听力设备基于模拟的设计

——科利耳公司使用COMSOL Multiphysics 软件彻底开发了一款独特的声学耳蜗植入物。

听力损失的情况并不少见：约3600 万，即17% 美国成人报告有一定程度上的听力损失。中度到中度的听力损失可以利用助听器进行处理。但是，传统的助听器对于超过一定级别的听力损失却无法提供解决方案。在这种情况下，如骨传导植入物或者人工耳蜗这类型的听力植入物也许不失为一个好方案。

总部位于澳大利亚的科利耳公司，占据了这类型植入物市场的四分之三份额，多年来为分布于超过100 个国家的250,000 人服务。该公司目前正致力于为客户提供更多的解决方案。在2012 年，该公司收入的15%投资于研究开发，而它的年销售额达到约7.8 亿澳元（2012 年）。

“最近的一个发展是全新的听觉植入物， 称为Codacs 的直接声学人工耳蜗植入物（Direct Acoustic Cochlear Implant，简称DACI），”比利时科利耳技术中心（CTCB）的CAE 工程师Patrak Kennes 报告。“它可以直接为耳蜗提供机械模拟。最初的概念是与Helbling Technik AG 公司合作开发的，且我们透过使用COMSOL Multiphysics 软件对这个生产就绪的设计做了进一步的阐述。当我们向患有严重或深度混合性听力损失的人提供一个新的解决方案的时候，这个设备填补了传统助听器较弱的空隙。该装置目前在临床试验中，这个可行性研究的结果也是令人鼓舞的， 而且还确定了一个商业产品的设计方向和可行性。”

无线植入式驱动器

“这个Codacs 系统，”Kennes 解释说，“是由BTE（behind the ear，耳后）的装置启动的。这个BTE 装置具有与外耳相似的机能：拾音。这个装置包含了电池，两个专为定向听力设置的麦克风以及一些数字信号处理电路。信号会通过无线链路发送到植入在外耳道后面的耳甲腔的驱动器（见图一）。该链路不再需要通过皮肤来给电缆提供数据，而且还能够在不需要电池的情况下为植入装置提供电源。”

Codacs 驱动器并没有打算放大声音（如传统助听器所做的一样），而是直接增强耳蜗里面的压力波。对于一个有正常听力的人来说，压力波是通过镫骨足板的振动来产生的。由于压力波动的关系，耳蜗内的毛细管会弯曲，然后产生由听觉神经传输到大脑的微小电脉冲。

利用Codacs 系统，一个微型的驱动器可在耳蜗流体内产生放大的压力波，从而物理上地增强声能以补偿听力损失。为了达到这个目的，位于驱动器末端的人工砧骨要连接突出到耳蜗的人工镫骨。活塞状人工镫骨的震动会引起耳蜗流体里面的压力变化，其方式与听小骨的运动方式非常相像。

驱动器的设计挑战

Codacs 驱动器是一个基于平衡电枢原理的电磁转换器（见图1）。当电枢处于两块永久磁铁的中点时，它对两块磁铁的吸引力是一样的，因此没有施加任何净磁力。然而，电枢一旦移动到中点之外的地方，电枢与两块磁铁间的距离以及它向它们所施加的力，都不再是平等的了：电枢会被最近的一块磁铁所吸引。这也被称为负弹簧刚度，因为它与正常弹簧结构所发生的情形是相反的：如果你让弹簧变形，它往往会恢复到它原来的位置。对于Codacs 驱动器来说，隔膜就充当了一个复位弹簧的角色，防止驱动器粘住磁铁。隔膜力和磁体力之间的精确平衡对驱动器的正常工作来说是不可缺少的：举个例子，当膜片刚度太低的时候，气隙会塌陷，电枢会粘在其中一块磁铁上。给线圈供电可以调整磁场，促使电枢向一个或两个磁铁运动。

根据Kennes 所说，“最初的概念可以追溯到七年前，我们在设计过程中的每一个阶段都广泛使用COMSOL。最初的想法是要建立一个用来产生振动的小型驱动器，但是我们并不知道一些关键元件的最小尺寸。因此第一个COMSOL 模型单纯是用来帮助我们比较不同概念的可行性研究。”

一旦这个概念被选中，研究人员便进入原型定做阶段， 在这个阶段他们会确定部件的精确尺寸与形状。设计师必须记住几个要素，特别是由于乳突腔的空间有限，所以物体的直径必须<4 毫米，长度必须<15 毫米。驱动器必须提供一个与人耳相似的频率特性（共振频率接近1kHz）。设计师还要把功耗考虑在其中，还有驱动器与人体组织接触的部分必须是生物相容或者密封封装的。

关键的组件

其中一个关键的组件是结合了多种功能的钛金属隔膜。它作为连接杆的径向轴承和电枢运动的复位弹簧起着重要的作用。然而，同时它也必须密封这个设备里面以及必须是生物相容的。由于它能够帮助建立驱动器的弹簧刚度，它的厚度是一个重要的调整参数。这个隔膜的厚度（实际上小于50μm）不宜过薄， 因为过薄会导致驱动器非常脆弱从而失去了密封性。另一方面，隔膜也不能太厚以致使驱动器的刚度太大。对于稳健性与刚度之间的折衷来自于不同刚度值的结构力学分析。在这个设计阶段，研究人员对驱动器内的材料应力进行了验证。一张冯米思应力的绘图（图2 右手边的图像）展示了当杆轴轴向移动的时候（即当驱动器在运作的时候）隔膜是如何被施加压力的；别处的应力则是在驱动器组装过程中所应用到部分的预装入所导致的。例如，上方磁铁组件的彩色环形区域指明了磁铁组件顶着管子的接触面积（于COMSOL 建模成接触对）。

一旦隔膜厚度固定了，驱动器的相对机械刚度也就知道了。为了降低驱动器的整体轴向刚度，电磁组件的磁刚度必须调整到正确值。这里关键的参数是磁强与气隙的大小。为了优化磁路的布局，Kennes 使用COMSOL 的AC/DC 模块来计算部件内的磁通密度（图3）。在磁通线的图中可以看到，主要的磁通是由永久磁铁造成的（由上方磁铁与下方磁铁组件形成的短回路）。当线圈通电后，额外的磁通量便会产生（在轴与线圈组件内的磁通）。后者会改变电枢上的磁力，导致驱动器移动。建立一个参数研究来确定电枢位置与线圈电流，以及计算电枢上相应的力都是非常方便的。得到的数据会自动集合在一张能够简单导出的力图中。

一体化套装软件

让这个团队印象深刻的是COMSOL 使他们能够在一个统一套餐软件中做一系列的研究——结构、声学、电磁、压电。“只要我们有一个模型，我们不需要从画草图开始去建立另一个用不同物理学的模型。我们只需要简单地添加或者移除需要的组件，改变物理学。然后在短短的几个步骤后我们就有一个新的案例研究了。”

Kennes 总结：“我们通过COMSOL 能够避免一些耗时又昂贵的实验设计方法，不再需要建立许多原型去决定合适的零件尺寸。即使是使用模型中所得到的近似值，我们也能够在软件中成功调整设备。这个设备所能允许的误差非常非常小，以及为了得到零件的原型，我们要与只有几个星期交货时间的专业供应商打交道。如果没有COMSOL，我们制作仅仅5 个原型就需要花上半年的时间，从而大大拖慢了开发过程。”