-
Die Erfindung betrifft einen implantierbaren Sensor-Aktor-Wandlerbaustein für die apparative Hörrehabilitation im Mittelohr nach den Merkmalen des Anspruchs 1.
-
Zur Behandlung von Schwerhörigkeiten werden neben herkömmlichen Hörgeräten passive oder aktive Implantate eingesetzt, um den Hörschaden zu mindern oder zu kompensieren. Zu den aktiven Komponenten gehören in zunehmendem Maße implantierbare Hörsysteme.
-
Teil- und vollimplantierbare Hörgeräte werden zum einen zur Versorgung von Innenohrschwerhörigkeit bzw. Schallempfindungsstörungen eingesetzt. Gegenüber konventionellen Hörgeräten bieten sie meist folgende Vorteile: kein Verschluss des Gehörgangs (Behinderung der Gehörgangssekretion und Veränderung des Hörens der eigenen Stimme); höhere Verstärkung vor allem im Hochtonbereich; keine äußerlich sichtbaren Komponenten und dadurch keine Stigmatisierung. Zum anderen sind teil- und vollimplantierbare Hörgeräte neben knochenverankerten Hörgeräten die einzige Möglichkeit zur Versorgung kombinierter Hörstörungen aus Schallleitungs- und Schallempfindungsstörungen.
-
Alle bekannten Systeme arbeiten mit getrennten Komponenten für den Sensor und den Aktor. Die Sensoren sind z. T. Mikrofone wie sie auch in konventionellen Hörgeräten verwendet werden (teilimplantierbare Systeme) oder Sensoren, die unter der Haut oder im Mittelohr implantiert werden (vollimplantierbare Systeme). Das verarbeitete und verstärkte Signal wird bei allen Systemen mit einem implantierten Aktor als Schwingung direkt in die Gehörknöchelchenkette eingespeist oder auf die Innenohrflüssigkeit übertragen. Die Systeme unterscheiden sich hinsichtlich der verwendeten Typen und der Platzierung der Sensoren und Aktoren.
-
Aus der Druckschrift Huber, A. M.; Ball, G. R.; Veraguth, D.; Dillier, N.; Bodmer, D. & Sequeira, D. A new implantable middle ear hearing device for mixed hearing loss: A feasibility study in human temporal bones. Otol Neurotol, 2006, 27, 1104–1109 ist ein teilimplantierbares Hörgerät bekannt. Der Sensor ist ein außen am Ohr angebrachtes Luftschallmikrofon. Der Aktor ist ein elektrodynamischer Schwinger, der mit einem Klipp am langen Amboßfortsatz angebracht wird oder auf die Steigbügelfussplatte oder das runde Fenster gelegt und mit Knorpelstückchen in Position gehalten wird.
-
Ein weiteres teilimplantierbares Hörgerät ist aus der Druckschrift Yanagihara N, Sato H, Hinohira Y, Gyo K, Hori K. Long-term results using a piezoelectric semi-implantable middle ear hearing device: the Rion Device E-type. Otolaryngol Clin North Am. Apr 2001; 34(2): 389–400 bekannt geworden. Der Sensor ist ein außen am Ohr angebrachtes Luftschallmikrofon. Der Aktor ist ein piezoelektrischer Wandler, der im Knochen der Paukenhöhle verschraubt wird. Das Ausgangssignal des Aktors wird über ein Koppelelement auf den Steigbügel übertragen.
-
Ein vollimplantierbares Hörgerät ist aus der Druckschrift Zenner HP, Leysieffer H, Maassen M, Lehner R, Lenarz T, Baumann J. Human studies of a piezoelectric transducer and a microphone for a totally implantable electronic hearing device. Am J Otol. Mar 2000; 21(2): 196–204 bekannt geworden. Der Sensor ist ein speziell gekapseltes Luftschallmikrofon, das in der Gehörgangswand hinter der Haut implantiert wird. Der Aktor ist ein piezoelektrischer Wandler, der im Knochen des Mastoids verschraubt wird. Das Ausgangssignal des Aktors wird über ein Koppelelement auf die Ossikel (Amboßkörper) übertragen.
