DE102009051713A1

DE102009051713A1 - Elektomechanischer Wandler

Info

Publication number: DE102009051713A1
Application number: DE102009051713A
Authority: DE
Inventors: Thomas Prof. Dr. Ing. Sattel; Maria Dipl.-Ing. Gadyuchko; Martin Prof. Dr. Dr. Ptok
Original assignee: Medizinische Hochschule Hannover; Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Medizinische Hochschule Hannover; Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2009-10-29
Filing date: 2009-10-29
Publication date: 2011-05-05
Also published as: WO2011051469A1; DE112010004169A5

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung soll ein elektromechanischer Wandler, der im menschlichen Gehörgang als Im-Ohr-Knochenleitungshörer selbsthaltend positioniert werden kann, bereitgestellt werden, der sich durch einen hohen Tragekomfort und einer effektiveren Schallübertragung, auch im Hochton-Frequenzbereich, auszeichnet. Erfindungsgemäß weist der elektromechanische Wandler eine Form oder Gestalt auf, die dem Gehörgang individuell und anatomisch angepasst ist. Er umfasst eine passive, umhüllende Struktur und mindestens ein Mittel, mit dem Schwingungen zur Übertragung auf die Gehörgangswand angeregt und/oder Bewegungen von der Gehörgangswand auf den Wandler empfangen und verarbeitet werden können. Der erfindungsgemäße Im-Ohr-Knochenleitungshörer kann insbesondere als Gehörgangs-Knochleitungs-Hörgerät eingesetzt werden, aber auch beispielsweise in einem Messgerät zur Anregung und Messung von otoakustischen Emissionen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischen Wandler, der im menschlichen Gehörgang als Im-Ohr-Knochenleitungshörer selbsthaltend positioniert werden kann. Der elektromechanische Wandler kann mit Schallaufnehmern und Luftschall-Hörern kombiniert werden.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Hörhilfen für Hörbehinderte bekannt. Alle Hörgeräte enthalten ein Mikrofon, eine Signalverarbeitungseinheit, Batterien und ein Wirkelement, das z. B. als Luftleitungshörer, mechanischer Direktantrieb oder Knochenleitungshörer realisiert werden kann. Traditionell werden konventionelle Hörgeräte mit einem Luftleitungshörer eingesetzt. Ihr Frequenzgang hat sich aber im Alltag häufig als unbefriedigend erwiesen. Zwar reichen die Bandbreiten der angegebenen Frequenzgänge bis ca. 8 kHz, die wirksame Verstärkung ist allerdings begrenzt. Weiterhin ist die Anwendung von konventionellen Hörgeräten für Patienten mit Schallleitungsstörungen zuweilen problematisch. Dieses Problem sollte durch die Anwendung eines elektromagnetisch betriebenen Floating mass Transducer, der direkt an der Gehörknöchelchenkette oder am runden Fenster befestigt wird (www.medel.com; aufgerufen am 28.10.2009), oder eines knochenverankerten Hörgerätes gelöst werden (http://www.cochlear.de/Products/1759.asp; aufgerufen am 28.10.2009). In diesen Fällen ist aber eine Operation erforderlich und die Frequenzvorteile von implantierbaren Geräten gegenüber konventionellen können bisher nicht zweifelsfrei nachgewiesen werden.
Zur Verbesserung des Frequenzganges wurde in der DE 10 2007 003 248 A1 eine duale Luftleitungshörer – Anordnung vorgeschlagen. Die prinzipiellen Bedenken bezüglich des begrenzten Frequenzganges bleiben aber auch bei Verwendung mehrerer Luftleitungshörer bestehen.
Für die Patienten mit einer Mittelohrschwerhörigkeit wurden Knochenleitungshörgeräte entwickelt, die das Schallsignal auf den Schädelknochen applizieren (http://www.cochlear.de/Products/1759.asp; aufgerufen am 28.10.2009). Es sind verschiedene Formen von solchen Hörgeräten bekannt, wie z. B. mit Stirnband oder knochenverankerte Geräte. Nachteilig hierbei sind die Bildung von Druckstellen bzw. der notwendige operative Eingriff mit entsprechender Infektionsgefahr und die relativ große Entfernung vom Effektororgan, der Cochlea. Auch bei diesen Knochenleitungshörgeräten, die mit elektromagnetischen Hörern arbeiten, ist die Bandbreite des Frequenzgangs unbefriedigend.
