Novel design of transducer for bone conduction use
Kemik iletiminde kullanılacak yeni bir dönüştürücü tasarımı
- Tez No: 818973
- Danışmanlar: PROF. DR. FATMA İNCİ ÇİLESİZ, DOÇ. DR. SABİNE REİNFELDT
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyomühendislik, Bioengineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Anabilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 95
Özet
İşitme kaybı tüm dünya genelinde birçok hastanın muzdarip olduğu, hastaların yaşam kalitesini oldukça etkileyen bir sorun haline gelmiştir. Yaşanan bu rahatsızlıkların tedavisine yönelik günümüze kadar birçok terapötik girişim yapılmıştır. Tedavi süreçlerinde en sık kullanılan methodlardan biri de işitme cihazları desteğidir. Günümüzde farklı çalışma prensiplerine sahip birçok işitme cihazı bulunmaktadır. Bunların başında, işitsel kaybı olan hastaların endikasyonlarında sık bir şekilde kullanılan kemik iletimli işitme cihazları gelmektedir. Kemik iletimi prensibine dayalı çalışan işitme cihazlarının implante edilebilir versiyonları onlarca yıllardır hastalar üzerinde kullanılmaktadır. Çalışma prensipleri, dış ortamdan insan kulağına gelen ses dalgalarının, titreşimler şeklinde insan kafatası kemikleri üzerinden doğrudan iç kulağa iletilmesine dayanmaktadır. Kulakta yer alan ve işitsel travmaya sahip orta ve dış kulak atlanmaktadır. Kemik iletimli işitme cihazlarının fonksiyonel çalışma şekli, enerji formlarını birbirine dönüştüren bir transdüser gibidir. Transdüserler enerji formlarının birbirleri arasında dönüşümünü sağlamaktadır. Bu dönüşüm işlemi transdüksiyon olarak adlandırılabilir. Kemik iletiminde kullanılacak bu transdüserin çalışma prensibi, dış ortamdan gelen ses dalgalarının öncelikle elektrik sinyallerine dönüşüp daha sonra işlenmiş elektrik sinyallerinin de mekanik titreşimlere dönüştürülmesine dayalıdır. Ortaya çıkan mekanik titreşimler, ses sinyallerini işitsel sinirler aracılığıyla beyne ileten kokleaya iletilir. Bu çalışmadaki temel amaç, kemik iletimli implantlarda kullanılması için bir manyetostriktif dönüştürücü prototip tasarımına yönelik optimize edilmiş veriler sağlamak ve model oluşturmaktır. Oluşturulacak bu transdüser prototipi, ses işlemcisi, mikrofon, alıcı bobin, süper mıknatıs ve bir pil bölmesiyle birlikte bir implant iskelet modeli halini alır. Proje için günümüzde yer alan kemik iletimli işitme implantlarda kullanılan piezoelektrik seramik malzemelere alternatif olabilecek manyetostriktif malzemeler araştılıp, potansiyel adayların performans verimliliği ve biyouyumluluk özellikleri incelendi. Manyetostriktif alaşımlar, piezoelektrik seramik malzemelerle kıyaslandığında, daha düşük maliyetli ve dayanıklıdır. Stabilite özellikleri oldukça yüksektir. Ayrıca, manyetostriktif malzemeler daha uzun kullanım ömrü sunar. Literatür taraması sonucunda, Terfenol D, Galfenol ve Metglas 2714A® alaşımları, hedeflenen transdüserin bükücü bileşeninde kullanılacak malzeme adayları olarak belirlenip simülasyon yazılımları aracılığıyla incelenmesine karar verildi. Bükücü olarak adlandırılan bileşen, transdüser tasarımında yer alacak manyetostriktif alaşım ve manyetostriktif olmayan bir alaşımın entegrasyonundan oluşur. Ayrıca, transdüserin bükücü bileşeni çalışmamız için bir mihenk taşı niteliğindedir. Hedeflenen transdüser tasarımında ayrıca demir nüve, bobin, süper mıknatıs ve yer alır. Prototip tasarımındaki malzemelerin birbirine entegrasyonu için tutkal benzeri bir malzeme kullanılır. Transdüser tasarımında bükücü harici yer alan diğer bileşenlerde kullanılacak alaşım opsiyonları için günümüzde kullanılan transdüser