-
Ein weiteres vollimplantierbares Hörgerät ist in der Druckschrift Chen DA, Backous DD, Arriaga MA, Garvin R, Kobylek D, Littman T. Phase 1 clinical trial results of the Envoy System: a totally implantable middle ear device for sensorineural hearing loss. Otolaryngol Head Neck Surg. Dec 2004; 131(6): 904–16 beschrieben. Sensor und Aktor sind piezoelektrische Wandler und jeweils im Knochenraum fixiert bzw. verschraubt. Das Sensorsignal wird am Hammerkopf bzw. Amboßkörper abgegriffen.
-
Das Ausgangssignal des Aktors wird über ein Koppelelement auf den Steigbügel übertragen. Zur Reduktion von Rückkopplung wird die Ossikelkette unterbrochen.
-
In der Druckschrift Jenkins HA, Niparko JK, Slattery WH, Neely JG, Fredrickson JM. Otologics Middle Ear Transducer Ossicular Stimulator: performance results with varying degrees of sensorineural hearing loss. Acta Otolaryngol. May 2004; 124(4): 391–4 wird ebenfalls ein vollimplantierbares Hörgerät beschrieben. Der Sensor ist ein speziell gekapseltes Luftschallmikrofon, das zusammen mit dem Audioprozessor unter die Kopfhaut implantiert wird. Der Aktor ist ein piezoelektrischer Wandler der am Knochen der Schädelkalotte befestigt wird. Das Ausgangssignal des Aktors wird über verschiedene Koppelelemente auf die Ossikel übertragen.
-
Aus diesen Druckschriften ist bisher kein implantierbares Hörgerät bekannt geworden, das Sensor und Aktor in einer Komponente vereint und außerdem ohne festes Widerlager auskommt.
-
Bevorzugte Wandlertypen sowohl für den Sensor als auch für den Aktor sind piezoelektrische Wandler. Diese bieten die geforderte Leistungsfähigkeit und sind bei den gegebenen anatomischen Verhältnissen besser und günstiger realisierbar als z. B. elektrodynamische Systeme.
-
-
In
US 7239069B2 und
WO 2006/075169 werden implantierbare piezoelektrische Aktoren beschrieben, die nicht im Knochenraum verankert sind. Das zugrundeliegende Wirkprinzip beruht bei diesen Aktoren jedoch auf einer Bewegung des Gesamtaktors. Durch Befestigung des Aktors an der Ossikelkette wird die Bewegung des Aktors auf die Ossikel übertragen. Eine direkte Verbindung eines solchen Aktors mit einem Sensor ist nicht beschrieben.
-
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung einen Wandler anzugeben, worin Sensor und Aktor vereint sind, der operativ einfach zu verwenden ist, minimal traumatisch in die bestehende Anatomie integriert werden kann und eine hohe Funktionssicherheit besitzt. Der Wandler soll Maßnahmen zur Vermeidung akustischer Rückkopplungen enthalten und ausreichend Verstärkungsreserve bereitstellen.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Wandler mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
-
Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Sensor-Aktor-Wandlerbaustein gelöst, der die Eigenschaften eines Sensors und eines Aktors in sich vereint. Der Sensor-Aktor-Wandlerbaustein detektiert und verstärkt die von den Gehörknöchelchen übertragenen Schwingungen. Die Größe des Wandlers orientiert sich an implantierbaren Mikrofonen für das Mittelohr, um mit minimalinvasivem Aufwand und minimaler Veränderung des natürlichen Schallleitungsapparates – also reversibel – die Operation vornehmen zu können. Die Stromversorgung und Verstärkung des Signals erfolgt über ebenfalls implantierbare Bauteile, so dass äußerlich sichtbare Komponenten des geplanten Hörgerätes entfallen.
-
Da bei der einzuhaltenden Größe der Einsatz einer Rahmenstruktur mit hinreichend großer Masse nicht möglich ist, die die praktisch entkoppelte Arbeitsweise beider Teilsysteme sichert, wird der Wandler erfindungsgemäß mit einer hinreichend schnellen Regelung nach dem Prinzip ausgleichbarer „virtueller Massen” ausgestattet. Solche Lösungen entsprechen im Gerätebau dem fortgeschrittenen Stand der Technik (Weltraum-Arbeitsplattformen, Lagerregelung von Kameras [,Steady-Cam'] sowie militärische Anwendungen). Eine entsprechende Anwendung in einem mikromechanischen System, wie sie hier erforderlich sein wird, ist bisher nicht bekannt.