Aus der US 6,643,378 und der US 4,150,262 sind geschlossene Im-Ohr-Knochenleitungshörgeräte mit Vibrationselementen bzw. Schwingern bekannt, die im Ohr platziert werden und grundsätzlich aus einer passiven, umhüllenden, auch offenen Struktur und einem oder mehreren elektromechanischen Wandlern bestehen. Die beschriebenen passiven, umhüllenden Strukturen können dabei der Gehörgangsform individuell angepasst sein, beispielsweise durch Spritzgießtechnik, indem der äußere Umfang der passiven Struktur sukzessive durch neue Schichten vergrößert wird, um eine Presspassung im Gehörgang zu erreichen. Die in der US 6,643,378 und der US 4,150,262 vorgestellten Im-Ohr-Knochenleitungshörgeräte stellen jedoch ein abgeschlossenes System dar, was signifikante Okklusionseffekte, also den Verschluss des Gehörgangs mit veränderter, in der Regel als unangenehm empfundener Wahrnehmung der eigenen Stimme, von Kaugeräuschen u. s. w., hervorruft. Zusätzlich verursacht eine Gehörgangsokklusion eine Beeinträchtigung des Schalltransfers im Gehörgang zum Trommelfell.
Daneben sind aus der WO 2008/014498 und US 2008/0159574 auch offene Im-Ohr-Knochenleitungshörer mit Vibratoren bekannt, um diese Nachteile zu vermeiden.
Die in diesen bekannten Im-Ohr-Knochenleitungshörgeräten verwendeten Vibrationselemente bzw. Schwinger sind mit verschiedenen ringförmigen, zylinderförmigen, oder auch quaderförmigen piezoelektrischen Wirkelementen ausgeführt. Ebenso werden verschieden piezoelektrische Werkstoffe wie Piezokeramiken oder Piezofolien in der US 2008/0159574 beschrieben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile aus dem bekannten Stand der Technik zu überwinden und einen elektromechanischen Wandler, der im menschlichen Gehörgang als Im-Ohr-Knochenleitungshörer selbsthaltend positioniert werden kann, bereitzustellen, der sich durch einen hohen Tragekomfort und einer effektiveren Schallübertragung, auch im Hochton-Frequenzbereich, auszeichnet.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers sind in den Unteransprüchen angegeben.
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind dem nachfolgenden Beschreibungsteil zu entnehmen, in dem die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen dieselben Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Teile in den gesamten Figuren bezeichnen, näher erläutert wird. Es zeigen:
1 – eine beispielhafte Positionierung eines Im-Ohr-Knochenleitungshörers im menschlichen Gehörgang
2 – eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers mit einem Wirkelement
3 – eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers mit mehreren Wirkelementen
4 – Blockdiagramm zur Signalverarbeitung und Signalaufteilung (Frequenzaufteilung) bei einem erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers mit mehreren Wirkelementen
5 – eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers mit zwei Wirkelementen
6 – eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers mit einem Wirkelement
7 – eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers mit einem Wirkelement und einem Sensorelement
8 – Blockdiagramm zur Signalverarbeitung und Signalaufteilung (Frequenzaufteilung) bei einem erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandler, kombiniert mit einem Luftleitungs-Hörer
9 – Blockdiagramm zur Signalverarbeitung und Signalaufteilung (Frequenzaufteilung) bei einem erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandler, kombiniert mit einem Luftleitungs-Hörer und einem Mikrofon
Erfindungsgemäß ist der offene elektromagnetische Wandler derart ausgebildet, dass er im menschlichen Gehörgang selbsthaltend platziert werden kann. Seine Form und Gestalt ist anatomisch angepasst. Der erfindungsgemäße elektromechanische Wandler (Im-Ohr-Knochenleitungshörer) umfasst ein oder mehrere elektromechanische Wirkelemente, die vorzugsweise eine anatomisch angepasste Form aufweisen und deshalb der effektiveren Anregung von Knochenschallschwingungen dienen. Die besondere, anatomisch angepasste Form des Im-Ohr-Knochenleitungshörers erlaubt eine signifikante Verringerung des Okklusionseffektes, erhöht den Tragekomfort, kann zu einer effektiveren Schallübertragung beitragen und den Hochton-Frequenzbereich besser ausschöpfen. Der erfindungsgemäße Im-Ohr-Knochenleitungshörer kann mit Luftleitungs-Hörern kombiniert werden, um die Bandbreite des nutzbaren Frequenzspektrums zu erhöhen. Auch die Kombination mit einem Im-Ohr-Mikrofon ist zur Verbesserung der Schallaufnahme vorgesehen.
