【摘要】： 目的：通過自制微型壓電傳聲器與貓耳內(nèi)和新鮮顳骨標(biāo)本內(nèi)的聽骨鏈耦合,拾取體外聲信號(hào),并對聲信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)與補(bǔ)償處理的實(shí)驗(yàn)研究,系統(tǒng)驗(yàn)證聽骨鏈振動(dòng)拾音與補(bǔ)償策略的可行性。 材料與方法：①利用有限元ANSYS軟件建立PT300-10型壓電陶瓷雙晶片單懸臂梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)模型,分析壓電陶瓷雙晶片的諧振頻率。②制作方柱形壓電傳聲器,4.5x1.5x1.2mm與長度5.0x1.5x1.2mm規(guī)格各6個(gè),采用粘接于揚(yáng)聲器防風(fēng)罩上進(jìn)行壓電傳聲器體外模擬實(shí)驗(yàn)。③將壓電傳聲器植入貓耳,分別粘接固定于錘骨、砧骨體,以及單獨(dú)置放于鼓室腔,共實(shí)驗(yàn)13耳(8只貓),拾取純音、掃頻和語頻測試信號(hào)。并以Hy-M30高保真?zhèn)髀暺髟谪埗詫ο嗤盘?hào)拾音作為對照組。④將壓電傳聲器植入新鮮顳骨標(biāo)本,耦合位點(diǎn)分別為錘骨、砧骨短突、鼓室腔,共實(shí)驗(yàn)7耳(4副顳骨),也設(shè)相同對照組。⑤壓電傳聲器從貓耳錘骨拾取聲學(xué)信號(hào),對其畸變與丟失進(jìn)行補(bǔ)償與調(diào)節(jié)初步研究。 結(jié)果：①有限元仿真模型發(fā)現(xiàn)壓電陶瓷雙晶片在單懸臂結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)情況下,3.0xl.0x0.3mm規(guī)格時(shí)其諧振頻率在20kHz附近,即可滿足拾取全頻段可聽見聲信號(hào)時(shí)既有靈敏度又有平坦的頻響曲線要求。②體外模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量為38mg(包含12mg導(dǎo)線),體積5.0x1.5x1.2mm的自制壓電傳聲器能靈敏地拾取全頻段可聽見聲聲學(xué)信號(hào),具有很高的信噪比和平坦的頻響曲線,故用于植入實(shí)驗(yàn)。③貓耳內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示壓電傳聲器耦合于錘骨柄后能拾取體外聲學(xué)信號(hào),并能驅(qū)動(dòng)全植入人工耳蝸演示電極陣列系統(tǒng)工作,但是有比較明顯的底噪信號(hào),并且1000Hz及以下頻率信號(hào)損失較嚴(yán)重。對言語頻率信號(hào)拾取效果良好,貓耳砧骨拾取信號(hào)非常微弱。④新鮮顳骨標(biāo)本植入實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)壓電傳聲器與錘骨耦合后拾取信號(hào)良好,對于低頻信號(hào)也能拾取到微弱信號(hào),優(yōu)于貓耳錘骨耦合時(shí)拾取信號(hào)。耦合于砧骨短突時(shí)則拾取信號(hào)較弱。⑤顳骨標(biāo)本植入實(shí)驗(yàn)拾取信號(hào)優(yōu)于貓耳植入實(shí)驗(yàn)(錘骨組比較,顳骨組拾取信號(hào)具有更為平坦的頻響曲線,砧骨組比較,顳骨組拾取信號(hào)更強(qiáng))。貓耳聽骨鏈質(zhì)量(17mg)遠(yuǎn)小于人耳錘骨(28.4mg),加之自制壓電傳聲器質(zhì)量(38mg)重于貓耳錘骨兩倍,比人耳錘骨重約一半,過重的負(fù)載導(dǎo)致了鼓膜聽骨鏈對于測試聲源低頻信號(hào)的振幅顯著減弱,從而出現(xiàn)拾取的信號(hào)中低頻信號(hào)明顯丟失。⑥對從貓耳錘骨拾取信號(hào)進(jìn)行145-9288Hz帶通濾波,再采用WDRC法進(jìn)行動(dòng)態(tài)增益放大等信號(hào)處理,可以補(bǔ)償拾取信號(hào)的大部分損失,進(jìn)行一定程度上的輸出幅值差異化調(diào)節(jié)。 結(jié)論：①通過系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)初步論證了壓電傳聲器拾取聽骨鏈振動(dòng)聲學(xué)信號(hào)與補(bǔ)償策略的可行性。②因壓電傳聲器物理尺寸、質(zhì)量偏大,手工制作等因素,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)用需求相比尚有較大距離。③由于MEMS技術(shù)的進(jìn)步、壓電材料質(zhì)量的提升,通過持續(xù)深入的實(shí)驗(yàn)研究,可以改善與縮微壓電傳聲器,研發(fā)耦合固件,完善信號(hào)補(bǔ)償與調(diào)節(jié)處理軟件等方面,從而為全植入人工耳蝸體內(nèi)拾音策略提供良好解決方案。
[Abstract]:Objective: To investigate the feasibility of the auditory ossicular chain vibration pickup and compensation strategy by coupling a self-made piezoelectric microphone with the auditory ossicular chain in cat ears and fresh temporal bone specimens.
