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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft generell Hörhilfen und insbesondere in
einem Menschen implantierbare Hörhilfen.
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STAND DER
TECHNIK
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Bei
normalem menschlichem Gehör
wird Schallenergie in Form von Schallwellen in den Ohrkanal eines
Menschen durch ein Außenohr
geleitet. Die Schallwellen treffen auf eine tympanische Membran,
d.h. das Trommelfell, welches an dem inneren Ende eines Außenohr Gehörgang vorhanden
ist. Der Druck der Schallwellen verursacht tympanische Vibrationen
in dem Trommelfell, wodurch mechanische Energie erzeugt wird.
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Drei
zusammenhängende
Knochen, bezeichnet als Ossikelkette, übertragen diese tympanischen
Vibrationen des Trommelfells über
eine Paukenhöhle
und in ein Innenohr. Die Ossikelkette enthält drei Hauptknochen: den Hammer,
den Amboss und den Steigbügel.
Der Steigbügel
befindet sich in dem ovalen Fenster, er ist an dessen Ränder über das
anulare Ligament verbunden. Das ovale Fenster dient als Eingang
zu dem Innenohr.
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Zu
dem ovalen Fenster geführte
mechanische Vibrationen erzeugen Vibrationen innerhalb der Innenohr-Flüssigkeiten,
die Perilymphe und die Endolymphe. Der hörende Teil des Innenohrs ist
ein hohler, spiralförmiger
Ohr-Kapselknochen, geformt wie ein Schneckenhaus und wird die Cochlea
genannt. Die Cochlea ist in drei Kammern unterteilt, der Scala vestibuli,
der Scala tympani, welche Perilymphe enthalten, und der Scala media,
welche die Endolymphe enthält.
Schallwellen (Druckwellen) treten in die Perilymphe der Scala vestibuli
ein und werden zu der Scala media über eine dünne elastische Membran (Reissnersche
Membran) übertragen.
Der Boden der Scala media ist die Basilarmembran, eine flexible
Membran, welche einen Elastizitätsgradient, fortschreitend
von steif zu flexibel, besitzt. Die variierenden Resonanz-Eigenschaften
der Basilarmembran erlauben, dass Tonhöhenunterschiede mit der basalen
Windung der Cochlea empfindlich gegenüber hohen Frequenzen und die
Apical gegenüber niedrigen
Frequenzen sind. Auf der Basilarmembran sind 16000 Rezeptorzellen
("Haarzellen") posotioniert, welche
in drei Reihen von äußeren Haarzellen und
in einer Reihe von inneren Haarzellen angeordnet sind. Die Stereozilien
dieser Haarzellen sind in eine steife Tektorialmembran eingelassen.
Wenn die Basilarmembran nach oben versetzt wird, biegen sich die
Stereozilien. Der Schereffekt erzeugt einen Wechsel der Membrandurchlässigkeit
der Haarzellen und Kalium, enthaltend in der Kalium reichhaltigen Endolymphe,
dringt in die Haarzellen ein, was zur Depolarisation der Zelle führt. Die
Endungen der Haarzellen werden durch Gehörnervenfasern angeregt, welche
durch diese Depolarisation aktiviert werden. Die Gehörnervenfasern übersenden
dann endgültig
Signale zu den Temporallappen des Gehirns, wo die Person bewusst
Geräusche
wahrnimmt.
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Generell
fallen Hörschwierigkeiten
in eine von zwei Kategorien. Konduktiver Hörverlust betrifft die Unfähigkeit
oder Ineffizienz, die durch Schallwellen verursachten Vibrationen
mechanisch durch das Außenohr,
das Mittelohr und das ovale Fenster zu der Perilymphe zu übertragen.
Sensorineurale Hörverminderung
betrifft die Verschlechterung der Rezeptorzellen oder Nervenfasern
innerhalb des Innenohrs, so dass Fluid- bzw. Flüssigkeitsvibrationen innerhalb
des Innenohrs nicht richtig in Nervenimpulse umgewandelt werden
und somit mangelhaft an das Gehirn übersendet werden.
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Über die
Jahre wurden unterschiedliche Geräte oder Hilfen entwickelt,
um das Gehör
von gehörgeschädigten Personen
zu verbessern. Ein solches Gerät
wird allgemein als eine extern getragene Hörhilfe bezeichnet. Dieses Gerät empfängt, verarbeitet und
verstärkt
dann Schallwellen, welche zu dem externen Ohrkanal geführt werden.
Während
es geschätzt
worden ist, dass 20% von gehörgeschädigten Personen
eine Hörhilfe
gekauft haben, wurde auch berichtet, dass weniger als die Hälfte von
diesen Personen ihre Hörhilfe
regelmäßig tragen,
und 60% unzufrieden mit der Leistung ihrer Hörhilfe sind.
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Derzeitige
Hörhilfen,
welche seit den frühesten
Transistorverstärkern
in der Entwicklung sind, weisen trotz einer Entwicklungsperiode,
welche fast 40 Jahr überspannt,
immer noch bedeutende Mängel auf.
Externe Hörhilfen
leiden unter sozialer Stigma und die Tonqualität ist generell schlecht. Während Im-Ohr-Hörhilfen
mehr kosmetisch akzeptiert sind, empfinden Personen diese oft als
unbequem. Das Stopfen des Außenohres
führt zu
Autophonie (Hören der
eigenen Stimme im Ohr) und periodisch auftretende äußerliche
Ohrinfektionen. Außer
solchen Mängeln
der Hörhilfen,
werden durch die Umgebung, in welcher eine Hörhilfe bedient wird, physikalische Begrenzungen
auferlegt, welche die mit den derzeitigen Geräten erreichbaren Ergebnissen
einschränken.
Zum Beispiel verursacht Erzeugung von Schall in einer kleinen Höhle, wie
beispielsweise der Ohrkanal der von einer Hörhilfe verstopft ist, konstruktive und
destruktive Welleninterferenz. Diese Interferenz resultiert in einer
Verbesserung bei manchen Frequenzen, Verminderung bei anderen Frequenzen und
Verzerrung bei den übrigen
akustischen Wellen. Außerdem
erzeugt die kurze Entfernung des Mikrofons und des Lautsprechers
in den vorhandenen Hörhilfen
positive Rückkopplung,
was Pfeifen und Quietschen verursacht, wenn die Lautstärke der
Hörhilfe zu
hoch aufgedreht wird, und erhebliche Verzerrung des Klangs in anderen
Momenten. Auch wenn die Rückkopplung
nicht die Tonwiedergabe durch die vorhandenen Hörhilfen stören würde, besitzen diese generell
eine Tonwiedergabequalität,
welche im großen
und ganzen sogar schlechter als die einer günstigen HiFi-Anlage ist. Abschließend stellen
konventionelle Hörhilfen
nur eine beschränkte
Verstärkung bereit,
z.B. 30–70
Dezibel ("dB"), weil bei hohen
Amplituden der Lautsprecher der Hörhilfe das Gehäuse der
Hörhilfe
in Vibration versetzt, was das Mikrofon der Hörhilfe anregt, wodurch die
Vibration als "Feedback" recycelt wird.
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Zusätzlich zu
den inhärenten
Problemen der vorhandenen Hörhilfen
gibt es Umstände,
in welchen diese gar nicht benutzt werden können. Das Gehör von manchen
Personen wird beispielsweise durch Bedingungen beeinträchtigt,
welche es verhindern, eine äußere Hörhilfe zu
tragen, wie Beispielsweise äußere chronische
Hautgehörgang
Probleme, wie Ekzem, Psoriasis oder chronischer Infektionen, fehlendes
Außen-
oder Mittelohr, perforiertes Trommelfell, chronische Mittelohrinfektion
etc. Andererseits, auch für
Personen, welche äußere Hörhilfen
tragen können,
existieren Momente, in welchen solch ein Gerät nicht getragen werden kann,
z.B. beim Spielen von Kontaktsportarten, Schwimmen, Duschen etc.
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Bei
der Bemühung
die inhärenten
Einschränkungen
der externen Hörhilfen
anzusprechen, wurden eine Vielzahl von halb-implantierbaren Hörgeräten entwickelt.
Solche halb-implantierbare Hörhilfen regen
das Innenohr entweder elektromagnetisch oder durch einen piezoelektrischen
Bimorph Hebel an.
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Zum
Beispiel schlagen mehrere Projekte vor, Dauermagneten in eine Person
zu implantieren, welche dann durch ein von einer Spule erzeugtes
magnetisches Feld angetrieben werden. Die somit an den Dauermagneten
angelegten Kräfte
werden dann mit dem Mittelohr gekoppelt, um Innenohr-Flüssigkeiten mit
Schallwellen zu stimulieren, und es der Person somit zu erlauben,
einen Ton zu empfinden. Solche halb-implantierbare elektromagnetische
Hörhilfen sind
aus folgenden zwei Gründen
kommerziell nicht erfolgreich:
- 1. der benötigte elektrische
Strom zum Erzeugen eines Magnetfeldes in solch elektromagnetischen Geräten entleert
die Batterien des Geräts
in ein Paar Stunden; und
- 2. sie sind nur halb-implantierbar, weil sie teils eine voluminöse externe
Induktionsspule und Batterieaustausch oder Wiederaufladen jede 12–24 Stunden
benötigen.
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Eine
kommerziell praktische implantierbare Hörhilfe sollte eine Batterielebensdauer
von fünf
oder mehr Jahren vor dem Austausch aufweisen.
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Halb-implantierbare
Hörhilfen,
welche einen piezoelektrischen Bimorph verwenden, verursachen eine
Anregung der Ossikelkette. Die piezoelektrischen Bimorphe haben
auch zwei Haupteinschränkungen:
- 1. übertriebene
Länge des
Bimorphs; und
- 2. übermäßige Stromerfordernisse
mit dementsprechend verkürzter
Batterielebensdauer.
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Leider
ist das Mittelohr zu klein, um einen piezoelektrischen Bimorph mit
einem Hebel mit ausreichender Länge
zum Erzeugen von adäquater
Verstärkung
von Vibrationen zu beherbergen, um die Bewegungen der Ossikelkette
zu verstärken.
Bimorphe werden zur Zeit in Japan verwendet. Um die übermäßige Länge unterzubringen,
ist eine radikale Mastoidektomie erforderlich und der Bimorph wird
in dem Mastoid trägheitsverankert.
Dies erfordert einen erheblichen destruktiven otologischen Eingriff
und in manchen Fällen,
Schließung
des äußeren Gehörgangs.
Soweit das Implantieren eines solchen Geräts die Durchführung von
destruktiven Eingriffen an einer Person voraussetzt, was zur Verschlechterung
des befindlichen Gehörs
der Person führt,
ist es nicht wahrscheinlich, dass diese Geräte in den Vereinigten Staaten
von der Food and Drug Administration ("FDA")
bewilligt werden. Das überhöhte Stromerfordernis
von piezoelektrischen halb-implantierbaren Geräten erfordert
auch ein externes Mikrofon, Batterien und Signalverarbeiter.
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Die
am 4. August 1994 veröffentlichte
Patent Cooperation Treaty ("PCT") Patentanmeldung 94/17645
von George S. Lesinski und Thurman H. Henderson ("die Lesinski et al.
Patentanmeldung") beschreibt
eine voll implantierbare Hörhilfe
und schlägt
einen Mikroaktuator vor, welcher vorzugsweise in das Promontorium
der knöcherchen
Ohrkapsel oder auf die Fußplatte
des Steigbügels
implantiert wird, um die Perilymphe zu stimulieren. Bei der in der Lesinski
et al. Patentanmeldung beschriebenen Hörhilfe, trifft Schall auf ein
implantiertes Mikrofon oder einen Mikro-Beschleunigungssensor. Das
dadurch erzeugte elektrische Signal, wird dann verstärkt und angewandt,
um einen implantierten, elektrostatischen, mikrobearbeiteten Wandler
anzutreiben. Experimente haben jedoch gezeigt, dass solche elektrostatischen
Aktuatoren, außer
dass sie sehr zerbrechlich sind, Verdrängungen erzeugen, welche zu ungenügend großen Vibrationen
in der Perilymphe führen.
