정원창 구동 이식형 인공중이를 위한 3-코일 벨로우즈 트랜스듀서 = Tri - Coil Bellows Transducer for Round Window Driving Implantable Middle-Ear Hearing Aids

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Various kinds of hearing aids have been utilized to overcome hearing impairment in humans, and nowadays, many types of hearing aids are available for patients with different types of hearing loss. Recently, a new method in which the transducer is installed at the round window (RW) has been widely investigated because this method can solve the problem of ossicle necrosis and is also useful in cases without ossicles.
The Carina model developed by Cochlea, Inc. is installed at the RW using a ball tip which connected at transducer. But, the Carina is implanted at inside wall of temporal bone because the transducer is large size. For this reason, implant surgery is complicated and difficult. The Vibrant Soundbridge (VSB) produced by MED ‒ EL, Inc. The VSB is involved wrapping the FMT using a biological fascia that maintains proper contact with the RW membrane and then positioning it in the niche of the RW. But, according to several studies, the RW ‒ drive method using a FMT has a notably low vibration gain in low-frequency regions. To solve these issues, the new structures of RW　transducer with the ease of implantation are necessary.
In this paper, a new tri-coil bellows transducer (TCBT) has been proposed for RW middle-ear hearing devices. The proposed TCBT can overcome the weak points of the existing transducer and its smaller size than existing transducer helps easy to implant at the RW. This transducer consists of three cylindrical coils, a three-pole magnet, and a miniaturized bellows. This scheme maximizes magnetic field utilization efficiency and reduces the interference of the environmental magnetic field. To determine the characteristics of the proposed TCBT, mechanical and electrical simulation was performed, and then a comparative analysis of the fixed type transducer and floating mass type transducer was done. The simulations of the unloaded frequency characteristics showed that the fixed type transducer has remarkably higher output than the floating mass type transducer in whole frequency range. The loaded fixed type transducer’s velocity output decreased by only 6dB relative to the unloaded case at 100 Hz, whereas at the same frequency the loaded floating mass type transducer’s velocity output decreased by over 22dB relative to the unloaded case. In the high-frequency range, the two devices showed similar attenuation characteristics in response to RW loading but attenuation of fixed type transducer has slightly higher than floating mass type transducer at 3 kHz.
The structure of bellows can be designed by means of mechanical vibrational characteristics using the finite element analysis. In the case of a TCBT that is attached to the RW, resonance characteristics must be generated near the 2 kHz band in order to obtain characteristics similar to the transmission characteristics of the middle-ear. The stiffness of bellows is changed according to the geometric and the number of corrugation to obtain similar the frequency characteristics of human ear. The results of the FEA simulation indicated that the optimum frequency characteristics of the bellows were as follows: a 68% ratio for the inner and outer diameters of the bellows with a 7.6 µm thickness and 3 corrugations. Based on these simulation results, the TCBT has implemented that has far better excellent low-frequency characteristics than the FMT. And, distortion of the fabricated transducer for performance verification was measured using the distortion meter. As a result, the distortion of loaded case showed 1.2% at resonance frequency and 1% or less at other frequency bands.
To evaluate the characteristics of this newly developed TCBT, the transducer was installed in the RW niches of five human cadaver temporal bones and the velocity of the stapes footplate was measured. The RW stimulation measurements made by driving the TCBT with 2 mW showed that the stapes vibration below 1 kHz, 1~3 kHz and above 3 kHz produced 100, 111 and 129dB SPL equivalent pressure outputs, respectively.
Thus, it is expected that a TCBT with one side coupled to the RW via a tiny elastic bellows and the non-vibrating other side fixed to the bone of the RW niche will be both easy to implant and offer better performance over the others transducer in terms of frequency response and power efficiency.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• Ⅰ. 서 론 1
• Ⅱ. 정원창 구동 이식형 인공중이 7
• 2.1 귀의 해부학적 구조 및 기능 7
• 2.1.1 귀의 음향 전달 경로 7
• 2.1.2 내이의 구조 및 기능 9
• 2.1.3 정원창 구동의 원리 및 타당성 12
• 2.2 기존의 정원창 구동 인공중이 16
• 2.2.1 Cochlear사의 정원창 구동 인공중이 16
• 2.2.2 MED ‒ EL사의 정원창 구동 인공중이 18
• 2.2.3 임 등의 정원창 구동 인공중이 20
• 2.2.4 새로운 정원창 구동 트랜스듀서의 필요성 21
• Ⅲ. 3 ‒ 코일 벨로우즈 트랜스듀서의 설계 23
• 3.1 제안한 3 ‒ 코일 벨로우즈 트랜스듀서의 구조 23
• 3.2 트랜스듀서 설계 시 고려사항 27
• 3.2.1 정원창 소와의 해부학적 구조 27
• 3.2.2 정원창 구동 트랜스듀서의 구동 방법 28
• 3.2.3 무부하 상태의 플로팅 매스형 트랜스듀서의 해석 30
• 3.2.4 무부하 상태의 고정형 트랜스듀서의 해석 39
• 3.2.5 트랜스듀서의 부하 특성 48
• 3.2.6 플로팅 매스형 트랜스듀서의 부하 특성 해석 49
• 3.2.7 고정형 트랜스듀서의 부하 특성 해석 54
• 3.2.8 외부 자기장의 영향 60
• 3.2.9 트랜스듀서의 요구 진동력 60
• 3.3 제안한 트랜스듀서의 설계 64
• 3.3.1 제안한 트랜스듀서의 전자기 해석 64
• 3.3.2 제안한 벨로우즈의 수학적 해석 71
• 3.3.3 제안한 벨로우즈의 시뮬레이션 해석 81
• 3.3.4 제안한 TCBT의 진동 해석 90
• Ⅳ. 실험 및 고찰 97
• 4.1 제안한 TCBT의 제작 97
• 4.2 제작한 TCBT의 왜율 107
• 4.3 제안한 TCBT의 성능 검증 111
• 4.3.1 사체 실험의 구성 111
• 4.3.2 사체 실험 결과 114
• 4.3.3 이소골의 부하 영향 123
• Ⅳ. 결 론 127
• 참 고 문 헌 130
• 영 문 초 록 141

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16. 플로팅 매스 타입의 진동체가 이식된 중이의 전달특성 예측모델, 박사학위논문, 성기웅, 경북대학교, 년 12월, , 2009

17. 정원창을 구동하는 이식형 보청기를 위한 전자기 진동체 의 설계, 박사학위논문, 임형규, 경북대학교, 년 12월, , 2010

18. 정원창 구동 보청기의 진동체 성능 평가를 위한 내이 물 리모델 구현, 석사학위논문, 신동호, 경북대학교, 년 6월, , 2011