CN104902422A - 可双向定位的听力补偿作动器 - Google Patents

Abstract

一种用于听力补偿的可双向定位的作动器，包括导线、植入构件、固定构件、耦合杆，作动器采用压电叠堆作为振动元件，结构微型，通过固定构件固定于头骨，并为植入构件提供支撑条件；植入构件通过螺纹连接实现轴向定位，通过球面副连接实现径向定位，双向定位功能利于手术植入；耦合杆长度可调，可作用于不同的人耳听小骨，满足感音神经性和传导性听力损伤的治疗要求。本发明设计合理，结构简单，适用于助听装置的优化设计。

Description

可双向定位的听力补偿作动器

技术领域

本发明涉及用于治疗听力损伤的可双向定位的听力补偿作动器，更具体地讲，本发明涉及用于治疗听力损伤的可实现轴向与径向定位的压电叠堆式作动器，该作动器可通过外科手术进行临床植入。

背景技术

目前，植入助听装置已成为治疗感音神经性或传导性听力损伤的一种有效手段。该技术通过将微型作动器绑定于人体中耳的听骨链结构，以机械激励的形式带动听骨链振动，实现人耳声传导路径的再次重构，此种听力补偿方法也因此更为贴近人耳感受声的自然方式。相比于采用声激励的传统助听器，植入助听装置具有无声反馈作用、对佩戴患者的外观影响小、信号噪声比高和言语度失真低等一系列显著优点。同时，植入助听装置具有较好的高频听力补偿效果，能够用于治疗中至重度感音神经性听力损伤，相比于传统助听器具有更强的适用性。

针对植入助听装置的研究设计，已有相关的专利和学术成果报道。美国专利7651460描述了一种全植入助听装置，该装置于外耳道放置一个电磁线圈，中耳腔则植入一个磁体，该磁体绑定于人耳的听骨链，通过线圈与磁体间的电磁感应带动听骨链的振动，实现听力补偿。美国专利6190305描述了一种悬浮式作动器，作动器内部含有线圈和磁体并绑定于砧骨长突，通过电磁原理将作动器的振动能量传递给听骨链。然而，上述两个专利所描述的助听装置均为电磁式，作为人体植入设备，其抗电磁干扰的能力较差，术后接受核磁共振检查时可能会发生植入体脱落的现象。此外，电磁式设备的功耗相对较大，频繁充电将会导致患者的佩戴体验不佳。

采用基于逆压电效应的压电式作动器可以规避上述的局限性。美国专利5788711描述了一种以压电双晶片作为振动元件的作动器，该作动器植入于人体的乳突腔，并通过一个耦合杆连接于听骨链，并带动听骨链的振动。但压电双晶片的共振频率较低，一方面无法满足感音神经性听力损伤患者的高频补偿要求，同时也为前端的信号处理算法设计带来了困难。此外，压电双晶片的输出位移有限，也在一定程度上增加了系统的功耗。基于这些考量，美国专利7239069进一步提出了一种采用压电叠堆作为振动元件的作动器。由于压电叠堆可以叠加每层压电材料的输出位移，同时共振频率远高于人体的语音频率范围，因此非常适合于作为植入助听装置的振动元件。然而，该专利设计的作动器需要通过夹具固定到砧骨长突，作动器一端固支，另一端自由，为单点固定式，通过惯性力带动听骨链的振动，因此，当装置断电之后，会给人耳正常的声传递带来附加质量的影响。除此之外，该种植入方式也对听骨链与作动器间的连接关系较为敏感。

可见，基于逆压电效应的双点固定式作动器是较为可行的方案，但此种方案对于作动器的固定、定位以及尺寸限制要求较高。美国专利5788711对双点固定式作动器的固定与定位装置进行了相关设计，但正如前文所提到的，该专利中所采用的压电双晶片具有输出不足的局限性，而为了保证足够的输出，需要增大压电双晶片的外形尺寸，这直接导致了作动器的尺寸变大。更进一步，基于此的固定与定位装置的植入也必定会增加临床手术的难度。

