砧骨激励式压电振子听力补偿性能实验

刘后广，田佳彬，饶柱石，黄新生，塔娜，檀俊

（1.中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州221116；2.上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海200240；3.复旦大学附属中山医院耳鼻喉科，上海200072）

砧骨激励式压电振子听力补偿性能实验

刘后广1,2，田佳彬2，饶柱石2，黄新生3，塔娜2，檀俊3

（1.中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州221116；2.上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海200240；3.复旦大学附属中山医院耳鼻喉科，上海200072）

针对传统压电式人工中耳输出增益较小、工作频带窄的问题，提出利用压电叠堆型压电振子激振砧骨体来补偿听力。为验证该方案的可行性，搭建由送声器、测声探管、压电振子及激光测振仪等构成的颞骨实验台，对振子动态特性、听骨链在声激励下及压电振子激振下的动态特性进行了测量。通过对比分析镫骨在两种激励下的运动情况，研究压电振子的听力补偿情况。结果显示，该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补偿。此外，该压电振子听力补偿时还具有高频性能优异的特点，一方面在同等驱动电压下，高频补偿能力更强，能激起高达130 dB鼓膜声激励对应的运动幅度；另一方面，对高频段听力补偿时，具有较高的清晰度。

振动与波；人工中耳；听力损伤；压电振子；颞骨实验

针对传统助听器输出增益小、伴有声反馈、耳道堵塞等问题，人工中耳成为近年来的一个研究热点问题[1]。该类装置通过植入于体内的振子，直接激振听骨链来实现听力补偿。根据振子驱动原理的不同，人工中耳可分为压电式和电磁式两种。其中，压电式人工中耳具有能耗小、制造成本低及抗电磁干扰等优点[2]。目前采用该技术的人工中耳主要有：日本Rion公司的Rion Device E-type[3]、美国Envoy Medical公司的Esteem[4]及澳大利亚Cochlear Corporation公司的TICA[5]。临床研究表明，这些压电式人工中耳都能在不同程度上对患者的听力损伤进行补偿。但是，这些人工中耳的压电振子皆采用了压电双晶片结构，输出增益较小、工作频带窄，只能解决传导性听力损伤及中、轻度感音神经性听力损伤。此外，Rion Device E-type与Esteem的振子植入皆需切断听骨链，这样势必破坏正常人耳的声音传输功能，且这种破坏不可逆转，将造成进一步的传导性听力损伤。

针对以上问题，且考虑到压电叠堆输出增益较大、工作频带宽，我们前期曾提出了采用压电叠堆型压电振子激振砧骨体的听力损伤补偿方案[6]。为了进一步验证该方案的可行性，本文搭建了由送声器、测声探管、压电振子及激光测振仪等构成的颞骨实验台，并基于该平台对砧骨激励式压电振子的听骨链激振效果进行了实验研究。

1 砧骨激励式压电振子工作原理

为了克服传统压电式人工中耳输出增益较小、工作频带窄的问题，我们提出了采用压电叠堆型压电振子激振砧骨体的听力损伤补偿方法，使其能够补偿较高程度的听力损伤。采用该类振子的整个人工中耳系统如图1所示，该系统主要由麦克风、信号处理装置、电源模块及压电振子所构成。其基本工作原理为，系统由麦克风将声音信号采集，再由信号处理单元根据患者听力损失情况进行相应的信号处理，将处理后的信号变成电压信号传给压电振子，通过压电振子的伸缩运动直接驱动听骨链高效振动，继而振动内耳淋巴液，刺激听觉末梢感受器产生听觉。这种直接驱动听骨链的设计更接近生理情况下的听觉产生途径，从而提高了声音保真度。