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Interferometrische
Lasermessungen an dem menschlichen Mittelohr für Frequenzen bis zu 1000 Hertz
("Hz"), durchgeführt von
Goode, American Journal of Otology, Band 14, Nr. 2, März 1994,
und mehrere andere Untersuchungen, haben nachgewiesen, dass die
Verdrängung
des Steigbügels
bei einer Lautstärke
von 100 dB, ungefähr
0,10 Mikrometer peak-to-peak ("PTP") ist. Bei höheren Frequenzen fällt die
Verdrängung
sehr schnell bei ungefähr
13 dB per Oktave ab. Die wirksame Fläche des Steigbügelknochens
ist 3,4 Quadratmillimeter ("mm2").
Um eine 100 dB Lautstärke
durch die direkte Stimulation der Perilymphe nachzuahmen, muss ein
Wandler eine volumetrische Verdrängung
gleichwertig zu der, wie von dem Steigbügel produziert, ungefähr 1,7 × 10–4 Mikroliter,
erzeugen. Wenn ein Mikroaktuator in eine Fensterung durch das Promontorium
der Cochlea (Innenohr) zu implantieren ist, ist der Durchmesser des
Wandlers auf 1,2 mm aufgrund der anatomischen Dimensionen der Skala
vestibuli in der basalen Windung der Cochlea, angrenzend zu dem
Promontorium beschränkt.
Erzeugung einer 100 dB Lautstärke
durch Verwendung von nur einem Mikroaktuator mit einem Durchmesser
von 1,2 mm erfordert eine 0,3 Mikrometer PTP-Verdrängung von
dessen Wandler. In den meisten Fällen
von Gehörschädigungen funktionieren
jedoch das Mittelohr und der Steigbügelknochen der Person normal.
Unter solchen Voraussetzungen agiert der implantierte Mikro aktuator als
ein Verstärker
(„booster
amplifier"), welcher
die normale volumetrische Verdrängung
der Perilymphe durch den Steigbügel
ergänzt.
Um Normale Sprachlautstärken
von 60 dB zu erzeugen, wird lediglich eine 0,003 Mikrometer PTP-Verdrängung der
Perilymphe mittels solch eines Mikroaktuators benötigt.
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Chirurgische
Fensterung des Promontoriums durch Verwendung von mechanischen Bohrern oder
chirurgischen Lasern wurde von Jahrsdorfer (Houston, Texas), Causse
und Vincent (Beziers, Frankreich), Fisch (Zürich, Schweiz) und Plester (Deutschland)
ohne Beschädigung
des Innenohrs vollbracht. Das Gehör wurde bei diesen Personen durch Übertragung
von Schallvibrationen in die Perilymphe der Scala vestibuli durch
eine an dem Malleus oder Incus befestigte und in die Fensterung
eingefügte
passive mechanische Prothese erfolgreich wieder hergestellt. Während der
vergangenen 30 Jahren wurde Fensterung des ovalen Fensters durch Entfernung
des Steigbügels
(Stapedektomie) oder durch Erzeugung eines Lochs in der fixierten
Fußplatte
des Steigbügels
(Stapedotomie) routinemäßig von
Ohrchirurgen zum Übersenden
von Ton in das Innenohr, unter Verwendung einer an dem Incus oder Malleus
angebrachten passiven Prothese durchgeführt.
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Ein
implantierbares Mikrofon muss im Wesentlichen ein Flüssigkeit
gefülltes
Hydrofon sein, welches hermetisch abgedichtet ist, da es die Gewebe
und Flüssigkeiten
des Körpers
berührt.
Außerdem müssen implantierbare
Mikrofone sehr robust sein, da sie vorzugsweise subkutan an Stellen
an dem Körper
implantiert werden, welche guten Schallempfang bereitstellen. Solche
Stellen unterliegen jedoch auch zufälligen Auferlegungen von externen
Schlägen
oder hohem Druck.
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Das
US-Patent Nr. 5411467 offenbart eine implantierbare Hörhilfe zum
Stimulieren des Innenohrs mit einem hydromechanischen Kupplungselement,
welches eine mit einem elektromechanischen Umwandler verbundene
Eingangsseite, zum Übertragen
der von dem Umwandler erzeugten mechanischen Vibrationen an das
Innenohr, aufweist. Das Kupplungselement umfasst ein flexibles Rohr,
durch welches der Schall zwischen den in dem elektromechanischen
Umwandler enthaltenen Piezowandler und der Flüssigkeit des Innenohrs durchlaufen
muss.
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Das
US-Patent Nr. 4850962 offenbart eine implantierbare Hörhilfe,
welche einen Wandler zum Umwandeln an der tympanischen Membran erzeugten
mechanischen Signale in elektrische Signale, für direkte elektrische Stimulationen
des Innenohrs, umfasst.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine vollständig implantierbare
Hörhilfe
bereitzustellen, welche die mit den zur Zeit verfügbaren kommerziellen
externen Hörhilfen
verbundenen Probleme und auch die mit halb-implantierbaren elektromagnetischen
und piezoelektrischen Geräten
verbundenen Probleme überwindet.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine implantierbare
Hörhilfe
bereitzustellen, welche ausreichend sicher und zuverlässig ist,
um die FDA-Zulassung zu erhalten.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Mikroaktuator
für eine
implantierbare Hörhilfe
bereitzustellen, welcher klein genug ist, um jegliches Bedürfnis für wesentliche
und/oder destruktive chirurgische Eingriffe zu eliminieren.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine implantierbare
Hörhilfe
bereitzustellen, und insbesondere einen Mikroaktuator, welcher wenig
elektrische Energie verbraucht.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine implantierbare
Hörhilfe
bereitzustellen, welche mit hoher Wahrscheinlichkeit eine konduktive
und/oder sensorineurale Hörbehinderung
einer Person überwindet,
welche jedoch nicht einen irreversiblen Hörverlust der Person verursacht,
falls es sich zeigt, dass das Gerät ineffektiv für die Person
ist.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wandler
bereitzustellen, welcher Vibrationen in der Perilymphe erzeugt,
wodurch die Funktion der Ossikelkette ersetzt oder erhöht.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen für die Implantation
in eine Fensterung durch das Promontorium oder in das Mittelohr angepassten
Mikroaktuator bereitzustellen, welcher eine Fläche zum mechanischen Erzeugen
von Vibrationen in der Perilymphe erfordert, die nicht größer als
die effektive Fläche
der Steigbügelfußplatte
ist.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen zur Implantation
in eine Fensterung durch das Promontorium oder in die Paukenhöhle angepassten
Mikroaktuator bereitzustellen, welcher Vibrationen in der Perilymphe
erzeugt, welche fasengleich mit den von dem Steigbügel erzeugten
Vibrationen sind, und welche eine genügende Amplitude zum Erzeugen
von adäquaten
Lautstärken
aufweisen.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen zum Implantieren
in eine Fensterung durch das Promontorium oder in die Paukenhöhle angepassten
Mikroaktuator bereitzustellen, welcher eine Lautstärke von
100 dB über
einen Frequenzbereich, der sich von 150 bis 4000 Hz erstreckt, reproduziert.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Mikroaktuator
für eine
implantierbare Hörhilfe
bereitzustellen, welcher einfach ist.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Mikroaktuator
für eine
implantierbare Hörhilfe
bereitzustellen, welcher langlebig ist.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Mikroaktuator
für eine
implantierbare Hörhilfe
bereitzustellen, welcher kosteneffektiv ist.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Mikroaktuator
für eine
implantierbare Hörhilfe
bereitzustellen, der einfach und wirtschaftlich herzustellen ist.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein implantierbares Mikrofon
bereitzustellen, welches akustische Impedanz-Eigenschaften aufweist, welche
eng mit der akustischen Impedanz des das implantierte Mikrofon umgebenden
Gewebes übereinstimmen.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein stabiles,
implantierbares Mikrofon bereitzustellen, welches in der Lage ist,
externe Schläge
oder hohen Druck zu überstehen.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Mikrofon
für eine
implantierbare Hörhilfe
bereitzustellen, welches einfach ist.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Mikrofon
für eine
implantierbare Hörhilfe
bereitzustellen, welches kosteneffektiv ist.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Mikrofon
für eine
implantierbare Hörhilfe
bereitzustellen, welches einfach und wirtschaftlich herzustellen
ist.
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Kurz
gesagt ist die vorliegende Erfindung eine Hörhilfe, welche ein implantierbares
Mikrofon, Signalverarbeitungsverstärker, Batterie und Mikroaktuator
enthält.
Das Mikrofon erzeugt ein elektrisches Signal als Reaktion auf das
Auftreffen von Schallwellen auf die Person. Dieses Signal wird von
dem Signalverarbeitungs-, Batterie getriebenen Verstärker empfangen,
verstärkt
und verarbeitet, bevor es zu dem Mikroaktuator weitergeleitet wird.
Der Mikroaktuator ist zum Implantieren an einer Stelle in die Person
angepasst, von welcher sein Wandler, mechanisch Vibrationen in der
Perilymphe innerhalb eines Innenohrs der Person, erzeugen kann.
Der Wandler empfängt
das verarbeitete elektrische Signal von dem Signalverarbeitungsverstärker und
als Reaktion dazu, erzeugt er mechanisch Vibrationen in der Perilymphe.
Beim Erzeugen der Vibrationen als Reaktion auf die Anlegung eines
sinusförmigen
elektrischen Signals bei einer Frequenz von 1000 Hz, verdrängt der
Wandler wenigstens 1,0 × 10–4 Mikroliter
der Perilymphe-Flüssigkeit
für eine
elektrische Eingangsleistung zu dem Mikroaktuator 32 von
ungefähr
25 Mikrowatt.
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Der
in dem Mikroaktuator zu verwendende Wandler ist vorzugsweise eine
1 bis 10 mils (1 mil = 0,0254 mm) Dicke, aber typischerweise 3 bis
4 mils dick, dünne
kreisförmige
Platte aus vorgespanntem PLZT-Material (auch als Rainbow-Keramiktyp
bezeichnet). Solche Platten weisen eine sehr hohe Ableitung auf
und erzeugen sehr starke Kräfte
im Vergleich zu anderen existierenden piezoelektrischen Materialien
und/oder Strukturen. Dieses Material stellt eine monolytische Struktur
mit einerseits einer Schicht aus kon ventionellem PLZT, und andererseits eine
in ihrer Zusammensetzung reduzierte Schicht, von welcher der PLZT-Oxid
in ein leitfähiges
Cermet-Material umgewandelt worden ist, bereit. Während des
Betriebs des Wandlers erweitert und zieht sich die PLZT-Schicht
bei Anlegung einer Wechselstrom("AC")-Spannung entlang
der Platte seitlich zusammen. Dehnung und Kontraktion der PLZT-Schicht
beugt die Platte vor und zurück,
aufgrund der unterschiedlichen Dehnung zwischen der PLZT-Schicht
und der nicht-ausdehnenden
Cermet-Schicht.
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Im
Vergleich zu konventionellen laminierten Unimorphs ist die für dieses
vorgespannte PLZT-Material beobachtete Biegung viel größer, und
die erzeugte Kraft ist mehr als zehnmal so groß. Außerdem können Platten aus vorgespanntem
PLZT-Material ziemlich dünn
hergestellt werden, beispielsweise 100 Mikrometer. Erregung einer
100 Mikrometer dicken Platte mit 1,0 mm Durchmesser mittels eines ±5 Volt elektrischen
Signals erzeugt eine Verbiegung mit einer für eine implantierbare Hörhilfe benötigte Amplitude,
z.B. 0,1 Mikrometer. Die Frequenz-Response dieser vorgespannten
PLZT-Platten, für
solch geringe Ableitungen, ist mehr als angemessen für eine Hörhilfe,
erstreckt sich beinahe bis 10 Kilo-Hertz ("kHz").