MATERIALS AND METHODS: (1) Vibration model of PT300-10 piezoelectric bimorph single cantilever beam was established by finite element ANSYS software to analyze the resonant frequency of piezoelectric bimorph. In vitro simulation experiment, 13 ears (8 cats) were implanted with piezoelectric microphone and fixed in malleus, incus and tympanic cavity respectively. The pure tone, sweep frequency and speech frequency signals were picked up. The same signal was picked up by Hy-M30 high fidelity microphone beside the cat's ear as control group. Seven ears (four pairs of temporal bones) were tested and the same control group was set up. _Piezoelectric microphone picked up acoustic signals from the malleus of the cat ear to compensate and adjust its distortion and loss.
RESULTS: The FEM simulation model showed that the resonant frequency of the piezoelectric bimorph with 3.0xl.0x0.3mm specifications was about 20 kHz under the condition of free vibration of the single cantilever structure, which could satisfy the requirements of both sensitivity and flat frequency response curve when picking up the audible acoustic signals in the full frequency band. The self-made piezoelectric microphone with a volume of 5.0x1.5x1.2mm can sensitively pick up acoustic signals in the whole frequency band. It has a high signal-to-noise ratio and a flat frequency response curve, so it is used for implantation experiment. 3. The results of cat ear implantation experiment indicate that the piezoelectric microphone can pick up external acoustic signals after coupling to the hammer handle, and can drive the whole implant. Cochlear demo electrode array system works, but there is obvious background noise signal, and the frequency signal loss below 1000Hz is serious. The speech frequency signal picking effect is good, cat's ear incus picking up signal is very weak. 4 Fresh temporal bone specimen implantation experiment found that the piezoelectric microphone coupled with malleus picking up signal is good, right The weak signal can also be picked up in the low frequency signal, which is better than that in the cat's ear and malleus. The cat ear ossicular chain (17mg) is much less than the human ear malleus (28.4mg), and the self-made piezoelectric microphone (38mg) is twice as heavy as the cat ear malleus, about half as heavy as the human ear malleus. The overload causes the tympanic ossicular chain to significantly weaken the amplitude of the low-frequency signal for testing the sound source, resulting in the pickup signal of the low-frequency signal is obvious. Loss. _To the cat ear malleolus pickup signal 145-9288Hz band-pass filtering, and then using WDRC dynamic gain amplification signal processing, can compensate for most of the pickup signal loss, to a certain extent, the output amplitude difference adjustment.
CONCLUSION: The feasibility of picking up acoustic signals and compensating strategies of ossicular chain vibration by piezoelectric microphone is preliminarily demonstrated through systematic experiments. The experimental data are far from the practical requirements because of the factors such as physical size, large mass and handmade. Through continuous and in-depth experimental research, we can improve and micropiezoelectric microphone, develop coupling firmware, perfect signal compensation and adjustment processing software and so on, so as to provide a good solution for cochlear implant sound pickup strategy.
【學(xué)位授予單位】：復(fù)旦大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號(hào)】：R764

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本文編號(hào)：2184168