[논문]인공기저막 기반 인공와우의 주파수 분리 성능향상을 위한 인공기저막 전산모사

김태인; 장성민; 송원준; 배성재; 김완두; 조맹효

doi:10.3795/ksme-a.2012.36.4.457

인공기저막 기반 인공와우의 주파수 분리 성능향상을 위한 인공기저막 전산모사
A Simulation Study of Artificial Cochlea Based on Artificial Basilar Membrane for Improving the Performance of Frequency Separation 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.36 no.4, 2012년, pp.457 - 463

김태인 (서울대학교 기계항공공학부) , 장성민 (서울대학교 기계항공공학부) , 송원준 (한국기계연구원) , 배성재 (한국기계연구원) , 김완두 (한국기계연구원) , 조맹효 (서울대학교 기계항공공학부)

초록
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기저막은 달팽이관의 한 기관으로서 주파수 대역에 따라 기저막의 최대 진폭 발생 위치가 변화하여 소리를 인지할 수 있게 되며 이는 기저막의 형상에 기인한다. 본 연구에서는 인공기저막 기반의 완전 삽입형 인공와우 개발을 위한 연구의 일환으로써 주파수 분리 대역폭을 보다 확장시킬 수 있는 기저막의 형상을 제안하기 위해 설계 인자 연구를 수행하였다. 상용 유한요소소프트웨어 Abaqus 를 이용한 유한요소 해석을 통해 인공기저막의 음향 진동 특성을 예측하였으며 해석결과는 실험결과와 비교하여 검증하였다. 기저막 모델의 다양한 형상 변화와 기저막 모델에 존재하는 잔류응력에 따른 주파수 분리 대역의 변화 추이를 설계 인자 연구를 통하여 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The basilar membrane (BM), one of organs of cochlea, has the specific positions of the maximum amplitude at each of related frequencies. This phenomenon is due to the geometry of BM. In this study, as the part of the research for the development of fully implantable artificial cochlea which is based on polymer membrane, parametric studies are performed to suggest the desirable artificial basilar membrane model which can detect wider range of frequency separation. The vibro-acoustic characteristics of the artificial basilar membrane are predicted through finite element analysis using commercial software Abaqus. Simulation results are verified by comparing with experimental results. Various geometric shapes of the BM and residual stress effects on the BM are investigated through the parametric study to enable a wider detectable frequency separation range.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 너비방향의 잔류응력을 포함한 유한요소 기저막 모델 전산모사를 통해 잔류응력이 기저막 모델의 주파수 분리 대역 변화에 미치는 영향을 알아보았다. 그 결과 주파수 분리 대역은 위와 동일한 변화 양상을 보이며 변화하였고.
본 연구에서는 인공기저막 모델의 형상에 따른 주파수 분리 대역폭 변화의 경향을 파악하여 보다 큰 주파수 분리 대역폭을 가지는 기저막 모델 형상 탐색의 방향을 제시하고자 한다. 이를 위하여 인공 기저막 모델의 실험을 수행하고 음향-구조 연성 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 인공기저막 모델의 형상에 따른 주파수 분리 대역폭 변화의 경향을 파악하여 보다 큰 주파수 분리 대역폭을 갖는 기저막 모델 형상 탐색의 방향을 제시하였다. 기저막 해석 기준모델의 한 쪽 너비가 감소하거나 양 쪽 너비가 동일하게 감소할 때, 빗변의 형상이 지수함수 형상일 때 주파수 분리 대역폭이 증가함을 확인하였다.
또한 기저막 실험모델 제작 시 기저막 변위 측정의 정확도를 향상시키기 위해 기저막 필름에 인장 변형을 가함에 따라 발생하는 잔류응력을 고려한 해석을 수행하였다. 이를 통해 잔류응력이 주파수 분리 대역폭 변화에 미치는 영향을 알아보았다.

가설 설정

4(a)과 같이 8 절점 쉘요소를 사용하여 실험모델의 너비방향에 대한 대칭모델로 구성하였으며 모서리에 위치한 절점의 자유도를 구속하여 경계조건을 지정하였다. 기저막 모델 하단으로부터 전달되는 음파는 원역장(far-field)의 평면파로 가정하기위해 기저막 모델과 가진 평면 사이에 충분한 거리를 두었으며 이 구간의 공기층을 20 절점 음향요소로 구성하였다. 기저막과 공기층을 Fig.

