中 華 大 學

102  Download (0)

Full text

(1)

中 華 大 學 碩 士 論 文

題目:植入式骨導助聽器於活體乳突部之骨傳導 振動特性分析

The vibration analysis of bone conduction for bone anchored hearing aids in-vivo human mastoid

系 所 別:機械與航太工程研究所 學號姓名:M09508034 魏子翔

指導教授:陳精一 博士 余仁方 博士

中華民國 九十七 年 七 月

(2)

摘要

人耳聲音傳導方式分為空氣傳導(air conduction)及骨傳導(bone conduction)兩種,而骨傳導最常使用在助聽器方面上,不過這一類型 骨傳導設備的振動器(vibrator)皆裝置於乳突部(mastoid)上,如果振動 器未被放置於乳突部之適當的位置,則高頻部份的骨傳導將有可能會 大大受到影響,因此,將探討振動器的置放區域對於聽力狀態的影 響,並且希望可以提供臨床醫師針對患者在植入骨導助聽器時術前的 評估。

本研究採用非侵入分析方式,以有限元素重建活體乳突部、顳骨 及頭骨振動分析。利用電腦斷層影像(Computered tomography,CT)掃 描,透過 Amira

®

重建立體影像模組,以便獲取各部位之幾何外形尺 寸,在由 ANSYS

®

建立有限元素模組。有限元素分為模態分析及調和 外力分析兩部份,模態分析主要是探討乳突部、顳骨及頭骨的自然振 動頻率與振動模態;調和外力分析主要是探討於三部位乳突部上各點 區域位置並施予聲壓 20dB-SPL、70 dB-SPL 以及由 BAHA 振動器所 產生的振動力 550g,並於外耳道(external auditory meatus

)

處建立一區 域座標系統,在耳道水平處定義為 0 度,針對乳突部三個區域做探 討,分別為 15 度 0 度及-15 度區域位置,在各區域中取 30mm、35mm 及 40mm 位置,去探討 125Hz、250Hz、500Hz、750Hz、1kHz、2kHz、

3kHz、4kHz、5kHz、6kHz、7kHz 及 8kHz 這 12 頻率下的頻率響應 及振動特性。

在 模 態 分 析 中 乳 突 部 的 自 然 頻 率 與 臨 床 聽 力 檢 查 頻 率 , 在 125Hz、250Hz、500Hz、750Hz、1kHz、2kHz、3kHz、4kHz 和 6kHz 這九個頻率會與臨床聽力檢查頻率較為相近。而在調和外力分析中結 果得知,在 15 度時的區域位置效果比其它兩區域位置要好。

關鍵字:骨傳導、振動分析、乳突部、電腦斷層影像、有限元素法

(3)

Abstract

The conductions of human being hearing include air conduction and bone conduction. Bone conduction is most common suitable to hearing aids. The bone conduction hearing aid vibrator is placed not in the ear, but rather behind it against the base of the mastoid. If a device is improperly placed behind the ear, the hearing ability in high frequency drops by 2000 Hz, and greatly deteriorates the ability of hearing. The proper place for hearing aid device has to carefully take into consideration.

In order to investigate the bone conduction phenomena of hearing, the finite element model of mastoid, temporal bone and skull of the patient is created. The 3D geometric model of the mastoid, temporal bone and skull is come from CT image through Amira.

The simulation includes two phases. The first phase was to discuss the natural frequencies of mastoid, temporal bone and skull. The second phase was to investigate the harmonic response. The base center and center line were established in the external auditory meatus and the 0 degree direction, respectively. The amplitude force was applied along center line and

±

15 degree direction with distance of 30mm, 35mm and 40mm from the center. The amplitude on the nodes of the mastoid at the frequencies of 125Hz, 250 Hz, 500Hz, 750Hz, 1kHz, 2kHz, 3kHz, 4kHz, 5kHz, 6kHz, 7kHz, 8kHz, with sound pressure 20dB and 70dB, respectively. However, the amplitude of the bone anchored hearing aids is approximately 550g excited by the vibrator.

According to the simulation modal analysis results, the natural frequency of mastoid is similar to clinical hearing test frequency at 125Hz, 250Hz, 500Hz, 750Hz, 1kHz, 2kHz, 3kHz, 4kHz, and 6kHz.

From the harmonic analysis results, the performance at 15 degree is better than 0 and -15 degree, respectively.

Keywords

bone conduction, vibration analysis, mastoid, computed

(4)

誌謝

時光飛逝,短短兩年的碩士生涯即將告一個段落,在此時間內學 習到了很多的知識學問,首先最感謝我的指導教授 陳精一博士,兩 年來的諄諄教誨,不管是在學業方面、做事態度及待人處世上都深深 的影響著我。接著要感謝帶領我進入生物醫學領域的余仁方博士,從 原本懵懂無知的我,至今可以針對臨床方面做一個完整的討論,並且 也感謝口試委員黃國饒博士,針對論文提出許多指導與建議。此外,

還要感謝陳俊宏老師及任貽明老師平時在課業上的教學指導與生活 上的關心。

另外感謝時常回實驗室關心的學長耀祥、俊諺、閔雄、文賢、振 忠,做一些經驗上的交流及精神上的支持,還有一路陪我走來的同學 一宏、自豪、吉鴻、豪彥,在每當有疑問的時候總會提出來一起討論 一起解決,再來則是要感謝嘉倫、逸昕、蔚宗、仲杰的幫忙,使我在 生物醫學領域這方面有更完善的了解。此外,也要感謝彥達、祥維、

國章、仁宏所帶來實驗室的歡樂氣氛及活力泉源,沒有你們的實驗室 就呈現一片黑暗,在這一年來謝謝你們!

最後,僅以此論文獻給我最親愛的父母與家人,因為有你們的 支持與鼓勵,讓我可以順利的完成學業,在此獻上最真摯的感謝,並 將此喜悅分享給所有關心我的人。

(5)

目錄

中文摘要………I 英文摘要……….. II 誌謝………..III 目錄………..IV 圖目錄………..VI 表目錄………..XI

第一章 緒論………..1

1.1 前言………...1

1.2 文獻回顧……….5

1.3 研究動機與目的………...……..8

第二章 植入式骨導助聽器於活體乳突部之振動特性分析…………..9

2.1 研究方法……….………...10

2.2 結果與討論………...………20

2.2.1 模態分析結果……….………...………20

2.2.2 調和外力分析結果………25

第三章 植入式骨導助聽器於活體顳骨之振動特性分析………30

3.1 研究方法……….………..…31

3.2 結果與討論………...………42

(6)

3.2.1 模態分析結果……….………...………42

3.2.2 調和外力分析結果………47

第四章 植入式骨導助聽器於活體頭骨之振動特性分析………55

4.1 研究方法……….………..…56

4.2 結果與討論………...………67

4.2.1 模態分析結果……….………...………67

4.2.2 調和外力分析結果………72

4.2.3 近耳及遠耳比較………84

第五章 結論………...………85

參考文獻………..88

(7)

圖目錄

圖 1-1 人耳之構造……….…….…..……2

圖 1-2 骨傳導式助聽器……….…….…..……3

圖 1-3 植入式骨導助聽器………..………..……4

圖 2-1 乳突部影像處理流程………..……11

圖 2-2 乳突部 CT 影像圖………..…..15

圖 2-3 乳突部 3D 立體影像圖………..…..15

圖 2-4 乳突部簡化後立體影像圖………..……….……...16

圖 2-5 乳突部平滑化處理後立體影像圖………..16

圖 2-6 乳突部 3D 模型透過 CAD 軟體檢視有無破裂面存在…….17

圖 2-7 乳突部之有限元素模型……….…………...…..18

圖 2-8 乳突部相鄰各骨邊界固定三方向自由度...………...18

圖 2-9 位於乳突部上所施予聲壓的區域位置………..………19

圖 2-10 乳突部在 125/250/500/750/1k/2kHz 模態振形……….…….22

圖 2-11 乳突部在 3k/4k/5k/6k/7k/8kHz 模態振形...23

圖 2-12 聲壓 20 dB 於乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度各區域之頻 率響應圖………..28

圖 2-13 聲壓 70 dB 於乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度各區域之頻 率響應圖………..28

(8)

圖 2-14 BAHA 振動力 550 克於乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度各

區域之頻率響應圖………..29

圖 3-1 顳骨影像處理流程………..32

圖 3-2 顳骨 CT 影像圖………36

圖 3-3 顳骨 3D 立體影像圖……….,,,...36

圖 3-4 顳骨簡化後立體影像圖………..37

圖 3-5 顳骨平滑化處理後立體影像圖………..37

圖 3-6 顳骨 3D 模型透過 CAD 軟體檢視有無破裂面存在……,…38

圖 3-7 乳突部之有限元素模型………..39

圖 3-8 顳骨相鄰各骨邊界固定三方向自由度………..39

圖 3-9 位於顳骨近耳中耳蝸位置圖………...,..40

圖 3-10 聲壓傳入近耳中所觀察耳蝸的部位……….………,40

圖 3-11 位於顳骨乳突部上所施予聲壓的區域位置……….,…41

圖 3-12 顳骨在 125/250/500/750/1k/2kHz 模態振形……….…44

圖 3-13 顳骨在 3k/4k/5k/6k/7k/8kHz 模態振形……….…45

圖 3-14 聲壓 20dB 於顳骨乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度各區域 之頻率響應圖………..…50