In 1 ist ein im menschlichen Gehörgang platzierter elektromechanischer Wandler in Form eines Im-Ohr-Knochenleitungshörers, der Knochenleitungsbewegungen anregen, aber auch sensorisch erfassen kann, dargestellt. Er kann dabei sowohl im knöchernen Teil als auch im knorpeligen Teil des Gehörgangs platziert werden. Es ist aber auch möglich, dass er beide Gehörgangsabschnitte überdeckt. Damit kann eine Platzierung nahe dem Effektororgan realisiert werden.
Der erfindungsgemäße Im-Ohr-Knochenleitungshörer kann insbesondere als Gehörgangs-Knochenleitungs-Hörgerät eingesetzt werden, aber auch beispielsweise in einem Messgerät zur Anregung und Messung von otoakustischen Emissionen. Weitere Einsatzgebiete sind beispielsweise in der Kommunikationstechnik denkbar oder zur Auslöschung bzw. Verringerung von Luftschallstörgeräuschen oder zur Lärmminderung in Gehrschutzvorrichtungen.
In 2 ist eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Im-Ohr-Knochenleitungshörers dargestellt. Der innere Teil besteht aus einem piezokeramischen Vielschicht-Element (22), dessen Kontur individuell und anatomisch dem Gehörgang angepasst gefertigt ist. Der Vorteil der Verwendung von Vielschicht-Elementen besteht darin, dass die elektrische Anregespannung signifikant reduziert werden kann, um bei gegebener Baugröße eine bestimmte Auslenkung erzielen zu können. Dadurch ist es möglich das Gerät mit Batterien, die auch für Hörgeräte verwendet werden, zu betreiben.
Der Gehörgang beim Menschen ist sehr komplex geformt und weicht im Querschnitt signifikant von der Ringform und entlang des Gehörganges signifikant von der Zylinderform ab. Durch die anatomisch angepasste (zirkuläre), offene Form, wird im Vergleich zu dem aus dem Stand der Technik bekannten ringförmigen oder zylindrischen Piezokeramik-Elementen eine größere Öffnung im Gehörgang ermöglicht, wodurch der Okklusionseffekt nahezu vermieden werden kann. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass dadurch eine bessere akustische Ankopplung an die Gehörgangswand erfolgt. Die äußere Schale (21) des erfindungsgemäßen Im-Ohr-Knochenleitungshörers kann relativ dünn ausgeführt werden. Dadurch erhöht sich die Übergangssteifigkeit zum Gehörgang im Vergleich zum Stand der Technik. Weiterhin liefert diese Ausführungsform durch die anatomisch angepasst gefertigte, äußere Kontur eine gleichmäßigere Flächenpressung bei der Schwingungsanregung. Druckspitzen werden vermieden, so dass der Tragekomfort erhöht wird. Die äußere Schale (21) kann beispielsweise aus einem Otoplastik-Material bestehen. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die äußere Schale (21) mit einem 3-D Druckverfahren und Aufschichtung von nur Mikrometer-dicken Schichten zur kraftschlüssigen Verspannung im Gehörgang zu fertigen, im Sinne einer Presspassung.