uygulamalarından yararlanıldı. Simulasyonlar için ANSYS® Mechanical and ANSYS® Electronics yazılımları seçildi. Mekanik simülasyonlardan önce piyasada yer alan mevcut kemik iletimli implantlarda kullanılan dönüştürücülerin boyutları incelendi ve referans malzeme boyutları belirlendi ve ANSYS® Mechanical aracılığıyla bir model tasarlandı. Günümüzde kullanılan kemik iletimli implantların verileri incelenerek hedeflenen bir referans rezonans frekans değeri belirlendi. Hedeflenen rezonans frekansı değeri kapsamında, oluşturulan transdüser modeli farklı boyutlardaki modellemelerle simule edilerek veri optimizasyonu sağlandı. Oluşturulan modelin rezonans frekansı veri optimizasyonu yapılan modal ve harmonik analizlerle sağlandı. Modal analiz yapılarak, sistemin titreşim oluşturan modele karşı verdiği dinamik tepkinin matematiksel olarak modellenmesinin anlaşılması amaçlanmaktadır. Harmonik analiz sistemin, kendisine karşı sinüsoidal olarak uygulanan sürekli bir kuvvete karşı tepkisinin analiz edilmesini sağlar. Model simule edilmeden önce, daha güvenilir ve stabil sonuçlar elde etmek için bazı mesh ayarları modele uygulanmıştır. Ayrıca, simulasyonlar sırasında sisteme sınır koşulları da eklenmiştir. Uygulanan sınır koşulları, prototip testlerinde kullanılacak kafatası simulatörünün, oluşturulan transdüser modeline etkisini göstermeyi amaçlamaktadır. Model simule edilmeden önce, sisteme kütle noktası, silindirik destek ve yük olarak 1 Newton değerinde bir kuvvet uygulandı. Mekanik simülasyonlar kapsamında yapılan modal ve harmonik analizler sonucunda, Metglas 2714A® için 0,3 ve 0,4 mm, Galfenol ve Terfenol D alaşımları için 0,4 ve 0,5 mm' boyutlarının bükücü için uygun kalınlık değerleri olduğu saptandı. Ayrıca, her üç malzeme için de 20 mm uzunluk ve 4.8 mm genişlik değerlerinin modelin bükücü bileşeninin test edilmesi için uygun olduğu tespit edildi. Mekanik simülasyonların sonuçları referans alınarak elektromanyetik simülasyonlara devam edildi. Elektromanyetik simülasyonlar, var olan mekanik modele farklı üç tipte süper güçlü neodymium mıknatıslar, çok katmanlı bobin sistemi eklenerek gerçekleştirildi. Ayrıca her elektromagnetik simülasyon için kullanılan bobin, mıknatısa göre direnç, endüktans ve bobin sarım sayısı hesaplandı ve elektromagnetik simülasyonlar tamamlandı. Elektromanyetik simulasyonlar için eklenen bileşenlerin boyutları, benzer elektromanyetik çalışmalar referans alınarak mekanik sisteme uyarlandı. Elektromanyetik simulasyonlar , bükücü bileşeninin kalınlığı, demir nüvede kullanılan alaşım ve bükücüde kullanılan manyetostriktif malzemenin sistemin üretmesi hedeflenen ortalama manyetik alan yoğunluğuna etkisini incelenmesini sağlamayı amaçladı. Mekanik ve elektromanyetik simülasyonlar sonucunda elde edilen verilere dayanılarak uygun model için optimize edilmiş veriler önerildi. Terfenol D, piyasada yer alan üretim boyutları ve yüksek kırılganlığı sebebiyle uygulama için tercih edilebilir görülmedi. Metglas 2714A® alaşımı sağladığı tutarlı verilerden kapsamında uygulanabilir ancak uygun aralıklarda üretim seçeneği piyasada bulunmamaktadır. Galfenol alaşımı, hem uygun boyutlardaki üretim varlığı hem de tutarlı sonuçlarıyla tercih edilebilir olarak değerlendirildi. Kemik iletimli işitme cihazlarında yer alan dönüştürücüde yer alan bükücüde 0,5 mm kalınlık, 20 mm uzunluk ve 4.8 mm kalınlığa sahip bir Galfenol alaşımının kullanılması önerilir. Muhtemel bir prototip için ayrıca sistemde yer alacak bobinin 200-250 arasında bir sarım sayısı ve süper güçlü neodymium bir kalıcı mıknatıs kullanılması da önerilmektedir.
