试制拾取听骨链振动的微型传声器与植入测试实验

张小盒 · 发表于 2014-12-10 17:55

研究目的：全植入人工耳蜗系统需要将传声器植入体内，并能在体内良好拾取体外声信号。但体内噪声及中耳鼓室狭小的结构等因素制约着植入式传声器的研究，目前尚无成熟方案解决这一难题。绝大多数全聋或极重度聋患者的中耳结构与功能尚正常，其听骨链伴随鼓膜振动将声信号传声变压输送到内耳。压电陶瓷具有感受机械振动并转换其为电能的正压电效应。本实验拟设计制作一种压电陶瓷微型传声器，将其耦合固定于听骨链上，伴随听骨链振动实时拾取声信号，并通过体内体外测试实验了解其性能。
方法：①制作传声器主要材料与组件：0.3mm厚1.0mm宽3.5、4.0、4.5mm三种长度的具有优良电声性能的新型压电陶瓷双晶片（由昆山攀特电陶科技研发公司提供的PT300-10型改性锆钛酸铅压电陶瓷材料特制而成）；美国国家半导体公司研发的LMV1032型前置放大器芯片，物理尺寸仅为1.18 mm×1.18mm×0.35mm，质量1mg，可获得27dB左右最大增益。②传声器组装：将放大降噪系统后直接封胶固定于压电陶瓷双晶片的一端，并制成悬臂梁结构的由薄铜壳封装的微型传声器。③体外测试：将传声器粘贴在测试声源扬声器上，测试其对于97dB声压级100Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、3000Hz、4000Hz、6000Hz、8000Hz、10000Hz、15000Hz、20000Hz不同频率范围纯音的拾取能力。以Cool Edit pro2.1录音软件记录，分析频率响应曲线及平均最大峰峰值（Vp-p值）。对照组为市售骨导耳机用传声器拾取拾取相同信号。④体内测试：选用ABR测试听力正常，耳道及鼓膜检查正常的实验用普通级猫2只。全麻下后鼓室进路开放暴露听骨链，取出砧骨后，以4-0丝线拴扎传声器锤骨上，关闭术腔确保密闭。按体外测试方法测试记录拾取信号。对照组采用将受试传声器空置于鼓室拾取信号。
结果：①制成微型传声器尺寸4.0、4.5、5.0mm×1.6mm×1.3mm，质量为42.5mg，46mg和49.6mg（均含导线质量12mg），传声器均可全部植入中耳内，并能良好固定耦合于锤骨。②三种规格体外测试能拾取测试0.1-20KHz纯音信号，并且具有较平坦的频率响应曲线，灵敏度以最长尺寸（外壳5.0mm长度）的微型传声器最优（Vp-p值-11.6dB，1kHz），但稍弱于对照组(Vp-p值-5.6dB,1kHz)。③植入猫耳内的5.0mm长度传声器可以较灵敏拾取体外信号（Vp-p值-28.02dB），4.0、4.5mm两种长度相对较弱，频响曲线总体平坦，在100Hz，250Hz、500Hz三个低频段出现轻度锯齿形畸变波形（拴扎固定欠牢固）。④后级放大后可以近似还原测试纯音信号，频率响应曲线较平坦。
讨论：设计制作的微型压电陶瓷传声器具有良好的声学信号拾取能力，可以良好植入猫耳内并具有一定的灵敏度，在100Hz～20000Hz范围对听骨传声振动有较好的频响特性；结合微机电系统技术将相关部件设计成一体化结构作为压电陶瓷双晶片悬臂振动的支撑固定梁。采用更轻质量的薄层钛壳封装、设计固定装置及专设耦合件等，同时优化压电陶瓷双晶片材料的电声性能，有望制成性能更微型的芯片化优良传声器，以取代外置的传声器用于全植入人工耳蜗系统。