EP1123635B1 - Implantierbarer schallrezeptor für hörhilfen - Google Patents

Implantierbarer schallrezeptor für hörhilfen Download PDF

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EP1123635B1
EP1123635B1 EP99953416A EP99953416A EP1123635B1 EP 1123635 B1 EP1123635 B1 EP 1123635B1 EP 99953416 A EP99953416 A EP 99953416A EP 99953416 A EP99953416 A EP 99953416A EP 1123635 B1 EP1123635 B1 EP 1123635B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical sensor
evaluation circuit
vibration
sound
distance
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP99953416A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1123635A2 (de
Inventor
Aleksandar Vujanic
Robert Pavelka
Helmut Detter
Milos Tomic
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Individual
Original Assignee
Individual
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1123635A2 publication Critical patent/EP1123635A2/de
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Publication of EP1123635B1 publication Critical patent/EP1123635B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R25/00—Deaf-aid sets, i.e. electro-acoustic or electro-mechanical hearing aids; Electric tinnitus maskers providing an auditory perception
    • H04R25/60—Mounting or interconnection of hearing aid parts, e.g. inside tips, housings or to ossicles
    • H04R25/604—Mounting or interconnection of hearing aid parts, e.g. inside tips, housings or to ossicles of acoustic or vibrational transducers
    • H04R25/606—Mounting or interconnection of hearing aid parts, e.g. inside tips, housings or to ossicles of acoustic or vibrational transducers acting directly on the eardrum, the ossicles or the skull, e.g. mastoid, tooth, maxillary or mandibular bone, or mechanically stimulating the cochlea, e.g. at the oval window
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2225/00—Details of deaf aids covered by H04R25/00, not provided for in any of its subgroups
    • H04R2225/67—Implantable hearing aids or parts thereof not covered by H04R25/606

Definitions

  • the invention relates to an implantable sound receptor for hearing aids, in particular for implantable hearing aids.
  • a hearing aid of this type Used transducers with which sound waves in electrical Signals can be converted.
  • Such converters are in Form of microphones known and need a corresponding Membrane, the vibration of which is converted into electrical signals can be.
  • Sound vibrations can be sensitive to pressure Membranes are included, as is the case with the construction is common from microphones, or detected by vibrometers with what vibrations as acceleration signals or but as strain gauges when vibrating Components are included.
  • accelerometers are in the form of piezoresistive Vibration sensors proposed.
  • Alternatives are capacitive acceleration sensors for scanning sound vibrations known.
  • Such miniaturized sensors were already proposed for implantation in the middle ear area, where acoustic pressure waves, which in the range of Middle ear arise in the form of mechanical vibrations be scanned.
  • Such microphone constructions are in principle but relatively insensitive because of an exact match the acoustic impedance between the sensor and the tympanic cavity of the Middle ear can not be easily achieved.
  • sounds that are heard are generated by sound waves caused, the pitch with increasing frequency and the volume increases with increasing amplitude.
  • sounds and sounds that represent sound mixtures also create one Variety of different tones that do not sound together regularly Frequency and height, which is perceived as noise become.
  • the sound waves perceived by the auricle to the outer ear canal are guided and the eardrum vibrates. With the drumstick has grown together, the other Transmission over the ossicles through the stirrup plate to the perilymphatic fluid that the Cortical organ vibrated.
  • the hair cells in the cortic organ generate nerve impulses that the auditory nerve leads to the brain, where it is consciously perceived become.
  • the eardrum acts as a pressure receiver and points about 1 cm in diameter. If for the inclusion of Sound wave microphones with such large membranes are used Such microphones are hardly suitable for one Implantation, since the space required for this in the area of the Ear is not available.
  • miniaturization of microphones leads to decrease sensitivity, doing so not least due to the lack of matching of the acoustic impedance between the microphone and the ambient air. Even if this effect is caused by implanting the microphone under the skin can be improved, this leads to a change of the scannable frequency range, in particular higher Frequencies are attenuated more.
  • Other mechanical too Sound wave receptors such as those filled with fluid Tubes lead to the viscosity of the used Fluid damping to be returned, with rigid acoustic couplers are generally unsuitable for an implantation.
  • WO 79/00841 describes the basics of an interferometric Measuring principles for the detection of oscillatory movements can be seen with which a series of vibration properties detected by membranes and in particular an eardrum can be.
  • a measuring device is stationary, outside the body and away from vibrating surfaces built up. So far, only fully implantable Hearing aids in which the implant is miniaturized Microphone capsule contains.
  • Such training is for example EP 831 674 A2.
  • the invention now aims to be a small-scale implantable To create sound receptor, which has the disadvantages the known sound receptors can be avoided and the acoustic Sensitivity over all essential for hearing Frequency range from about 100 Hz to over 10 kHz can be maintained at a consistently high level.
  • the invention further aims to keep the dimensions so small that the Implantation in the middle ear and / or in the neighboring mastoid cavity is possible.
  • the surgical intervention should be preferred be reversible, if the sound receptor fails no significant deterioration in pre-existing hearing should occur. Limiting can, however, depend on an operative of the actuator used and its point of attack Interruption of the formwork cable chain to avoid feedback to be required. In addition to these requirements for one implantable sound receptor should naturally also the energy consumption of the sound receptor and a subsequent evaluation circuit be kept so low that miniaturization allows a total implantation.
  • the implantable device is used to achieve this object Sound receptor for implantable hearing aids essentially in that the sound sensor as an optical sensor for Vibration or distance measurements is formed and in Distance from the surface of an excitable to acoustic vibrations Part of the sound transmission is arranged in the ear that the optical sensor at a distance from the scanned part is arranged, which is larger than the maximum occurring Displacement of the scanned part towards the end face of the sensor and / or in a collision preventing Distance is kept adjustable that the optical sensor with an electronic evaluation circuit is connected that the Evaluation circuit signals for electromechanical vibration generators and / or for the stimulation of the cortic organ and / or of the auditory nerve and / or brain stem and Has connections for corresponding signal lines and that the evaluation circuit with a stabilizer circuit Compensation for the shift in the operating point of the interferometer by low-frequency shifts of the sampled Part interacts.