Das Phasenverhältnis,
als eine Funktion der Frequenzen zwischen der entlang der vorgespannten
PLZT-Platte angelegten Spannung und der Ableitung der Platte, ist
nahezu linear. Die entsprechende Gruppenlaufzeit ist ungefähr 8 Mikrosekunden,
was auch in Bezug auf ein 10 kHz-Signal sehr gering ist. Platten
aus vorgespanntem PLZT-Material können als Trommelfelle in mehreren
unterschiedlichen Ausführungen
an kleinen Gewinde aufweisenden Metallrohren montiert werden, beispielsweise
einen Durchmesser von 1,4 mm und eine Länge von 2,0 mm, angepasst für Implantation
in eine Fensterung durch das zu dem ovalen Fenster angrenzende Promontorium,
wodurch ein Zugriff auf die Perilymphe in der Scala vestibuli des
Innenohrs erzielt wird. Die Gesamtgröße des Mikroaktuators der Hörhilfe ist
deshalb sehr klein.
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Trotz
dessen, dass diese vorgespannten PLZT-Platten direkt Vibrationen
in der Perilymphe erzeugen können,
ist es vorteilhaft, solche Platten in Verbindung mit flexiblen,
sehr dünnen
Membrane zu verwenden, welche aus einem rostfreien Stahl, Titanium,
Aluminium etc. hergestellt werden können. Dies erlaubt es dem Wandler,
luftdicht verschlossen zu sein, um jeden Kontakt zwischen dem PLZT-Material
und der Perilymphe oder der Mittelohrstruktur zu vermeiden.
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Außerdem erlaubt
die Benutzung von einer flexiblen Membran, hydraulische Verstärkung, um
die Verdrängung
der flexiblen Membran zu erhöhen. Eine
Erhöhung
der Verdrängung
der flexiblen Membran kann durch Verwendung einer einfachen Flüssigkeit
gefüllten
Anordnung erreicht werden, die mit einem größeren Durchmesser vorgespannten PLZT-Wandler
gekoppelt ist, der an dem gegenüberliegenden
Ende des Rohres von der flexiblen Membran positioniert ist, welches
die Perilymphe berührt. Solch
ein Aufbau positioniert den vorgespannten PLZT-Wandler in der Paukenhöhle, was
einen größeren Raum
für den
Wandler bereitstellt.
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Außerdem können die
vorgespannten PLZT-Platten bei irgendeiner der zwei Ausführungen der
Mikroaktuator-Strukturen, wie oben beschrieben, übereinander angeordnet werden,
um die gesamte Biegung bei der gleichen angelegten Spannung unter sehr
geringer Erhöhung
der Größe des Mikroaktuators
zu erhöhen.
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Mikroaktuatoren
von dieser Sorte verbrauchen eine sehr geringe Menge an Energie,
weil die gesamte akustische Energie direkt zu der Perilymphe abgegeben
wird. Demzufolge, kann die Batterielebensdauer einer implantierbaren
Hörhilfe
5 bis 6 Jahre sein. Aufgrund der geringen Größe des Wandlers und seinem
verhältnismäßig großen Abstand
von dem Mikrofon besteht ferner eine geringe Möglichkeit von positivem Feedback
zwischen dem Mikroaktuator und dem Mikroaktuator.
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Das
Mikrofon ist vorzugsweise aus einer dünnen PVDF-Folie hergestellt,
die mit inert legierten Elektroden überzogen ist. Solche Sensoren,
die bis zu 8 Mikrometer dünn
sein können,
haben eine Empfindlichkeit vergleichbar mit Electret-Mikrofonen,
sind bei subkutaner Implantierung leicht bedienbar, sind extrem
inert, und sind biokompatibel. Außerdem weisen diese Sensoren
eine sehr gute akustische Anpassung zu dem Körpergewebe auf. Solch ein Mikrofon
ist leicht und unauffällig
an einer Stelle in dem Körper
implantierbar, welche natürlichen
Schallempfang bereitstellt, z.B. unterhalb der Haut der des Knorpels
(anterior cartilage) des Außenohrs
oder subkutan hinter dem Ohr. Wenn es in Verbindung mit dem bevorzugten
Mikroaktuator verwendet wird, existiert ein sehr großer Abstand
zwischen dem Mikrofon und dem Mikroaktuator und kein elektrisches oder
akustisches Feedback. Bei Im-Ohr- oder Hinter-Ohr-Hörhilfen
inhärente
Klangverzerrungen werden eliminiert, da Schallwellen nicht mehr
in dem äußeren Ohrkanal
verstärkt
werden, was Verzerrungen aufgrund der Reflexionen von der Wand eliminiert.
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Das
bevorzugte PVDF-Mikrofon der vorliegenden Erfindung besitzt viele
charakteristische Merkmale, die für ein ideales implantierbares
Mikrofon erforderlich sind. Ein Flüssigkeit gefülltes mikrobearbeitetes
Mikrofon kann jedoch als eine Alternative zu dem hierin offenbarten
bevorzugten PVDF-Mikrofon verwendet werden.
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Diese
und andere Merkmale, Aufgaben und Vorteile, werden für diejenigen
mit herkömmlichen Fähigkeiten
in diesem Gebiet verstanden oder offensichtlich im Hinblick auf
die folgende detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels, wie
es in den unterschiedlichen Zeichnungsfiguren illustriert ist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische koronare Ansicht durch einen menschlichen Schädelknochen,
die die Außen-,
Mittel- und Innenohren veranschaulicht, und die relative Position
der Komponente einer implantierbaren Hörhilfe, welche gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebaut ist, zeigt;
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2 bestehend aus 2a, 2b und 2c sind
Drauf- und Seitenansichten, die ein in der vorliegenden Erfindung
zu verwendendes Mikrofon mit ebenen Zuführungen, enthaltend ein Ausführungsbeispiel
mit einer zusätzlichen
Signalkappe, zeigt;
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3 ist
eine Querschnittsansicht, zeigend ein erstes Ausführungsbeispiel
eines Mikroaktuators, zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung,
welcher vorzugsweise einen vorgespannten PLZT plattenförmigen Wandler
enthält;
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3a ist
eine Querschnittsansicht eines vorgespannten PLZT plattenförmigen Wandlers
und Elektroden entlang der Linie 3a-3a von 3;
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4 ist
eine Querschnittsansicht, zeigend ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des in das Promontorium des Innenohrs gemäß der Hörhilfe der vorliegenden Erfindung
implantierten Mikroaktuators;
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4a ist
eine vergrößerte Querschnittsansicht
des in 4 gezeigten Mikroaktuators, zeigend Befestigung
eines plattenförmigen
Wandlers an eine flexible Membran;
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5 ist
eine Querschnittsansicht, ähnlich wie 4,
zeigend ein Ausführungsbeispiel
des Mikroaktuators, bei welchem eine Hülse den plattenförmigen Wandler
gegen die flexible Membran drängt, um
die Spannung in der Membran einzustellen;
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6 ist
eine Querschnittsansicht, zeigend ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel
des Mikroaktuators gemäß der Hörhilfe der
vorliegenden Erfindung, implantiert in das Promontorium des Innenohrs
und mit einem in der Paukenhöhle
positionierten Wandler, welcher hydraulisch mit einer flexiblen
Membran gekoppelt ist, welche die Perilymphe stimuliert;
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7 ist
eine Querschnittsansicht, ähnlich wie 6,
zeigend ein weiteres Ausführungsbeispiel des
Mikroaktuators mit einer Abdeckung, welche für zusätzlichen Schutz den plattenförmigen Wandler umgibt
und den Wandler in Kontakt mit einer flexiblen Membran drückt;
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8 bestehend aus 8a und 8b, sind
Querschnittsansichten, zeigend unterschiedliche Möglichkeiten
des Übereinanderstapelns
und Verbinden von vorgespannten PLZT-Wandlerplatten für den Einsatz
bei der vorliegenden Erfindung, zum Verdoppeln der Verdrängung bei
einer identisch angelegten Spannung;
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9a ist
eine Querschnittsansicht, zeigend den in 5 veranschaulichten
Mikroaktuator, enthaltend ein Paar von übereinander gestapelten Wandlerplatten;
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9b ist
eine Querschnittsansicht, zeigend den in 7 veranschaulichten
Mikroaktuator, enthaltend ein Paar von übereinander gestapelten Wandlerplatten;
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10 bestehend aus 10a und 10b, sind Draufsichten, zeigend mikrobearbeitete
Haken und deren Befestigung um einen Mikroaktuator herum, um den
Mikroaktuator am Gewebe zu befestigen;
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11 ist
ein Schaltplan, zeigend einen Niedrigenergieverstärker mit
einem insgesamten Strombedarf von 20 Mikroampere, der für den Antrieb des
Mikroaktuators mit einem von einem Mikrofon erzeugten Signal geeignet
ist,
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12 bestehend aus 12a, 12b, 12c und 12d, präsentiert
Oberflächenmessungen
von Biegungen einer flexiblen Membran eines Mikroaktuators gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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13 bestehend aus 13a und 13b, präsentiert
optische Biegungsmessungen von jeweils den Amplitude- und Phasenverhältnissen zwischen
einer flexiblen Membran eines Mikroaktuators gemäß der vorliegenden Erfindung
für unterschiedliche
Frequenzen einer an den Mikroaktuator angelegte Wechselspannung;
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14 bestehend aus 14a und 14b, zeigt Querschnittsansichten von alternativen
Ausführungsbeispielen
von rohrförmigen
Mikroaktuatoren, bei welchen der Wandler unter einem spitzen Winkel
(oblique angle) in Bezug auf eine Längsachse des Rohres des Mikroaktuators
angeordnet ist;
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15 ist
eine vergrößerte Querschnittsansicht,
zeigend ein laminiertes Metallunimorph, welches anstelle des bevorzugten
Wandlers eingesetzt werden kann; und
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16 ist
eine vergrößerte Querschnittsansicht,
zeigend ein Bimorph, welcher anstelle des bevorzugten Wandlers eingesetzt
werden kann.
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BESTE ART
UND WEISE ZUR AUSFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
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I Das gesamte System
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1 veranschaulicht
relative Positionen der Komponente einer implantierbaren Hörhilfe 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung nach der Implantation in einen Schädelknochen 11 einer
Person 12. 1 zeigt auch ein an einem Ende
eines äußeren Gehörgangs 14 angeordnetes
Außenohr 13.
Ein gegenüberliegendes
Ende des äußeren Gehörgangs 14 endet
an einem Trommelfell 15. Das Trommelfell 15 vibriert
mechanisch als Antwort auf Schallwellen, die sich durch den äußeren Gehörgang 14 bewegen. Das
Trommelfell 15 dient als eine anatomische Barriere zwischen
dem äußeren Gehörgang 14 und
einer Paukenhöhle 16.
Das Trommelfell 15 verstärkt Schallwellen, indem es
diese in einem relativ großen Bereich
sammelt und diese zu einem viel kleineren Bereich eines oval geformten
Fensters 19 sendet. Ein Innenohr 17 ist in dem
mittleren Bereich des Schädelknochens 11 vorhanden.
Das Innenohr 17 umfasst eine knöcherne Ohrkapsel, enthaltend
die halbkreisförmigen
Kanäle
für die
Balance, und eine Cochlea 20 zum Hören. Ein relativ großer Knochen, bezeichnet
als das Promontorium 18, ragt aus der Ohrkapsel unterhalb
des ovalen Fensters 19 hervor, welches einer basalen Windung
der Cochlea 20 übergeordnet
ist. Ein rundes Fenster 29 ist an der gegenüberliegenden
Seite des Promontoriums 18 von dem ovalen Fenster 19 positioniert
und ist einem basalen Ende der Scala tympani übergeordnet.
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Drei
bewegliche Knochen (Hammer, Ambos und Steigbügel), bezeichnet als eine Ossikelkette bzw.
Gehörknöchelchenkette 21,
erstrecken sich über
die Paukenhöhle 16,
um das Trommelfell 15 mit dem Innenohr 17 an dem
ovalen Fenster 19 zu verbinden. Die Ossikelkette 21 überträgt mechanische Vibrationen
des Trommelfells 15 zu dem Innenohr 17, wodurch
die Bewegung mit einem Faktor von 2,2 bei 1000 Hz mechanisch verringert
wird. Vibrationen einer Steigbügelfußplatte 27 in
dem ovalen Fenster 19 verursachen Vibrationen in der Perilymphe-Flüssigkeit 20a,
welche in der Scala vestibuli der Cochlea 20 enthalten
ist. Diese Druckwellen "Vibrationen" bewegen sich durch
die Perilymphe-Flüssigkeit 20a und Endolymphe-Flüssigkeit
der Cochlea 20, um eine Wanderwelle der Basilar-Membran
zu erzeugen. Verdrängung
der Basilar-Membran biegt "Stereozilien" der Rezeptorzellen 20b.