圖 3-15 聲壓 70dB 於顳骨乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度各區域 之頻率響應圖………,.50

(9)

圖 3-16 BAHA 振動力 550 克於顳骨乳突部表面在 550N 15 度、0 度

及-15 度各區域之頻率響應圖………51

圖 3-17 聲壓 20dB 於顳骨乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度各區域 傳入近耳耳蝸之頻率響應圖………..…53

圖 3-18 聲壓 70dB 於顳骨乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度各區域 傳入近耳耳蝸之頻率響應圖………..53

圖 3-19 BAHA 振動力 550 克於顳骨乳突部表面在 550N 15 度、0 度 及-15 度各區域傳入近耳耳蝸之頻率響應圖………54

圖 4-1 頭骨影像處理流程………..57

圖 4-2 頭骨 CT 影像圖……….…..61

圖 4-3 頭骨 3D 立體影像圖……….…………..61

圖 4-4 頭骨簡化後立體影像圖……….….62

圖 4-5 頭骨平滑化處理後立體影像圖………..62

圖 4-6 頭骨 3D 模型透過 CAD 軟體檢視有無破裂面存在………63

圖 4-7 頭骨之有限元素模型……….64

圖 4-8 近耳及遠耳示意圖……….64

圖 4-9 頭骨近耳及遠耳中耳蝸位置圖……….65

圖 4-10 聲壓傳入(a)近耳(b)遠耳中所觀察耳蝸的部位………65

圖 4-11 位於頭骨乳突部上所施予聲壓的區域位置……….66

(10)

圖 4-12 頭骨在 125/250/500/750/1k/2kHz 模態振形……….69 圖 4-13 頭骨在 3k/4k/5k/6k/7k/8kHz 模態振形………..70 圖 4-14 聲壓 20dB 於頭骨乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度各區域

之頻率響應圖………..76 圖 4-15 聲壓 70dB 於頭骨乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度各區域

之頻率響應圖………..76 圖 4-16 BAHA 振動力 550 克於頭骨乳突部表面在 550N 15 度、0 度

及-15 度各區域之頻率響應圖………77 圖 4-17 聲壓 20dB 於頭骨乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度各區域

傳入近耳耳蝸之頻率響應圖………..79 圖 4-18 聲壓 70dB 於頭骨乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度各區域

傳入近耳耳蝸之頻率響應圖………..79 圖 4-19 BAHA 振動力 550 克於頭骨乳突部表面在 550N 15 度、0 度

及-15 度各區域傳入近耳耳蝸之頻率響應圖………80 圖 4-20 聲壓 20dB 於頭骨乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度各區域

傳入遠耳耳蝸之頻率響應圖………..82 圖 4-21 聲壓 70dB 於頭骨乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度各區域 傳入遠耳耳蝸之頻率響應圖………..82 圖 4-22 BAHA 振動力 550 克於顳骨乳突部表面在 550N 15 度、0 度

(11)

及-15 度各區域傳入遠耳耳蝸之頻率響應圖………83

(12)

表目錄

表 2-1 乳突部模型之幾何外型尺寸………..17 表 2-2 為乳突部自然頻率與臨床聽力檢查頻率模態分析果……..24 表 2-3 乳突部表面上 BAHA 振動器所裝置之各區域面積……….27 表 3-1 顳骨模型之幾何外型尺寸………..38 表 3-2 顳骨自然頻率與臨床聽力檢查頻率模態分析果…………..46 表 3-3 顳骨乳突部表面上 BAHA 振動器所裝置之各區域面積….49 表 4-1 頭骨模型之幾何外型尺寸………..63 表 4-2 頭骨自然頻率與臨床聽力檢查頻率模態分析果………...71 表 4-3 頭骨乳突部表面上 BAHA 振動器所裝置之各區域面積….75

(13)

第一章 緒論

1.1 前言

人耳再正常情況下聲音傳遞分為兩種方式,第一種傳遞方式是藉 由空氣傳導(air conduction),主要是經由外耳、中耳、內耳、聽神經

及聽覺中樞來完成。聲音由外耳的耳廓進入外耳道而推動鼓膜,鼓膜 帶動中耳內之三小聽骨,這三塊骨頭由外到內分別為槌骨(malleus)、

砧骨(incus)及鐙骨(stapes),接著經由鐙骨進入內耳的卵圓孔。內耳有 主司聽覺的耳蝸神經,此一耳蝸神經與主司平衡功能的前庭神經,合 併成為第八對腦神經。第八對腦神經再往上則進入腦幹部聽覺神經 核,然後再到達大腦的聽覺中樞而產生聽覺;第二種傳遞方式是藉由 骨頭傳導(bone conduction),主要是經由骨頭振動、內耳、聽神經及

聽覺中樞來完成。聲音透過骨頭的振動不需經過外耳及中耳,而是直 接由顱骨(skull)傳入內耳耳蝸,其主要作用是使耳蝸壁發生振動來刺 激內耳感受器,在經由聽覺神經而傳至大腦的聽覺中樞而產生聽覺。

圖1-1 為人耳之構造圖。

骨傳導的振動形式有兩種:(1)擠壓式骨導,當聲波振動顱骨並 在其疏密時的相對作用下,顱骨包括骨迷路呈週期性的壓縮與彈回。

當頻率高於 800Hz 的聲波振動顱骨時,擠壓式骨導起主要作用。(2) 移動式骨導,當聲波振動顱骨時,整個頭顱包括迷路在內,即作為一

(14)

個整體而反復來回移動。當頻率低於 800Hz 的聲波振動顱骨時,移 動式骨導起主要作用。

圖1-1 人耳之構造

不過在正常情況下的人耳,骨傳導相較於空氣傳導不敏感,幾乎 不能感到它的存在。能夠察覺骨傳導存在的一種方法是把一個振動音 叉的柄直接和頗骨接觸,這時人會感到一個稍有異樣的聲音,當這個 聲音減弱到聽不到以後,再把音叉迅速移到耳廓前方,這時又能聽到 聲音的存在。這個簡單實驗說明骨傳導的存在,也說明正常時空氣傳 導較骨傳導為靈敏,可以認為骨傳導在正常聽覺的引起作用中,幾乎 是微乎其微。但是,當外耳和中耳的病變使聲波傳遞受阻時,則可以 利用骨傳導的特性來彌補聽力,所以骨傳導最常使用在助聽器方面 上。

(15)

一般配帶耳塞式助聽器或耳機通常都有些缺點,如耳塞式助聽器 容易為耳垢所塞,或是耳內潮濕而造成耳朵不舒服,嚴重會導致耳朵 發炎疼痛等現象,耳機中電子元件也可能因潮濕而故障,須定期保養 維修造成使用者的不便。而骨傳導式助聽器(bone conduction hearing aids)則可解決這些問題,如圖 1-2 所示,它是一個藉由外部的振動器 (oscillator)去振動顱骨將音頻訊號傳送到內耳的耳蝸聽神經,無須堵

塞耳道,將可解決耳內發炎疼痛的問題。而這類型助聽器的振動器須 裝置於耳後乳突部(mastoid)上,但目前仍然有幾項缺點:(1)在 3kHz

到4kHz 的頻率範圍能提供的放大率很少;(2)乳突部和振動器可能無 法完全密合,會影響音量跟音質的穩定性;(3)可能會造成患者皮膚 骨頭的疼痛或整個頭有壓迫感。

圖1-2 骨傳導式助聽器

為了能改善這些缺點,便可藉由植入式骨導助聽器[1],如圖 1-3 所示,(bone anchored hearing aids, baha),簡稱為巴哈,是一種藉由手

(16)

器裝置,手術方式:(1)在耳道後上方,將小型鈦金屬固定器直接植入 耳後的頭顱骨中;(2)手術後可見鈦金屬固定器與基座連接位於頭顱 上(這樣的裝置可方便配戴者方便取戴聲音處理器);(3)成人通常進

行一階段的手術,需將鈦金屬與基座同時植入(可於全身麻醉或局部 麻醉下進行,大約一個小時完成);(4)孩童[2]通常建議進行二階段的 手術,第一階段將鈦金屬植入器植入頭顱骨,第二階段待骨整合完成 後(約需6 個月),再將基座植入。

圖1-3 植入式骨導助聽器

然而不管是骨導式助聽器或是植入式骨導助聽器等,大多數這類 型骨傳導設備的有效頻率範圍是它的缺點之一,所以在乳突部上裝置 振動器區域對於聽力狀態的影響,則是值得進一步探討的。

(17)