  • the optical sensor is at a distance from the surface of a part of the Vibration transmission is arranged or can be arranged in the ear, it is ensured that damping of the vibration of such parts of the vibration transmission that can be excited by vibrations can be safely excluded and use of optical sensors allows the use extremely small sensors.
  • Optical sensors are to be understood here as sensors which do not necessarily use visible light.
  • electromagnetic waves can be used in a relatively wide frequency range, which goes beyond the spectrum of visible light.
  • laser diodes can be used as transmitters in the infrared and ultraviolet range of the radiation as well as in the visible range, as long as the vibrating surface to be measured is sufficiently reflective in the range of the irradiated wavelength.
  • Optical sensors are primarily used to measure the optical parameters of the reflected components of the emitted signal, with the procedure for evaluating the signals of the sound receptor being such that the optical sensor is used with an interferometer to evaluate the amplitude, frequency and / or the relative phase position of the vibration of the scanned part is connected.
  • the use of the interferometer principle allows the non-contact detection of even small amplitudes of natural vibrations in the area of the ossicles.
  • the range to be recorded here ranges from amplitudes of 10 -11 m to about 10 -5 m, amplitudes higher than about 5x10 -5 m, as can be observed with sound radiation of about 120 dB, generally not for further measurements come into consideration, since they are already likely to damage the inner ear.
  • the vibration of the ossicles and the eardrum is also superimposed in the ear on a low-frequency, quasi-static or slow displacement of the eardrum membrane and the ossicles, which are due to differences in air pressure or pressure in the inner ear .
  • Such low-frequency shifts are caused, for example, by changing the air pressure when driving in elevators, cable cars or airplanes, with significant low-frequency fluctuations being observed by the sudden opening of the Eustachian tube even when blowing.
  • Such low-frequency shifts can be at least 10 2 higher in amplitude than the maximum amplitudes occurring in the physiological sonication.
  • Optical sensors must now be arranged so that even with such displacements there is no contact with the part to be scanned and the design according to the invention is therefore such that the optical sensor is arranged at a distance from the scanned part which is greater than that maximum occurring displacement of the scanned part in the direction of the sensor and / or in a collision-preventing distance is kept adjustable.
  • the use of an adjustable holder to maintain a defined distance can comprise a servo motor, the control signals of the control motor being used for the determination of the acoustic vibrations, and the control movements themselves being triggered by the optical sensor.
  • Optical scanning is particularly easy in that the optical sensor with at least one light or laser diode cooperates and the reflected signals over At least fibers of waveguides, in particular optical fibers an optoelectronic coupling component, for example one Photodiode, an electronic evaluation circuit supplied are.
  • the one in the middle ear or the epitympanon or attic room too implanting part of the sensor is limited to such Training on the relatively small free end of the optical fiber, via which the optical signals are fed and the reflected signals are taken.
  • one or more optical systems such as Lenses, beam splitters, prisms, mirrors or the like are arranged in order to specify or localize the measurement accordingly.
  • the evaluation circuit must subsequently be appropriately amplified Provide a signal for the stimulus of the auditory nerve, with training here being advantageously made such that the evaluation circuit signals for electromechanical vibrators and / or for the electrical stimulation of the Cortic organ and / or the auditory nerve and / or the brain stem generated and has connections for corresponding signal lines.
  • implantable end of the optical sensor due to turbidity incorrect measurements or is subject to fluctuations in sensitivity taken advantage of the training so that the free ends of the optical sensor with a coating that inhibits cell growth are provided.
  • the procedure can advantageously be such that the Evaluation circuit at least two signals for determining the Phase position are supplied, the determination of the phase position in a known manner depending on the type of interferometer used and a corresponding circuit arrangement of the evaluation circuit enables active or passive stabilization. ever by arrangement applies to the optimal sensitivity of the optical Sensor by a defined distance to the measured Surface of the specified working point. Low frequency shifts the parts to be scanned can of course do this cause this optimal working point is left or even a phase shift or phase reversal occurs.
  • the evaluation circuit is a stabilizer circuit to compensate for the shift in the operating point of the interferometer due to low frequency shifts of the contains the scanned part.
  • a sensor for determining the distance of the part to be scanned is provided by the optical sensor.
  • the Stabilization of interferometric signals can be done by comparison with a reference signal or by measuring a plurality of Signals take place in a particularly simple manner, wherein in the Beam path polarizing beam splitter can be switched on can and the signals independently and from each other Photodiodes can be detected.
  • Conclusions on the correct phase position can also be calculated from a mathematical Derive analysis of the measurement waveform, using frequency comparisons for this purpose and especially the evaluation of vibrations higher order can be used in the stabilizer circuit can.
  • the training is for the exact positioning of the sound receptor taken in a particularly simple manner so that the free End of the optical sensor in an adjustable bearing block and / or is connected to an adjustment drive, whereby exact orientation and exact positioning relative to Surface of the part can be ensured, the Vibration should be measured.
  • Interferometers can be of any design, such as as a Michelson, Fabry-Perot or Fizeau interferometer be formed using suitable stabilization algorithms for example in the article by K.P. Koo, A.B. Tveten, A. Dandridge, "Passive stabilization scheme for fiber interferometers using (3x3) fiber directinal couplers ", in Appl.Phys.Lett., Vol. 41, No.7, pp. 616-618, 1982, G. Schmitt, W. Wenzel, K.
  • Fig. 1 the ear of an ear is designated 1. Sound vibrations subsequently reach the one designated as 2 Membrane, namely the eardrum, with which the ossicles interact. The ossicles become common here designated with the reference number 3.
