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压电型人工耳蜗是将压电薄片植入耳蜗鼓阶,利用压电材料特有的声-电转换效应将声音振动能量转换为电信号,直接刺激听神经,改善聋耳患者的听力的一个全新构想。这一课题以其精妙的设想、简单的结构、低廉的成本吸引了许多研究者关注,而其可行性在前期的基础研究中也得到了初步验证。然而,该设想如果要能成功的进入临床应用阶段,还依然存在许多基本的科学问题有待全面深入地进行研究。本论文紧密围绕压电型人工耳蜗的全新构思,通过数值模拟的手段初步研究了压电型人工耳蜗的工作机制,较为系统地探讨了影响压电型人工耳蜗的植入效果的若干因素;通过体外模拟和体内植入实验,提出了一个适用于压电型人工耳蜗的压电材料的评价标准。取得了以下主要成果:
基于之前的研究结果,采用有限元模拟软件ANSYS建立了内耳基底膜的简化模型,研究了基底膜的振动模态,结果显示随着提取的模态阶数增加,基底膜对应的谐振频率也增加,且最大谐振点逐渐向膜顶,即向卵圆窗处移动,这与基底膜的经典行波理论符合的很好;在此模式下,对压电薄片在内耳中声一电转换方式的分析发现,植入内耳的压电材料的工作原理类似于处于接收状态的水听换能器,而换能方式由基底膜的振动方式给出,振动模式与谐响应分析给出了基底膜的振动方式,这一振动模式决定直接植入内耳耳蜗的压电薄片在其中的主要工作方式为厚度伸缩振动。
基于上述结论,采用换能器模拟软件PiezoCAD研究了影响处于内耳淋巴液环境中的压电材料的声电-转换效率的若干因素。声阻抗匹配研究中模拟了四种不同类型的压电材料在内耳环境中的声-电转换效率,模拟结果与之前动物实验结果符合的很好,同时显示可以通过降低压电材料本身的声阻抗实现材料与内耳淋巴液的阻抗匹配;而由于内耳尺寸的限制,添加匹配层的方法是不可行的。尺寸因素模拟结果表明植入内耳的材料的声-电转换效率与其长度和宽度存在着正比例的关系,而与其厚度没有明显的正相关性。材料的电学性能因素模拟结果显示在内耳淋巴液环境中处于厚度伸缩振动模式的压电材料的声-电换能效率与其机电耦合系数kt有着紧密的联系,kt越大,转换效率也越高;而随着材料介电常数ξ的增加,总的来说,处于淋巴液环境中的压电样品的声-电转换效率也增加,但是介电常数对于材料在淋巴液环境中的声-电转换效率的影响比较小。电阻抗匹配的模拟结果显示随着输入端电阻抗的增加,压电样品的声-电换能效率急剧下降,且基本上两者呈现出反比例关系。电阻抗匹配与声阻抗匹配对换能器的换能效率影响的作用类似,即输入端和输出端匹配接近才能得到较大的换能效率。
体外模拟实验以电压为参量,我们发现压电材料在淋巴液环境中声-电转换得到的电压大小与压电材料的静水压电压系数gh大小正相关。猫耳植入实验结果表明,压电材料的优值因子FoM可以作为一个较为全面的参数来评价材料的体外性能,其原因在于即FoM体现的是电压和电量因素的叠加,这对成熟的人工耳蜗器件非常重要;同时显示,存在一个阈值,当FoM值大于该值时才会出现听阈的下降效果,反之则无效果。尽管优值因子FoM值和听阈下降之间存在正相关的关系,但是这种关系并非简单的线性关系,这可能意味着组成FoM的两项dh和gh对听阈下降的贡献是不同的。