In 3 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Im-Ohr-Knochenleitungshörers mit mehreren elektromechanischen Wirkelementen (22) in Form von piezokeramischen Vielschicht-Elementen dargestellt. Die räumliche Verteilung der Wirkelemente ermöglicht beispielsweise eine räumlich verteilte Impedanzanpassung an die Gehörgangswand und eine Frequenzaufteilung des elektrischen Eingangssignals auf die verschiedenen Wirkelemente. Piezoelektrische Wirkelemente verstärken im Hochtonbereich besser als im Tieftonbereich. Daher sind im Tieftonbereich höhere elektrische Anregespannungen bzw. größere Schwingungsamplituden notwendig als im Hochtonbereich, um die gleiche Lautstärke wahrnehmen zu können. Durch eine räumliche Trennung von Frequenzbereichen kann eine angepasste Verstärkung erzielt werden. In 4 ist dazu ein Beispiel zum Signalfluss skizziert.
In 5 ist eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Im-Ohr-Knochenleitungshörers mit zwei piezokeramischen Vielschicht-Elementen (22) dargestellt. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch einen geringeren Fertigungsaufwand als für die in 3 dargestellte Ausführungsform aus.
In den 6 und 7 sind zwei weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Im-Ohr-Knochenleitungshörers dargestellt. Ein Piezoaktor (61) mit klassischer quaderförmiger Bauform wird in eine individuell gefertigte Schale (21) eingebaut und mittels einer passiven Kunststoffschicht (62), z. B. in Form eines Keils, befestigt. Der Vorteil der in 6 gezeigten Ausführungsform ist die einfache Bauweise und die einfache Fertigung. Zudem wird durch die Abstützung an gegenüberliegenden Wandteilen des Gehörgangs eine sehr effektive Schallübertragung in die Gehörgangswand erreicht.
Die in 7 dargestellte Ausführungsform umfasst ein erstes und ein zweites Aktorelement, wobei das erste Aktorelement (71) zur statischen Auslenkung vorgesehen ist, um einen bestimmten statischen Anpressdruck zu gewährleisten, und mit dem zweiten Aktorelement (quaderförmiger Piezoaktor) (61) die Schallübertragung realisiert wird. Damit ist es möglich, die Effizienz der Schallübertragung in Abhängigkeit des Anpressdruckes an die Gehörgangswand zu bestimmen. Die zwei Aktoren sind voneinander durch eine passive Kunststoffschicht (62) getrennt.
In 8 ist ein Blockdiagramm zur Signalvberarbeitung Und Signalaufteilung eines Hybridhörers dargestellt. Ein Hybridhörer ist ein dualer Hörer, bestehend aus einem Luftleitungshörer und einem Im-Ohr-Knochenleitungshörer. Der Luftleitungshörer soll die niedrigen Frequenzen (Tieftonbereich) abdecken, wogegen der Im-Ohr-Knochenleitungshörer den Mittel- und Hochtonbereich abdeckt. Damit werden die Vorteile beider Hörer vereint.
Luftleitungshörer zeichnen sich besonders im Tieftonbereich durch eine effiziente Schallübertragung aus, während hingegen Knochenleitungshörer besondere Vorteile im Hochtonbereich aufweisen. Dadurch wird ein sehr breiter Frequenzbereich abgedeckt (der komplette Hörbereich, bis 13 kHz). Es wird somit möglich, situationsabhängig und/oder frequenzabhängig zwischen Luft- und Knochenleitungshörer auszuwählen, sowie den Übergang von einem zu anderem Hörer variabel bzw. adaptiv zu gestalten. Die akustischen Signale aus der Umgebung werden von der Mikrofonanordnung aufgenommen und zum Elektronikmodul geleitet. Die vorläufig verstärkten Signale werden in 2 Wege geteilt – für Luftleitungs- und Knochenleitungshörer. Die Teilung und Bearbeitung der Signale kann individuell von jedem Hörgeräteträger angepasst werden. Die umgewandelten Analogsignale kommen über ein Leitungsrohr in den Gehörgang zu den Hörern.
Der Hybridhörer in der Kombination eines Im-Ohr-Knochenleitungshörers mit einem Luftleitungshörer gemäß Figur 8 kann beispielsweise auch als Messgerät zur Messung von otoakustischen Emissionen eingesetzt werden.