  • the ossicles are located in the middle ear.
  • the cochlea is labeled 4.
  • the non-contact sensor for sensing vibrations from Ear bone 3 is implanted and protrudes in the mastoid cavity with its tip in the attic room or over the drilled Chorda-facial angle in the middle ear. He has a free one End 5, which is in a stable sleeve (casing), which is held orientably in a bearing block 6.
  • the bearing block 6 can here in the mastoid cavity or the surrounding Skull bones must be fixed, with the free end of the optical sensor essentially from the free end of a Optical fiber or waveguide 7 exists.
  • the tip contains advantageously an optical system, for example lenses, Beam guides, prisms, mirrors or the like, or a bend in the Fiber tip for deflecting the optical beam path around the Allow registration from the optimal direction.
  • the Optical waveguide 7 is connected to an optoelectronic evaluation circuit 8 connected, in which an interferometer 9 is arranged is.
  • the optoelectronic evaluation circuit 8 can Housing also an energy supply in the form of a battery included, the circuit arrangement corresponding input-output circuits contains, for signal processing, noise suppression, acoustic limitation etc. corresponding to a Includes hearing aid electronics or these required for the actuator Circuits in a separate implantable part, the is coupled with an electrical cable, are housed.
  • the electrical signals via the lines 10 to Cochlea 4 can be transmitted.
  • this optoelectronic evaluation circuit 8 can this optoelectronic evaluation circuit as a whole be implanted.
  • the Actuator can be one, the ossicle or the perilymph directly set in acoustic vibrations or a cochlear implant, that electrically irritates the auditory nerve or a brainstem implant, that directly irritates the brain stem.
  • FIG. 2 A block diagram of the circuit arrangement selected in this context can be seen in Fig. 2.
  • the skin that The implant covering is schematically indicated by 11, wherein subcutaneously in the area of the middle ear, the mastoid cavity or on the evaluation circuit and, if necessary, the Energy supply is housed.
  • the battery is here schematically with 12, the optical sensor and the interferometer at 13, the evaluation electronics at 14 and the actuating component, via which the signals after processing in the hearing aid electronics to an electromechanical amplifier Perilymph vibrations or to a cochlear implant or a Brain stem implant (labeled 15).
  • the energy supply by the battery 12 can preferably by a Rechargeable battery are made, for which additional inputs are provided for an induction coil 17, via which with an external charging or control unit 18 for recharging the battery and, if necessary, programming the electronics is made possible.
  • the transfer can be contactless via a couplable to the subcutaneous induction coil 17 Induction coil 19 of the control and charging unit 18 made become.
  • FIG. 3 is schematically one possible Training of the bearing block 6 explained in more detail.
  • a base plate 20 is fixed, on which a displaceable Carriage 21 is mounted.
  • the sliding carriage 21 carries a ball pin 22 on which a clamp with jaws 23 and 24 fixed by means of a clamping screw 25 orientable is.
  • the jaws 23 and 24 have spherical bearing surfaces on which on the circumference of the ball 26 of the ball pin 22 is pivotable are orientable, so that an exact adjustment in different Spatial coordinates is enabled.
  • an optical fiber 27 in brought defined position, the free end 28 so oriented is that it is the reflected radiation from a vibrating Can take part of the inner ear.
  • the free end 28 of the optical fiber 27 can be optical systems, prisms, mirrors or the like. For deflecting the beam path if so desired.
  • the signals arrive via the Optical waveguide 27 for optoelectronic evaluation circuit, which contains the interferometer.
  • the arrangement of such, for adjusting the free end 28 of a component suitable for an optical waveguide, can be relative large mastoid cavity easily done.
  • the fine adjustment serves to achieve the desired distance and desired orientation to the surface of the vibrating to be measured Part of the middle ear.
  • the optical complexity can also be increased. It can also, for example, from the mastoid cavity directly into the Attic can be measured and the scanning, for example on Anvil head. Due to the type of vibration transmission However, it must be taken into account here that the individual Ossicles related to the vibration of the eardrum partially swing with opposite phase. Scanning at locations with less quasi-static Shift has the advantage of being the extent of a linear shift due to pressure differences compared to the measuring distance becomes much less, so that the effort for stabilization the phase position and for eliminating the "fading" effect can be reduced.

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen implantierbaren Schallrezeptor für Hörhilfen, insbesondere für implantierbare Hörhilfen.
Der überwiegende Teil der bekannten Hörhilfen ist ungeeignet für eine Implantation. Prinzipiell wird bei derartigen Hörhilfen ein Wandler eingesetzt, mit welchem Schallwellen in elektrische Signale umgewandelt werden können. Derartige Wandler sind in Form von Mikrofonen bekannt und bedürfen einer entsprechenden Membran, deren Schwingung in elektrische Signale umgesetzt werden kann. Für die Empfindlichkeit derartiger Mikrofone ist der Ort der Anbringung und vor allem die Größe der Membran von hoher Bedeutung. Schallschwingungen können von druckempfindlichen Membranen aufgenommen werden, wie dies bei der Konstruktion von Mikrofonen üblich ist, oder aber von Vibrometern erfaßt werden, mit welchen Schwingungen als Beschleunigungssignale oder aber als Dehnungsmeßsignale bei Verformung von schwingenden Bauteilen aufgenommen werden.
In der US-A 5 531 787 werden Accelerometer in Form von piezoresistiven Vibrationssensoren vorgeschlagen. Alternativ sind kapazitive Beschleunigungssensoren für die Abtastung von Schallschwingungen bekannt. Derartige miniaturisierte Sensoren wurden bereits für die Implantation im Bereich des Mittelohres vorgeschlagen, wobei akustische Druckwellen, welche im Bereich des Mittelohres entstehen, in Form von mechanischen Vibrationen abgetastet werden. Prinzipiell sind derartige Mikrofonkonstruktionen aber relativ unempfindlich, da eine exakte Abstimmung auf die akustische Impedanz zwischen Sensor und der Paukenhöhle des Mittelohres nicht ohne weiteres erzielt werden kann.