1.2 文獻回顧

隨著醫學影像解析度與電腦計算能力大幅提升,透過影像擷取方 式,如電腦斷層影像、核磁共振造影…等技術,取得活體立體影像,

再透過醫學軟體重建方式,並透過有限元素法應用於生物力學領域,

已經是相當普遍的技術。

1990 年

Douglas[3]提到人體解剖學原先都只有二維的平面分

析,但在電腦斷層掃描影像和醫學科技上的生物資訊科技的突破,並 且有醫學影像重建軟體的開發,被重建的圖像可以三維的旋轉,並且 在重建各部位的模型可以被更詳細區分及分析。

1997 年 Liu[4]利用電腦繪圖技術建立顳骨三維立體模型,用於形 態學上的研究,並且利用軟體重建並量測出該重建物的相關參數,提 供了顳骨重建的方法。

2000 年 Andy[5]提到骨導固定式助聽器最早是應用於 1977 年瑞 典所發展出來,植入器是用鈦金屬材料所製作,外界聲波藉由麥克風 與放大器,轉換成電壓訊號,在經由線圈轉換成電磁力,驅動振動器,

將聲音訊號直接傳導到骨頭,在經由骨頭傳至內耳,最後在傳至大腦 聽覺中樞而產生聽覺,所以這種骨導固定式助聽器,特別適合用於中 耳或外耳閉鎖或中耳遭到破壞的病患使用,與傳統骨導式助聽器比 較,改善了失真與壓迫感的不適症狀。

(18)

2001 年 Papsin 等人[6]發表一篇植入式骨導助聽器於孩童身上,

年齡須在五歲以上,因為要確保頭顱具有足夠厚度能承受骨導式導助 聽器的振動負荷,而振動器包含钛金屬設備裝置在外聽道上乳突部的 位置,振動器最理想的位置範圍是距離 50 到 55mm 的耳道後方的乳 突部上,所鑽的深度為 4mm,寬度為 25mm,骨傳導平均門檻約在 0.5k/1k/2k/3kHz 之間。

2004 年 Mauldin[7]提到骨傳導有效頻率範圍為它的缺點之一,大 多數骨導設備頻率約在3kHz 左右,一個外部骨導助聽器和植入式骨 導助聽器之間,在能量上的區別決定於振動器的安置。而設備如果不 正確的放在耳朵後面,而高的頻率會降低於 2kHz,並且一般人在說 話時病患所能聽到的聽力可能會被大大減弱。所以在應用骨傳導的任 何設備,這個問題是必須被考慮到的。

2006 年陳敏智[8]提到ㄧ般的骨導式助聽器是靠骨導震動器產生 聲頻的機械震動,將骨導震動器放置在耳後乳突部附近,缺點是能量 會被軟組織所吸收,造成聲波傳導效率變差,解決這個問題的方法,

將骨導震動器盡量安置在接近頭骨的位置上,不需經過軟組織,使其 聲波能量不被衰減,將重量 0.2g 的磁鐵,包覆在矽膠裡,植入到皮 膚組織裡,當聲波被麥可風偵測到後,聲音訊號經過放大器放大後,

以電流的形式來驅動電磁驅動器,電磁驅動器主要元件是磁鐵震動

(19)

子,而震動子植入在皮下 3mm 厚度,磁鐵震動子被驅動後,會產生 相對應頻率的震動,磁鐵震動子與頭骨之間相隔厚度約0.4mm,震動 子所產生的機械震動,被有效的穿過頭骨,震動的頻寬超過3kHz。

2007 年李文賢[9]採用非侵入分析方式,以有限元素模型重建探 討活體中耳聽小骨鏈振動動態分析。首先利用電腦斷層掃描影像,透 過醫學軟體建立其立體影像模組,以便獲取聽小骨鏈之幾何外型尺 寸,再建立起限元素模組。有限元素分析流程分成兩個主要步驟,一 為模態分析探討個別聽小骨鏈及其兩兩偶合後自然頻率的改變。另一 則為調和力分析,施予90dB 聲壓值去刺激鎚骨柄部與鼓膜連接處,

檢視125/250/500/750/1k/2k/3k/4k/5k/6/7k/8kH 各頻率下其頻率響應,

以利探討聽小骨鏈的動態特性。

2007 年 Boryor[10]等人透過電腦斷層掃描,並使用醫學軟體重建 出頭骨3D 立體模型影像,並使用有限元素去分析上顎骨間的擴展,

並觀察應力分佈,並且由於voxel size 較大透過簡化模型數目去減少 元素網格。

綜觀以上文獻,經由電腦斷層掃描再透過醫學軟體重建立體模 型,再導入有限元素分析法去進行各項分析,已經是一種發展成熟的 技術,並且透過此技術將針對活體乳突部、顳骨及頭骨進行骨傳導振 動特性分析。

(20)

1.3 研究動機與目的

骨傳導的有效頻率範圍是它的缺點之一,低頻率透過骨傳導傳送 時是非常的好,而在高頻率的部分就不是這麼的好。大多數這類型骨 傳導設備的有效頻率範圍是它的缺點之一,低頻率透過骨傳導傳送時 是非常的好,而在高頻率的部分就不是這麼的好。在耳朵後乳突部區 域傳導是非常不穩定的,如果振動器未被放置於乳突部之適當的位 置,則高頻部分的骨傳導將有可能會大大受到影響,而使患者聽力被 削減許多。

因此將透過非侵入式的方式,以有限元素重建探討活體乳突部、

顳骨[11]及頭骨三大部分的模態分析及調和外力分析兩大部分。模態 分析將探討活體乳突部、顳骨及頭骨的自由振動動態特性,藉由此分 析去了解三大部分結構的自然頻與臨床聽力檢查頻率是否相同,以達 共振現象,並且可作為手術前的評估;在調和外力分析部分將探討三 大部分模型乳突部上振動器的置放區域對於聽力狀態的影響,藉由此 分析去找出乳突部上最佳的置放區域,並且以病患所裝置 BAHA 的 耳稱為近耳,另一邊則稱之為遠耳,去觀察聲音傳入近耳耳蝸及遠耳 耳蝸的聽力狀態影響。

(21)

第二章 植入式骨導助聽器於活體乳突部之振 動特性分析

採用非侵入分析方式,以有限元素重建探討活體乳突部(mastoid) 振動動態分析。利用電腦斷層掃描(computed tomography, CT) 影像 [12-14],透過 Amira

®

重建立體影像模組,以便獲取乳突部之幾何外 形尺寸,在由 ANSYS

®

建立有限元素模組,將探討植入式骨導助聽器 於乳突部上裝置區域對於聽力狀態的影響。有限元素分析分為模態分 析及調和外力分析兩部分,去探討125Hz、250Hz、500Hz、750Hz、

1kHz、2kHz、3kHz、4kHz、5kHz、6kHz、7kHz 及 8kHz 這 12 個頻 率下的振動特性及頻率響應。

而在調和外力分析中以音壓(sound press level, SPL)去模擬聲音 的強度,以「分貝(decibel, dB)值」描述。但分貝並非描述聲音大小,

而是兩音壓的相對強度。因此聲音的強度以分貝表示可得到音壓分貝 數,公式如下所示:

dBSPL(音壓分貝數)=20log

0

P P

⎛ ⎞

⎜ ⎟

⎝ ⎠

(2.1) 其中P 是指測得的音壓數據,P

0

是參考值數據為2×10

-5

Newton/m

2

(22)

2.1 研究方法

本研究透過醫學影像軟體Amira

®

去進行影像處理流程,如圖2-1 所示,並且利用有限元素分析軟體ANSYS

®

去進行活體乳突部的模態 分析以及調和外力分析[15-16]。模態分析主要是探討乳突部的自然振 動頻率與振動模態。調和外力分析主要是探討於乳突部上各點區域面 積上施予聲壓 20dB-SPL(0.0002N/m

2

)、70dB-SPL(0.0632N/m

2

) 及由 BAHA 所產生的振動力約為 550 克(5.39N),去檢視頻率與振幅響應,

並且不考慮軟組織部分,而是直接將聲壓施加予骨頭上。

(23)

由長庚醫院取得病患電腦斷層掃描影像資料

透過醫學軟體AMIRA 去重建乳突部 3D 立體影像

將重建完乳突部模型進行簡化及平滑化處理動作

輸出STL 檔案匯入 CAD 軟體檢視破裂面

有破裂面產生重回AMIRA 修改無破裂面則匯出 SAT 檔

透過有限元素軟體ANSYS 建立有限元素模型

圖2-1 乳突部影像處理流程

(24)

在影像處理中由長庚醫院透過電腦斷層掃描而擷取病患乳突部 之CT 影像圖,如圖 2-2 所示,病患為 39 歲女性患者,左右耳聽力皆 為正常,但有耳鳴現象的產生,而影像部分總共擷取 797 張 CT 影像 包含整顆頭骨部分,每張 CT 影像的厚度為 0.3mm,影像解析度為 512×512 畫素組成,每格畫素大小為 0.406mm×0.406mm,使用影像 處理分割把所需部位用 brush 和 Magic Wand 圈選出,在應用雜訊去 除、影像強化等影像處理技術,先找出乳突部邊界,才可以依原樣重 建出其空間分佈模型來,再透過Surface Gen 的計算工具將所圈選出 2-D 截面去建立起 3D 立體模組,由圖 2-3 所示。在重建出 3D 立體模 型後,因為模型的點(point)和面(surface)過於龐大在往後分析計算方 面上,將會花費過多的時間,所以透過Amira