-
Als bevorzugter Einsatzort des Wandlers ist die Gehörknöchelchenkette im Mittelohr vorgesehen. Der Wandler wird vorteilhaft im Gelenkspalt zwischen Amboss und Steigbügel ohne zusätzliche Fixierung positioniert und somit in die natürliche Kette integriert. Hierzu wird der Gelenkspalt im Knorpelmaterial operativ durchtrennt.
-
Falls pathologische Veränderungen der Gehörknöchelchenkette vorliegen, wie z. B. fehlende Gehörknöchelchen oder fehlende Teile davon, so kann der Wandlerbaustein mit bekannten Mittelohrprothesen bzw. Teilen davon kombiniert werden. Dies kann auf Sensor- und/oder Aktorseite des Wandlerbausteins erfolgen. Die Prothesen bzw. Prothesenteile werden an den verbliebenen Teilen der Gehörknöchelchen und direkt an den Wandler angekoppelt; auf Sensorseite z. B. am Hammergriff oder am Trommelfell sowie auf Aktorseite z. B. an der Steigbügelfußplatte.
-
Das vorgeschlagene Wandlersystem zeichnet sich dadurch aus, dass:
- • eine Anordnung des Wandlers in einem Gelenk der Gehörknöchelchenkette möglich ist,
- • eine Übertragung der Gebersignale ohne Verankerung in der Mittelohrhöhle erfolgt,
- • Sensor und Aktor in einem Gehäuse gemeinsam mit weiteren aktiven Komponenten zur Kompensation der Rückkopplungen untergebracht werden,
- • der mechanische Aufbau hinreichend miniaturisierbar ist und
- • der traumatische Einfluss der Wandler-Implantation gering ist.
-
Das vorgeschlagene Wandlersystem erlaubt:
- – zuverlässige Produktion wegen der stark vereinfachten Struktur,
- – Einsatz weniger, biokompatibler Materialien für das Gehäuse,
- – Für Mittelohrchirurgen leicht realisierbare Operation,
- – Robuste, fehlertolerante Wandleranordnung,
- – Vermeidung von Sekundärschall aus Körpergeräuschen,
- – Natürliche Schallleitung; Nutzen der individuellen Richtungsfilterung des Außenohres,
- – Keine mittelfristige Minderung der Übertragungseigenschaften durch Verwachsungen und Gewebedämpfung,
- – Wiederherstellung der bisherigen Schallleitung bei notwendigen Reimplantationen,
- – Erhalt der Mittelohrfunktion für zukünftige Implantatentwicklungen.
-
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines implantierten Sensor-Aktor-Wandlerbausteins im Mittelohr
-
2 eine erste Ausführung eines implantierbaren Sensor-Aktor-Wandlerbausteins
-
3 eine zweite Ausführung eines implantierbaren Sensor-Aktor-Wandlerbausteins
-
4 eine dritte Ausführung eines implantierbaren Sensor-Aktor-Wandlerbausteins
-
5 eine vierte Ausführung eines implantierbaren Sensor-Aktor-Wandlerbausteins
-
6 eine fünfte Ausführung eines implantierbaren Sensor-Aktor-Wandlerbausteins
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines implantierten Sensor-Aktor-Wandlerbausteins im Mittelohr.
-
Der freie Schall aus der Umgebung erreicht das Trommelfell 2 über den äußeren Gehörgang 1. Hier erfolgt die Transformation der Luftschallschwingungen in Strukturschwingungen des Trommelfells und der Ossikel (Gehörknöchelchen) des Mittelohres. Die Ossikel Hammer 3, Amboss 4 und Steigbügel 6 übertragen die Schwingungen beim gesunden Ohr über die Steigbügelfußplatte 7 im ovalen Fenster auf die Flüssigkeit in der Cochlea. Sie übernehmen die Funktion der verlustarmen Umsetzung von Luftschall in Schwingungen der Flüssigkeitssäule des Innenohres 8 während sie gleichzeitig statische Druckänderungen und sehr hohe Schalldrücke weitgehend fernhalten.