제안 방법

기저막 해석모델은 Fig. 4(a)과 같이 8 절점 쉘요소를 사용하여 실험모델의 너비방향에 대한 대칭모델로 구성하였으며 모서리에 위치한 절점의 자유도를 구속하여 경계조건을 지정하였다. 기저막 모델 하단으로부터 전달되는 음파는 원역장(far-field)의 평면파로 가정하기위해 기저막 모델과 가진 평면 사이에 충분한 거리를 두었으며 이 구간의 공기층을 20 절점 음향요소로 구성하였다.
125 Hz 단위로 증가시켜가며 가진하였다. 기저막 필름 중앙선 부분의 진폭을 LDV 스캐너를 이용하여 속도데이터를 추출, 이를 최대 진폭 데이터로 변환시켜 얻었다.
음파에 의한 기저막 모델의 변위는 음압의 크기에 비례하여 증가하기 때문에 공기 층 모델 하단에 적용되는 음압은 1 Pa 단위하중으로 설정하였다. 기저막 해석모델 요소에 적용할 물성치는 범용데이터베이스를 참조하여 가변 범위 내에서 영률 4.5 GPa, 포아송비 0.4, 밀도 1500 kg/m³로 결정하였다. 공기의 물성은 온도 20 ℃를 기준으로 한 밀도 1.
또한 기저막 실험모델 제작 시 기저막 변위 측정의 정확도를 향상시키기 위해 기저막 필름에 인장 변형을 가함에 따라 발생하는 잔류응력을 고려한 해석을 수행하였다. 이를 통해 잔류응력이 주파수 분리 대역폭 변화에 미치는 영향을 알아보았다.
7 mm 씩 줄인 모델이었다. 모델의 빗변은 Fig. 6 의 변 CD(빗변) 형상 변화에 따른 주파수 분리 대역폭의 변화를 알아보기 위해 실험모델에서의 지수함수 궤적 곡선을 위 모델의 빗변에 적용하여 해석하였다. 두 모델에 대한 최대 진폭 발생 위치를 Fig.
이를 위하여 인공 기저막 모델의 실험을 수행하고 음향-구조 연성 해석을 수행하였다. 실험으로 검증된 전산모사 기법을 통하여 다양한 기저막 모델에서의 주파수 분리 대역폭을 예측하였다. 전산모사 결과를 바탕으로 기저막 형상에 따른 주파수 분리 대역폭 변화의 경향을 파악하였다.
본 연구에서는 인공기저막 모델의 형상에 따른 주파수 분리 대역폭 변화의 경향을 파악하여 보다 큰 주파수 분리 대역폭을 가지는 기저막 모델 형상 탐색의 방향을 제시하고자 한다. 이를 위하여 인공 기저막 모델의 실험을 수행하고 음향-구조 연성 해석을 수행하였다. 실험으로 검증된 전산모사 기법을 통하여 다양한 기저막 모델에서의 주파수 분리 대역폭을 예측하였다.
이로 인해 기저막 필름은 기저막 형상 너비방향의 잔류응력성분을 포함하게 된다. 인장에 의해 발생하는 주파수 분리 대역의 변화를 알아보기 위해 기저막 모델에 잔류응력을 적용하였고, 3 장에서 언급한 해석과정에 따라 전산모사를 수행하였다.
실험으로 검증된 전산모사 기법을 통하여 다양한 기저막 모델에서의 주파수 분리 대역폭을 예측하였다. 전산모사 결과를 바탕으로 기저막 형상에 따른 주파수 분리 대역폭 변화의 경향을 파악하였다.
스테인리스 평판에 기저막 필름을 접착하여 실험모델을 제작 시 접착면에 국부적인 주름이 발생 한다. 주름이 유발할 수 있는 기저막 변위에의 영향을 최소화하기 위해 필름을 기저막 형상의 너비 방향으로 인장시켜 접착하였다. 이로 인해 기저막 필름은 기저막 형상 너비방향의 잔류응력성분을 포함하게 된다.
1(a)와 같이 스테인리스 평판에 기저막 형상으로 구멍을 내고 그 위에 필름을 접착하여 제작하였다. 필름 접착 시 접착면의 필름에 미세한 주름이 발생, 실험상의 오차 유발 요인이 되는 것을 방지하기 위하여 필름을 기저막 모델 너비 방향으로 인장시킨 상태로 접착하였다.
형상을 변화시킨 여러 기저막 모델에 대한 음향-구조 연성 해석을 수행하여 주파수 분리대역의 변화 양상을 관찰하였다. 주파수 분리 대역폭 비교를 위한 기준모델 형상은 Fig.