Der Schereffekt der Stereozilien auf die Rezeptorzellen 20b verursacht
Depolarisation der Rezeptorzellen 20b. Depolarisation der Rezeptor zellen 20b führt zu einer
sehr organisierten Bewegung der akustischen Signale entlang akustischen
Nervenzellen 20c durch die Gehirnströmung, um letztendlich einen
Temporallappen eines Gehirns der Person 12 zu signalisieren,
die Vibrationen als "Schall" wahrzunehmen.
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Die
Ossikelkette 21 besteht aus einem Hammer 22, einem
Ambos 23 und einem Steigbügel 24. Der Steigbügel 24 ist
wie ein "Bügel" mit Bögen 25 und 26 und
einer Steigbügelfußplatte 27 geformt, welche
das ovale Fenster 19 überdeckt.
Der bewegliche Steigbügel 24 wird
in dem ovalen Fenster 19 durch ein ringförmiges Ligament
gestützt,
welches die Steigbügelfußplatte 27 an
den robusten Ohrkapselrändern
des ovalen Fensters 19 befestigt.
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1 veranschaulicht
auch die drei Hauptkomponenten der Hörhilfe 10, ein Mikrofon 28,
ein Signalverarbeitungsverstärker 30,
welcher eine in 1 nicht separat gezeigte Batterie
enthält,
und einen Mikroaktuator 32. Miniaturkabel oder flexibel
gedruckte Schaltungen 33 und 34 verbinden jeweils
den Signalverarbeitungsverstärker 30 mit
dem Mikroaktuator 32 und mit dem Mikrofon 28.
Das Mikrofon 28 ist unterhalb der Haut in der Aurical oder
alternativ in dem „postauricular" Bereich des Außenohrs 13 montiert.
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Der
Signalverarbeitungsverstärker 30 ist subkutan
hinter dem Außenohr 13 implantiert,
innerhalb einer chirurgisch in einem Mastoidknochen 39 der
Person 12 geformten Vertiefung 38. Der Signalverarbeitungsverstärker 30 empfängt ein
Signal von dem Mikrofon 28 über das Miniaturkabel 33,
verstärkt und
konditioniert das Signal und sendet dann das verarbeitete Signal über das
unterhalb der Haut in dem äußeren Gehörgang 14 implantierte
Miniaturkabel 34 weiter zu dem Mikroaktuator 32.
Der Signalverarbeitungsverstärker 30 verarbeitet
das von dem Mikrofon 28 empfangene Signal, um die Eigenschaften
des verarbeiteten Signals optimal auf den Mikroaktuator 32 abzustimmen,
um das gewünschte
Gehörverhalten
zu erhalten. Der Signalverarbeitungsverstärker 30 kann die Signalverarbeitung
durch Verwendung von digitaler oder analoger Signalverarbeitung
durchführen
und kann nicht-lineare und sehr komplexe Signalverarbeitung einsetzen.
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Der
Mikroaktuator 32 wandelt die von dem Signalverarbeitungsverstärker 30 erhaltenen
elektrischen Signale in Vibrationen um, welche entweder direkt oder
indirekt die Perilymphe-Flüssigkeit 20a in dem
Innenohr 17 mechanisch vibriert. Wie vorher bereits be schrieben,
setzen Vibrationen in der Perilymphe-Flüssigkeit 20a die Rezeptorzellen 20b in
Bewegung, um die Gehörnervenzellen 20c zu
stimulieren, welche dem Gehirn der Person 12 signalisieren,
die mechanischen Vibrationen als Schall wahrzunehmen.
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1 zeigt
die relative Position des Mikrofons 28, des Signalverarbeitungsverstärkers 30,
und des Mikroaktuators 32 in Bezug auf das Außenohr 13.
Obwohl der Signalverarbeitungsverstärker 30 subkutan implantiert
ist, kann die Person 12 unter Verwendung von Verfahren
analog zu denen, die zur Zeit zum Kontrollieren der Bedienung von
miniaturisierten äußeren Hörhilfen
verwendet werden, die Bedienung der Hörhilfe 10 kontrollieren.
Das Mikrofon 28 und der Mikroaktuator 32 sind
dermaßen
klein, dass deren Implantation wenig oder gar keine Zerstörung des
Gewebes der Person 12 erfordert. Von gleicher Bedeutung
ist, dass das Mikrofon 28 und der Signalverarbeitungsverstärker 30 nicht
mit der herkömmlichen
Führung
des Schalls durch das Ohr störend
eingreifen, und beeinträchtigen
somit nicht das Gehör,
wenn die Hörhilfe 10 abgeschaltet
ist oder nicht funktioniert.
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II Das Mikrofon 28
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Das
bevorzugte Ausführungsbeispiel
des Mikrofons 28, wie in 2 veranschaulicht,
besteht aus einer sehr dünnen
Folie 40 aus Polyvinylidenfluorid ("PVDF"),
mit einer Fläche
von ungefähr
0,5 bis 2,0 Quadratzentimeter ("cm2").
Während
der Herstellung wird die PVDF gezogen, um einen dauerhaften Dipol zu
erhalten. Nachdem ein dauerhafter Dipol erreicht worden ist, erzeugt
Dehnung der Folie, aufgrund von akustischen Vibrationen des Stützkörpers elektrische Ladungen
auf dessen Oberfläche.
Dieses Material wird kommerziell mittels einer Marke KYNAR®,
registriert im Namen der AMPS Corporation, erkannt.
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Ein
PVDF-Mikrofon 28 wird bevorzugt, weil das Material gegenüber Feuchtigkeit
dicht ist und extrem dünn
ist. Das PVDF-Material, welches ein Fluorid behandelter Polymer
ist, ist Teflon ähnlich,
ist extrem inert, baut nicht ab und ist mit dem menschlichen Körper kompatibel.
Es kann den Körper
für optimalen
Effekt und minimalem Eindringen angepasst werden. Demzufolge kann
ein aus diesem Material hergestelltes Mikrofon 28 ohne
Bedenken subkutan an vielen Stellen im- und um- dem Außenohr 13 implantiert
werden. Platzierung des Mikrofons 28 in dem stärksten akustischem
Feld und physikalisch weit weg (im Vergleich zu konventionellen äußeren Hörhilfen)
von dem Mikroaktuator 32 hat wesentliche Vorteile. Die
von dem Mikroaktuator 32 benötigte geringe Menge an Energie 32,
um die Perilymphe zu stimulieren, gelangt nie zu dem Mikrofon 28.
Demzufolge besteht kein elektrischer oder akustischer Feedback,
um unerwünschtes
Pfeifen, Quietschen oder andere Schallverzerrungen zu erzeugen.
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Die
Form und Größe des Mikrofons 28 kann angepasst
werden, um den erwünschten
Implantationsbereich zu passen. Beide Seiten der PVDF-Folie, welche
typischerweise zwischen 8 bis 50 Mikrometer dick ist, sind mit dünnen Metallelektroden 42a und 42b überzogen.
Der überlappende
Bereich der Metallelektroden 42a und 42b definiert
den aktiven Wandler. Die Metallelektroden 42a und 42b können aus
biokompatiblen Materialien hergestellt werden, wie beispielsweise
Gold, Platinum, Titanium etc., welche durch Aufdampfen, Plattierung
oder Schablonendruck (silk screening) angelegt werden. Wenn notwendig,
können
die Metallelektroden 42a und 42b auf der PVDF-Folie
von einer unterliegenden dünnen Schicht
eines haftenden Materials, wie beispielsweise Nickel oder Chrom,
gestützt
werden.
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Einer
der Metallelektroden 42a kann geerdet werden, und die andere
Elektrode 42b trägt
das Signal. Um zu vermeiden, dass innere elektromagnetische Störsignale
aufgenommen werden, sollte der Wandler mit der geerdeten Seite zeigend
nach außen und
die Signalseite, zeigend nach innen zu dem Schädelknochen 11 installiert
werden. Um das elektrische Signal von Interferenz zu schützen, kann
die Signalelektrode 42b, wie in 2c veranschaulicht, mit
einer dünnen
isolierenden Schicht 44 überzogen werden, die die Signalelektrode 42b elektrisch
von einem dünnen
elektrisch leitenden Schild 43 isoliert. Die Metallelektroden 42a und 42b zusammen
mit dem Schild 43 können
planar zu dem Signalverarbeitungsverstärker 30 verlängert werden,
wodurch das Miniaturkabel 33 bereitgestellt wird. Eine
alternative Art und Weise zum Erhalten einer geschützten Struktur
für die
Signalelektrode 43, ist die Folie 40 um die Metallelektroden 42 zu
Hälfte
zu falten, wodurch eine Struktur erzeugt wird, welche zwei nach
außen
zeigende Grundplanmetallelektroden 42a besitzt, die die
mittige Signalelektrode 42b umschließt.
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Das
PVDF-Mikrofon 28 erfordert nicht eine Luftkapsel. Tatsache
ist, dass eine korrekte Wirkungsweise des bevorzugten Mikrofons 28 guten Kontakt
mit der Haut des Außenohrs 13 oder
der des Mastoidknochen überlagernden
Haut erfordert. Eine dünne
Kunst stoffabdeckung aus einem beliebigen biokompatiblen nicht-leitenden
polymeren Werkstoff kann verwendet werden, um das Miniaturkabel 33 von
dem umgebenden Gewebe elektrisch zu isolieren.
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In
der Luft ist das von einem PVDF-Mikrofon erzeugte elektrische Signal
ein wenig geringer, als die Ausgangsleistung eines Electret-Mikrofons
mit gleicher Fläche.
Die subkutane Implantation des PVDF-Mikrofons 28 reduziert
jedoch nicht das Ausgangssignal. Ein Mikrofon 28 mit einer
Fläche
von 1,0 cm2 ist ausreichend, um ein sehr
gutes Signal zu erhalten. Ein Mikrofon 28 mit lediglich
einem Bruchteil von dieser Fläche
ist normalerweise adäquat.
Eine 1,0 cm2 große PVDF-Folie, die einen 2000
Hz-Ton bei 100 dB, abhängig
von der Stütz-Steifigkeit,
ausgesetzt wird, erzeugt von 6 bis 2 Millivolt ("mV")
PTP eine 1,0 Megaohm ("MΩ") Impedanz.
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Das
PVDF-Mikrofon 28 stellt eine hervorragende akustische Anpassung
an das Körpergewebe bereit,
so dass sehr wenig akustisches Echo oder Verlust von einfallenden
Schallwellen entsteht. Bei Benutzung wird auf die Haut einfallender
Schall in Vibrationen an das darunter liegende Gewebe übertragen
und diese Vibration erzeugt elektrische Ladung an der Oberfläche der
PVDF-Folie, die von den Metallelektroden 42 aufgenommen
werden. Experimente mit dem PVDF-Mikrofon 28, welches unter
die Haut von Hühnerbrüsten eingefügt worden
sind, zeigen sehr geringe Schallabsorption oder Abschwächung. Die
Qualität
und Intensität
eines von solch einem Mikrofon 28 erzeugten elektrischen
Signals ist, wenn es derselben Frequenz und Schallintensität ausgesetzt
wird, ungefähr
die gleiche unabhängig davon,
ob das Mikrofon auf der Oberfläche
der Haut oder unmittelbar unter dieser (subkutan) positioniert wird.
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Da
das PVDF-Mikrofon 28 am meisten gegenüber Spannung in die Richtung,
in welcher das Material ursprünglich
gespannt wurde, empfindlich ist, sollte die Orientierung des Mikrofons 28 in
Bezug auf die Biegung des darunter liegenden Gewebes ein wenig berücksichtigt
werden, um das von dem Mikrofon 28 erzeugte Signal zu optimieren.