®

裡的Simplifier 功能,

去做模型的簡化動作,由圖2-4 所示,縮減後的體積僅與原來體積誤 差率在0.91%以內。

再透過Smooth Surface 去做表面平滑化的處理技術,避免重建出 來的乳突部會有奇異點的發生,並且在平滑化處理後能讓重建出的乳 突部更接近活體人類的骨頭,如圖2-5 所示,平滑化處理後的體積僅 與原來體積誤差率在 0.73%以內。由 CT 影像之輪廓進行 3D 重建取 得所需邊界後,在進行三維幾何外形計算,則需將各斷面(slice)之曲 線轉換為曲面及結合各斷面間的間距,以計算乳突部之3D 幾何外形

(25)

尺寸,如表 2-1 所示為乳突部模型之幾何外型尺寸,最候在將所重建 出的3D 立體影像模組經由 CAD 軟體將 STL 格式轉換輸出為 SAT 格 式之圖檔,如圖2-6 所示,匯入於有限元素分析軟體 ANSYS

®

中。

在有限元素分析方面,乳突部是採用 Solid92 10-Node 四面體之 三角錐元素,並以自由網格方式建立乳突部之有限元素模型,如圖 2-7 所示。在材料參數方面給予楊式係數為 1.5×10

4

(N/mm

2

),密度為 3×10

-3

(kg/mm

3

),卜松比為 0.3[17-18]。乳突部總共具備了 3,769 個元

素 及 6,080 個節點數。在模態分析方面將乳突部採取自由邊界 (free-free)條件,以 Block Lanczos 求解法,求取模態解,目的在於了

解乳突部在 125Hz、250Hz、500Hz、750Hz、1kHz、2kHz、3kHz、

4kHz、5kHz、6kHz、7kHz 及 8kHz 這 12 個頻率下的自由振動動態特 性。其中,該頻率係為臨床聽力檢查時所採用之標準音頻。

在調和外力分析方面,將乳突部相鄰於各骨邊界上,固定 X、Y、

Z 三方向的自由度,如圖 2-8 所示,並以全解法(full method)求解,於 耳道處建立一區域座標系統,此區域座標系統是根據所建出之顳骨模 型去定義耳道表面中心處之區域座標,並在耳道水平處定義為0 度,

將探討在乳突部表面上的部分,並且分為上、中、下三部位做探討,

上部位則是取位於耳道15 度時距離為 30mm、35mm、40mm 區域;

中部位則是取位於耳道 0 度時距離為 35mm、40mm、45mm 區域;

(26)

下部位則是取位於耳道-15 度時距離為 30mm、35mm、40mm 區域,

如圖2-9 所示,分別給予這些區域的聲壓值為 20dB-SPL、70 dB-SPL 及由BAHA 所產生的振動力約為 550 克,去檢視在 12 個頻率下的頻 率與振福響應。

(27)

圖 2-2 乳突部 CT 影像圖

圖2-3 乳突部 3D 立體影像圖

(28)

圖2-4 乳突部簡化後立體影像圖

圖2-5 乳突部平滑化處理後立體影像圖

(29)

表2-1 乳突部模型之幾何外型尺寸 面積

(mm

2

)

體積 (mm

3

)

面 點 與原體積比較 誤差率 原幾何外型

尺寸 4,532 10,682 95,266 47,635 簡化後幾何

外型尺寸 3,953 10,585 1,000 502 0.91%

平滑化處理 後幾何外型 尺寸

3,470 10,604 1,000 502 0.73%

圖2-6 乳突部 3D 模型透過 CAD 軟體檢視有無破裂面存在

(30)

圖2-7 乳突部之有限元素模型

圖2-8 乳突部相鄰各骨邊界固定三方向自由度

(31)

15

-15

圖2-9 位於乳突部上所施予聲壓的區域位置

(32)

2.2 結果與討論

目前已由長庚醫院取的病患頭骨電腦斷層掃描,在影像前置作業 已完成重建乳突部之3D 立體影像。利用 ANSYS

®

針對乳突部進行模 態分析及調和外力分析,主要是了解結構自然頻率是否與外力頻率亦 產生共振現象,因而透過ANSYS

®

以掃頻方式求解,將檢視125Hz、

250Hz、500Hz、750Hz、1kHz、2kHz、3kHz、4kHz、5kHz、6kHz、

7kHz 及 8kHz 這 12 個頻率下的振動特性及頻率響應。

2.2.1 模態分析結果

在模態分析結果中,因採用自由邊界條件,前六個模態頻率為剛 體運動固頻率幾乎為零,並透過 Block Lanczos 去檢視 125/250/500/

750/1k/2k/3k/4k/5k/6k/7k/8k 這 12 個頻率下乳突部振動模態響應及振 形。圖 2-10 為乳突部在 125/250/500/750/1k/2kHz 模態振形,圖 2-11 為乳突部在3k/4k/5k/6k/7k/8kHz 模態振形。

而 12 個自然頻率下的分析結果中,125Hz、250Hz、500Hz、

750Hz、1kHz、2kHz、3kHz、4kHz 和 6kHz 這九個頻率會與臨床聽 力檢查頻率較為相近,進而達成共振條件,而 5kHz、7kHz 和 8kHz 這三個頻率則與臨床聽力檢查頻率相差較大。而植入式骨導助聽器的 振動器與乳突部自然頻率達成共振現象,將有助於聲音在骨傳導的傳 遞中能夠提供更好的放大率,所以模態分析的目的是希望能夠提供醫

(33)

師在針對病患植入骨導助聽器時的一個術前的評估的首要工作。表 2-2 為乳突部自然頻率與臨床聽力檢查頻率模態分析果。

(34)

(b) (a)

(d) (c)

(f) (e)

圖 2-10 乳突部在 125/250/500/750/1k/2kHz 模態振形

(35)

(h) (g)

(j) (i)

(l) (k)

圖2-11 乳突部在 3k/4k/5k/6k/7k/8kHz 模態振形

(36)

表2-2 為乳突部自然頻率與臨床聽力檢查頻率模態分析果

部位

測試頻率 乳突部

125 HZ

250 HZ

500 HZ

750 HZ

1k HZ

2k HZ

3k HZ

4k HZ

5k HZ

-

6k HZ

7k HZ

-

8k HZ

-

乳突部自然頻率與臨床聽力檢查頻率達成共振條件(±20Hz)

(37)

2.2.2 調和外力分析結果

在調和外力分析結果中,針對乳突部表面上三個區域位置,分為 上、中、下三部位做探討,分別位於耳道15 度、0 度及-15 度部分,

給予聲壓 20dB-SPL(0.0002N/m

2

) 及 70dB-SPL(0.0632N/m

2

)之負載作 用於各區域面積上,以及由BAHA 所產生的振動力約為 550 克(5.39N) 去檢視乳突部上特定節點,從 12 個頻率中於 125Hz 至 8kHz 範圍內 頻率與振幅的響應檢視其結果。表 2-3 乳突部表面上 BAHA 振動器 所裝置之各區域面積。圖 2-12 為聲壓 20dB 於乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度區域頻率響應圖。圖 2-13 為聲壓 70dB 於乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度區域頻率響應圖。圖 2-14 為 BAHA 振動力 550 克於 乳突部表面在15 度、0 度及-15 度區域頻率響應圖。

由圖2-12 可知,聲壓為 20dB-SPL 時,在 15 度、0 度及-15 度三 區域位置由頻率響應圖可看出在乳突部表面位置位於 15 度區域距離 耳道35mm 處,聲音在透過骨傳導傳遞時,在此處所呈現出來的效果 會優於其它兩區域位置,頻率大約接近於 2.5kHz,而在高於 2.5kHz 時的高頻部分則是有遞減的趨勢,聲音的放大率將會逐漸減小。

由圖2-13 可知,聲壓為 70dB-SPL 時,由頻率響應圖可看出在乳 突部表面位置位於15 度區域距離耳道 35mm 處,在 15 度、0 度及-15 度三區域位置所呈現出來的效果會優於其它兩區域位置,頻率大約接

(38)

近於 2.5kHz,而在高於 2.5kHz 時的高頻部分則是有遞減的趨勢,聲 音的放大率將會逐漸減小。由兩刺激音做比較可以發現,刺激音的大 小並不會影響骨傳導的頻率改變,而唯一會改變的只有振動幅度的大 小。

由圖 2-14 可知,BAHA 的振動力為 550 克時,由頻率響應圖可 看出在乳突部表面位置位於15 度區域距離耳道 35mm 處,在 15 度、

0 度及-15 度三區域位置所呈現出來的效果會優於其它兩區域位置,

頻率大約接近於 2.5kHz,而在高於 2.5kHz 時的高頻部分則是有遞減 的趨勢,聲音的放大率將會逐漸減小。

(39)

