人耳听觉系统的非线性动力学特性及新型全植入式中耳助听系统研究

感音神经性耳聋是困扰广大听力残障人士的一大难题，鉴于传统助听器的种种局限性和并发症，本课题旨在研发全植入式中耳助听装置，为感音神经性耳聋的解决方案提供突破口。本课题以人耳听觉系统的声音传导机理为切入点，运用现代生物力学、结构非线性动力学建模与分析以及高精度的微CT扫描技术建立人耳听觉系统的完整而精确的动力学模型，运用结构设计与优化以及结构动力学特性分析的理论方法对包含压电振子在内的植入装置与人耳系统的耦合机理进行深入研究，在此基础上研发可靠性高、补偿效果好、功耗低的全植入式中耳助听装置，并对满足实时性要求的信号处理算法进行设计。运用先进的实验测试条件，对植入装置的听力补偿效果、生物相容性和固定方式等性能指标进行检测，进一步完善设计参数。该项目的研究将为广大感音神经性耳聋患者提供一种有效康复手段，具有重要的理论和实际意义。

随着社会老龄化和现代工业化的影响，听力损伤已经成为目前一种常见的疾病，迫切需要有效的治疗有段。植入式人工中耳助听系统是目前治疗感应神经性听力损伤的一种新型手段，采用机械激励的方式直接刺激听骨链等中耳结构实现听力补偿，可以有效解决传统助听器声反馈和高频增益小的问题，因此设计一款能耗低、高频补偿效果明显、可靠性高的人工中耳十分必要。本课题从人耳听觉系统的力学特性和人工中耳助听系统研发的角度出发，首先构建了整耳非线性有限元模型，充分考虑了人耳软组织的超弹性和粘弹性材料特性，在基础上，对压电式人工中耳的等效声压级和功耗等植入特性进行了深入研究，设计了一款基于压电叠堆的砧骨激励式人工中耳助听装置，并开发设计了听力补偿算法，之后完成了中耳植入装置与人耳系统的耦合动力学特性研究，最后在人体颞骨实验平台上完成了实验验证。研究结果表明，考虑了人耳系统材料非线性，模拟的人耳系统静态和动态特性与实验数据取得了较好的匹配，尤其在高频段，人耳系统的动态响应相较线弹性模型与实验测量数据匹配效果更好；分析了中耳静压对人耳系统的传声特性的影响，当频率低于1500Hz时，负压所导致的中耳结构刚化是几何非线性和材料非线性共同作用的结果，而当频率高于1500Hz 时，中耳结构所呈现出的软化现象主要来源于材料的非线性；完成实验室原理样机的加工之后，进行了装置动态特性和颞骨标本实验，实验表明助听装置具有良好的听力补偿效果，谐波失真度小于1%，脉冲响应的延迟时间（30us）和衰减时间（1.5ms）均满足国际要求，在5.1V的输入电压便提供相当于鼓膜处90dB声激励的效果，高频增益大，满足人工中耳低功耗的设计要求。本项目的研究成果对人耳系统的听觉特性研究具有重要的指导意义，研发的人工中耳助听系统具有良好的市场推广价值和应用前景。