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Neuartiger piezoelektrischer Mikro-Biegeaktor als Schallwandler in einem implantierbaren Hörgerät
(2014) Kaltenbacher, Dominik; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.)
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.