Neuartiger piezoelektrischer Mikro-Biegeaktor als Schallwandler in einem implantierbaren Hörgerät

Abstract

Weltweit sind mehr als 500 Millionen Menschen von Schwerhörigkeit betroffen. Zur Therapie werden in der Regel konventionelle Hörgeräte genutzt. Bei hochgradiger Schwerhörigkeit bieten ins Mittelohr implantierbare Hörgeräte eine gegenüber herkömmlichen Systemen überlegene Übertragungsqualität; sie sind jedoch aufgrund der invasiven Operation nicht weit verbreitet. Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA untersucht deshalb zusammen mit klinischen und technischen Forschungspartnern ein neues teilimplantierbares Hörgerätekonzept - das so genannte Rundfensterimplantat. Die Komponenten des Systems sollen in einer ambulanten, minimal-invasiven Operation unter Teilnarkose eingesetzt werden können. Der im Mittelohr platzierte Schallwandler übersetzt das elektrische Signal des Hörgeräts in verstärkte mechanische Schwingungen und koppelt diese über das runde Fenster der Hörschnecke ins Innenohr ein. DerWandler ist eine der Kernkomponenten des Implantatsund gleichzeitig Gegenstand der wissenschaftlichen Untersuchungen der vorliegenden Arbeit. Basierend auf einer Analyse der geometrischen und akustischen Verhältnisse am Implantationsort werden Anforderungen an den Wandler formuliert und ein Lösungskonzept für dessen Realisierung vorgestellt. Ein neuartiger piezoelektrischer Mikro- Biegeaktor mit kreisförmiger Außengeometrie ist rechnerisch in der Lage, die audiologischen Anforderungen an den Schallwandler eines implantierbaren Hörgeräts zu erfüllen. Für die Erfüllung der Anforderungen ist die optimale Auslegung des Aktors essentiell. Das in der Arbeit hergeleitete elektromechanische Modell ermöglicht die Berechnung wichtiger Aktoreigenschaften wie Auslenkungsamplitude, Kraft und Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von Aktorgeometrie, Materialparametern und anliegender elektrischer Wechselspannung. Die Modellierung ist Voraussetzung für die Aktordimensionierung und nimmt einen wesentlichen Teil der Arbeit ein. Die Realisierung undCharakterisierung von Aktorfunktionsmustern im letzten Teil der Arbeit erlaubt die Evaluierung des Aktorprinzips und die Verifikation der erarbeiteten Modelle. Die Messergebnisse zeigen eine insgesamt gute Übereinstimmung mit den errechneten Kenndaten. Allerdings bleibt die Leistung der Funktionsmuster hinter den konservativ streng formulierten Anforderungen zurück. Ein Ausblick am Ende der Arbeit geht auf diesen Sachverhalt ein und beschreibt Optimierungsmöglichkeiten sowohl für den Schallwandler als auch für das Gesamtkonzept des Implantats. Gelingt es,diese Optimierungen umzusetzen und das Rundfensterimplantat zum Produkt weiterzuentwickeln, steht ein leistungsfähiges Hörgerät zur Verfügung, das die akustischen Vorteile eines Implantats ausschöpft und gleichzeitig minimal-invasiv implantiert werden kann.

Many people in the world suffer fromhearing loss. Inmost cases patients wear conventional hearing aids in order to improve their conversation abilities. Implantable hearing aids provide higher sound quality compared to traditional ones especially for people with severe hearing loss. However, due to the invasive implantation procedure not many implants are in use especially among old people. Therefore the Fraunhofer Institute forManufacturing Engineering and Automation IPA and clinical and technical partners investigate a new concept of a partly implantable hearing device: the round window implant. It allows the implantation of the system's components with a minimally-invasive procedure under local anaesthesia. The implantable sound transducer is one of the system's most important components. It transforms electrical hearing aid signals into amplified mechanical vibrations for the inner ear. Thus it is the main subject of the scientific examinations within this thesis. Basedon the analysis of geometrical and audiological conditions at the implantation situs, an actuation concept for the sound transducer is described. A piezoelectric micro actuator with bending elements and a circular shape is capable of fulfilling the audiological requirements according to calculations of this work. Proper design of the actuator is essential in order to reach the specification. The design is based on mathematical models that have been derived in the main part of this thesis. They predict the actuator's electromechanical behaviour as a function of excitation frequency and geometrical parameters. The latter part of the work describes realisation and characterisation of actuator prototypes and allows a concept evaluation as well as a verification of the electromechnical modeling. In general, the measurement results are consistent with the model. However, overall performance of the prototypes is slightly below the specified requirements, that are based on conservativeassumptions. The last chapter describes future optimisation work regarding both the piezoelectric actuator as well as the overall concept of a round window implant. If this work is successful, a new innovative hearing device will be available with superior sound quality and a minimally invasive implantation procedure for the benefit of the patient.