2 实验测试

2.1 压电振子动态性能测试

考虑到人耳解剖结构，特别是中耳腔及乳突室的空间限制，结合前期的数值模拟研究[6]，并参考国内外厂商现有产品，选用德国PI公司（Physik Instrumente,Waldbronn,Germany）的PL022型叠堆式压电振子作为本次研究之用。该压电振子如图2所示，其几何尺寸为2×2×2 mm3，满足空间限制要求。其压电叠堆层数为50，最大驱动力为120 N，远大于100 dB听力补偿所需的89µN的要求[7,8]。

图1 砧骨激励式压电型人工中耳

图2 压电叠堆型压电振子

对该压电振子先后直接输入5V、10.5 V的有效驱动电压，频率从200～10 000 Hz，利用激光测振系统（PSV 300，德国Polytec公司）测得该压电振子输出位移的幅频曲线，如图3所示。从中可见，该压电振子的输出位移与输入驱动电压间呈现了较好的线性关系，且在高频段也能很好地维持这种线性关系，表现出较好的高频动态特性，这将有助于对感音神经性听力损伤的补偿（绝大多数感应神经性听力损伤皆发生在高频段）。

2.2 鼓膜声激励下镫骨运动测试

美国食品和药品管理局（U.S.Food and Drug Adm inistration，FDA）就人工中耳出台的性能测试规范文件中[9]明确指出，用于验证人工中耳听力补偿能力的颞骨必须包括耳蜗，且其内部中耳在250～4 000 Hz频率段的速度传递曲线需落在Rosowski等[10]所给出的上、下限之间。故在进行颞骨压电振子激励实验前，需先检测所用颞骨能否满足要求。

为此，下面进行颞骨声激励实验，实验原理图如图4所示，实际实验布置如图5所示。实验中，所选用的颞骨出自于一无任何听力病变的成人，且通过手术显微镜检查确定其鼓膜、听小骨及耳蜗皆保存完好。通过手术在保证听小骨及韧带不破坏的前提下，将镫骨部分暴露，并在其上喷洒反光粉（德国Chemetall公司的ARDROX 9D1B），以增强反光信号，方便激光测振仪测量。再通过颞骨夹将该颞骨固定在减振台上。利用激光测振仪系统（德国Polytec公司的PSV 300）自带的函数发生器产生单频信号，并通过功率放大器（南京佛能科技实业有限公司的HVP-300）将该信号放大进而驱动送声器（美国Etymotic Research公司的ER-2）。送声器将声音送入颞骨中的耳道内，驱动鼓膜带动听骨链振动。为了保证鼓膜处实际施加声压为设定值，还将测声探管（美国Etymotic Research公司的ER-7C）的探测管端部插入耳道内距鼓膜处约2 mm距离，以校核送声器的实际输入声压。最后，通过激光头（德国Polytec公司的OFV 056）将激光束打到镫骨后脚(Posterior crus of stapes)上，测量镫骨在该声激励下的运动情况。激光头最终将所测数据传给激光测振系统，在激光测振系统自带的电脑上对数据进行处理和显示。

图3 压电振子输出位移

在鼓膜处施加100 dB声压的纯音激励，频率从200～5 000 Hz，测得镫骨在该激振下的运动速度，由所测的镫骨运动速度除以鼓膜处所施加的声压，得到反映中耳传递特性的中耳传递函数曲线，如图6所示，并将其与FDA在人工中耳性能测试规范中给出的该值上、下限[9,10]进行对比。从图中可见，所用颞骨的中耳传递函数曲线在250～4 000 Hz频率段完全落在规范中给定的上、下限之间，满足规范中对人工中耳性能验证实验中颞骨的要求。故该颞骨可用于后续的压电振子听力补偿性能研究。

2.3 压电振子激励下镫骨运动测试

图4 颞骨声激励实验原理图

图5 实际颞骨声激励实验

图6 实验所测镫骨速度传递函数

本小节将测试颞骨在压电振子激振下的镫骨运动情况，并将其与鼓膜声激励下的效果进行对比，以研究压电振子实际听力补偿效果。该实验的实验原理图如图7所示。首先，利用环氧树脂将压电振子的两端分别固定在颞骨中砧骨体与中耳腔壁上，此时，压电振子将按照第1节所述直接作用在砧骨体上；通过激光测振系统自带的函数发生器产生激励信号，再利用功率放大器将该激励信号放大驱动压电振子，使得压电振子做伸缩运动，进而带动听骨链振动；最后，利用激光头测量此时的镫骨运动情况。实际所搭建的实验平台如图8所示。