表2-3 乳突部表面上 BAHA 振動器所裝置之各區域面積

區域位置 面積

15 度 30mm 處 16.577mm

2

15 度 35mm 處 13.683 mm

2

15 度 40mm 處 21.048 mm

2

0 度 35mm 處 25.959 mm

2

0 度 40mm 處 23.878 mm

2

0 度 45mm 處 32.884 mm

2

-15 度 30mm 處 28.716 mm

2

-15 度 35mm 處 19.218 mm

2

-15 度 40mm 處 23.957 mm

2

(40)

100 1000 10000

Frequency(Hz)

1E-024 1E-023 1E-022 1E-021 1E-020 1E-019 1E-018 1E-017 1E-016 1E-015 1E-014 1E-013 1E-012 1E-011

A mp litud e(mm )

mastoid_20dB 15degree_30mm 15degree_35mm 15degree_40mm 0degree_35mm 0degree_40mm 0degree_45mm -15degree_30mm -15degree_35mm -15degree_40mm

圖2-12 聲壓 20 dB 於乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度各區域之頻 率響應圖

100 1000 10000

Frequency(Hz)

1E-022 1E-021 1E-020 1E-019 1E-018 1E-017 1E-016 1E-015 1E-014 1E-013 1E-012 1E-011 1E-010 1E-009

Amp li tu de(m m )

mastoid_70dB 15degree_30mm 15degree_35mm 15degree_40mm 0degree_35mm 0degree_40mm 0degree_45mm -15degree_30mm -15degree_35mm -15degree_40mm

圖2-13 聲壓 70 dB 於乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度各區域之頻 率響應圖

(41)

1E-010 1E-009 1E-008 1E-007 1E-006 1E-005 0.0001 0.001 0.01 0.1

Amp li tu de (m m )

圖2-14 BAHA 振動力 550 克於乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度各 區域之頻率響應圖

mastoid_550g 15degree_30mm 15degree_35mm 15degree_40mm 0degree_35mm 0degree_40mm 0degree_45mm -15degree_30mm -15degree_35mm -15degree_40mm

100 1000 10000

Frequency(Hz)

(42)

第三章 植入式骨導助聽器於活體顳骨之振動特 性分析

採用非侵入分析方式,以有限元素重建探討活體顳骨(temporal bone)振動動態分析。利用電腦斷層掃描影像,透過 Amira

®

重建立體 影像模組,以便獲取顳骨之幾何外形尺寸,在由 ANSYS

®

建立有限元 素模組,將探討植入式骨導助聽器於顳骨乳突部上裝置區域對於聽力 狀態的影響,並且由病患所裝置振動器的耳稱為近耳,去觀察聲音透 過振動器傳入近耳耳蝸的聽力狀態影響。有限元素分析分為模態分析 及調和外力分析兩部分,去探討125Hz、250Hz、500Hz、750Hz、1kHz、

2kHz、3kHz、4kHz、5kHz、6kHz、7kHz 及 8kHz 這 12 個頻率下的 振動特性及頻率響應。

而在調和外力分析中以音壓(sound press level, SPL)去模擬聲音 的強度,以「分貝(decibel, dB)值」描述。但分貝並非描述聲音大小,

而是兩音壓的相對強度。因此聲音的強度以分貝表示可得到音壓分貝 數,公式如下所示:

dBSPL(音壓分貝數)=20log

0

P P

⎛ ⎞

⎜ ⎟

⎝ ⎠

(3.1) 其中P 是指測得的音壓數據,P

0

是參考值數據為2×10

-5

Newton/m

2

(43)

3.1 研究方法

本研究透過醫學影像軟體Amira

®

去進行影像處理流程,如圖 3-1 所示,並且利用有限元素分析軟體ANSYS

®

去進行活體顳骨的模態分 析以及調和外力分析[15-16]。模態分析主要是探討乳突部顳骨的自然 振動頻率與振動模態。調和外力分析主要是探討於顳骨乳突部上各點 區域面積上施予聲壓20dB-SPL(0.0002N/m

2

)、70dB-SPL(0.0632N/m

2

) 及由 BAHA 所產生的振動力約為 550 克(5.39N),去檢視頻率與振幅 響應,並且不考慮軟組織部分,而是直接將聲壓施加予骨頭上。

(44)

由長庚醫院取得病患電腦斷層掃描影像資料

透過醫學軟體AMIRA 去重建顳骨 3D 立體影像

將重建完顳骨模型進行簡化及平滑化處理動作

輸出STL 檔案匯入 CAD 軟體檢視破裂面

有破裂面產生重回AMIRA 修改無破裂面則匯出 SAT 檔

透過有限元素軟體ANSYS 建立有限元素模型

圖3-1 顳骨影像處理流程

(45)

在影像處理中由長庚醫院透過電腦斷層掃描而擷取病患顳骨之 CT 影像圖,如圖 3-2 所示,病患為 39 歲女性患者,左右耳聽力皆為 正常,但有耳鳴現象的產生,而影像部分總共擷取797 張 CT 影像包 含整顆頭骨部分,每張 CT 影像的厚度為 0.3mm,影像解析度為 512×512 畫素組成,每格畫素大小為 0.406mm×0.406mm,使用影像 處理分割把所需部位用 brush 和 Magic Wand 圈選出,在應用雜訊去 除、影像強化等影像處理技術,先找出顳骨邊界,才可以依原樣重建 出其空間分佈模型來,再透過Surface Gen 的計算工具將所圈選出 2-D 截面去建立起 3D 立體模組,由圖 3-3 所示。在重建出 3D 立體模型 後,因為模型的點(point)和面(surface)過於龐大在往後分析計算方面 上,將會花費過多的時間,所以透過 Amira

®

裡的 Simplifier 功能,去 做模型的簡化動作,由圖3-4 所示,縮減後的體積僅與原來體積誤差 率在0.58%以內。

再透過Smooth Surface 去做表面平滑化的處理技術,避免重建出 來的顳骨會有奇異點的發生,並且在平滑化處理後能讓重建出的乳突 部更接近活體人類的骨頭,如圖3-5 所示,平滑化處理後的體積僅與 原來體積誤差率在 0.62%以內。由 CT 影像之輪廓進行 3D 重建取得 所需邊界後,在進行三維幾何外形計算,則需將各斷面(slice)之曲線 轉換為曲面及結合各斷面間的間距,以計算顳骨之 3D 幾何外形尺

(46)

寸,如表3-1 所示為顳骨模型之幾何外型尺寸,最候在將所重建出的 3D 立體影像模組經由 CAD 軟體將 STL 格式轉換輸出為 SAT 格式之 圖檔,如圖3-6 所示,匯入於有限元素分析軟體 ANSYS

®

中。

在有限元素分析方面,顳骨是採用 Solid92 10-Node 四面體之三 角錐元素,並以自由網格方式建立顳骨之有限元素模型,如圖 3-7 所 示 。 在 材 料 參 數 方 面 給 予 楊 式 係 數 為 1.5×10

4

(N/mm

2

) , 密 度 為 3×10

-3

(kg/mm

3

),卜松比為0.3[17-18]。顳骨總共具備了 8,623 個元素 及 14,600 個節點數。在模態分析方面將顳骨採取自由邊界(free-free) 條件,以Block Lanczos 求解法,求取模態解,目的在於了解顳骨在 125Hz、250Hz、500Hz、750Hz、1kHz、2kHz、3kHz、4kHz、5kHz、

6kHz、7kHz 及 8kHz 這 12 個頻率下的自由振動動態特性。其中,該 頻率係為臨床聽力檢查時所採用之標準音頻。

在調和外力分析方面,將顳骨相鄰於各骨邊界上,固定 X、Y、

Z 三方向的自由度,如圖 3-8 所示,並以全解法(full method)求解,

於耳道處建立一區域座標系統,此區域座標系統是根據耳道表面中心 處去定義區域座標,並在耳道水平處定義為 0 度,將探討在顳骨乳突 部表面上的部分,以及觀察聲音傳入近耳中耳蝸的反應,如圖 3-9 所 示為近耳中耳蝸位置,圖3-10 為聲壓傳入近耳中所觀察耳蝸的部位。

顳骨乳突部表面將分為上、中、下三部位做探討,上部位則是取位於

(47)

耳道15 度時距離為 30mm、35mm、40mm 區域;中部位則是取位於 耳道 0 度時距離為 35mm、40mm、45mm 區域;下部位則是取位於 耳道-15 度時距離為 30mm、35mm、40mm 區域,如圖 3-11 所示,分 別給予這些區域的聲壓值為 20dB-SPL、70 dB-SPL,及由 BAHA 所 產生的振動力約為550 克,去檢視在 12 個頻率下的頻率與振福響應。

(48)

圖3-2 顳骨 CT 影像圖

圖3-3 顳骨 3D 立體影像圖

(49)

圖3-4 顳骨簡化後立體影像圖

圖3-5 顳骨平滑化處理後立體影像圖

(50)

表3-1 顳骨模型之幾何外型尺寸 面積

(mm

2

)

體積 (mm

3

)

面 點 與原體積比較 誤差率 原幾何外型

尺寸 18,065 37,700 383,378 191,692 簡化後幾何

外型尺寸 15,452 37,481 3,000 1,498 0.58%

平滑化處理 後幾何外型 尺寸

14,739 37,466 3,000 1,498 0.62%

圖3-6 顳骨 3D 模型透過 CAD 軟體檢視有無破裂面存在

(51)

