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海克斯康案例 | 仿真技术推动医学创新,让听障人士的世界更清晰

听觉是人体五感中一个重要部分,它可以感知周围环境,与其他人、物进行信息沟通。从物理学上看,耳朵的主要功能是将物理振动转化为神经脉冲,传递给中枢系统进行处理。

听力障碍分为传导性与神经性耳聋几种,对于中耳、内耳、神经系统病变的治疗方法各不相同,其中骨导式助听器使用在外中耳无法传导声音、但内耳听觉系统健全的耳聋患者,骨锚式助听器(通常称为BAHA)原理是通过手术将钛合金植入体在耳后植入后与颅骨融合,声音处理器上的麦克风可收集声音,传声器将振动信号直接作用于颅骨进而刺激耳蜗听见声音。

骨锚式助听器相比于一般空气传导助听器有很多优点,同样也带来更高的价格表现。在北欧瑞典哥德堡查尔姆斯理工大学的在读博士 Lena Kim,他尝试解决骨锚式助听器设计、试制费用较高的问题,他建立了一个人体头部三维有限元模型进行研究,利用 海克斯康MSC Nastran 软件的有限元结果与实物测试进行关联,从而有助于降低骨锚式助听器的成本。

结构仿真软件

在车辆、机床航天器、建筑物乃至卫生器材的所有设计、实施及维护过程中,结构分析都是其中的关键部分。借助于有限元法(FEM)之类的计算力学软件,可以先改进骨锚式助听器的性能,然后再制作真实的昂贵实物模型。

在该研究中,Lena Kim博士通过有效的人体头部三维有限元模型和海克斯康MSC Nastran软件研究并仿真骨传导声音的振动模式。通过有限元分析模型能让我们研究影响骨传导途径的因素,找出产生听觉振动水平的正确位置,并针对患者的具体情况进一步优化装置。

图:骨锚式助听器装置,皮肤的网状解剖数据和颅骨的 3D网格

结构分析,特别是模态分析,在声振分析中占有重要地位。通过模态分析,可以得到系统在没有外力和阻尼的情况下的固有频率和振型(振动形状)。模态分析的结果显示了结构的基本动力特性和结构在动载荷作用下的响应模式。

Lena Kim博士使用MSC Nastran软件对结构的动力频率响应进行了仿真。在该模型中,采用海克斯康Nastran软件对载荷、频率范围、分析输出和阻尼系数进行了分配,并完成了正态模态分析和频率响应分析。

验证数据准确性

为了进一步验证数据的准确性,项目人员还模拟了替代颅骨表面的响应,它输出的是机械点阻抗的速度。将实验数据与Nastran软件的点质量法所得结果进行了比较,结果与实验数据吻合较好。

图:NSM 模型中骨锚式助听器所在位置的机械点阻抗值。红线表示采用NSM 模型的仿真结果,蓝线表示来自耳蜗的实验数据。

最后,最后,利用MSC-Nastran软件进行了频响分析,利用频响分析结果计算机械点阻抗(MPI),计算结果与NSM和FS模型的实验数据吻合较好,抗共振频率约为75~90hz;振幅级的差别只有5%。这意味着有限元分析结果与物理测试非常接近,因此可以通过减少物理测试和制造的次数来降低骨锚助听器的成本。

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(海克斯康制造智能)

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