-
Der Sensor-Aktor-Wandlerbaustein 5 wird zwischen zwei Ossikel bzw. Reste von Ossikeln eingesetzt; vorzugsweise in den Gelenkspalt zwischen Amboss 4 und Steigbügel 6. Der Sensor 11 (2) empfängt die Schwingungen vom Amboss 4 und liefert ein elektrisches Signal proportional zu den empfangenen Schwingungsamplituden. Dieses Signal wird über eine elektrische Verbindung 9 zu einer elektronischen Verarbeitungseinheit 10, welche auch die Stromversorgung enthält, geleitet. In dieser elektronischen Verarbeitungseinheit 10 erfolgt die Signalverarbeitung, inklusive Verstärkung und Filterung und es werden die elektrischen Signale für den Aktor 12 (2) und die aktiven Elemente 13 und 14 (6) des Sensor-Aktor-Wandlerbausteins 5 erzeugt und über eine elektrische Verbindung 9 an diese übertragen.
-
Der Aktor 12 liefert ein in der Schwingungsamplitude (gegenüber dem Amboss) verstärktes Signal an den Steigbügel 6.
-
Die Rückwirkung der Aktorschwingung über das Gehäuse auf den Sensorteil des Sensor-Aktor-Wandlerbausteins 6 wird über aktive Elemente 13 und 14 minimiert; siehe hierzu 2 bis 6
-
In der 2 ist eine erste Ausführung eines erfindungsgemäßen implantierbaren Sensor-Aktor-Wandlerbausteins im Schnitt dargestellt. Der Wandlerbaustein besteht aus einem zweigeteilten zylindrischen Gehäuse, einem zum Sensor gehörigen (sensorseitigen) Gehäuseteil 11b und einem zum Aktor gehörigen (aktorseitigen) Gehäuseteil 12b. Zwischen beiden Gehäuseteilen befindet sich das Aktorelement 12a, welches in diesem Ausführungsbeispiel als Piezo-Dickenschwinger ausgebildet ist. Am sensorseitigen Deckel des zylindrischen Gehäuses liegt der lange Fortsatz des Amboss 4 an oder ein anderer Teil der Gehörknöchelchen oder es ist ein Prothesenteil daran befestigt, der auf der anderen Seite mit dem Trommelfell oder einem Gehörknöchelchenteil verbunden ist.
-
Am aktorseitigen Deckel des zylindrischen Gehäuses liegt der Steigbügelkopf 6 an oder ein anderer Teil der Gehörknöchelchen oder es ist ein Prothesenteil daran befestigt, der auf der anderen Seite mit der Steigbügelfußplatte 7 oder einem Gehörknöchelchenteil verbunden ist.
-
Die Schwingungen des Amboss 4 werden auf den sensorseitigen Gehäuseteil 11b und von diesem auf das Sensorelement 11a, welches vorzugsweise als Biegepiezo (z. B. Kreisplatte) ausgebildet ist und in einem Lagerungsteil 11c befestigt ist, übertragen. Die auf das Sensorelement 11a übertragenen Schwingungen führen zu dynamischen elastischen Deformationen des Sensorelements, was im Piezomaterial zu Ladungstrennung und damit zu einem elektrischen Wechselspannungssignal führt. Am Sensorelement 11a befinden sich mindestens zwei elektrische Kontaktflächen, von denen das elektrische Signal mittels elektrischer Verbindung 9 und geeigneter Durchführungen durch das Gehäuse zu einer elektronischen Verarbeitungseinheit 10 (1) übertragen wird.
-
Das verstärkte und bearbeitete Signal wird über eine elektrische Verbindung 9 und gegebenenfalls geeignete Gehäusedurchführung auf das Aktorelement 12a übertragen. Die vom Aktorelement 12a erzeugten Schwingungen werden über das aktorseitige Gehäuseteil 12b auf den Steigbügel 6 übertragen.
-
Am aktorseitigen Gehäuseteil ist ein aktives Element 13a zur Rückkopplungsunterdrückung befestigt, welches über eine starre Verbindung 13b mit dem Lagerungsteil 11c des Sensorelements 11a verbunden ist. Das aktive Element 13a wird von der elektronischen Verarbeitungseinheit 10 mit einem Signal derart gespeißt, dass auf den Lagerungsteil 11c des Sensorelements 11a in Betrag und Phasenlage gleiche Schwingungen übertragen werden wie vom Aktorelement 12a auf das sensorseitige Gehäuseteil 11b. Am Sensorelement entstehen somit keine vom Aktorelement verursachten dynamischen Deformationen und damit kein darauf beruhendes elektrisches Signal. Damit wird eine Rückwirkung des Aktorelements auf den Sensorteil unterdrückt.