Auch andere Literaturstellen, wie beispielsweise die US-A 3 557 775, beschreiben Mikrofone, welche unterhalb der Haut zur Aufnahme von Audiosignalen implantiert werden können, wobei die Übertragung in das Mittelohr erfolgt. Auch derartige Anordnungen sind im Bezug auf ihre Empfindlichkeit einer Reihe von nicht ohne weiteres kontrollierbaren Fremdeinflüssen wie beispielsweise der Hautdicke und einer unvorhersehbaren Narben- und Granulationsgewebsbildung bei der Einheilung unterworfen, sodaß die Empfindlichkeit bei den für das Hören wichtigen Frequenzen unterschiedlich und unkontrollierbar gedämpft ist.
Prinzipiell werden Töne, welche gehört werden, durch Schallwellen hervorgerufen, wobei mit steigender Frequenz die Tonhöhe und mit steigender Amplitude die Lautstärke zunimmt. Neben Tönen und Klängen, welche Tongemische darstellen, entstehen auch eine Vielzahl von nicht regelmäßig zusammenklingenden Tönen verschiedener Frequenz und Höhe, welche als Geräusche wahrgenommen werden. Beim natürlichen Gehörvorgang werden die Schallwellen wahrgenommen, die von der Ohrmuschel zum äußeren Gehörgang geleitet werden und das Trommelfell in Schwingung versetzen. Mit dem Trommelfell ist der Hammerstiel verwachsen, wobei die weitere Übertragung über die Gehörknöchelchen durch die Steigbügelplatte auf die perilymphatische Flüssigkeit erfolgt, die das Cortische Organ in Schwingungen versetzt. Durch die Erregung der Haarzellen im Cortischen Organ werden Nervenimpulse erzeugt, die der Hörnerv in das Gehirn leitet, wo sie bewußt wahrgenommen werden.
Das Trommelfell fungiert hierbei als Druckempfänger und weist einen Durchmesser von etwa 1 cm auf. Wenn für die Aufnahme von Schallwellen Mikrofone mit derartig großen Membranen eingesetzt werden sollen, eignen sich derartige Mikrofone kaum für eine Implantation, da der dafür erforderliche Platz im Bereich des Ohres nicht zur Verfügung steht.
Hörschwächen können auf unterschiedliche Ursachen zurück geführt werden. Bei einem erheblichen Teil von Hörstörungen ist der mechanische Teil der Schwingungsübertragung vom Trommelfell über die Gehörknöchelchen auf die Flüssigkeit in der Vorhoftreppe intakt. Daher wurde bereits vorgeschlagen, Schwingungsaufnehmer unmittelbar mit der Membran oder den Gehörknöchelchen zu verbinden, um die, durch den Schall hervorgerufenen Schwingungen entsprechend in elektrische Signale umzusetzen und zu verstärken. Nachteilig bei derartigen Eingriffen ist zum Einen der relativ hohe operative Aufwand für die Anordnung derartiger Sensoren und zum Anderen der Umstand, daß jede mechanische Beeinflussung von schwingenden Teilen, und insbesondere die Dämpfung derartiger schwingender Teile, das Schwingungsverhalten der Teile empfindlich beeinflußt, sodaß auch hier korrekte Signale, wie sie beim natürlichen Hörvorgang gebildet werden, nicht erhalten werden. Prinzipiell führt die Miniaturisierung von Mikrofonen zu einer Verringerung der Empfindlichkeit, wobei dies nicht zuletzt auf die fehlende Abstimmung der akustischen Impedanz zwischen Mikrofon und der Umgebungsluft zurückzuführen ist. Selbst wenn dieser Effekt durch Implantation des Mikrofons unter der Haut verbessert werden kann, führt dies zu einer Veränderung des abtastbaren Frequenzbereiches, wobei insbesondere höhere Frequenzen stärker gedämpft werden. Auch andere mechanische Schallwellenrezeptoren, wie beispielsweise mit Fluid gefüllte Röhrchen, führen zu einer auf die Viskosität des verwendeten Fluids zurückzuführende Dämpfung, wobei starre Akustikkuppler für eine Implantation generell ungeeignet sind.