대상 데이터

기저막 실험모델 형상은 실제 기저막 형상의 특징을 모사한 것으로, 길이 116 mm, 너비는 양 쪽이 각각 6.75 mm, 18.2 mm 이며 빗변은 아래 식 (1)과 같은 지수함수 형태로 구성되었다.
실험모델은 Polyethylene Terephthalate 재질의 두께 0.1 mm 인 필름을 사용하였으며 Fig. 1(a)와 같이 스테인리스 평판에 기저막 형상으로 구멍을 내고 그 위에 필름을 접착하여 제작하였다. 필름 접착 시 접착면의 필름에 미세한 주름이 발생, 실험상의 오차 유발 요인이 되는 것을 방지하기 위하여 필름을 기저막 모델 너비 방향으로 인장시킨 상태로 접착하였다.
형상을 변화시킨 여러 기저막 모델에 대한 음향-구조 연성 해석을 수행하여 주파수 분리대역의 변화 양상을 관찰하였다. 주파수 분리 대역폭 비교를 위한 기준모델 형상은 Fig. 6 과 같이 길이와 양 너비가 실험모델과 같은 사다리꼴 형상으로 하였다.

데이터처리

3. 기저막 모델 전산모사

전산구조해석프로그램 Abaqus v6.10 을 이용하여 실험모델 형상의 유한요소 모델에 대한 전산모사 해석을 수행하였다. 기저막 해석모델은 Fig.

