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科利耳公司使用COMSOL Multiphysics 軟件徹底開發了一款獨特的聲學耳蝸植入物。 

聽力損失的情況并不少見：約3600 萬，即17% 美國成人報告有一定程度上的聽力損失。中度到中度的聽力損失可以利用助聽器進行處理。但是，傳統的助聽器對于超過一定級別的聽力損失卻無法提供解決方案。在這種情況下，如骨傳導植入物或者人工耳蝸這類型的聽力植入物也許不失為一個好方案。 

總部位于澳大利亞的科利耳公司，占據了這類型植入物市場的四分之三份額，多年來為分布于超過100 個國家的250,000 人服務。該公司目前正致力于為客戶提供更多的解決方案。在2012 年，該公司收入的15%投資于研究開發，而它的年銷售額達到約7.8 億澳元（2012 年）。

“最近的一個發展是全新的聽覺植入物， 稱為Codacs ?的直接聲學人工耳蝸植入物（Direct Acoustic Cochlear Implant，簡稱DACI），”比利時科利耳技術中心（CTCB）的CAE 工程師Patrak Kennes 報告。“它可以直接為耳蝸提供機械模擬。最初的概念是與Helbling Technik AG 公司合作開發的，且我們透過使用COMSOL Multiphysics 軟件對這個生產就緒的設計做了進一步的闡述。當我們向患有嚴重或深度混合性聽力損失的人提供一個新的解決方案的時候，這個設備填補了傳統助聽器較弱的空隙。該裝置目前在臨床試驗中，這個可行性研究的結果也是令人鼓舞的， 而且還確定了一個商業產品的設計方向和可行性。” 

無線植入式驅動器 

“這個Codacs 系統，”Kennes 解釋說，“是由BTE（behind the ear，耳后）的裝置啟動的。這個BTE 裝置具有與外耳相似的機能：拾音。這個裝置包含了電池，兩個專為定向聽力設置的麥克風以及一些數字信號處理電路。信號會通過無線鏈路發送到植入在外耳道后面的耳甲腔的驅動器（見圖一）。該鏈路不再需要通過皮膚來給電纜提供數據，而且還能夠在不需要電池的情況下為植入裝置提供電源。”

Codacs 驅動器并沒有打算放大聲音（如傳統助聽器所做的一樣），而是直接增強耳蝸里面的壓力波。對于一個有正常聽力的人來說，壓力波是通過鐙骨足板的振動來產生的。由于壓力波動的關系，耳蝸內的毛細管會彎曲，然后產生由聽覺神經傳輸到大腦的微小電脈沖。 

利用Codacs 系統，一個微型的驅動器可在耳蝸流體內產生放大的壓力波，從而物理上地增強聲能以補償聽力損失。為了達到這個目的，位于驅動器末端的人工砧骨要連接突出到耳蝸的人工鐙骨。活塞狀人工鐙骨的震動會引起耳蝸流體里面的壓力變化，其方式與聽小骨的運動方式非常相像。 

驅動器的設計挑戰 

Codacs 驅動器是一個基于平衡電樞原理的電磁轉換器（見圖1）。當電樞處于兩塊永久磁鐵的中點時，它對兩塊磁鐵的吸引力是一樣的，因此沒有施加任何凈磁力。然而，電樞一旦移動到中點之外的地方，電樞與兩塊磁鐵間的距離以及它向它們所施加的力，都不再是平等的了：電樞會被最近的一塊磁鐵所吸引。這也被稱為負彈簧剛度，因為它與正常彈簧結構所發生的情形是相反的：如果你讓彈簧變形，它往往會恢復到它原來的位置。對于Codacs 驅動器來說，隔膜就充當了一個復位彈簧的角色，防止驅動器粘住磁鐵。隔膜力和磁體力之間的精確平衡對驅動器的正常工作來說是不可缺少的：舉個例子，當膜片剛度太低的時候，氣隙會塌陷，電樞會粘在其中一塊磁鐵上。給線圈供電可以調整磁場，促使電樞向一個或兩個磁鐵運動。 