Das Mikrofon 28 funktioniert am Besten, wenn die PVDF-Folie straft
ist. Umgeben der PVDF-Folie
mit einem flexiblen Kunststoffring 41, welcher mit der äußeren Begrenzung
der Folie befestigt ist, stellt eine solche Spannung bereit.
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Das
hierin beschriebene PVDF-Mikrofon 28 ist einfach, günstig, inert,
widerstandsfähig
und nimmt einen sehr geringen Raum in Anspruch. Jedoch können andere
Mikrofone, wie beispielsweise fluidgefüllte mikromechanisch bearbeitete
Mikrofone, wie von Bernstein, 3rd International Workshop on Transducers,
Orlando, Florida, Mai, 92 als eine Alternative für das bevorzugte PVDF-Mikrofon 28 verwendet
werden. Für
maximale Empfindlichkeit verlangen solche mikromechanisch bearbeitete
Mikrofone eine relativ große
Vorspannung und sie setzen zerbrechliche Membrane in dem Wandler
ein. Demzufolge besteht eine signifikante Gefahr des unbeabsichtigten Beschädigens von
solch einem mikromechanisch bearbeiteten Mikrofon. Andere Mikrosensoren,
wie beispielsweise Beschleunigungsmesser, könnten im Prinzip auch zur Wahrnehmung
von einfallendem Schall verwendet werden. Wenn diese als ein Mikrofon
für die
Hörhilfe 10 verwendet
werden, sollten solche Mikrosensoren an einer Position, an welcher
die Druckwelle des Mikroaktuators 32 einen minimalen Einfluss
auf den Mikrosensor hat, angeordnet werden, um das Feedback zu minimieren.
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III Der Mikroaktuator 32
-
3 ist
eine vergrößerte Querschnittsansicht,
welche ein einfaches Ausführungsbeispiel
des Mikroaktuators 32 zeigt. Der Mikroaktuator 32 enthält vorzugsweise
einen plattenförmigen
Wandler 45, welcher an einem Ende eines Rohrs 46 befestigt
ist. Das Rohr 46 ist mit äußeren Gewinden 47 ausgeformt,
welche das in eine durch das Promontorium 18 ausgeformte
Fensterung einzuschraubende Rohr 46 anpasst. Das Rohr 46 hat
einen Durchmesser von ungefähr
1,4 mm. Die Fensterung kann durch eine mechanische chirurgische
Bohrung, oder durch vorhandenen chirurgischen Lasertechnologien
geformt werden. Das Rohr 46 kann aus einem rostfreien Stahl oder
jedem anderen biokompatiblen Metall hergestellt werden.
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Der
Wandler 45 ist vorzugsweise aus einer dünnen kreisförmigen Platte eines vorgespannten Blei-Lanthan-Zirkon-Titanat("PLZT")-Materials hergestellt.
Dieses Material wird von Aura Ceramics hergestellt und unter der
Produktbezeichnung "Rainbow" verkauft. Dieser
PLZT-Unimorph stellt eine monolithische Struktur bereit, von welcher
die eine Seite eine Schicht 45a eines konventionellen PLZT-Materials
ist. Die andere Seitenfläche
des PLZT-Unimorphs ist eine in seiner Zusammensetzung reduzierte Schicht,
geformt durch chemisches Reduzieren der Oxide in dem Ursprungs-PLZT-Material,
um eine leitfähige
Cermet-Schicht 45b zu produzieren. Die leitfähige Cermet-Schicht 45b umfasst
typischerweise ungefähr
30% der Gesamtdicke der Platte. Entfernen des Oxids von einer Seitenfläche des
Unimorphs schrumpft die leitfähige
Cermet-Schicht 45b, welche die gesamte Platte biegt und
die PLZT-Schicht 45a unter Druck setzt. Die PLZT-Schicht 45a ist
deshalb konvex, während
die leitfähige
Cermet-Schicht 45b konkav ist.
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Wie
in 3a veranschaulicht, sind die PLZT-Schicht 45a und
die leitfähige
Cermet-Schicht 45b jeweils
mit einer dünnen
Metallelektrode 48 und einer Cermet-Elektrode 49 überzogen.
Die Elektroden 48 und 49 können an den Wandler 45 auf
unterschiedliche Art und Weise angelegt werden, beispielsweise durch
Beschichtung, Verdampfung, Metallspritzverfahren etc. Anlegen einer
Potenzialdifferenz entlang der Elektroden 48 und 49 führt dazu, dass
die Platte, abhängig
von der Polarität
der angelegten Spannung, sich mehr oder weniger verwölbt.
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Die
Elektroden 48 und 49 sind aus biokompatiblen Metallen,
wie beispielsweise Gold, Titanium oder Platinum hergestellt. Der
vorgespannte Wandler 45 ist mit Indium oder mit einer Indiumlegierung,
unter Verwendung von Ultraschallbewegung an einem Ende des Rohres 46 gelötet, so
dass die PLZT-Schicht 45a des Wandlers 45 gegen
die Perilymphe-Flüssigkeit 20a zeigt.
Alternativ kann Zahnkleber verwendet werden, um den Wandler 45 an dem
Ende des Rohres 46 zu sichern. Die PLZT-Schicht 45a des
Wandlers 45 und das umgebende Ende des Rohres 46 werden
dann mit einer aus einem biokompatiblen Metall geformten Schicht 37 überzogen,
bei Verwendung einer geeigneten Methode, wie beispielsweise Metallverdampfung.
Die Schicht 37 dient als eine Elektrode für die PLZT-Schicht 45a und
verbindet auch die Elektrode 48 elektrisch mit dem umgebenden
Ende des Rohres 46. Die leitfähige Cermet-Schicht 45b der
Elektrode 48 ist an ihrem Rand geringfügig durch Schleifen ausgespart,
so dass die leitfähige
Cermet-Schicht 45b nicht
das Rohr 46 berührt.
Eine Gold oder hochwertige Metallleitung 50, mittels Drahtbonden
oder befestigt mit leitfähigem
Epoxidharz an die Cermet-Elektrode 49 innerhalb des Rohres 46,
dient als eine Rückleitung
für die
Elektrode 48. Einen weitere Leitung 51 ist an
eine Oberfläche
des Rohres 46 befestigt. Die Leitungen 50 und 51 sind
in dem Miniaturkabel 34 enthalten, welcher den Mikroaktuator 32 mit dem
Signalverarbeitungsverstärker 30 verbindet.
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Wenn
der Mikroaktuator 32 in eine durch das Promontorium 18 des
Innenohrs 17 ausgeformte Fensterung implantiert ist, berührt die
die Elektrode 48 des Wandlers 45 abdeckende Schicht 37 die
Perilymphe-Flüssigkeit 20a.
Der Wandler 45 wölbt
sich, wenn eine Spannung entlang der Elektroden 48 und 49 angelegt
ist, wodurch Flüssigkeitsvibrationen
innerhalb der Perilymphe-Flüssigkeit 20a bei
der Frequenz der angelegten Spannung erzeugt werden. Bei den für die Hörhilfe 10 notwendigen
Frequenzen und Spannungen sind die Wölbungen des Wandlers 45 streng
sinusförmig,
und der Hysterese-Effekt
in dem Material ist vernachlässigbar.
Die PLZT-Schicht 45a des Wandlers 45 liegt gegenüber der
Perilymphe-Flüssigkeit 20a.
Dieses Material ist biokompatibel und besitzt keine Probleme, da
es vollständig
oxidiert. Die leitfähige
Cermet-Schicht 45b des Wandlers 45, welche Schwermetalle
enthält,
ist mittels eines aus biokompatiblem Elastomer gebildeten Stöpsels 52 innerhalb
des Rohres 46 abgedichtet. Deshalb haben in der leitfähigen Cermet-Schicht 45b vorhandene
Schwermetallverbindungen keinen direkten Kontakt mit der Person 12.
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Für eine entlang
des vorgespannten PLZT plattenförmigen
Wandlers 45 angelegte Spannung ist die Wölbung proportional
zu a2/t2, wo a der
Radius der Platte und t dessen Dicke ist. Das von dem Mikroaktuator 32 verdrängte Volumen
der Perilymphe-Flüssigkeit 20a ist
deshalb proportional zu a4, was eine sehr
starke Abhängigkeit
von dem Plattenradius a andeutet. Es ist deshalb sehr vorteilhaft,
den Durchmesser des plattenförmigen
Wandlers 45 so weit wie möglich zu erhöhen. In
dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel des Mikroaktuators 32,
ist das vorerwähnte
Ziel dadurch erreicht, indem der Durchmesser des Rohres 46 so
groß wie
möglich
gemacht worden ist und durch Minimierung der Wanddicke des Rohres 46.
Das in 3 geschilderte Gelenk zwischen dem Rohr 46 und
dem plattenförmigen Wandler 45 ist
ein befestigter Rand, welcher eher steif ist und dazu neigt, die
Auslenkung des Wandlers 45 zu beschränken. Ein weiterer inhärenter Mangel des
in 3 geschilderten Mikroaktuators ist, dass eine
Zerbrechung des Wandlers 45 die Person 12 der in
der leitfähigen
Cermet-Schicht 45b vorhandenen Schwermetallzusammensetzung
aussetzen kann.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Mikroaktuators 32 ist in 4 veranschaulicht.
Das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich
von dem in 3 geschilderten Ausführungsbeispiel
durch Einsetzen einer sehr dünnen
metallischen Membran 53 mit einem Rand 54, die
unter geringer Spannung entlang einem Ende des gewinde ten Rohres 46 luftdicht
verschlossen ist. Die Membran 53 kann durch eine Reihe
von kleinen konzentrischen kreisförmigen Wellungen, benachbart
zu dem Rand 54, gebildet werden, um die Flexibilität der Membran 53 zu
erhöhen.
Die Membrane 53 kann mit dem Rohr 46 entweder
durch Laserstrahl oder Elektronenstrahlschweißen oder irgendeine andere
geeignete Versiegelungsmethode versiegelt werden. Die Membran 53 kann
aus Titanium, rostfreiem Stahl oder Aluminium gebildet werden, und
kann eine Dicke von 0,013 mm (0,0005 Inch) (in'')
(12 Mikrometer) in der Mitte der Membran 53 aufweisen.
Der Rand 54 ist ein wenig dicker, z.B. 0,076 mm (0,003
in), was eine adäquate
Dicke zum anschweißen
der Membran 53 an das Rohr 46 bereitstellt. Die
Membran 53 kann leicht durch Verwendung von lithografischem Ätzen fabriziert
werden. Nochmals, der Durchmesser des Rohres 46 sollte
so groß wie
nur in das Promontorium 18 oder dem Steigbügel 24 untergebracht
werden kann, sein.
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Bei
dem in 4 geschildertem Ausführungsbeispiel, ist der plattenförmige Wandler 45 völlig innerhalb
des Rohres 46 enthalten und ist mit der Membran 53 leitfähig befestigt,
wobei die leitfähige Cermet-Schicht 45b nebem
der Membran 53 angeordnet ist. Eine sehr dünne Schicht
von leitfähigen Epoxidharz,
z.B. von dem Typ, welcher für
die Siliciumformbefestigung bei der Fabrizierung von integrierten
Schaltungen verwendet wird, kann für die leitfähige Befestigung des Wandlers 45 an
die Membran 43 benutzt werden. Das mit einem Gewinde versehene
Rohr 46 und die Membran 53 stellen einen Kontakt
mit der Cermet-Elektrode 49 für den Wandler 45 her.
Die Leitung 50 wird geklebt oder mit leitfähigen Epoxidharz
an der Elektrode 48 befestigt. Der Wandler 45 wird
nochmals innerhalb des Rohres 46 mittels eines aus einem
biokompatiblen Elastomer geformten Stöpsel 42 versiegelt.