因此，需要一种植入助听装置，其振动元件能够充分利用压电叠堆的上佳输出特性，同时能够对相应的固定与定位方式进行针对性考虑，从而实现临床手术的便利植入。

发明内容

为了克服现有的电磁式植入助听装置的易受外界环境干扰、压电双晶片式植入装置的增益有限和尺寸较大的不足，本发明提供了一种以压电叠堆作为振动元件的作动器。该作动器尺寸微型，满足植入人体的需要，同时作动器的固定方式可靠，且可实现轴向与径向的双向定位，适合于感音神经性和传导性听力损伤的高频补偿需求。

本发明在于提供一种新型的以压电叠堆作为振动元件的作动器，该作动器包括固定构件、植入构件、导线、耦合杆，固定构件用于将作动器的一端固定于人体的头骨，通过外科手术采用骨钉实现固定；植入构件，为手术植入提供轴向与径向定位，包含压电叠堆，接受外界传入的电信号并转化成压电叠堆的机械振动；导线，将电信号导入至压电叠堆；耦合杆，其底部通过焊接实现与植入构件的壳体连接，顶部则连接于听骨链，用于将植入构件的振动能量传递给听骨链。该作动器的具体工作方式为：经信号处理过的电信号通过导线传递给植入构件内部的压电叠堆，利用压电材料的逆压电效应使得压电叠堆发生机械振动，植入构件的一端通过固定构件固定于头骨，另一端则以焊接的方式与耦合杆相连，由此，压电叠堆的振动能量传递给耦合杆，耦合杆则进一步带动听小骨的振动，进而实现听力补偿。

进一步地，在本发明中，固定构件、植入构件和耦合杆均由具有生物相容性的钛或钛合金的金属材料制成。

进一步地，在本发明中，植入构件与固定构件的接触表面均加工有螺纹孔，通过特制的螺栓实现连接，同时，植入构件的壳体加工有通孔，用于通过导线。

进一步地，在本发明中，植入构件通过外科手术置于乳突腔，其整体外形尺寸小于乳突腔的空间尺寸，可顺利实现手术植入。

更进一步地，在本发明中，植入构件通过支撑套筒的内螺纹实现作动器植入的轴向定位，通过球面副连接实现作动器植入的径向定位，径向定位的距离大小和轴向定位的角度范围较为充裕，可满足不同患者的个体差异要求。当轴向定位与径向定位完成之后，植入构件可通过其内部的螺纹端盖完成最终定位。此外，植入构件内部含有锁紧螺母，一方面用于调节压电叠堆的预紧力，另一方面则用于提供压电叠堆的端部固支条件，从而保证最大的位移输出。

对于听骨链完整的听力损伤患者，通过激光技术在砧骨体上打出一个凹陷，实现耦合杆与听骨链的连接。

对于听骨链缺失的听力损伤患者，可以制备不同长度的耦合杆，通过夹具实现耦合杆与听骨链的连接，夹具与耦合杆间则通过球面副连接，以满足缺失不同听小骨的患者要求。

与现有植入装置的作动器相比，本发明中的作动器具有如下的几个优点：采用以压电材料叠加而成的压电叠堆作为振动元件，可有效避免电磁式作动器易受外界磁场干扰的问题，且易于制备，功耗较低，便于开发成全植入式助听装置；与采用压电双晶片的作动器相比，共振频率更高，有益于听力补偿算法的设计。同时，在保证足够位移输出的前提下，可有效较低作动器整体的构型尺寸；作动器一端固定于头骨，另一端与听骨链连接，相比于悬浮式作动器，这种两点固定的方式可降低对人耳正常声传递路径的影响；作动器具有轴向和径向双向定位的功能，相比于悬浮式作动器，不易受到作动器与听骨链间连接方式的影响，定位方式更加可靠。通过调节耦合杆的长度，可以改变作动器激励听骨链的位置，从而用于治疗感音神经性和传导性听力损伤，适用病症更宽。