Özet (Çeviri)
Hearing losses are worldwide acknowledged health problems affecting overall life quality of suffering patients. Many different therapeutic prostheses were developed for these hearing traumas. One of the most preferred treatment process are hearing aids. Different types of hearing aids were developed to rehabilitate and treat people suffering from hearing traumas. One such type of hearing aid is the bone conduction (BC) hearing aid, which is helpful for indicated patients. BC has been used for many decades in hearing aids, and there are now several implantable versions. These hearing aids transmit the sound through the skull bones to the inner part of the ear, bypassing the outer and middle parts. BC hearing aids are essentially designed with a transducer principle. The transducers are used to convert energy from one form to another. This process is called as transduction as well. Bone conduction transducers transform incoming audio signals to the vibrations that is transmitted to the cochlea, which transmits converted signals to the brain through auditory nerves. We aim to find a magnetostrictive transducer design with optimized data. The obtained optimized values will be used the possible a transducer prototype design for bone conduction use. This prototype is properly able to perform together with an audio processor, microphones, receiver coil, supermagnet and a battery compartment. We investigated material options to replace piezoelectric ceramics that are frequently used in BC hearing implants. During investigations for material selection, the properties of performing effectiveness and biocompatibility of alloys were watched out. According to the literature review, Terfenol D, Galfenol, and Metglas 2714A® were identified as possible materials for bender in the transducer. The bender component of the simulated transducer is extremely critical for this study. It consists of both magnetostrictive and non-magnetostrictive alloys. Other parts of transducer are counterweight or core, coil, permanent magnet and tape. The material selections for components transducer apart from bender, inspired from other current transducer applications. ANSYS® Mechanical and Electronics environment was chosen for simulations and testing. Some mechanical parameters were determined before starting simulations by reviewing current transducer applications to create a transducer model in ANSYS®. Then, mechanical simulations were performed in the specific ranges of mechanical sizes by using this model. Mechanical dimensions were simulated and optimized regarding size and resonance frequency, similar to existing bone conduction transducers. We determined the reference resonance frequency value as inspired by previous bone conduction transducer studies. For resonance frequency optimization, modal and harmonic analysis were performed. Modal analysis was used to determine specific parameters to create a mathematical model that shows dynamic reaction of the vibrating structure. Meshing adjustments were arranged to have more efficient simulation results. We had specific boundary conditions and, they were applied in the mechanical simulations. The boundary condition adjustment was to show the effect of skull simulator on the connector. Point of mass and cylindirical support parameters were applied to the model as boundary conditions. On the other hand, 1N Force was utilized in the model as the load. As a result of modal and harmonic response analysis, it was found that 0.3 and 0.4 mm for Metglas 2714A®, and 0.4 and 0.5 mm for Galfenol and Terfenol D, were appropriate thicknesses. Furthermore, for all three materials, 20 mm length and 4.8 mm width were evaluated as appropriate in electromagnetic simulations. Electromagnetic simulations were performed by adding different types of super-strong neodymium permanent magnets and turns of the multilayer coil. Also, the optimized mechanical dimensions obtained from mechanical simulatios through ANSYS was utilized in electromagnetic simulations. Besides, mechanical dimesions of electromagnetic components were determined by studies carried out by previous similar studies. Furthermore, resistance, inductance, and the number of turns of the coil were calculated for each simulation. After evaluation, Metglas 2714A® Magnetic alloy and Terfenol D were deemed less suitable for this application because of their size and robustness. Optimized mechanical dimensions and electromagnetic parameters were suggested for ferromagnetic material to construct a bone conduction transducer prototype. It is suggested to use Galfenol alloy with 0.5 mm thickness, 20 mm length, and 4.8 mm for build a magnetostrictive transducer prototype for BC use by using a permanent neodymium magnet with 200-250 turns of the coil.
Benzer Tezler
- Design, modelling and analysis of a novel implantable bone conduction hearing aid with a piezoelectric actuator
Özgün bir piezoelektrik eyleyicili kemik iletimli implant işitme cihazının tasarım, modelleme ve analizi
ANIL KOYUNCU
Doktora
İngilizce
2022
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN NEVZAT ÖZGÜVEN
DOÇ. DR. MELİN ŞAHİN
- Structure based design of peptidomimetic inhibitors of the MLL1-WDR5 interaction
Başlık çevirisi yok
HACER KARATAŞ
- Systems biology of yeast signal transduction
Maya sinyal iletiminin sistem biyolojisi
KAZIM YALÇIN ARĞA
Doktora
İngilizce
2007
BiyomühendislikBoğaziçi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. KUTLU ÜLGEN
- Mikrodalga transistörün pareto optimal karakterizasyonu
Pareto optimal characterization of a microwave transistor
AHMET ARİF ULUSLU
Doktora
Türkçe
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİLİZ GÜNEŞ
- Design and fabrication of piezoelectric energy harvesting micro devices for biomedical implants
Biyomedikal implantlar için piezoelektrik enerji toplayıcı mikro cihazların tasarımı ve üretimi
AZİZ KOYUNCUOĞLU
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALUK KÜLAH
PROF. DR. HANİFE TUBA OKUTUCU ÖZYURT