2.3.1 压电振子激振下的镫骨位移

出于安全考虑，压电振子的最大有效驱动电压取为10.5 V[11]。下面将测试该压电振子在该安全电压下的听力补偿能力。利用激光测振系统PSV 300内部自带的信号发生功能和功率放大器对压电振子输入10.5 V的有效驱动电压，再利用激光测振系统测量在该激励下镫骨的运动位移，结果如图9所示，并将其与鼓膜100 dB声激励下的镫骨位移进行对比。从图9中可见，该压电振子在10.5 V的有效驱动电压下，便能在低频区激振起相应于100～110 dB鼓膜声激励的镫骨位移。而且这种激振效果在高频区（＞1 kHz）更加明显，于5 kHz处能对高达130 dB的听力损伤进行补偿（如图10所示）。该实验结果验证了该压电振子实际的听力损伤补偿能力。且其具有较好的高频增益，考虑到感音神经性听力损伤多发生在高频段，这一特性对助听装置来说特别有利。

图7 颞骨压电振子激振实验原理图

图8 实际颞骨压电振子激振实验

2.3.2 压电振子听力补偿清晰度

清晰度是反映助听装置性能的一个重要指标，清晰度较差，会使配戴者难以分辨语音和语调，久而久之将进一步破坏残留听力。为此，美国国家标准协会(American National Standards Institute,ANSI)在其颁布的助听器特性规范标准中（ANSI S3.22-2003）[12]，采用了总谐波失真（Total harmonic distortion,THD）对该指标进行评定，且规定测试频率分别取500 Hz、800 Hz及1 600 Hz。通常，THD小于3%的失真，人耳不易识别，故助听器一般采用小于3%作为谐波失真的指标要求。

图9 镫骨位移幅频曲线

图10 等效鼓膜处激励声压（压电振子在10.5 V rms驱动电压作用下）

为了检验该压电振子听力补偿时的清晰度能否满足基本要求，也参考助听器特性规范标准（ANSI S3.22-2003），分别对其激振时500 Hz、800 Hz及1 600 Hz频率下的总谐波失真进行了测试。测试过程如下：首先，分别对压电振子施加500 Hz、800 Hz及1 600 Hz的单频驱动电压（有效值为10.5 V)，并通过激光测振仪测得相应的镫骨速度幅频曲线，所测值如图11.a、11.b及11.c所示；再根据(1)式[13]计算得出相应的总谐波失真值，式中A1代表基频对应的幅值，An代表第n次谐波分量所对应的幅值。最终得到相应THD值分别为1.1%(500 Hz)、0.8%(800 Hz)、0.7%(1 600 Hz)，皆远小于3%，故该压电振子的听力补偿具有较高的清晰度。此外，还测得了300 Hz、1 000 Hz及2 000 Hz对应的总谐波失真值，并将所有测得的THD值绘于图11.d中。从图11.d中可见，所测频率对应的THD值都小于3%，皆能满足助听装置清晰度的要求。此外,还能看出所测得的THD值随频率而变化，在低频段值较大，高频段值较小，这意味着该压电振子听力补偿时高频段的清晰度更高。

2.4 压电振子功耗分析

人工中耳属于植入装置，其振子功耗不能过大，文[14]报道的压电振子功耗量仅为2.5 mW。故需对文中的压电叠堆式振子的功耗进行分析。

压电片工作频率远低于其固有频率时，其功耗特性可以近似为一电容器[13]。压电叠堆的近似电容可由其所有单层压电片的近似电容累加得到，如(2)式所示

式中ε0为真空中介电常数；ε33为相对介电常数；A为叠堆电极表面积；t为单层压电片的厚度。压电叠堆在驱动频率为f的正弦电压Vrms驱动下，有效电流Irms及相应的能耗Prms分别为