Aus der WO 79/00841 sind die Grundlagen eines interferometrischen Meßprinzipes zur Erfassung von oszillatorischen Bewegungen zu entnehmen, mit welchem eine Reihe von Schwingungseigenschaften von Membranen und insbesondere eines Trommelfelles erfaßt werden können. Eine derartige Meßeinrichtung ist stationär, außerhalb des Körpers und in Abstand von schwingenden Oberflächen aufgebaut. Vollständig implantierbar waren bisher lediglich Hörhilfen, bei welchen das Implantat eine miniaturisierte Mikrofonkapsel enthält. Eine derartige Ausbildung ist beispielsweise der EP 831 674 A2 zu entnehmen.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, einen kleinbauenden implantierbaren Schallrezeptor zu schaffen, bei welchem die Nachteile der bekannten Schallrezeptoren vermieden werden und die akustische Empfindlichkeit über den gesamten für das Hören wesentlichen Frequenzbereich von etwa 100 Hz bis über 10 kHz auf gleichbleibend hohem Niveau gehalten werden kann. Die Erfindung zielt weiters darauf ab, die Baumaße so klein zu halten, daß die Implantation im Mittelohr und/oder in der benachbarten Mastoidhöhle möglich ist. Der operative Eingriff soll hierbei bevorzugt reversibel sein, wobei bei Funktionsausfall des Schallrezeptors keine wesentliche Verschlechterung des vorbestehenden Gehörs eintreten soll. Einschränkend kann allerdings in Abhängigkeit vom verwendeten Aktor und dessen Angriffspunkt eine operative Unterbrechung der Schalleitungskette zur Vermeidung von Rückkopplungen erforderlich sein. Neben diesen Vorgaben für einen implantierbaren Schallrezeptor soll naturgemäß auch der Energieverbrauch des Schallrezeptors sowie einer nachfolgenden Auswerteschaltung so gering gehalten werden, daß die Miniaturisierung eine Totalimplantation ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe besteht der erfindungsgemäße implantierbare Schallrezeptor für implantierbare Hörhilfen im wesentlichen darin, daß der Schallsensor als optischer Sensor für Vibrations- bzw. Abstandsmessungen ausgebildet ist und in Abstand von der Oberfläche eines zu akustischen Schwingungen anregbaren Teiles der Schallübertragung im Ohr angeordnet ist, daß der optische Sensor in einem Abstand von dem abgetasteten Teil angeordnet ist, welcher größer ist als die maximal auftretende Verschiebung des abgetasteten Teiles in Richtung zur Stirnfläche des Sensors und/oder in einem eine Kollision verhindernden Abstand justierbar gehalten ist, daß der optische Sensor mit einer elektronischen Auswerteschaltung verbunden ist, daß die Auswerteschaltung Signale für elektromechanische Schwingungserzeuger und/oder für die Stimulation des Cortischen Organs und/oder des Hörnervs und/oder des Hirnstammes generiert und Anschlüsse für entsprechende Signalleitungen aufweist und daß die Auswerteschaltung mit einer Stabilisatorschaltung zur Kompensation der Verschiebung des Arbeitspunktes des Interferometers durch niederfrequente Verschiebungen des abgetasteten Teiles zusammenwirkt. Dadurch, daß abweichend von den bisherigen physikalischen Prinzipien von Schallrezeptoren für Hörhilfen eine berührungslose Abtastung durch einen optischen Sensor vorgeschlagen wird, gelingt es tatsächlich diejenigen Schwingungen zu messen, die von dem Trommelfell und den Gehörknöchelchen physiologischerweise übertragen werden. Die berührungslose Ausbildung verhindert hierbei unerwünschte Nebeneffekte einer Bedämpfung derartiger schwingender Gehörknöchelchen bzw. des Trommelfells und erlaubt es die relativ große Schwingungsaufnahmefläche des Trommelfelles ungehindert für die Messung heranzuziehen, sodaß tatsächlich eine weit höhere Empfindlichkeit erzielt werden kann, als dies mit entsprechend kleineren Membranen möglich wäre. Dadurch, daß der optische Sensor in Abstand von der Oberfläche eines zu Schwingungen anregbaren Teiles der Schwingungsübertragung im Ohr angeordnet bzw. anordenbar ist, wird sicher gestellt, daß eine Bedämpfung der Schwingung derartiger zu Schwingungen anregbarer Teile der Schwingungsübertragung mit Sicherheit ausgeschlossen werden kann und die Verwendung von optischen Sensoren erlaubt die Verwendung überaus kleinbauender Sensoren.
Unter optischen Sensoren sind hierbei Sensoren zu verstehen, welche nicht notwendigerweise sichtbares Licht verwenden. Für optische Sensoren sind elektromagnetische Wellen in einem relativ weiten Frequenzbereich verwendbar, welcher über das Spektrum des sichtbaren Lichtes hinausgeht. Insbesondere können als Sender Laserdioden im infraroten und ultravioletten Bereich der Strahlung ebenso eingesetzt werden, wie im sichtbaren Bereich, solange die zu messende vibrierende Fläche im Bereich der eingestrahlten Wellenlänge hinreichend reflektiv ist. Gemessen werden somit mit optischen Sensoren in erster Linie die optischen Parameter der reflektierten Anteile des ausgesendeten Signals, wobei mit Vorteil für die Auswertung der Signale des Schallrezeptors so vorgegangen wird, daß der optische Sensor mit einem Interferometer zur Auswertung der Amplitude, der Frequenz und/oder der relativen Phasenlage der Schwingung des abgetasteten Teiles verbunden ist. Die Verwendung des Interferometerprinzips, für welches verschiedene Bauarten bekannt sind, erlaubt berührungsfrei auch geringe Amplituden natürlicher Schwingungen im Bereich der Gehörknöchelchen sicher zu erfassen. Der zu erfassende Bereich reicht hierbei von Amplituden von 10-11 m bis etwa 10-5 m, wobei höhere Amplituden als etwa 5x10-5 m, wie sie bei einer Schalleinstrahlung von etwa 120 dB beobachtet werden können, in der Regel für weitere Messungen nicht in Betracht kommen, da sie bereits geeignet sind, das Innenohr zu schädigen.
Der Schwingung der Gehörknöchelchen und des Trommelfells, wie sie bei Anregung durch akustische Wellen beobachtet wird, überlagert sich im Ohr allerdings auch eine niederfrequente, quasistatische bzw. langsame Dislozierung der Trommelfellmembran und der Knöchelchen, welche auf Unterschiede im Luftdruck oder im Druck im Innenohr zurückzuführen sind. Derartige niederfrequente Verschiebungen werden beispielsweise durch Veränderung des Luftdruckes beim Fahren in Aufzügen, Seilbahnen oder Flugzeugen hervorgerufen, wobei bedeutende niederfrequente Schwankungen durch die plötzliche Öffnung der Eustachischen Röhre auch beim Schneuzen beobachten werden. Derartig niederfrequente Verschiebungen können in ihrer Amplitude um einen Faktor von wenigstens 102 höher liegen, als die maximalen bei der physiologischen Beschallung auftretenden Amplituden. Optische Sensoren müssen nun so angeordnet werden, daß auch bei derartigen Verschiebungen eine Berührung mit dem abzutastenden Teil nicht erfolgt und es ist daher die Ausbildung erfindungsgemäß so getroffen, daß der optische Sensor in einem Abstand von dem abgetasteten Teil angeordnet ist, welcher größer ist als die maximal auftretende Verschiebung des abgetasteten Teiles in Richtung zum Sensor und/oder in einem Kollision verhindernden Abstand justierbar gehalten ist. Die Verwendung einer justierbaren Halterung zur Aufrechterhaltung eines definierten Abstands kann hierbei einen Servomotor umfassen, wobei die Stellsignale des Stellmotors für die Ermittlung der akustischen Schwingungen herangezogen werden, und die Stellbewegungen selbst wiederum vom optischen Sensor getriggert sind.