Für eine verbesserte Signalaufnahme kann eine Mikrofonanordnung in den erfindungsgemäßen Im-Ohr-Knochenleitungshörer integriert werden. In 9 ist das dazugehörige Blockdiagramm zur Siganlverarbeitung und Signalaufteilung für einen Im-Ohr-Knochenleitungshörer, kombiniert mit einem Luftleitungshörer und einem Mikrofon dargestellt. Dadurch werden die Signale in „natürlicher” Form und somit mit den entsprechenden Frequenzabweichungen, welche von der Ohrmuschel verursacht werden, aufgenommen. Dies erlaubt eine natürliche, räumliche Wahrnehmung von Signalen und dadurch eine bessere örtliche Einordnung der Schallquellen.
Der Hybridhörer in der Kombination eines Im-Ohr-Knochenleitungshörer mit einem Luftleitungshörer und einem Mikrofon gemäß 9 kann beispielsweise zur Messung von otoakustischen Emissionen eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

11: Ohrmuschel
12: Gehörgang
13: Trommelfell
14: Gehörknöchelehenkette
15: Gehörschnecke
16: Schädelknochen
17: Im-Ohr-Knochenleitungshörer
18: Leitungsrohr
19: Hinter-dem-Ohr-Teil
21: Individuell gefertigte äußere Schale
22: elektromechanisches Wirkelement
61: quaderförmiger Piezoaktor
62: passives Kunststoffelement
71: einen statischen Anpressdruck erzeugender Aktor

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 102007003248 A1 [0003]
US 6643378 [0005, 0005]
US 4150262 [0005, 0005]
WO 2008/014498 [0006]
US 2008/0159574 [0006, 0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://www.cochlear.de/Products/1759.asp [0002]
http://www.cochlear.de/Products/1759.asp [0004]

Claims

Elektromechanischer Wandler, der im menschlichen Gehörgang selbsthaltend mit oder ohne Operation platziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Form oder Gestalt, insbesondere die äußere Oberflächenkontur, dem Gehörgang individuell und anatomisch angepasst ist und er eine passive, umhüllenden Struktur und mindestens ein Mittel umfasst, mit dem Schwingungen zur Übertragung auf die Gehörgangswand angeregt und/oder Bewegungen von der Gehörgangswand auf den Wandler empfangen und verarbeitet werden können.
Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass er offen ist, eine biokompatible Oberfläche aufweist, die mit der Gehörgangswand kraft und/oder formschlüssig verbunden ist.
Elektromechanischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Übertragung der Schwingungen auf die Gehörgangswand piezoelektrische Wirkelemente sind, die kraft- und/oder form- und/oder stoffschlüssig mit der passiven, umhüllenden Struktur des elektromechanischen Wandlers mechanisch verbunden sind und aus piezokeramischem Material oder aus gestapelten und mit Zwischenelektroden versehenen Piezoelementen oder aus Piezofolien oder aus piezokeramischen Vielschicht-Elementen bestehen und mindestens einen der aktorisch oder sensorisch nutzbaren Piezoeffekte (d33-Effekt, d31-Effekt, d15-Effekt) nutzen.
Elektromechanischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere piezoelektrische Wirkelemente räumlich verteilt in der passiven, umhüllenden Struktur angeordnet sind, auf die mit Hilfe einer Frequenzweiche verschiedene Frequenzanteile des Eingangssignals aufgeteilt werden können
Elektromechanischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass er verschiedene Sensorelemente zur Erfassung von Temperaturen, Dehnungen/Stauchungen oder mechanischen Spannungen aufweist, die kräft- und/oder form- und/oder stoffschlüssig mit der passiven, umhüllenden Struktur verbunden sind und räumlich über seinen Umfang und seine Ausdehnung längs des Gehörgangs verteilt angeordnet sind.
Elektromechanischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass er Mittel enthält, mit denen eine kraft- und/oder formschlüssigen mechanischen Wirkverbindung zwischen seiner mit der Gehörgangswand in Verbindung stehenden Oberfläche und der Gehörgangswand realisiert werden kann.
Elektromechanischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass er eine mechanische Kupplung umfasst.
Elektromechanischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass er einen integrierten Luftleitungshörer umfasst.
Elektromechanischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass er zumindest ein integriertes Mikrofon zur Aufnahme von akustischen Luftschallsignalen aus der Umgebung umfasst.