根據Kennes 所說，“最初的概念可以追溯到七年前，我們在設計過程中的每一個階段都廣泛使用COMSOL。最初的想法是要建立一個用來產生振動的小型驅動器，但是我們并不知道一些關鍵元件的最小尺寸。因此第一個COMSOL 模型單純是用來幫助我們比較不同概念的可行性研究。” 

一旦這個概念被選中，研究人員便進入原型定做階段， 在這個階段他們會確定部件的精確尺寸與形狀。設計師必須記住幾個要素，特別是由于乳突腔的空間有限，所以物體的直徑必須<4 毫米，長度必須<15 毫米。驅動器必須提供一個與人耳相似的頻率特性（共振頻率接近1kHz）。設計師還要把功耗考慮在其中，還有驅動器與人體組織接觸的部分必須是生物相容或者密封封裝的。 

關鍵的組件

其中一個關鍵的組件是結合了多種功能的鈦金屬隔膜。它作為連接桿的徑向軸承和電樞運動的復位彈簧起著重要的作用。然而，同時它也必須密封這個設備里面以及必須是生物相容的。由于它能夠幫助建立驅動器的彈簧剛度，它的厚度是一個重要的調整參數。這個隔膜的厚度（實際上小于50μm）不宜過薄， 因為過薄會導致驅動器非常脆弱從而失去了密封性。另一方面，隔膜也不能太厚以致使驅動器的剛度太大。對于穩健性與剛度之間的折衷來自于不同剛度值的結構力學分析。在這個設計階段，研究人員對驅動器內的材料應力進行了驗證。一張馮米思應力的繪圖（圖2 右手邊的圖像）展示了當桿軸軸向移動的時候（即當驅動器在運作的時候）隔膜是如何被施加壓力的；別處的應力則是在驅動器組裝過程中所應用到部分的預裝入所導致的。例如，上方磁鐵組件的彩色環形區域指明了磁鐵組件頂著管子的接觸面積（于COMSOL 建模成接觸對）。

一旦隔膜厚度固定了，驅動器的相對機械剛度也就知道了。為了降低驅動器的整體軸向剛度，電磁組件的磁剛度必須調整到正確值。這里關鍵的參數是磁強與氣隙的大小。為了優化磁路的布局，Kennes 使用COMSOL 的AC/DC 模塊來計算部件內的磁通密度（圖3）。在磁通線的圖中可以看到，主要的磁通是由永久磁鐵造成的（由上方磁鐵與下方磁鐵組件形成的短回路）。當線圈通電后，額外的磁通量便會產生（在軸與線圈組件內的磁通）。后者會改變電樞上的磁力，導致驅動器移動。建立一個參數研究來確定電樞位置與線圈電流，以及計算電樞上相應的力都是非常方便的。得到的數據會自動集合在一張能夠簡單導出的力圖中。 

一體化套裝軟件 

讓這個團隊印象深刻的是COMSOL 使他們能夠在一個統一套餐軟件中做一系列的研究——結構、聲學、電磁、壓電。“只要我們有一個模型，我們不需要從畫草圖開始去建立另一個用不同物理學的模型。我們只需要簡單地添加或者移除需要的組件，改變物理學。然后在短短的幾個步驟后我們就有一個新的案例研究了。”

Kennes 總結：“我們通過COMSOL 能夠避免一些耗時又昂貴的實驗設計方法，不再需要建立許多原型去決定合適的零件尺寸。即使是使用模型中所得到的近似值，我們也能夠在軟件中成功調整設備。這個設備所能允許的誤差非常非常小，以及為了得到零件的原型，我們要與只有幾個星期交貨時間的專業供應商打交道。如果沒有COMSOL，我們制作僅僅5 個原型就需要花上半年的時間，從而大大拖慢了開發過程。”