In besonders einfacher Weise gelingt die optische Abtastung dadurch, daß der optische Sensor mit wenigstens einer Licht- oder Laserdiode zusammenwirkt und die reflektierten Signale über Fasern von Wellen-, insbesondere Lichtwellenleitern wenigstens einem optoelektronischen Koppelbauteil, beispielsweise einer Photodiode, einer elektronischen Auswerteschaltung zugeführt sind. Der im Mittelohr oder dem Epitympanon oder Attikraum zu implantierende Teil des Sensors beschränkt sich bei der derartigen Ausbildung auf das relativ kleine freie Ende des Lichtwellenleiters, über welchen die optischen Signale eingespeist und die reflektierten Signale abgenommen werden. Im Strahlengang können naturgemäß, je nach Orientierung und Aufbau der Einrichtung, auch ein oder mehrere optische Systeme, wie beispielsweise Linsen, Strahlenteiler, Prismen, Spiegel oder dgl. angeordnet sein, um die Messung entsprechend zu präzisieren oder zu lokalisieren.
Die Auswerteschaltung muß in der Folge ein entsprechend verstärktes Signal für den Reiz des Gehörnervs zur Verfügung stellen, wobei hier mit Vorteil die Ausbildung so getroffen ist, daß die Auswerteschaltung Signale für elektromechanische Schwingungserzeuger und/oder für die elektrische Stimulation des Cortischen Organs und/oder des Hörnervs und/oder des Hirnstammes generiert und Anschlüsse für entsprechende Signalleitungen aufweist.
Um nun zu verhindern, daß das freie, vorzugsweise im Mittelohr, implantierbare Ende des optischen Sensors durch Trübungen Fehlmessungen oder Empfindlichkeitschwankungen unterworfen ist, wird mit Vorteil die Ausbildung so getroffen, daß die freien Enden des optischen Sensors mit einer das Zellwachstum hemmenden Beschichtung versehen sind.
Für die Unterdrückung von bei interferometrischer Auswertung und Überlagerung von niederfrequenten Verschiebungen zu beobachtenden "Fading"-Effekten ist es besonders vorteilhaft zusätzlich zur Auswertung der Amplitude und der Frequenz auch die relative Phasenlage der Schwingung des abgetasteten Teiles zu erfassen. Zu diesem Zweck kann mit Vorteil so vorgegangen werden, daß der Auswerteschaltung wenigstens zwei Signale zur Ermittlung der Phasenlage zugeführt sind, wobei die Ermittlung der Phasenlage in bekannter Weise je nach verwendetem Interferometertypus und gewählter Schaltungsanordnung der Auswerteschaltung eine entsprechende aktive oder passive Stabilisierung ermöglicht. Je nach Anordnung gilt für die optimale Empfindlichkeit des optischen Sensors ein durch einen definierten Abstand zur zu messenden Oberfläche vorgegebener Arbeitspunkt. Niederfrequente Verschiebungen der abzutastenden Teile können naturgemäß dazu führen, daß dieser optimale Arbeitspunkt verlassen wird oder sogar eine Phasenverschiebung bzw. Phasenumkehr auftritt. Diese unerwünschten Nebeneffekte, welche sich in einem "Fading" des gemessenen Signals auswirken, können mit Vorteil dadurch ausgeschaltet werden, daß die Auswerteschaltung eine Stabilisatorschaltung zur Kompensation der Verschiebung des Arbeitspunktes des Interferometers durch niederfrequente Verschiebungen des abgetasteten Teiles enthält. Alternativ oder zusätzlich kann eine entsprechende Kompensation dadurch gewährleistet werden, daß zusätzlich ein Sensor für die Ermittlung des Abstandes des abzutastenden Teiles vom optischen Sensor vorgesehen ist. Die Stabilisierung interferometrischer Signale kann durch Vergleich mit einem Referenzsignal oder durch Messung einer Mehrzahl von Signalen in besonders einfacher Weise erfolgen, wobei in den Strahlengang polarisierende Strahlenteiler eingeschaltet werden können und die Signale unabhängig und von voneinander verschiedenen Photodioden erfaßt werden können. Rückschlüsse auf die korrekte Phasenlage lassen sich auch aus einer mathematischen Analyse der Meßsignalform ableiten, wobei zu diesem Zweck Frequenzvergleiche und insbesondere die Auswertung von Schwingungen höherer Ordnung in der Stabilisatorschaltung herangezogen werden kann.
Zur exakten Positionierung des Schallrezeptors ist die Ausbildung in besonders einfacher Weise so getroffen, daß das freie Ende des optischen Sensors in einem Lagerbock justierbar festgelegt und/oder mit einem Justierantrieb verbunden ist, wodurch eine exakte Orientierung und exakte Positionierung relativ zur Oberfläche desjenigen Teiles sichergestellt werden kann, dessen Schwingung gemessen werden soll.
