Grundlagen der Energieversorgung vollständig implantierbarer Hörgeräte für Innenohrschwerhörige

Zusammenfassung

Ein vollständig implantierbares Hörgerät besteht aus einem Schallempfänger (Mikrophon), einer Verstärkungselektronik mit Filtern und Regelbausteinen, einem elektromechanischen Wandler (Aktor) zur vibratorischen Anregung des Gehörs und einem Energiespeicher. Dieser Energiespeicher kann aus einer Primärbatterie oder aus einer wiederaufladbaren (Sekundär) Batterie bestehen. Der Energiebedarf des implantierbaren Hörgeräts ist davon abhängig, mit welchem Wandlerprinzip der Aktor arbeitet. Hier werden das elektromagnetische und das piezoelektrische Wandlerprinzip hinsichtlich ihrer Leistungsaufnahme betrachtet. Dabei zeigt sich, daß ein elektromagnetischer Wandler den Energiebedarf des implantierbaren Hörgeräts beträchtlich erhöht, während bei geeigneter Auslegung eines piezoelektrischen Wandlers die Leistungsaufnahme des Wandlers so gering gestaltet werden kann, daß sie gegenüber der Leistungsaufnahme der elektronischen Komponenten eine untergeordnete Rolle spielt. Bei optimierter Auslegung beträgt die für den Betrieb eines vollständig implantierbaren Hörgeräts benötigte Energie 38 mWh/Tag. Die für eine Lebensdauer von mindestens 5 Jahren benötigte Energiemenge von 70 Wh ist in Primärbatterien nicht mehr speicherbar, so daß wiederaufladbare Batterien eingesetzt werden müssen. Es werden Nickel-Cadmium (Ni-Cd-)-Nickel-Methallhydrid (Ni-MH-)- und Lithiumion-(Li-Ion-)-Zellen auf ihre Eignung für die Anwendung theoretisch untersucht. Dabei wird eine Risikobetrachtung für den Einsatz dieser Zellen in einem Implantat vorgenommen und ein Katalog von daraus folgenden Sicherheitsmaßnahmen aufgestellt. Als Ergebnis zeigt sich, daß die NI-MH-Zelle wegen ihrer Robustheit verglichen mit Li-Ion-Zellen und der ca. doppelt so großen Kapazität wie eine gleich große Ni-Cd-Zelle ein geeignetes System für die energetische Versorgung eines implantierbaren Hörgeräts darstellt.

Summary

A fully implantable hearing aid consists of a sound receptor (microphone), an electronic amplifier including active audio-signal processing, an electromechanical transducer (actuator) for stimulating the ear by vibration, and an energy source. The energy source may be either a primary cell or a rechargeable (secondary) cell. As the energy requirements of an implantable hearing aid are dependent on the operating principle of the actuator, the operating principles of electromagnetic and piezoelectric transducers were examined with respect to their relative power consumption. The analysis showed that the energy requirements of an implantable hearing aid are significantly increased when an electromagnetic transducer is used. The power consumption of a piezoelectric transducer was found to be less than that of the electronic components alone. The energy needed to run a fully implantable hearing aid under these conditions would be 38 mWH per day. Primary cells cannot provide the energy needed for a minimum operation time of 5 years (70 WH), and therefore rechargeable cells must be used. A theoretical appraisal was carried out on nickel-cadmium, nickel-metal hydride, and lithium-ion cells to determine their suitability as well as to assess the risks associated with their use in an implant. Safety measures were drawn up from the results. Ni-MH cells were found to be the most suitable for use as an energy source for implantable hearing-aids because they are more robust than Li ion cells and their storage capacity is double that of Ni-Cd cells of similar size.