附图说明

图1是人耳主要结构的示意图；

图2是作动器的植入构件与耦合杆结构示意图；

图3是作动器定位调节示意图；

图4是作动器第一个实施例的结构示意图；

图5是作动器第二个实施例的结构示意图；

其中：1、外耳道，2、鼓膜，3、锤骨，4、砧骨，5、镫骨，6、耳蜗，7、固定构件，8、固定螺栓，9、端盖，10、球头螺钉，11、内球面套筒，12、支撑套筒，13、连接轴，14、锁紧螺母，15、内螺纹套筒，16、压电叠堆，17.、耦合杆，18、调节杆，19、轴向自由度，20、径向自由度，21、固定自由度，22、骨钉，23、导线，24、夹具。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

图1是人耳主要结构的示意图，包括外耳道1、鼓膜2、听骨链和耳蜗6。鼓膜2与听骨链是中耳的重要组成部分。听骨链由三个听小骨即锤骨3、砧骨4和镫骨5组成，三个听小骨之间则通过关节连接成一个整体。其中，锤骨3与鼓膜2直接相连，镫骨5与耳蜗6毗邻，并将听骨链的振动能量传递至耳蜗6。当正常人耳感受外界声波时，声信号首先通过外耳道1传递至鼓膜2，引起鼓膜2的振动，并进而带动听骨链的振动。该振动能量则通过镫骨5的底板传递至耳蜗6的内淋巴液以及听毛细胞，并最终激励听觉神经，从而产生听觉。本发明基于这一自然的人耳声传递路径重构，通过直接机械激励的方式带动听骨链的振动，可应用于听毛细胞受损的感音神经性听力损伤以及听骨链缺失(镫骨5保留)的传导性听力损伤。

图2是作动器的植入构件与耦合杆结构示意图，包括固定构件7、固定螺栓8、端盖9、球头螺钉10、内球面套筒11、支撑套筒12、连接轴13、锁紧螺母14、内螺纹套筒15、压电叠堆16、耦合杆17。其中，耦合杆17通过焊接到内螺纹套筒15实现与植入构件间的连接。固定构件7与支撑套筒12之间通过固定螺栓8实现连接，二者在接触表面上分别加工有通孔和螺纹孔。端盖9和内球面套筒11的外部加工有外螺纹，支撑套筒12的内部加工有内螺纹，端盖9和内球面套筒11通过螺纹连接置于支撑套筒12的内部。内球面套筒11与支撑套筒12间的螺纹配合用于实现作动器整体的轴向定位，端盖9与支撑套筒12间的螺纹配合则用于实现作动器定位之后的位置固定。内球面套筒11的内部含有球头螺钉10，球头螺钉10的一端直接与端盖9接触，另一端则通过球面副与连接轴13接触。连接轴13的一端与内球面套筒11通过球面副实现连接，用于作动器整体的径向定位，另一端则与压电叠堆16接触，用于调整压电叠堆16的预紧力和提供压电叠堆16振动所需的固支条件。此外，连接轴13的表面加工有外螺纹，通过螺纹配合连接于内螺纹套筒15，连接轴13还有两个锁紧螺母14，防止内螺纹套筒15与连接轴13配合的松脱。压电叠堆16的振动能量通过内螺纹套筒15外壁的变形传递至耦合杆17，为了保证振动能量的有效传递，外壁对应于压电叠堆16的位置加工有更薄的厚度，从而达到减小纵向刚度的目的。此外，在内螺纹套筒15的端部也加工有两个平台，用于固定夹具，方便锁紧螺母14的拧紧。

图3是作动器定位调节的示意图，包括固定构件7、内球面套筒11、支撑套筒12、连接轴13、调节杆18、轴向自由度19、径向自由度20、固定自由度21。在作动器的植入过程中，考虑到不同患者的个体差异，提供充足的定位能力是非常必要的。本发明中的作动器，径向与轴向定位通过调节作动器的径向自由度20与轴向自由度19来实现。轴向自由度19的调节通过内球面套筒11与支撑套筒12间的螺纹配合实现，防止在植入手术中对患者的听骨链造成过大的负载甚至是损坏听骨链。支撑套筒12的长度设计考虑了乳突腔的空间尺寸限制以及轴向自由度19的调节范围大小。径向自由度20的调节通过内球面套筒11与连接轴13的球面副配合实现。为了方便该自由度的调节，在连接轴13的内部加工了一个小孔，小孔中可插入一个采用生物相容性材料制成的调节杆18，在显微镜等医疗设施的配合下，通过该调节杆18可顺利实现听骨链激励位置的定位要求。此外，在保证固定功能的前提下，固定构件7的厚度加工较薄，可通过相关器械发生一定的弯曲变形，即提供额外的固定自由度21，在作动器定位调节的配合下，能满足更大范围的患者个体差异要求。