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Bei
dem in den 4 und 4a geschildertem
Ausführungsbeispiel,
ist der Durchmesser des plattenförmigen
Wandlers 45 nur wenig kleiner als die entsprechenden inneren
Durchmesser der dünnen
Membran 53 und des Rohres 46. Die Membran 53 dient
deshalb als eine Stütze
für den
plattenförmigen
Wandler 45, verformt sich übereinstimmend mit dem Wandler 45 und
agiert gleichzeitig als ein flexibles Drehgelenk. Infolge dessen
ist der Rand des plattenförmigen
Wandler 45 jetzt fast einfach gestützt, statt geklemmt. Für die gleiche
angewandte Kraft wölbt
sich eine an ihrem Rahmen einfach gestützte Platte ungefähr dreimal
so viel, als eine Platte mit einem geklemmten Rahmen. Folglich ist
die Wölbung des
Wandlers 45 und der Membran 53, bei dem in 4 und 4a ge schildertem
Ausführungsbeispiel
des Mikroaktuators 32 fast dreimal größer als die bei dem in 3 geschildertem
Ausführungsbeispiel.
Bedeutsamer ist, dass es keinen Kontakt zwischen der Perilymphe-Flüssigkeit 20a mit
dem in der leitfähigen
Cermet-Schicht 45b vorhandenen Schwermetallen, wenn der
plattenförmige
Wandler 45 zerbrechen sollte, geben kann, weil der Wandler 45 von
der metallischen Membran 53 geschützt ist.
-
12 schildert mehrere unterschiedliche Oberflächenmessungen
von Wölbungen
der flexiblen Membran 53 des in 4 geschildertem
Mikroaktuators 32. Eine Welleform 92 in 12a bezeichnet eine 0,4 Mikrometer Biegung, gemessen
mit einem Oberflächenmessgerät in der
Mitte der Membran 53, als Antwort auf die Anlegung eines ±10 Volt
1 Hz Rechtecksignals entlang eines 100 Mikrometer dicken Wandlers 45.
Wellenformen 94 und 96 veranschaulichen in 12b und 12c jeweils
entsprechende in der Nähe
des Randes 54 der Membran 53 durchgeführte Oberflächenmessungen.
Eine Wellenform 98 in 12c veranschaulicht
Oberflächenmessungen
von Biegung der flexiblen Membran 53 als Antwort auf die
Anlegung eines ±10
Volt Sinus-Ecksignals entlang des Wandlers 45 mit einer entlang
des Wandlers 45 angelegten Frequenz zwischen 5 und 10 Hz.
Kurven 102 und 104 in 13 präsentieren
jeweils optische Verdrängungsmessungen
des Amplituden-, 13a, und des Phasen-, 13b, verhältnisses
zwischen der flexiblen Membran 53 und des Mikroaktuators 32 und
einer entlang des Wandlers 45 über einen Frequenzbereich von
10 bis 11000 Hz angelegte Sinusspannung.
-
Die
kombinierte Dicke der Metallmembran 53 und der leitfähigen Cermet-Schicht 45b bilden
nun zusammen eine Seitenfläche
eines Unimorphs. Gemäß der Lehre
von Timoshenko, Journal Optical Society of America, Band 11, Nr.
233, 1925, betreffend bimetallische Federungen, sollte die Dicke
der leitfähigen
Cermet-Schicht 45b mit ungefähr der Dicke der Metallmembran 53 verringert
werden, um eine maximale Biegung des Wandlers 45 zu erhalten.
-
5 schildert
ein alternatives Verfahren zum Sichern des Wandlers 45 innerhalb
des Rohres 46. Eine Hülse 55,
entweder gewindete oder eine geteilte Verdichtungshülse (split
compression sleeve), welche von dem gewindeten Rohr 46 elektrisch
isoliert werden muss, wird in das Rohr 46 eingeführt. Die Hülse 55 drückt gegen
den plattenförmigen
Wandler 45, wodurch er in Kontakt mit der Membran 53 gedrängt wird.
Für die
beste Bedienung sollte die PLZT-Schicht 45a neben der Metallmembran 53 liegen.
Vor zugsweise wird der plattenförmige
Wandler 45 nicht an die Membran 53 geklebt. Ähnlich wie
bei dem in 4 und 4a geschilderten
Ausführungsbeispiel
ist die leitfähige
Leitung 50 an die Cermet-Elektrode 49 gesichert
und der Wandler 45 innerhalb des Rohres 46 mit
dem Stöpsel 52 versiegelt. Die
Hülse 55 drängt die
PLZT-Schicht 45a, welche nebeneinander liegend zu der Membran 53 angeordnet
ist, in mechanischen Kontakt mit der Membran 53, wodurch
die Membran 53 gespannt wird. Die Hülse 55 stellt außerdem eine
fixierte mechanische Bezugnahme für elektrisch induzierte Verbiegungen
des plattenförmigen
Wandlers 45 bereit und kann auch einen elektrischen Kontakt
zu der leitfähigen
Cermet-Schicht 45b bereitstellen.
-
Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
des Mikroaktuators 32 ist in 6 veranschaulicht.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
koppelt ein hydraulischer Kraftverstärker die von dem Wandler 45 erzeugte
volumetrische Verdrängung
mit einer Membran 57. Die Größe des Rohres 46,
welches in das Promontorium 18 des Innenohrs 17 implantiert
werden kann, ist auf ungefähr
1,4 mm beschränkt,
was den Wandler 45 auf einen maximalen Durchmesser von
1,2 mm beschränkt.
Durch Anordnung des PLZT-Wandlers 45 außerhalb der Fensterung in der
angrenzenden Paukenhöhle 16,
kann dessen Durchmesser jedoch fast auf ungefähr 2,4 mm verdoppelt werden.
Bei gleicher angelegter Spannung und Plattendicke trägt eine Verdoppelung
des Durchmessers des Wandlers 45 zu einer wirksamen Erhöhung der
volumetrischen Verdrängung,
bei gleicher angelegten Spannung mit einem Faktor von 16 bei, aufgrund
einer vierfachen Erhöhung
der Fläche
des Wandlers 45 und einer vierfachen Erhöhung der
Biegung des Wandlers 45. Die Kupplung der Bewegung des
vergrößerten Wandlers 45 in
das Innenohr 17 mit einem hydraulischen Kraftverstärker stellt
somit eine dramatische Erhöhung der
Ausgangsleistung bereit.
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Da
akustische Wellenlängen
auch bei den höchsten
Tonfrequenzen alle viel länger
als die Dimensionen des Mikroaktuators 32 sind, kann die
Bedienung des hydraulischen Kraftverstärkers als die eines einfachen
Kolbens verstanden werden. Wie in 6 geschildert,
hat das gewindete Rohr 46 jetzt eine andere Querschnittsform
als das jeweils in den 3, 4, 4a,
und 5 geschilderte Rohr. Ein kleineres Ende 46a des
Rohres 46 berührt
die Perilymphe-Flüssigkeit 20a,
während
ein größeres Ende 46b in
der Paukenhöhle 16 angeordnet
ist. Auch wenn im Prinzip der Wandler 45 zum Versiegeln des
größeren Endes 46b des
Rohres 46 benutzt werden kann, dichten vorzugsweise sehr
dün ne Metallmembrane 56 und 57, ähnlich zu
der oben beschriebenen Membran 53, das Rohr 46 an
beiden Enden 46a und 46b luftdicht ab. Das Rohr 46 ist
mit einer inkompressiblen Flüssigkeit 58,
wie beispielsweise Siliconöl,
Salzflüssigkeit
etc. gefüllt.
Die Flüssigkeit 58 muss
entgast und frei von Blasen sein, so dass volumetrische Verdrängungen
der Membran 56 sicher zu der Membran 57 übertragen
werden. Dies wird durch Entleeren des Rohres 46 und Hinterfüllung desselben
durch kleine rostfreie Kapillare 59 durchgeführt. Die
Kapillare 59 werden dann durch Impulslaser Schweißen abgedichtet,
welches eine sofortige Dichtung ohne Blasen erzeugt. Alternativ
können
kleine Kupferkapillare 59 zum Hinterfüllen benutzt werden und dann
abgeschnürt
werden.
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Der
plattenförmige
Wandler 45 ist elektrisch leitend mit der Membran 56 und
dem größeren Ende 46b des
Rohres 46 verbunden. Alternativ kann der Wandler 45 klein
genug ausgeformt werden, damit er völlig auf der Membran 56 ruhen
kann. Die leitfähige Cermet-Schicht 45b des
Wandlers 45 ist neben der Metallmembran 56 angeordnet.
Das Rohr 46 und die Cermet-Elektrode 49 sind vorzugsweise
geerdet. Die PLZT-Schicht 45a ist mit Gold oder irgendeinem
anderen geeigneten biokompatiblen Material beschichtet und die Leitung 50 ist
entweder durch Drahtbonden oder mit leitfähigem Epoxidharz befestigt.
Eine dünne
Schicht 36 einer konformen Beschichtung kann auf das größere Ende 46b und
dem Wandler 45 beschichtet werden, um den Wandler 45 weiter
einzukapseln. Der in 6 dargestellte Mikroaktuator 32 überträgt volumetrische
Verdrängung
des Wandlers 45 völlig
zu der Membran 57 und stellt somit eine viel größere volumetrische
Verdrängung über die kleine
Fläche
der Membran 57, als der in den 3, 4 und 4a,
oder 5 gezeigte Mikroaktuator 32 bereit.
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7 schildert
ein alternatives Ausführungsbeispiel
des in 6 geschilderten Mikroaktuators 32. Der
in 7 veranschaulichte Mikroaktuator 32 verwendet
eine Metallabdeckung 60, um einen isolierenden Abstandshalter 61 gegen
den vorgespannten PLZT plattenförmigen
Wandler 45 zu drücken.
Die von dem Abstandhalter 61 somit angelegte Kraft zwingt
den Wandler 45 gegen die Membran 56, wodurch die
Membran 57 gespannt wird. Für hervorragende Ergebnis, sollte
die PLZT-Schicht 45a des Wandlers 45 nebeneinander
liegend zu aber nicht gesichert an der Membran 56 sein.
Die Abdeckung 60 und die Cermet-Elektrode 49 sind
voneinander isoliert und jeweils mit den Leitungen 51 und 50 angeschlossen.
Der Wandler 45 kann auf dem größeren Ende 46b des
Rohres 46, wenn notwendig, ruhen. Bei den in 7 geschilderten
Ausführungsbeispiel,
ist es nicht erwünscht,
den Wandler 45 an das Rohr 46 zu kleben. Außerdem dichtet
die Abdeckung 60 den Wandler 45 völlig ab,
wodurch das Aussetzen der Person 12 der leitfähigen Cermet-Schicht 45b minimiert
wird.
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Alle
von den soweit beschriebenen Ausführungsbeispielen haben einen
einzelnen plattenförmigen
Wandler 45 eingesetzt. Da der platenförmige Wandler 45 vorgespannt,
gekrümmt
und sehr dünn ist,
können
zwei plattenförmige
Wandler 45 vorteilhaft angeordnet werden, um die Menge
der Auslenkung für
eine vorbestimmte angelegte Spannung ohne die Größe des Mikroaktuators 32 signifikant
zu erhöhen,
zu verdoppeln. Zwei solche plattenförmige Wandler 45 können, wie
in den 8a oder 8b veranschaulicht,
montiert werden. Bei solchen Aufbauten der Wandler 45 sind
innere Elektroden, jeweils die Cermet-Elektroden 49 in 8a und
die PLZT-Elektroden 48 in 8b miteinander über eine Leitung 62 angeschlossen. Ähnlich sind äußere Elektroden,
jeweils die PLZT-Elektroden 48 in 8a und die
Cermet-Elektroden 49 in 8b, auch
miteinander über
eine Leitung 63 angeschlossen. Anlegen einer vorherbestimmten
Spannung entlang der Leitungen 62 und 63 verdoppelt
nun die Auslenkung des Paares des plattenförmigen Wandlers 45 im
Vergleich mit der Auslenkung eines einzelnen plattenförmigen Wandlers 45,
der die gleiche Spannung empfängt.