성능/효과

기저막은 내부에 너비방향으로 강성이 큰 콜라겐 섬유 배열이 존재하기 때문에 길이 방향의 강성 보다 너비방향의 강성이 더 크다.^(1,2) 달팽이관 하부로 유입되는 주파수가 증가할수록 기저막에서는 자체의 형상과 경계 조건으로 인해 최대 진폭 발생 위치가 기저막의 폭이 넓은 상부에서 좁은 하부로 이동하는 주파수 분리 현상이 나타난다.^(3~5)
⁽⁶⁾ Shintaku 등은 서로 다른 두 유체, 공기와 실리콘 오일에서 기저막 모델 실험을 실시하였다. 공기 중에서 약 6.6 ~ 19.8 kHz, 실리콘 오일 내에서 약 1.4 ~ 4.9 kHz의 주파수 범위에서 주파수 분리가 나타나는 것을 확인하였다.⁽⁷⁾ Xu 등은 길이 1.
또한 너비방향의 잔류응력을 포함한 유한요소 기저막 모델 전산모사를 통해 잔류응력이 기저막 모델의 주파수 분리 대역 변화에 미치는 영향을 알아보았다. 그 결과 주파수 분리 대역은 위와 동일한 변화 양상을 보이며 변화하였고. 이를 통해 잔류응력이 주파수 분리 대역폭을 확장시킬 수 있는 요인임을 검증하였다.
10 과 같이 나타내었다. 그 결과, Table 4 와 같이 기존의 해석모델 중 가장 큰 주파수 대역을 보였던 사다리꼴 형상의 모델 보다 빗변형상을 지수함수 형상으로 수정한 모델에서 더 큰 주파수 분리 대역폭이 예측되었다. 이를 통해 기저막 모델의 빗변 형상 또한 주파수 분리 대역폭 변화의 요인이며 빗변이 지수 함수 궤적 형상일 때에, 보다 넓은 주파수 분리 대역을 갖는다는 것을 확인하였다.
본 연구에서는 인공기저막 모델의 형상에 따른 주파수 분리 대역폭 변화의 경향을 파악하여 보다 큰 주파수 분리 대역폭을 갖는 기저막 모델 형상 탐색의 방향을 제시하였다. 기저막 해석 기준모델의 한 쪽 너비가 감소하거나 양 쪽 너비가 동일하게 감소할 때, 빗변의 형상이 지수함수 형상일 때 주파수 분리 대역폭이 증가함을 확인하였다. 이와 같은 방향으로 기저막 형상이 변화할 때, 주파수 분리가 시작되는 시점의 주파수가 소폭 상승하고 끝나는 시점의 주파수가 보다 크게 상승하여 주파수 분리 대역폭의 증가로 이어지게 되었다.
그 결과, Table 4 와 같이 기존의 해석모델 중 가장 큰 주파수 대역을 보였던 사다리꼴 형상의 모델 보다 빗변형상을 지수함수 형상으로 수정한 모델에서 더 큰 주파수 분리 대역폭이 예측되었다. 이를 통해 기저막 모델의 빗변 형상 또한 주파수 분리 대역폭 변화의 요인이며 빗변이 지수 함수 궤적 형상일 때에, 보다 넓은 주파수 분리 대역을 갖는다는 것을 확인하였다.
주파수 분리 대역폭의 증가는 잔류응력의 크기가 증가할수록 주파수 분리가 시작되는 시점의 주파수가 소폭 상승하고 끝나는 시점의 주파수가 보다 크게 상승하여 이루어진다. 이를 통해 잔류응력이 주파수 분리 대역폭 확장을 위한 하나의 요인이 될 수 있음을 확인하였다.
그 결과 주파수 분리 대역은 위와 동일한 변화 양상을 보이며 변화하였고. 이를 통해 잔류응력이 주파수 분리 대역폭을 확장시킬 수 있는 요인임을 검증하였다.
잔류응력을 Table 5 과 같이 증가시키며 전산모사를 수행하였다. 잔류응력의 크기가 증가할수록 주파수 분리 대역폭이 증가하는 경향이 나타났다. 주파수 분리 대역폭의 증가는 잔류응력의 크기가 증가할수록 주파수 분리가 시작되는 시점의 주파수가 소폭 상승하고 끝나는 시점의 주파수가 보다 크게 상승하여 이루어진다.
775 Hz 이하의 주파수에서는 최대 진폭 발생 위치에 대한 경향성이 나타나지 않았다. 주파수가 증가함에 따라 Fig. 3과 같이 최대 진폭 발생지점은 넓은 쪽에서 점차 좁은 쪽으로 이동하여 주파수에 따라 최대 진폭 발생위치가 구분, 분리되는 경향이 나타났다. 기저막 모델의 주파수 분리 기능은 이와 같은 일정한 경향이 나타나는 주파수 대역에서 가능하게 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현재 삽입시술이 이루어지고 있는 인공와우는 어떻게 구성되어 있는가?	인공와우는 외과시술을 통해 내이 달팽이관에 삽입되어 기저막과 유모세포의 기능을 대신하여 소리를 전기신호로 변환시켜주는 장치이다. 현재 삽입시술이 이루어지고 있는 인공와우는 수신안테나, 전극과 같이 체내에 삽입되는 부분과 어음처리기, 송신안테나, 마이크로폰, 배터리와 같이 체외장치로 구성 되어 있다. 소리는 외부의 어음처리기를 통해 전기 신호로 변환되어 송신 안테나를 거쳐 체내의 수신 안테나로 전달된다.
	인공와우란 무엇인가?	인공와우는 외과시술을 통해 내이 달팽이관에 삽입되어 기저막과 유모세포의 기능을 대신하여 소리를 전기신호로 변환시켜주는 장치이다. 현재 삽입시술이 이루어지고 있는 인공와우는 수신안테나, 전극과 같이 체내에 삽입되는 부분과 어음처리기, 송신안테나, 마이크로폰, 배터리와 같이 체외장치로 구성 되어 있다.
	현재 삽입시술이 이루어지고 있는 인공와우의 단점은 무엇인가?	하지만 현재의 인공와우는 체외부와 체내부로 분리되어 있기 때문에 항시 외부충격에 노출되어있고 어음처리, 신호의 송수신, 전극 활성화에 큰 전력이 소모되어 잦은 배터리 교체가 필요하다는 단점이 있다. 때문에 최근에는 기저막의 진동특성을 기반으로 한 체내 완전 삽입형 무전원 인공와우 장치에 대한 연구가 이루어지고 있다.

참고문헌 (10)

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원문보기 상세보기
Shintaku, H., Nakagawa, T., Kitagawa, D., Tanujaya, H., Kawano, S. and Ito, J., 2010, "Development of Piezoelectric Acoustic Sensor with Frequency Selectivity for Artificial Cochlea," Sens. Actuators A Phys, Vol. 158. No. 2, pp. 183-192.

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Parthasarathi, A. A., 2000, "Numerical Modeling and Electro-Acoustic Stimulus Response," Analysis for Cochlear Mechanics, Ph.D. thesis, University of Michigan.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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