圖3-7 乳突部之有限元素模型

圖3-8 顳骨相鄰各骨邊界固定三方向自由度

(52)

圖3-9 位於顳骨近耳中耳蝸位置圖

圖 3-10 聲壓傳入近耳中所觀察耳蝸的部位

(53)

15

-15

圖3-11 位於顳骨乳突部上所施予聲壓的區域位置

(54)

3.2 結果與討論

目前已由長庚醫院取的病患頭骨電腦斷層掃描,在影像前置作業 已完成重建顳骨之3D 立體影像。利用 ANSYS

®

針對顳骨進行模態分 析及調和外力分析,主要是了解結構自然頻率是否與外力頻率亦產生 共振現象,因而透過 ANSYS

®

以掃頻方式求解,將檢視 125Hz、

250Hz、500Hz、750Hz、1kHz、2kHz、3kHz、4kHz、5kHz、6kHz、

7kHz 及 8kHz 這 12 個頻率下的振動特性及頻率響應。

3.2.1 模態分析結果

在模態分析結果中,因採用自由邊界條件,前六個模態頻率為剛 體運動固頻率幾乎為零,並透過 Block Lanczos 去檢視 125/250/500/

750/1k/2k/3k/4k/5k/6k/7k/8k 這 12 個頻率下顳骨振動模態響應及振 形。圖 3-12 為顳骨在 125/250/500/750/1k/2kHz 模態振形,圖 3-13 為 顳骨在3k/4k/5k/6k/7k/8kHz 模態振形。

而 12 個自然頻率下的分析結果中,125Hz、250Hz、500Hz、

750Hz、1kHz、2kHz、3kHz、4kHz、5kHz、6kHz 和 7kHz 這十一個

頻率會與臨床聽力檢查頻率較為相近,進而達成共振條件,,而在 8kHz 時則與臨床聽力檢查頻率相差較大。而植入式骨導助聽器的振 動器與顳骨自然頻率達成共振現象,將有助於聲音在骨傳導的傳遞中 能夠提供更好的放大率,所以模態分析的目的是希望能夠提供醫師在

(55)

針對病患植入骨導助聽器時的一個術前的評估的首要工作。表 3-2 為 顳骨自然頻率與臨床聽力檢查頻率模態分析果。

(56)

圖 3-12 顳骨在 125/250/500/750/1k/2kHz 模態振形

(57)

圖 3-13 顳骨在 3k/4k/5k/6k/7k/8kHz 模態振形

(58)

表3-2 顳骨自然頻率與臨床聽力檢查頻率模態分析果

部位

測試頻率 顳骨

125 HZ

250 HZ

500 HZ

750 HZ

1k HZ

2k HZ

3k HZ

4k HZ

5k HZ

6k HZ

7k HZ

8k HZ

-

顳骨自然頻率與臨床聽力檢查頻率達成共振條件(±20Hz)

(59)

3.2.2 調和外力分析結果

在調和外力分析結果中,針對顳骨乳突部表面上三個區域位置,

分為上、中、下三部位做探討,分別位於耳道15 度、0 度及-15 度部 分,給予聲壓 20dB-SPL(0.0002N/m

2

)及 70dB-SPL(0.0632N/m

2

)之負載 作用於各區域面積上,以及由 BAHA 所產生的振動力約為 550 克 (5.39N)去檢視顳骨乳突部上特定節點,從 12 個頻率中於 125Hz 至 8kHz 範圍內頻率與振幅的響應檢視其結果,並且去觀察聲音透過振

動器傳入近耳耳蝸中的聽力狀態影響。表 3-3 顳骨乳突部表面上 BAHA 振動器所裝置之各區域面積。圖 3-14 為聲壓 20dB 於顳骨乳突 部表面在15 度、0 度及-15 度區域頻率響應圖。圖 3-15 為聲壓 70dB 於顳骨乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度區域頻率響應圖。圖 3-16 為 BAHA 振動力 550 克於顳骨乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度區 域頻率響應圖。圖 3-17 為聲壓 20dB 於顳骨乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度區域傳入近耳耳蝸之頻率響應圖。圖 3-18 為聲壓 70dB 於 顳骨乳突部表面在15 度、0 度及-15 度區域傳入近耳耳蝸之頻率響應 圖。圖 3-19 為 BAHA 振動力 550 克於顳骨乳突部表面在 15 度、0 度 及-15 度區域傳入近耳耳蝸之頻率響應圖。

在顳骨乳突部表面部分中,由圖3-14 可知,聲壓為 20dB-SPL 時,

在15 度、0 度及-15 度三區域位置由頻率響應圖可看出在顳骨乳突部

(60)

表面位置位於 15 度區域距離耳道 35mm 處,聲音在透過骨傳導傳遞 時,在此處所呈現出來的效果會優於其它兩區域位置,頻率大約接近 於 2.5kHz,而在高於 2.5kHz 時的高頻部分則是有遞減的趨勢,聲音 的放大率將會逐漸減小。

由圖3-15 可知,聲壓為 70dB-SPL 時,由頻率響應圖可看出在顳 骨乳突部表面位置位於15 度區域距離耳道 35mm 處,在 15 度、0 度 及-15 度三區域位置所呈現出來的效果會優於其它兩區域位置,頻率 大約接近於 2.5kHz,而在高於 2.5kHz 時的高頻部分則是有遞減的趨 勢,聲音的放大率將會逐漸減小。由兩刺激音做比較可以發現,刺激 音的大小並不會影響骨傳導的頻率改變,而唯一會改變的只有振動幅 度的大小。

由圖 3-16 可知,BAHA 的振動力為 550 克時,由頻率響應圖可 看出在顳骨乳突部表面位置位於15 度區域距離耳道 35mm 處,在 15 度、0 度及-15 度三區域位置所呈現出來的效果會優於其它兩區域位 置,頻率大約接近於 2.5kHz,而在高於 2.5kHz 時的高頻部分則是有 遞減的趨勢,聲音的放大率將會逐漸減小。

(61)

表3-3 顳骨乳突部表面上 BAHA 振動器所裝置之各區域面積

區域位置 面積

15 度 30mm 處 78.739 mm

2

15 度 35mm 處 22.101 mm

2

15 度 40mm 處 21.048 mm

2

0 度 35mm 處 44.757 mm

2

0 度 40mm 處 87.051 mm

2

0 度 45mm 處 101.768 mm

2

-15 度 30mm 處 77.702 mm

2

-15 度 35mm 處 73.852 mm

2

-15 度 40mm 處 85.174 mm

2

(62)

100 1000 10000

Frequency(Hz)

1E-024 1E-023 1E-022 1E-021 1E-020 1E-019 1E-018 1E-017 1E-016 1E-015 1E-014 1E-013 1E-012 1E-011

Amp li tu de(m m )

temporal bone_20dB 15degree_30mm 15degree_35mm 15degree_40mm 0degree_35mm 0degree_40mm 0degree_45mm -15degree_30mm -15degree_35mm -15degree_40mm

100 1000 10000

Frequency(Hz)

1E-022 1E-021 1E-020 1E-019 1E-018 1E-017 1E-016 1E-015 1E-014 1E-013 1E-012 1E-011 1E-010 1E-009

Am pli tu de (mm)

圖3-14 聲壓 20dB 於顳骨乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度各區域 之頻率響應圖

temporal bone_70dB 15degree_30mm 15degree_35mm 15degree_40mm 0degree_35mm 0degree_40mm 0degree_45mm -15degree_30mm -15degree_35mm -15degree_40mm

圖3-15 聲壓 70dB 於顳骨乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度各區域 之頻率響應圖

(63)

1E-010 1E-009 1E-008 1E-007 1E-006 1E-005 0.0001 0.001 0.01 0.1

Amp li tu de (m m )

圖3-16 BAHA 振動力 550 克於顳骨乳突部表面在 550N 15 度、0 度 及-15 度各區域之頻率響應圖

temporal bone_550g 15degree_30mm 15degree_35mm 15degree_40mm 0degree_35mm 0degree_40mm 0degree_45mm -15degree_30mm -15degree_35mm -15degree_40mm

100 1000 10000

Frequency(Hz)

(64)

在顳骨近耳部分中,由圖 3-17 可知,聲壓為 20dB-SPL 時,在 15 度、0 度及-15 度三區域位置,聲音透過振動器傳入近耳耳蝸內的 聽力狀態影響,由頻率響應圖可看出頻率約接近於2 kHz 時為一個分 界處,可以看出頻率在高於 2 kHz 時振動幅度則是向下遞減,能量被 消耗許多,而聲音的放大率將會逐漸減小,而在高頻的部分也就相對 的受到影響。