Wenn dieser die in den 8a und 8b geschilderten
Aufbauten verwendet, sind die Ränder 35 der
plattenförmigen
Wandler 45 vorzugsweise flach gewickelt (lapped flat),
um die Lastfläche
zu erhöhen und
Zerbrechen zu vermeiden. Die Ränder 35 der plattenförmigen Wandler 45 gemäß 8a können miteinander
verklebt werden, um die Stabilität
zu verbessern. Generell sollte die in 8a geschilderte Anordnung
bevorzugt werden. Im Prinzip ist es möglich, Stapeln mit mehr als
zwei plattenförmigen Wandlern 45 anzuordnen.
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Die
gestapelte Anordnung der Wandler 45 kann bei den in den 5 und 7 geschilderten Ausführungsbeispielen,
wie jeweils in den 9a und 9b geschildert,
verwendet werden. Die plattenförmige
Wandler 45 sind vorzugsweise wie in 8a angeordnet
und werden jeweils gegen die Membran 53 oder die Membran 56 mittels
einer Hülse 55 mit
einem nebeneinanderliegend zu dem gestapelten Wandler 45 geschlossen
Ende 31, oder mit der Abdeckung 60 gedrängt Es wird
darauf hingewiesen, dass das geschlossene Ende 31 der Hülse 55 die
Mitte der gestapelten plattenförmigen
Wandler 45 berühren
muss, um den vollen Vorteil der Verdoppelungsanordnung zu erhalten.
Die Hülse 55 muss
nicht mehr von dem Rohr 46 isoliert sein. Dadurch stellt
die Hülse 55 zu sammen
mit der Membran 53 einen elektrischen Kontakt für die äußeren Leitungen 63 oder 50 bereit.
Auf ähnliche
weise ist der in 7 veranschaulichte Abstandhalter 61 bei
dem in 9b geschilderten Ausführungsbeispiel
entfernt, und die Abdeckung 60 zusammen mit dem Rohr 46 stellen
elektrische Verbindungen für
die äußeren Leitungen 63 oder 50 bereit.
Bei den in den 9a und 9b geschilderten
Ausführungsbeispielen,
ist die Leitung 51 an der inneren Leitung 62 der
gestapelten Wandler 45 angeschlossen.
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Alle
vorerwähnten
Ausführungsbeispiele
haben den in eine in das Promontorium 18 des Innenohrs 17,
gegenüberliegenden
zu der Scala vestibuli, ausgeformte Fensterung implantierten Mikroaktuators 32 verwirklicht.
Durch die Verwendung von Zwischen-Strukturen kann der Mikroaktuator 32 auf
eine Art und Weise, wie in den 10, 11, 12 und 13 der
Lesinski et al. Patentanmeldung geschildert, platziert und befestigt
werden. Die Zwischen-Strukturen bestehen aus kleinen Widerhaken,
Stiften, Schrauben etc., welche relativ einfach an eine äußere Fläche der
Metallmembrane 53 oder 57, und/oder des Rohres 46 befestigt
oder auf dieser geformt werden kann. Gekoppelt von solch einer Zwischen-Struktur kann
eine Membran 53 oder 57, einen Knochen in der
Ossikelkette 21, das Trommelfell 15, das ovale Fenster 19,
wie in der Lesinski et al. Patentanmeldung oder das runde Fenster 29,
drücken
und ziehen. Nochmals, die Phase des Treibsignals muss mit der Phase
der normal funktionierenden Vibrationen der Ossikelkette 21 kompatibel
sein.
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Mikrohergestellte
rostfreie Folien mit ein Paar mils (1 mil = 0,0254 mm) langen Widerhaken 64,
hergestellt aus 1 oder 2 mils dicker Folie, können benutzt werden, um den
Wandler klettverschlussartig an unterschiedlichen Strukturen der
Paukenhöhle 16 zu
befestigen. Rostfreies Stahlblech 65, 1 bis 3 mils dick,
wird entlang seiner Grenzen, wie in 10a geschildert,
geätzt,
um ein Muster von mehreren, lithografisch definierten Widerhaken 64 zu
formen, welche ein Paar mils breit und 4 bis 8 mils lang sind. Das Blech 65 wird
dann, wie in 10b geschildert, um das Rohr 46 gewickelt
und an diesem befestigt, mit den Widerhaken 64 von dem
Rohr 46 abstehend. Wenn gegen Gewebe gedrückt wird,
festigen die Widerhaken 64 das Blech 65 zusammen
mit dem Rohr 46 an dem Gewebe. Die Stärke der Verbindung wird von
der Länge
und Größe der Widerhaken 64 bestimmt.
Die Länge
der Widerhaken 64 wird vorzugsweise derart ausgewählt, so
dass der Mikroaktuator 32 mit minimalem Schaden für das Gewebe
entfernt werden kann.
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Ein
Mikroaktuator 32 mit größerem Durchmesser
ist nicht Teil der beanspruchten Erfindung und wird nur als Hintergrund
beschrieben. Er ist ungefähr
8–10 mm
im Durchmesser und kann in dem äußeren Gehörgang 14 bei
einer Person 12 mit einem geschädigten Trommelfell 15 implantiert
werden. Solch ein Mikroaktuator 32 muss eine äußere schützende Membran
zum Versiegeln des Mikroaktuators 32 innerhalb des äußeren Gehörkanals 14 enthalten.
Der größere Durchmesser
Wandler 45 eines solchen Mikroaktuators 32 kompensiert
für die
an dem Trommelfell 15 erforderte größere Verdrängung, während die äußere schützende Membran, welche den
Mikroaktuator 32 innerhalb des äußeren Gehörgangs 14 versiegelt,
Tätigkeiten,
wie beispielsweise Spielen von Kontaktsportarten, Schwimmen, Duschen
etc erlaubt.
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IV Signalverarbeitungselektronik
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Der
Mikroaktuator 32 ist nur als eine Hörhilfe 10 nützlich,
wenn er ausreichend große
Vibrationen in der Perilymphe-Flüssigkeit 20a als
Antwort auf Niedrigspannungssignale erzeugt und mit sehr niedriger
Verlustleistung, wodurch ermöglicht
wird, dass der Mikroaktuator 32 mittels einer implantierbaren Batterie
5 bis 6 Jahre angetrieben wird. Der plattenförmige Wandler 45 antwortet
elektrisch als ein Kondensator. Demzufolge wird die Verlustleistung
in dem Wandler 45 von dem Aufladen und Entladen der elektrischen
Kapazität
verursacht. Deshalb erhöht
sich die Verlustleistung mit Erhöhen
der Frequenz. Die Dielektrizitätskonstante
des vorgespannten PLZT ist ungefähr
1700. Deshalb ist die Kapazität
einer vorgespannten PLZT-Platte, welche einen Durchmesser von 1,2
mm aufweist und 100 Mikrometer dick ist, ungefähr 240 Pico-Farads ("pF"). Solch ein an seinem Rand
gestützter
Wandler erzeugt ungefähr
eine 0,2 Mikrometer PTP-Verdrängung für einen
Spannungswechsel von 10 V (oder ±5 V). Solch eine Verdrängung in
der Perilymphe-Flüssigkeit 20a,
welche für eine
1000 Hz an dem Wandler 45 angelegte sinusförmige Spannung
einen 2,4 Mirkoampere Strom benötigt,
entspricht einer 100 dB annähernden
Lautstärke. Somit
verdrängt
der Wandler 45 gemäß der vorliegenden
Erfindung, als Reaktion auf ein sinusförmiges elektrisches Signal
bei einer Frequenz von 1000 Hz zumindest 1,0 × 10–4 Mikroliter
der Perilymphe-Flüssigkeit 20a für einen
elektrischen Energieeingang in dem Mikroaktuator 32 von
ungefähr
25 Mikrowatt, d.h. weniger als 50 Mikrowatt.
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Unter
der Annahme, dass eine typischere Lautstärke, die für die Hörhilfe 10 erforderlich
ist, 70 dB ist, welche eine Plattenauslenkung von nur 1/30 erfordert,
verbraucht der Wandler 45 bei 1000 Hz ungefähr 80 Nanoampere.
Folglich wäre
die von dem Wandler 45 verbrauchte Energie praktisch vernachlässigbar,
auch wenn die Hörhilfe 10 ununterbrochen benutzt
wird. Demzufolge sind alle der vorher beschriebenen Ausführungsbeispiele
des Mikroaktuators 32 in der Praxis einsetzbar und können ohne Rücksicht
auf den insgesamten Energieverbrauch des Wandlers 45 benutzt
werden. Die von der Hörhilfe 10 verbrauchte
Energie ist hauptsächlich
die des Signalverarbeitungsverstärkers 30.
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11 schildert
eine Verstärkerschaltung, die
mit dem Bezugszeichen 70 bezeichnet wird, welche zum Antreiben
von irgend einem der offenbarten Ausführungsbeispiele des Mikroaktuators 32 angepasst
ist. Der Verstärker 70 enthält einen
geräuscharmen
2N5196 JFET 72, welcher einen mit der Elektrode 42b gekoppelten
Gate 112 hat, um das von dem Mikrofon 28 erzeugte
Signal zu empfangen. Eine Drain 114 des JFET 72 ist
mittels eines 100 KΩ Widerstands 116 an
eine +3,0 V Netzspannung einer Batterie angeschlossen, welche in
keinem der Figuren geschildert ist. Die Drain 114 des JFET 72 ist auch
an einen nicht-invertierenden Eingang 118 eines Max 491CPD
Mikroenergie-Zwischenstufen-Operationsverstärkers 74,
enthaltend in dem Verstärker 70,
angeschlossen. Ein invertierender Eingang 122 des Operationsverstärkers 74 ist
an gemeinsamen Anschlüssen
von in Reihe geschaltetem 20 MΩ Widerstand 124 und
40 MΩ-Widerstand 126 gekoppelt.
Koppeln eines weiteren Anschlusses des Widerstands 124 an
die +3,0 V Batterie Netzspannung und einem weiteren Anschluss des
Widerstands 126 an die Erdung stellt den invertierenden Eingang 122 des
Operationsverstärkers 74 mit
einer Vorspannung bereit. Ein 1 μF
Kondensator 128 ist mit dem Widerstand 126 parallel
geschaltet. Ein parallel verbundener 40 MΩ Widerstand 132 und
50 pF Kondensator 134 sind zwischen einem Ausgang 136 des Operationsverstärkers 74 und
dem Gate 112 des JFET 72 verbunden. Der Widerstand 132 und
der Kondensator 134 führen
dazu, dass der kombinierte JFET 72 und Operationsverstärker 74 als
eine ladungsempfindliche Eingangsstufe für den Verstärker 70 funktionieren.
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Ein
470 pF Kondensator 142 verbindet ein Ausgangssignal von
dem Ausgang 136 des Operationsverstärkers 74 mit einem
nicht-invertierenden Eingang 144 eines zweiten Max 491CPD
Mikroenergie-Operationsverstärkers 76.
Ein 1 MΩ Widerstand 146 verbindet
den nicht-invertierenden Eingang 144 mit der Erdung. Ein
invertierender Eingang 152 des Operationsverstärkers 76 ist
mit den gemeinsamen Anschlüssen
von in Reihe geschaltetem 10 MΩ Widerstand 154 und
1 MΩ Widerstand 156 verbunden. Verbinden
eines weiteren Anschlusses des Widerstands 154 an einem
Ausgang 158 des Operationsverstärkers 76 und eines
weiteren Anschlusses des Widerstands 156 an die Erdung,
gründet
einen fixen Übertragungsfaktor
für den
Operationsverstärker 76.
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Ein
470 pF Kondensator 162 verbindet ein Ausgangssignal des
Ausgangs 158 des Operationsverstärkers 76 parallel
mit einem nicht-invertierenden Eingang 164 eines dritten
Max 491CPD Mikroenergie-Operationsverstärkers 82, und durch
einen 9,09 MΩ Widerstand 166 an
einen invertierenden Eingang 168 eines vierten Max 491CPD
Mikroenergie-Operationsverstärkers 84.