图4是作动器第一个实施例的结构示意图，包括砧骨4、固定构件7、连接轴13、内螺纹套筒15、压电叠堆16、耦合杆17、骨钉22、导线23。该实施例针对于听毛细胞受损的感音神经性听力损伤患者，此类患者的听骨链完好，可通过作动器的机械激励带动听骨链的整体振动，完成听力补偿。实施例中，作动器植入于乳突腔，并已完成相应的定位调节。通过骨钉22将固定构件7固定于人体头骨。固定构件7的端部加工有三个通孔，用于骨钉22的连接。对于具体的听力补偿过程，首先通过导线23将处理过的电信号传入至压电叠堆16，压电叠堆16基于逆压电效应而产生机械振动，由于压电叠堆16的一端已通过连接轴13固定预紧，因此可将该机械能有效地传递至耦合杆17，耦合杆17则与砧骨4直接连接，最终引起听骨链的振动，完成听力补偿。耦合杆17与砧骨4间的连接可采用激光技术在砧骨4上打出凹陷来实现。此外，内螺纹套筒15的薄壁上加工有通孔，用于导线23与压电叠堆16间的连接。

图5是作动器第二个实施例的结构示意图，包括镫骨5、固定构件7、连接轴13、内螺纹套筒15、压电叠堆16、耦合杆17、骨钉22、导线23、夹具24。该实施例针对于听骨链缺失的传导性听力损伤患者，此类患者的听骨链不完整，但仍保留有镫骨5，可通过作动器的机械激励带动镫骨5的振动，完成听力补偿。实施例中，作动器植入于乳突腔，并已完成相应的定位调节。通过骨钉22将固定构件7固定于人体头骨。固定构件7的端部加工有三个通孔，用于骨钉22的连接。此外，由于激励位置为镫骨5，实施例中将耦合杆17进行了加长处理，并重新焊接于内螺纹套筒15。对于具体的听力补偿过程，首先通过导线23将处理过的电信号传入至压电叠堆16，压电叠堆16基于逆压电效应而产生机械振动，由于压电叠堆16的一端已通过连接轴13固定预紧，因此可将该机械能有效地传递至耦合杆17，耦合杆17则与镫骨5连接，最终引起镫骨的振动，完成听力补偿。耦合杆17与镫骨5间的连接可通过夹具24实现，而夹具24与耦合杆17可通过球面副等完成连接。此外，内螺纹套筒15的薄壁上加工有通孔，用于导线23与压电叠堆16间的连接。

Claims (6)

1.一种可双向定位的听力补偿作动器，包括导线、植入构件、固定构件和耦合杆，其特征在于，导线将电信号传入至植入构件，植入构件利用内部压电材料的逆压电效应产生机械振动，植入构件可实现轴向定位与径向定位功能，植入构件与耦合杆采用焊接连接，耦合杆作用于听小骨；固定构件与植入构件相连，为植入构件提供固定支撑。

2.根据权利要求1所述的可双向定位的听力补偿作动器，其特征在于植入构件、固定构件、耦合杆均采用生物相容性金属材料制成。

3.根据权利要求2所述的可双向定位的听力补偿作动器，其特征在于植入构件内部采用压电叠堆作为振动元件。

4.根据权利要求3所述的可双向定位的听力补偿作动器，其特征在于植入构件的轴向定位通过内球面套筒和支撑套筒的螺纹连接实现。

5.根据权利要求4所述的可双向定位的听力补偿作动器，其特征在于植入构件的径向定位通过内球面套筒和连接轴的球面副连接实现。

6.根据权利要求1所述的可双向定位的听力补偿作动器，其特征在于耦合杆长度可以调节，可作用于砧骨和镫骨，耦合杆通过夹具作用于镫骨，并且耦合杆与夹具间通过球面副实现连接。