根据以上公式计算可得，该PL022型叠堆构成的压电振子的近似电容为71 nF；有效电流为0.44 mA；在1 kHz的单伏电压驱动下功耗量为0.31 mW，满足人工中耳的低功耗要求。

3 结语

为了验证压电叠堆型压电振子激振砧骨体的听力损伤补偿方案，搭建了由送声器、测声探管、压电振子及激光测振仪等构成的颞骨实验台。基于该实验台，先后对压电振子动态特性、听骨链在声激励下及压电振子激励下的动态特性进行了测量。通过对比分析镫骨在两种激励下的运动位移，研究压电振子的听力补偿能力；测试了压电振子激振下听骨链运动的总谐波失真，以研究压电振子听力补偿时的清晰度；计算了压电振子的功耗。研究所得主要结论如下：

(1)所用压电叠堆型压电振子在10.5 V有效电压下便能将听骨链激振起100 dB鼓膜声激励所对应的运动幅度；且其听力补偿能力在高频段更加优异，在该驱动电压不变的情况下，压电振子能够在高频将听骨链激起130 dB鼓膜声激励对应的运动幅度；

(2)在压电振子激振下，测得镫骨运动的总谐波失真分别为1.1%在500 Hz，0.8%在800 Hz，0.7%在1 600 Hz，皆远小于3%，满足现有标准对助听装

图11 压电振子激振下镫骨速度谱与总谐波失真图

置的清晰度要求。此外，该谐波失真在高频段更小，可见其听力补偿在高频段具有较高的清晰度；

(3)该压电叠堆型压电振子的近似电容为71 nF；在1 kHz的单伏有效电压驱动下，有效电流为0.44 mA，功耗量为0.31 mW。该功耗量满足人工中耳对振子的低功耗要求。

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Experiment ofAudition Compensation Performance of an Incus Driving Piezoelectric Vibrator in Human Temporal Bone

LIU Hou-guang1,2,TIAN Jia-bin2,RAO Zhu-shi2HUANG Xin-sheng3,TA Na2,TAN Jun3

(1.China University of M ining and Technology,Xuzhou 221116,Jiansu China; 2.State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration,Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240,China; 3.ENT Department of Zhongshan Hospital,Fudan University,Shanghai 200072,China)

To overcome the shortcom ings of small output gain and narrow frequency bandwidth in traditional piezoelectric middle-ear implants,a newincus-body driving vibrator attached to a piezoelectric stack is proposed.To verify the feasibility of this proposal,a human temporal bone experimental platform with earphone,probe m icrophone, piezoelectric vibrator and laser vibrometer is built.Based on this platform,the dynamic characteristics of the piezoelectric vibrator and the ear-bone chain are tested under the sound excitation and the piezoelectric vibrator excitation.Through the comparison and analysis of the dynamic performances of the stirrup-bone under the two excitations,the audition compensation performance of the piezoelectric vibrator is studied.The result shows that the incus driving piezoelectric vibrator can compensate hearing loss efficiently under low-power and low-voltage conditions.This vibrator has very good audition compensation effect at high frequencies.Under the same driving voltage,it can actuate the vibration as high as 130 dB corresponding to the eardrum sound excitation,and has high output gain at high frequencies with small harmonic distortion.

vibration and wave;m iddle ear implant;hearing loss;piezoelectric actuator;temporal bone experiment

TH785.1

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.01.043

1006-1355(2014)01-0191-05

2012-12-13

国家自然科学基金（11172168）；江苏高校优势学科建设工程资助项目

刘后广(1982-)，男，安徽滁州人，博士，从事医疗器械机电系统、人耳力学研究。

饶柱石（1962-），男，教授，博士生导师，从事机械振动与智能控制研究。

E-mail:zsrao@sjtu.edu.cn