-
3 ist eine zweite Ausführung des Sensor-Aktor-Wandlerbausteins wobei sensorseitiger 11b und aktorseitiger Gehäuseteil 12b unterschiedliche Durchmesser haben und das Aktorelement 12a als Piezo-Biegeschwinger (z. B. Kreisplatte oder ellyptische Platte mit Loch) ausgebildet ist.
-
4 ist eine dritte Ausführung des Sensor-Aktor-Wandlerbausteins wobei der aktorseitige Gehäuseteil 12b auf eine Platte (z. B. Kreisplatte) reduziert ist. Das Widerlager für das Sensorelement 11a befindet sich im sensorseitigen Gehäuseteil, so dass das Lagerungsteil entfällt. Das aktive Elemtent 13a zur Rückkopplungsunterdrückung ist über eine starre Verbindung 13b direkt mit dem Sensorelement 11a verbunden.
-
5 ist eine vierte Ausführung des Sensor-Aktor-Wandlerbausteins 5 mit zwei in Reihe arbeitenden Aktorelementen 12a. Dadurch wird das von der Aktorseite auf die Gehörknöchelchen 6 übertragene Signal vergrößert.
-
In 6 ist die in 4 beschriebene dritte Ausführung des Sensor-Aktor-Wandlerbausteins 5 mit einem weiteren aktiven Element 14 dargestellt. Dieses vorzugsweise piezoelektrische Element ist mit dem Gehäuse auf der Sensorseite verbunden. Es kann in gleicher Weise auch in den vorher beschriebenen Ausführungen integriert werden. Das aktive Element 14 erzeugt eine dynamische Gegenkraft zum Aktorelement 12a. Es wirkt somit als virtuelles Gegenlager bzw. aktive dynamische Massevergrößerung. Dadurch werden die vom Aktorelement 12a übertragenen Schwingungen auf den aktorseitigen Gehäuseteil 12b vergrößert und die auf den sensorseitigen Gehäuseteil 11b übertragenen Schwingungen verringert.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Gehörgang
- 2
- Trommelfell
- 3
- Hammer
- 4
- Amboss
- 5
- Sensor-AKtor-Wandlerbaustein
- 6
- Steigbügel
- 7
- Steigbügelfußplatte
- 8
- Flüssigkeitssäule des Innenohres
- 9
- elektrische Verbindung
- 10
- elektronische Verarbeitungseinheit
- 11
- Sensor
- 11a
- Sensorelement
- 11b
- Gehäuseteil
- 11c
- Lagerungsteil
- 12
- Aktor
- 12a
- Aktorelement
- 12b
- Gehäuseteil
- 13
- aktives Element
- 13a
- aktives Element
- 13b
- starre Verbindung
- 14
- aktives Element
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102004038078 A1 [0013]
- DE 10030372 A1 [0013]
- DE 10301723 A1 [0013]
- US 7239069 B2 [0014]
- WO 2006/075169 [0014]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- Huber, A. M.; Ball, G. R.; Veraguth, D.; Dillier, N.; Bodmer, D. & Sequeira, D. A new implantable middle ear hearing device for mixed hearing loss: A feasibility study in human temporal bones. Otol Neurotol, 2006, 27, 1104–1109 [0005]
- Yanagihara N, Sato H, Hinohira Y, Gyo K, Hori K. Long-term results using a piezoelectric semi-implantable middle ear hearing device: the Rion Device E-type. Otolaryngol Clin North Am. Apr 2001; 34(2): 389–400 [0006]
- Zenner HP, Leysieffer H, Maassen M, Lehner R, Lenarz T, Baumann J. Human studies of a piezoelectric transducer and a microphone for a totally implantable electronic hearing device. Am J Otol. Mar 2000; 21(2): 196–204 [0007]
- Chen DA, Backous DD, Arriaga MA, Garvin R, Kobylek D, Littman T. Phase 1 clinical trial results of the Envoy System: a totally implantable middle ear device for sensorineural hearing loss. Otolaryngol Head Neck Surg. Dec 2004; 131(6): 904–16 [0008]
- Jenkins HA, Niparko JK, Slattery WH, Neely JG, Fredrickson JM. Otologics Middle Ear Transducer Ossicular Stimulator: performance results with varying degrees of sensorineural hearing loss. Acta Otolaryngol. May 2004; 124(4): 391–4 [0010]