由圖 3-18 可知,聲壓為 70dB-SPL 時,在 15 度、0 度及-15 度三 區域位置,聲音透過振動器傳入近耳耳蝸內的聽力狀態影響,由頻率 響應圖可看出頻率約接近於2 kHz 時為一個分界處,可以看出頻率在 高於2 kHz 時振動幅度則是向下遞減,能量被消耗許多,聲音的放大 率將會逐漸減小,而在高頻的部分也就相對的受到影響。由兩刺激音 做比較可以發現,刺激音的大小在傳入近耳耳蝸中並不會影響到骨傳 導的頻率改變,而唯一改變的只有振動幅度的大小。

由圖 3-19 可知,BAHA 的振動力 550 克時,在 15 度、0 度及-15 度三區域位置,聲音透過振動器傳入近耳耳蝸內的聽力狀態影響,由 頻率響應圖可看出頻率約接近於2 kHz 時為一個分界處,可以看出頻 率在高於2 kHz 時振動幅度則是向下遞減,能量被消耗許多,聲音的 放大率將會逐漸減小,而在高頻的部分也就相對的受到影響。

(65)

100 1000 10000

Frequency(Hz)

1E-034 1E-032 1E-030 1E-028 1E-026 1E-024 1E-022 1E-020 1E-018 1E-016 1E-014 1E-012

Am pli tu de (mm)

temporal bone_20dB_near ear 15degree_30mm 15degree_35mm 15degree_40mm 0degree_35mm 0degree_40mm 0degree_45mm -15degree_30mm -15degree_35mm -15degree_40mm

100 1000 10000

Frequency(Hz)

1E-032 1E-030 1E-028 1E-026 1E-024 1E-022 1E-020 1E-018 1E-016 1E-014 1E-012 1E-010 1E-008

Am pli tu de (mm)

圖3-17 聲壓 20dB 於顳骨乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度各區域 傳入近耳耳蝸之頻率響應圖

temporal bone_70dB_near ear 15degree_30mm 15degree_35mm 15degree_40mm 0degree_35mm 0degree_40mm 0degree_45mm -15degree_30mm -15degree_30mm -15degree_30mm

圖3-18 聲壓 70dB 於顳骨乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度各區域 傳入近耳耳蝸之頻率響應圖

(66)

100 1000 10000

Frequency(Hz)

1E-024 1E-022 1E-020 1E-018 1E-016 1E-014 1E-012 1E-010 1E-008 1E-006 0.0001 0.01

Am pli tu de (mm)

temporal bone_550g_near ear 15degree_30mm 15degree_35mm 15degree_40mm 0degree_35mm 0degree_40mm 0degree_45mm -15degree_30mm -15degree_35mm -15degree_40mm

圖3-19 BAHA 振動力 550 克於顳骨乳突部表面在 550N 15 度、0 度 及-15 度各區域傳入近耳耳蝸之頻率響應圖

(67)

第四章 植入式骨導助聽器於活體頭骨之振動特 性分析

採用非侵入分析方式,以有限元素重建探討活體頭骨(skull)振動 動態分析。利用電腦斷層掃描影像,透過Amira

®

重建立體影像模組,

以便獲取頭骨之幾何外形尺寸,在由ANSYS

®

建立有限元素模組,將 探討植入式骨導助聽器於頭骨乳突部上裝置區域對於聽力狀態的影 響,並且由病患所裝置振動器的耳稱為近耳,未裝置振動器另ㄧ之耳 稱為遠耳,去觀察聲音透過振動器傳入近耳耳蝸遠及耳耳蝸的聽力狀 態影響。有限元素分析分為模態分析及調和外力分析兩部分,去探討 125Hz、250Hz、500Hz、750Hz、1kHz、2kHz、3kHz、4kHz、5kHz、

6kHz、7kHz 及 8kHz 這 12 個頻率下的振動特性及頻率響應。

而在調和外力分析中以音壓(sound press level, SPL)去模擬聲音 的強度,以「分貝(decibel, dB)值」描述。但分貝並非描述聲音大小,

而是兩音壓的相對強度。因此聲音的強度以分貝表示可得到音壓分貝 數,公式如下所示:

dBSPL(音壓分貝數)=20log

0

P P

⎛ ⎞

⎜ ⎟

⎝ ⎠

(4.1) 其中P 是指測得的音壓數據,P

0

是參考值數據為2×10

-5

Newton/m

2

(68)

4.1 研究方法

本研究透過醫學影像軟體Amira

®

去進行影像處理流程,如圖4-1 所示,並且利用有限元素分析軟體ANSYS

®

去進行活體頭骨的模態分 析以及調和外力分析。模態分析主要是探討頭骨的自然振動頻率與振 動模態。調和外力分析主要是探討於頭骨乳突部上各點區域面積上施 予聲壓 20dB-SPL(0.0002N/m

2

)、70dB-SPL(0.0632N/m

2

)及由 BAHA 所產生的振動力約為550 克(5.39N),去檢視頻率與振幅響應,並且不 考慮軟組織部分,而是直接將聲壓施加予骨頭上。

(69)

由長庚醫院取得病患電腦斷層掃描影像資料

透過醫學軟體AMIRA 去重建頭骨 3D 立體影像

將重建完頭骨模型進行簡化及平滑化處理動作

輸出STL 檔案匯入 CAD 軟體檢視破裂面

有破裂面產生重回AMIRA 修改無破裂面則匯出 SAT 檔

透過有限元素軟體ANSYS 建立有限元素模型

圖4-1 頭骨影像處理流程

(70)

在影像處理中由長庚醫院透過電腦斷層掃描而擷取病患頭骨之 CT 影像圖,如圖 4-2 所示,病患為 39 歲女性患者,左右耳聽力皆為 正常,但有耳鳴現象的產生,而影像部分總共擷取797 張 CT 影像,

每張CT 影像的厚度為 0.3mm,影像解析度為 512×512 畫素組成,每 格畫素大小為 0.406mm×0.406mm,使用影像處理分割把所需部位用 brush 和 Magic Wand 圈選出,在應用雜訊去除、影像強化等影像處理 技術,先找出頭骨邊界,才可以依原樣重建出其空間分佈模型來,再 透過 Surface Gen 的計算工具將所圈選出 2-D 截面去建立起 3D 立體 模組,由圖4-3 所示。在重建出 3D 立體模型後,因為模型的點(points) 跟面(surface)過於龐大在往後分析計算方面上,將會花費過多的時 間,所以透過Amira

®

裡的Simplifier 功能,去做模型的簡化動作,由 圖4-4 所示,縮減後的體積僅與原來體積誤差率在 0.95%以內。

再透過Smooth Surface 去做表面平滑化的處理技術,避免重建出 來的頭骨會有奇異點的發生,並且在平滑化處理後能讓重建出的頭骨 更接近活體人類的骨頭,如圖 4-5 所示,平滑化處理後的體積僅與原 來體積誤差率在 0.53%以內。由 CT 影像之輪廓進行 3D 重建取得所 需邊界後,在進行三維幾何外形計算,則需將各斷面(slice)之曲線轉 換為曲面及結合各斷面間的間距,以計算頭骨之3D 幾何外形尺寸,

如表 4-1 所示為頭骨模型之幾何外型尺寸,最候在將所重建出的 3D

(71)

立體影像模組經由 CAD 軟體將 STL 格式轉換輸出為 SAT 格式之圖 檔,如圖4-6 所示,匯入於有限元素分析軟體 ANSYS

®

中。

在有限元素分析方面,頭骨是採用 Solid92 10-Node 四面體之三 角錐元素,並以自由網格方式建立頭骨之有限元素模型,如圖 4-7 所 示 。 在 材 料 參 數 方 面 給 予 楊 式 係 數 為 1.5×10

4

(N/mm

2

) , 密 度 為 3×10

-3

(kg/mm

3

),卜松比為 0.3[17-18]。頭骨總共具備了 11,873 個元 素及21,962 個節點數。在模態分析方面將頭骨採取自由邊界(free-free) 條件,以Block Lanczos 求解法,求取模態解,目的在於了解頭骨在 125Hz、250Hz、500Hz、750Hz、1kHz、2kHz、3kHz、4kHz、5kHz、

6kHz、7kHz 及 8kHz 這 12 個頻率下的自由振動動態特性。其中,該 頻率係為臨床聽力檢查時所採用之標準音頻。

在調和外力分析方面,以全解法(full method)求解,於耳道處建 立一區域座標系統,此區域座標系統是根據所建出之顳骨模型去定義 耳道表面中心處之區域座標,並在耳道水平處定義為 0 度,將探討在 頭骨乳突部表面上的部分,並觀察聲壓傳入近耳耳蝸中及遠耳耳蝸中 的反應,如圖4-8 所示為近耳及遠耳示意圖,圖 4-9 所示為頭骨近耳 及遠耳中耳蝸位置圖,圖 4-10 為聲壓傳入近耳及遠耳中所觀察耳蝸 的部位。頭骨乳突部表面將分為上、中、下三部位做探討,上部位則 是取位於耳道15 度時距離為 30mm、35mm、40mm 區域;中部位則

(72)

是取位於耳道 0 度時距離為 35mm、40mm、45mm 區域;下部位則 是取位於耳道-15 度時距離為 30mm、35mm、40mm 區域,如圖 4-11

所示,分別給予這些區域的聲壓值為 20dB-SPL、70 dB-SPL,及由 BAHA 所產生的振動力約為 550 克,去檢視在 12 個頻率下的頻率與 振福響應。