Ein invertierender Eingang 172 des Operationsverstärkers 84 ist
mit gemeinsamen Anschlüssen
von in Reihe geschaltetem 10 MΩ Widerstand 174 und
1 MΩ Widerstand 176 verbunden. Verbinden
eines weiteren Anschlusses des Widerstands 174 an einen
Ausgang 178 des Operationsverstärkers 82 und eines
weiteren Anschlusses des Widerstands 176 an die Erdung,
gründet
einen fixen Übertragungsfaktor
für den
Operationsverstärker 82. Analog
hierzu gründet
eine Verbindung des nicht-invertierenden
Eingangs 182 des Operationsverstärkers 84 an die Erdung
und Anordnen eines 10 MΩ Widerstands 184 zwischen
dem invertierenden Eingang 168 und einem Ausgang 186 des
Operationsverstärkers 84 einen
festen Übertragungsfaktor
für den
Operationsverstärker 84.
56 KΩ Widerstände 192 und 194 sind
jeweils zwischen dem Ausgang 178 des Operationsverstärkers 82 und
der Leitung 50 des Wandlers 45, und zwischen dem
Ausgang 186 des Operationsverstärkers 84 und der Leitung 51 des Wandlers 45 gekoppelt.
Energieversorgung des Verstärker 70 mit ±3,0 V
Batterien erlaubt es den Ausgangssignalen von den Gegentakt-Ausgangsstufen-Operationsverstärkern 82 und 84 fast
ein 12 V PTP-Signal entlang dem Wandler 45 anzulegen.
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Wie
vorher beschrieben ist ein typisches Ausgangssignal eines 1,0 cm2 PVDF Mikrofons 28, welches einem
100 dB Schallpegel ausgesetzt wird, ungefähr 3,0 mV PTP. Demzufolge ist
der erforderliche Übertragungsfaktor
des Verstärkers 70 zum
Reproduzieren ei nes solchen 100 dB Schallpegels in der Perilymphe-Flüssigkeit 20a unter
Verwendung des Mikroaktuators 32 ungefähr 4000. Der in 11 dargestellte
Verstärker 70 verbraucht
ungefähr
20 uA Strom. Deshalb stellt die Verwendung einer implantierbaren
Batterie mit einer Kapazität
von 1,0 Ampere-Stunde ("AH") zum Versorgen der
Hörhilfe 10 16
Stunden pro Tag eine erwartete Batterielebensdauer von mehr als
5 Jahren bereit.
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Die
in 11 geschilderte Schaltung hat keine besonderen
Vorräte
für Signalverarbeitung,
weder in analoger noch digitaler Form, solche die den Anschein erwecken
für die
Hörhilfe 10 erforderlich
zu sein. Statt dessen zeigt der Verstärker 70, dass eine geeignete
Batterielebensdauer für
den Signalverarbeitungsverstärker 30 zum
Versorgen der Bedienung des Mikroaktuators 32 erreichbar
ist. Besondere Signalverarbeitungsschaltungen, wie die von Killion
in "The K-Amp Hearing
Aid: An Attempt to Present High Fidelity for Persons With Impaired
Hearing", American
Journal of Audiology, Band 2, Nr. 2, Juli 1993 beschrieben, können zum
Verarbeiten und Verstärken des
Signals von dem Mikrofon 28 zum Antreiben des Mikroaktuators 32 verwendet
werden. Demzufolge können
Frequenzverstärkungseigenschaften
des Signalverarbeitungsverstärkers 30 "kundenspezifisch" erzeugt werden,
um die einzigartigen Erfordernisse der Gehörschädigung einer jeden Person entgegenzukommen.
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Zum
Programmieren der Bedienung des Signalverarbeitungsverstärkers 30,
z.B. Einstellen der Verstärkung,
Auswählen
der Durchlassbereiche oder deren Grad von Akzentuierung etc. verwendet
der Signalverarbeitungsverstärker 30 vorzugsweise
eine Anordnung ähnlich
zu der, die bei der Programmierung von einem Computermodem eingesetzt
wird. Das heißt,
ein nahe an dem Mikrofon 28 gehaltener programmierbarer
Sender, in keiner der Figuren veranschaulicht, erzeugt eine vordefinierte
Sequenz an akustischen Tönen,
z.B. Töne
analog zu den Mehrfrequenzen-Dualverfahren ("DTMF")
Signalen, die für
das Telefon-Tonwahlverfahren verwendet werden. Eine Programmierschaltung 86,
enthaltend in dem Signalverarbeitungsverstärker 30, der in 11 derart
dargestellt ist, als würde
er ein Ausgangssignal von dem Ausgang 158 des Operationsverstärkers 76 empfangen,
erkennt die Sequenz der Töne
als ein Befehl zum Programmieren der Bedienung des Signalverarbeitungsverstärkers 30.
Bei Empfang solch eines Befehls, modifiziert die Programmierschaltung 86 auf
geeignete Art und Weise die Signalverarbeitungseigenschaften des
Signalverarbeitungsverstärkers 30.
Somit benutzt ein Audiologe nach der Implantation den Sender, um
die Hörhilfe 10 für ein optimales
Betriebsverhalten zu programmieren. Auf ähnliche Art und Weise benutzt
die Person 12 einen vereinfachten handgehaltenen batteriegetriebenen
Sender um die Hörhilfe 10 in
einen Schlafmodus zu versetzen oder den Betrieb der Hörhilfe 10 an
die vorhandene Schallumgebung anzupassen. Solche zur Programmierung
der Hörhilfe 10 verwendeten
akustischen Töne
können
höher als
Audiofrequenzen gesendet werden, da das PVDF-Mikrofon 28 und der Signalverarbeitungsverstärker 30 in
der Lage sind, solche Signale entgegenzunehmen und zu verarbeiten.
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Die
Hörhilfe 10 ist
für die
Implantation in eine Person mit entweder einem konduktiven Hörverlust oder
sensorineuralem Hörverlust
geeignet. Sie ist besonders vorteilhaft im Vergleich zu herkömmlichen Hörhilfen
bei der Behandlung von Personen mit konduktivem Hörverlust
von Außen-
oder Mittelohr-Abnormalitäten,
da das Außen-
und Mittelohr mit der voll-implantierbaren Hörhilfe 10 umgangen
werden. Bei Personen mit sensorineuralem Hörverlust ist die Hörhilfe 10 im
Vergleich zu herkömmlichen
Hörhilfen vorteilhaft,
weil die Hörhilfe 10 nicht
die normale Führung
von Schall zu dem Innenohr behindert, sondern vielmehr als eine
Art Booster zum Verstärken
des Schalls direkt in die Cochlea agiert.
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INDUSTRIELLE
ANWENDBARKEIT
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Obwohl
die Erfindung in Bezug auf die vorhandenen bevorzugten Ausführungsbeispiele
beschrieben worden ist, soll verstanden werden, dass eine solche
Offenbarung lediglich der Veranschaulichung dient und nicht als
beschränkend
angesehen werden soll. Zum Beispiel, während der bevorzugte plattenförmige Wandler 45 signifikante
Vorteile bei Benutzung in Verbindung mit einem Rohr 46,
welcher eine kreisförmige
Querschnittsform aufweist, bereitstellt, sind Wandlerplatten mit
anderen Formen, wie beispielsweise elliptisch, oval und sogar quadratisch oder
rechtwinklig möglich. 14, enthaltend 14a und 14b, schildert die Anordnung eines oval geformten
Wandlers 45 in Bezug auf eine Längsachse 202 des Rohrs 46 unter
einem spitzen (oblique) Winkel. Der Wandler 45 kann unter
einem spitzen Winkel angeordnet werden, entweder indem es ein konisches
Ende 204 an dem Rohr 46, wie in 14a geschildert, oder ein spitziges Ende 206 an dem
Rohr 46, wie in 14b geschildert,
aufweist. Das Anordnen des Wandlers 45 unter einem spitzen Winkel
in Bezug auf die Längsachse 202 erhöht die Fläche des
Wandlers 45. Die Erhöhung
der Fläche des
Wandlers 45 ist deshalb vorteilhaft, wie vorher bereits
erwähnt,
weil die Menge von dem Mikroaktuator 32 verdrängte Flüssigkeit
sich rasch erhöht, wenn
sich die Wandlerfläche
erhöht.
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Analog
dazu, während
ein PLZT monolithischer Unimorph als Wandler 45 bevorzugt
ist, kann ein Mikroaktuator 32 für den Einsatz in der vorliegenden
Erfindung unter Verwendung von anderen Typen von piezoelektrischen
Systemen hergestellt werden. Zum Beispiel, ein in der vorliegenden
Erfindung einsetzbarer Mikroaktuator 32 kann durch Verwendung eines
metallbeschichteten Unimorphs 212, geschildert in 15,
hergestellt werden. Der beschichtete Unimorph 212 besteht
aus einer Platte 214 eines piezoelektrischen Materials,
z.B. Blei-Zirkon-Titanat ("PZT") auf welche eine
leitfähige
Metallschicht 216 aufgetragen ist. Bei der Herstellung
des beschichteten Unimorphs 212 kann die piezoelektrische
Platte 214 bis zu einer Dicke von 1 mil (0,0254 mm) geläppt werden
und dann mit einer dünnen
Chromschicht 218, auf welcher eine dünne Nickelschicht 219 plattiert
ist, beschichtet werden. Die dünne
Nickelschicht 219 spannt die piezoelektrische Platte 214,
wodurch die Vorspannung der leitfähigen Cermet-Schicht 45b in
dem bevorzugten PLZT-Unimorph-Wandler 45 nachgeahmt wird.
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Alternativ
kann ein metallbeschichteter Unimorph 212 durch Applizieren
einer dünnen
Schicht 219 einer Memory-Legierung, wie beispielsweise
5 bis 20 Mikrometer Nitinol, Ni-Ti-Cu
oder Cu-Zn-Al, auf die piezoelektrische Platte 214 hergestellt
werden. Nachdem eine Schicht 219 eines solchen Materials
auf die piezoelektrische Platte 214 aufgetragen worden
ist, erzeugt Erwärmen
oder Abkühlen
der Memory-Legierung eine Phase, in welcher die Memory-Legierungsschicht 219 eine
Druckspannung oder Zugspannung an die Platte 214 anlegt.
Wie für
den Fachmann im Bereich von Memory-Legierungen ersichtlich, wird
durch Hysterese in einem Phasenübergang
einer Memory-Legierung diese Spannung bei Entfernung der Erwärmung oder
Kühlung
aufrechterhalten. Auch wenn es den Anschein erweckt, dass der mittels
der plattierten Nickelschicht 219 oder mittels der Memory-Legierungsschicht 219 vorgespannte
beschichtete Unimorph 212 minderwertiger als der bevorzugte
vorgespannte PLZT-Unimorph-Wandler 45 ist, ist es möglich, dass
die Leistung des beschichteten Unimorph 212 sich an die
des bevorzugten Unimorph-Wandlers 45 annähert.
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Ähnlich kann
ein in 16 veranschaulichter plattenförmiger Bimorph 222 auch
statt des bevorzugten Wandlers 45 eingesetzt werden. Der
Bimorph 222 besteht aus zwei überdeckten Platten 224 und 226 eines
piezoelektrischen Materials, wie beispielsweise PZT, mit einer 1
mil (0,0254 mm) Dicke. Die Platten 224 und 226 sind
miteinander mittels einer Schicht 228 eines elektrisch
leitenden Materials, wie beispielsweise einem Metall verbunden.
Wenn die piezoelektrischen Platten 224 und 226 des
Bimorphs 222 gerecht gepolt sind, wie mit den Symbolen "+" und "–" in 16 angedeutet,
verursacht die Anlegung einer Wechselspannung von der leitfähigen Mittelschicht 228 zu
den beiden äußeren Schichten 232a und 232b,
dass der Bimorph 222 sich alternierend nach hinten und
nach vorne, ähnlich
wie bei dem bevorzugten vorgespannten PLZT Unimorph Wandler 45,
biegt.
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Demzufolge
werden zweifellos, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen,
unterschiedliche Alternativen, Modifikationen und/oder alternative
Anwendungen der besten Ausführungsform
der Erfindung dem Fachmann, nachdem er die vorerwähnte Offenbarung
gelesen hat, vorgeschlagen werden. Demzufolge ist beabsichtigt,
dass die folgenden Ansprüche
derart ausgelegt werden, dass alle Alternativen, Modifikationen
oder alternativen Anwendungen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung,
wie in den Ansprüchen
definiert, fallen.