)范圍