(73)

圖4-2 頭骨 CT 影像圖

圖4-3 頭骨 3D 立體影像圖

(74)

圖4-4 頭骨簡化後立體影像圖

圖4-5 頭骨平滑化處理後立體影像圖

(75)

表4-1 頭骨模型之幾何外型尺寸 面積

(mm

2

)

體積 (mm

3

)

面 點 與原體積比較 誤差率 原幾何外型

尺寸 212,275 643,311 4,300,916 2,150,417 簡化後幾何

外型尺寸 181,526 637,229 5,998 2,969 0.95%

平滑化處理 後幾何外型 尺寸

176,089 639,983 5,998 2,969 0.53%

圖4-6 頭骨 3D 模型透過 CAD 軟體檢視有無破裂面存在

(76)

圖4-7 頭骨之有限元素模型

圖4-8 近耳及遠耳示意圖

(77)

圖4-9 頭骨近耳及遠耳中耳蝸位置圖

圖 4-10 聲壓傳入(a)近耳(b)遠耳中所觀察耳蝸的部位 (b)

(a)

(78)

圖 4 域位置

15

-15

-11 位於頭骨乳突部上所施予聲壓的區

(79)

4.2 結果與討論

目前已由長庚醫院取的病患頭骨電腦斷層掃描,在影像前置作業 完成重建頭骨之3D 立體影像。利用 ANSYS

®

針對頭骨進行模態分 及調和外力分析,主要是了解結構自然頻率是否與外力頻率亦產生 振現象,因而透過 AN S 以掃頻方式求解,將檢視 125Hz、

0Hz、500Hz、750Hz、1kHz、2kHz、3kHz、4kHz、5kHz、6kHz、

Hz 及 8kHz 這 12 個頻率下的振動特性及頻率響應。

4.2.1 模態分析結果

在模態分析結果中,因採用自由邊界條件,前六個模態頻率為剛 體運動固頻率幾乎為零,並透過 Block Lanczos 去檢視 125/250/500/

750/1k/2k/3k/4k/5k/6k/7k/8k 這 12 個頻率下頭骨振動模態響應及振 形。圖 3-12 為頭骨在 125/250/500/750/1k/2kHz 模態振形,圖 3-13 為 頭骨在3k/4k/5k/6k/7k/8kHz 模態振形。

而 12 個自然頻率下的分析結果中,125Hz、250Hz、500Hz、

750Hz、1kHz、2kHz、3kHz 和 4kHz 這八個頻率會與臨床聽力檢查頻 率較為相近,進而達成共振條件,而 5kHz、6kHz、7kHz 和 8kHz 這 四個頻率則與臨床聽力檢查頻率相差較大。而植入式骨導助聽器的振 動器與頭骨自然頻率達成共振現象,將有助於聲音在骨傳導的傳遞中

已 析

SY

®

25 7k

(80)

針對病患植入骨導助聽器時的一個術前的評估的首要工作。表 4-2 為 頭骨自然頻率與臨床聽力檢查頻率模態分析果。

(81)

圖 4-12 頭骨在 125/250/500/750/1k/2kHz 模態振形

(82)

圖 4-13 頭骨在 3k/4k/5k/6k/7k/8kHz 模態振形

(83)

表4-2 頭骨自然頻率與臨床聽力檢查頻率模態分析果

部位

試頻率 頭骨

125 HZ

250 HZ

500 HZ

750 HZ

1k HZ

2k HZ

3k HZ

4k HZ

5k HZ

-

6k HZ

-

7k HZ

-

8k HZ

-

頭骨自然頻率與臨床聽力檢查頻率達成共振條件(±20Hz)

(84)

4.2.2 調

頭骨乳突部表 個區域位置,

分為上、中、 ,分別位於耳道15 0 度及-15 度部 分,給予聲壓 PL(0.0002N/m

2

) 及 70dB-SPL(0.0632N/m

2

)之負 載作用於各區域面積上,以及由 BAHA 所產生的振動力約為 550 克 (5.39N)去檢視頭骨乳突部上特定節點,從 12 個頻率中於 125Hz 至 8kHz 範圍內頻率與振幅的響應檢視其結果,並且去觀察聲音透過振 動器傳入近耳 遠耳耳蝸中的聽力狀態影響 表 4-3 頭骨乳突 部表面上表B 動器所裝置之各區域面積。圖 14 為聲壓 20dB 於頭骨乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度區域頻率響應圖。圖 4-15 為聲壓 70dB 於頭骨乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度區域頻率響應 圖。圖 4-16 為 BAHA 振動力 550 克於頭骨乳突部表面在 15 度、0 度 及-15 度區域頻率響應圖。圖 4-17 為聲壓 20dB 於頭骨乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度區域傳入近耳耳蝸之頻率響應圖。圖 4-18 為聲壓 70dB 於頭骨乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度區域傳入近耳耳蝸之 頻率響應圖。圖4-19 為 BAHA 振動力 550 克於頭骨乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度區域傳入近耳耳蝸之頻率響應圖。圖 4-20 為聲壓 20dB 於頭骨乳突部表面在15 度、0 度及-15 度區域傳入遠耳耳蝸之頻率響 應圖。圖4-21 為聲壓 70dB 於頭骨乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度

和外力分析結果

在調和外力分析結果中,針對 面上三

下三部位做探討 度、

20dB-S

耳蝸中及 。

AHA 振 4-

(85)

區域傳入遠耳耳蝸之頻率響應圖。圖4-22 為 BAHA 振動力 550 克於 頭骨乳突部表面在15 度、0 度及-15 度區域傳入遠耳耳蝸之頻率響應 圖。

在頭骨乳突部表面部分中,由圖 4-14 可知,聲壓為 20dB-SPL 時,

在15 度、0 度及-15 度三區域位置由頻率響應圖可看出在顳骨乳突部 表面位置位於 15 度區域距離耳道 40mm 處,聲音在透過骨傳導傳遞 時,在此處所呈現出來的效果會優於其它兩區域位置,頻率大約接近 於5kHz,而在高於 5kHz 時的高頻部分則是有遞減的趨勢,聲音的放 大率將會逐漸減小。

由圖 4-15 可知,聲壓為 70dB-SPL 時,在 15 度、0 度及-15 度三 區域位置由頻率響應圖可看出在顳骨乳突部表面位置位於 15 度區域 距離耳道40mm 處,聲音在透過骨傳導傳遞時,在此處所呈現出來的 效果會優於其它兩區域位置,頻率大約接近於5kHz,而在高於 5kHz 時的高頻部分則是有遞減的趨勢,聲音的放大率將會逐漸減小。由兩 刺激音做比較可以發現,刺激音的大小並不會影響骨傳導的頻率改 變,而唯一會改變的只有振動幅度的大小。

由圖 4-16 可知,BAHA 的振動力為 550 克時,由頻率響應圖可 看出在頭骨乳突部表面位置位於15 度區域距離耳道 35mm 處,在 15 度、0 度及-15 度三區域位置所呈現出來的效果會優於其它兩區域位

(86)

置,頻率大約接近於5kHz,而在高於 5kHz 時的高頻部分則是有遞減 的趨勢,聲音的放大率將會逐漸減小。

(87)

表4-3 頭骨乳突部表面上 BAHA 振動器所裝置之各區域面積

區域位置 面積

15 度 30mm 處 18.827 mm

2

15 度 35mm 處 36.805 mm

2

15 度 40mm 處 46.433 mm

2

0 度 35mm 處 71.887 mm

2

0 度 40mm 處 38.140 mm

2

0 度 45mm 處 22.308 mm

2

-15 度 30mm 處 36.911 mm

2

-15 度 35mm 處 55.403 mm

2

-15 度 40mm 處 22.132 mm

2

(88)

1E-011

1E-024 1E-0 1E-0 1E-0 1E-0 1E-019 1E-0 1E-017 1E-0 1E-015 1E-014 1E-013 1E-012

Am pli tu de (mm)

100 1000 10000

Frequency(Hz)

23 22 21 20 18 16

skull_20dB 15degree_30mm 15degree_35mm 15degree_40mm 0degree_35mm 0degree_40mm 0degree_45mm -15degree_30mm -15degree_35mm -15degree_40mm

100 1000 10000

Frequency(Hz)

1E-022 1E-021 1E-020 1E-019 1E-018 1E-017 1E-016 1E-015 1E-014 1E-013 1E- 1E-011 1E- 1E-

Am pli tu de (mm)

012 010 009

skull_70dB 15degree_30mm 15degree_35mm 15degree_40mm 0degree_35mm 0degree_40mm 0degree_45mm -15degree_30mm -15degree_35mm -15degree_40mm

圖4-14 骨乳突部表面在15 度、 度各區域

圖4-15 聲壓 70dB 於頭骨乳突部表面在 15 度、0 度及-15 度各區域 之頻率響應圖

聲壓20dB 於頭 0 度及-15

之頻率響應圖

Figure

Updating...

References

Related subjects :