Die tatsächliche Ausgestaltung des Interferometers bedingt jeweils in der Folge bevorzugte Algorithmen für die Auswertung. Interferometer können hierbei von beliebiger Bauweise, wie beispielsweise als Michelson-, Fabry-Perot- oder Fizeauinterferometer ausgebildet sein, wobei geeignete Stabiliserungsalgorhytmen beispielsweise im Artikel von K.P. Koo, A.B. Tveten, A. Dandridge, "Passive stabilization scheme for fiber interferometers using (3x3) fiber directinal couplers", in Appl.Phys.Lett., Vol. 41, No.7, pp. 616-618, 1982, G.Schmitt, W. Wenzel, K. Dolde, "Integrated optical 3x3-coupler on LiNbO3: comparison between theory and experiment", Proc.SPIE, Vol.1141 5th European Conference on Integrated Optics: ECIO 89, pp.67-71, 1989, R. Fuest, N. Fabricius, U. Hollenbach, B. Wolf, "Interferometric displacement sensor realized with a planar 3x3 directional coupler in glass", Proc.SPIE, Vol.1794 Integrated Optical Circuits II, pp. 352-365, 1992, L. Changchun, L. Fei, "Passive Interfermetric Optical Fiber Sensor Using 3x3 Directional Coupler", Proc.SPIE, Vol.2895, pp. 565-571, 1995 beschrieben sind. Weitere Vorschläge finden sich u.a. in A. Dandridge, A.B. Tveten, T.G. Giallorenzi, "Homodyne Demodulation Scheme for Fiber Optic Sensors Using Phase Generated Carrier", IEEE J.Quantum Elec., Vol.QE-18, No.10, pp. 1647-1653, 1982, J.H. Cole, B.A. Danver and J.A. Bucaro, "Syntetic-Heterodyne Interferometric Demodulation", IEEE J.Quantum Elec., Vol.QE-18, No.4, pp. 694-697, 1982.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
In dieser zeigen
  • Fig. 1 einen Querschnitt durch das menschliche Ohr, in welchem die Anordnung des Sensors im Mittelohrbereich oder im Attik dargestellt wird,
  • Fig. 2 ein Blockschaltbild für eine totalimplantierbare Hörhilfe und
  • Fig. 3 eine schematisch dargestellte Halterung für den Wellenleiter bzw. für den von einer starren Hülse ummantelten Wellenleiter in der Mastoidhöhle.
    • In Fig. 1 ist die Ohrmuschel eines Ohres mit 1 bezeichnet. Schallschwingungen gelangen in der Folge an die mit 2 bezeichnete Membran, nämlich das Trommelfell, mit welcher die Gehörknöchelchen zusammenwirken. Die Gehörknöchelchen werden hierbei gemeinsam mit dem Bezugszeichen 3 bezeichnet.
    Die Gehörknöchelchen befinden sich im Bereich des Mittelohres. Die Cochlea ist mit 4 bezeichnet.
    Der berührungslose Sensor für die Abtastung der Schwingungen vom Gehörknöchelchen 3 ist in der Mastoidhöhle implantiert und ragt mit seiner Spitze in den Attikraum bzw. über den aufgebohrten Chorda-Facialis-Winkel in das Mittelohr. Er weist ein freies Ende 5 auf, das in einer stabilen Hülse (Ummantelung) steckt, die in einem Lagerbock 6 orientierbar gehalten ist. Der Lagerbock 6 kann hierbei in der Mastoidhöhle oder dem umgebenden Schädelknochen festgelegt sein, wobei das freie Ende des optischen Sensor im wesentlichen aus dem freien Ende eines Lichtleiters bzw. Wellenleiters 7 besteht. Die Spitze enthält vorteilhafterweise ein optisches System, beispielsweise Linsen, Strahlenleiter, Prismen, Spiegel oder dgl. oder eine Biegung der Faserspitze zur Umlenkung des optischen Strahlenganges um die Registrierung aus der optimalen Richtung zu ermöglichen. Der Lichtwellenleiter 7 ist an eine optoelektronische Auswerteschaltung 8 angeschlossen, in welcher ein Interferometer 9 angeordnet ist. Die optoelektronische Auswerteschaltung 8 kann in ihrem Gehäuse zusätzlich eine Energieversorgung in Form einer Batterie enthalten, wobei die Schaltungsanordnung entsprechende Input-Output-Schaltungen enthält, zur Signalverarbeitung, Störschallunterdrückung, akustischen Begrenzung etc. entsprechend eine Hörgeräteelektronik beinhaltet oder diese für den Aktor erforderlichen Schaltungen in einem eigenen implantierbaren Teil, der mit einem elektrischen Kabel gekoppelt ist, untergebracht sind. Davon werden die elektrischen Signale über die Leitungen 10 zur Cochlea 4 übertragen werden können. Bei entsprechend kleiner Dimensionierung der optoelektronischen Auswerteschaltung 8 kann auch diese optoelektronische Auswerteschaltung zur Gänze implantiert werden. Für die Art der Abtastung der Schwingungen ist die Art der Weiterleitung der ausgewerteten Signale an das Innenohr bzw. den Gehörnerv von untergeordneter Bedeutung. Der Aktor kann einer sein, der Gehörknöchelchen oder die Perilymphe direkt in akustische Schwingungen versetzt oder ein Cochlearimplantat, das den Hörnerv elektrisch reizt oder ein Hirnstammimplantat, das den Hirnstamm direkt elektrisch reizt.
    Ein Blockschaltbild der in diesem Zusammenhang gewählten Schaltungsanordnung ist in Fig. 2 zu ersehen. Die Haut, welche das Implantat abdeckt ist schematisch mit 11 angedeutet, wobei subkutan im Bereich des Mittelohres, der Mastoidhöhle oder auf dem Schädelknochen die Auswerteschaltung und gegebenenfalls die Energieversorgung untergebracht ist. Die Batterie ist hierbei schematisch mit 12, der optische Sensor und das Interferometer mit 13, die Auswerteelektronik mit 14 und der Betätigungsbauteil, über welchen die Signale nach Bearbeitung in der Hörgeräteelektronik an einen elektromechanischen Verstärker der Perilymphschwingungen bzw. an ein Cochlearimplantat oder ein Hirnstammimplantat (mit 15 bezeichnet) gelangen. Die Energieversorgung durch die Batterie 12 kann hierbei bevorzugt durch eine wiederaufladbare Batterie erfolgen, wofür zusätzliche Eingänge für eine Induktionsspule 17 vorgesehen sind, über welche mit einer externen Lade- bzw. Kontrolleinheit 18 das Wiederaufladen der Batterie und gegebenenfalls die Programmierung der Elektronik ermöglicht wird. Die Übertragung kann hierbei kontaktlos über eine mit der subkutanen Induktionsspule 17 koppelbare Induktionsspule 19 der Kontroll- und Ladeeinheit 18 vorgenommen werden.
    Bei der Darstellung nach Fig. 3 ist schematisch eine mögliche Ausbildung des Lagerbockes 6 näher erläutert. Im Mastoidraum wird eine Basisplatte 20 festgelegt, an welcher ein verschiebbarer Schlitten 21 gelagert ist. Der verschiebbare Schlitten 21 trägt einen Kugelzapfen 22, an welchem eine Klemme mit Backen 23 und 24 mittels einer Spannschraube 25 orientierbar festgelegt ist. Die Backen 23 und 24 weisen hierbei ballige Lagerflächen auf, welche am Umfang der Kugel 26 des Kugelzapfens 22 schwenkbar orientierbar sind, sodaß eine exakte Justierung in verschiedenen Raumkoordinaten ermöglicht wird.
    Durch die Backen 23 und 24 wird ein Lichtwellenleiter 27 in definierte Lage gebracht, dessen freies Ende 28 so orientiert ist, daß es die reflektierte Strahlung von einem vibrierenden Teil des Innenohres aufnehmen kann. Im freien Ende 28 des Lichtwellenleiters 27 können hierbei optische Systeme, Prismen, Spiegel oder dgl. zur Umlenkung des Strahlenganges untergebracht werden, sofern dies gewünscht ist. Die Signale gelangen über den Lichtwellenleiter 27 zur optoelektronischen Auswerteschaltung, welche das Interferometer enthält.
    Die Anordnung eines derartigen, zur Justierung des freien Endes 28 eines Lichtwellenleiters geeigneten Bauteiles, kann im relativ großen Mastoidhohlraum einfach erfolgen. Die Feinjustierung dient hierbei der Erzielung des gewünschten Abstandes und der gewünschten Orientierung zur Oberfläche des zu messenden vibrierenden Teiles des Mittelohres. Prinzipiell kann aber bei entsprechender Orientierung und entsprechend höherer Strahlungsleistung auch ein größerer Abstand für die Abtastung heran-gezogen werden, wobei auch der optische Aufwand erhöht werden kann. Es kann auch beispielsweise aus dem Mastoidhohlraum direkt in den Attik gemessen werden und die Abtastung beispielsweise am Ambosskopf erfolgen. Bedingt durch die Art der Schwingungsübertragung muß allerdings hier berücksichtigt werden, daß die einzelnen Gehörknöchelchen bezogen auf die Schwingung des Trommelfelles teilweise mit zueinander entgegengesetzter Phase schwingen. Die Abtastung an Stellen mit geringerer quasistatischer Verschiebung hat den Vorteil, daß das Ausmaß einer linearen Verschiebung durch Druckunterschiede im Vergleich zum Meßabstand wesentlich geringer wird, sodaß der Aufwand für die Stabilisation der Phasenlage und für das Eliminieren des "Fading"-Effektes verringert werden kann.

    Claims (6)

    1. Implantierbarer Schallrezeptor für Hörhilfen, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallsensor als optischer Sensor für Vibrations- bzw. Abstandsmessungen ausgebildet ist und in Abstand von der Oberfläche eines zu akustischen Schwingungen anregbaren Teiles der Schallübertragung im Ohr angeordnet ist, daß der optische Sensor in einem Abstand von dem abgetasteten Teil angeordnet ist, welcher größer ist als die maximal auftretende Verschiebung des abgetasteten Teiles in Richtung zur Stirnfläche des Sensors und/oder in einem eine Kollision verhindernden Abstand justierbar gehalten ist, daß der optische Sensor mit einer elektronischen Auswerteschaltung verbunden ist, daß die Auswerteschaltung (8) Signale für elektromechanische Schwingungserzeuger und/oder für die Stimulation des Cortischen Organs und/oder des Hörnerves und/oder des Hirnstammes generiert und Anschlüsse für entsprechende Signalleitungen (10) aufweist und daß die Auswerteschaltung (8) mit einer Stabilisatorschaltung zur Kompensation der Verschiebung des Arbeitspunktes des Interferometers (9) durch niederfrequente Verschiebungen des abgetasteten Teiles zusammenwirkt.
    2. Implantierbarer Schallrezeptor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sensor mit wenigstens einer Licht- bzw. Laserdiode zusammenwirkt und die reflektierten Signale über Fasern von Wellen-, insbesondere Lichtwellenleitern (7), wenigstens einem optoelektronischen Koppelbauteil, beispielsweise einer Photodiode, der elektronischen Auswerteschaltung zugeführt sind.
    3. Implantierbarer Schallrezeptor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sensor mit einem Interferometer (9) zur Auswertung der Amplitude, der Frequenz und/oder der relativen Phasenlage der Schwingung des abgetasteten Teiles verbunden ist.
    4. Implantierbarer Schallrezeptor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswerteschaltung (8) wenigstens zwei Signale zur Ermittlung der Schwingungsparameter des abgetasteten Teiles zugeführt sind.
    5. Implantierbarer Schallrezeptor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden (5) des optischen Sensors mit einer das Zellwachstum hemmenden Beschichtung versehen sind.
    6. Implantierbarer Schallrezeptor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende (5) des optischen Sensors in einem Lagerbock (6) justierbar festgelegt ist und/oder mit einem Justierantrieb verbunden ist.
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