【摘 要】
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目的:通过建立正常国人听系统结构三维数值模型,对中耳传声进行静力学、动力学及声固耦合数值模拟分析。从生物力学角度定量分析模拟不同中耳韧带和肌腱硬化及切除后的力学响应特性,有助于临床手术干预及个性化治疗或是开发更有效的助听装置,起到精准评估及预案的作用。方法:以一例正常国人的颞骨标本为实验材料,通过Micro-CT扫描获取影像学资料,利用MIMICS 20.0及Geomagic studio 12.
【基金项目】
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国家自然科学基金（11472074）（11072055）
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目的:通过建立正常国人听系统结构三维数值模型,对中耳传声进行静力学、动力学及声固耦合数值模拟分析。从生物力学角度定量分析模拟不同中耳韧带和肌腱硬化及切除后的力学响应特性,有助于临床手术干预及个性化治疗或是开发更有效的助听装置,起到精准评估及预案的作用。方法:以一例正常国人的颞骨标本为实验材料,通过Micro-CT扫描获取影像学资料,利用MIMICS 20.0及Geomagic studio 12.0软件建立外耳道、听骨链、鼓室腔、内耳结构几何模型,在Solidworks软件中进行装配,补充中耳韧带及肌腱后导入力学分析软件Ansys 15.0中赋予材料属性、划分网格、设定边界条件等,在Workbench中进行动力学特性、谐响应分析并验证其准确性。通过改变中耳韧带和肌腱的弹性模量模拟不同鼓室硬化及切除硬化部分情况下的传声特点,并与正常国人的数值模拟结果进行对比分析。结果:1.外耳道、鼓室腔、内耳对中耳传声的影响:正常听系统传声中,外耳道的存在使镫骨足板的位移在0.8-8k Hz频段有一定提高,在3.5k Hz频率出现外耳道共振峰,提高约12d B的响应;鼓室腔的存在使镫骨足板的位移在0.2-8k Hz频段有所降低,减小约3-5.2d B;内耳淋巴液主要在0.2-5k Hz频段降低了镫骨足板的位移,减小约2-4d B。2.鼓膜-听骨链动力学特性分析:在105d B声压下鼓膜处的最大位移为0.1μm,位于鼓膜前下象限,位移最小区域位于靠近鼓膜环韧带处;听小骨结构中的最大位移为0.08μm,位于锤骨柄处,锤砧关节处应力较大;中耳韧带中砧骨上韧带处的位移最大。3.模拟不同韧带、肌腱硬化及切除后的中耳传声特点:鼓膜硬化时对中耳传声的影响在频率低于3.7k Hz时明显,减小镫骨足板响应约2-15d B,听骨链共振频率提高;镫骨环韧带硬化时在0.2-8k Hz频段降低镫骨足板振幅约32-54d B,听骨链共振频率提高;锤骨相关韧带硬化时镫骨足板位移幅值皆较正常时降低,在0.2-1k Hz频段下降幅度较大,听骨链共振频率有不同程度的增加,其中锤骨上韧带硬化时镫骨足板位移幅值下降最大,约7.3-18d B;在模拟锤骨韧带切除中,锤骨上韧带切除时对传声的影响最大,在4-8k Hz频段镫骨足板位移幅值下降约2.5-8d B;砧骨韧带硬化中砧骨上韧带硬化时镫骨足板振幅下降最大,约1-17d B;在模拟砧骨韧带切除中,砧骨上韧带切除与砧骨后韧带切除时对传声的影响程度基本相同,在小于4k Hz频率时导致平均2-4d B的听力损失;在鼓室肌肉硬化与切除模拟中,在0.2-1k Hz频段鼓膜张肌硬化时对镫骨足板位移影响更大,当频率大于1k Hz时镫骨肌硬化对镫骨足板位移的影响更大,分别为7.5-17d B及7-15d B。当二者分别被切除时,镫骨足板振幅分别有2-3d B及2-5d B的下降。结论:1.通过Micro-CT影像资料建立的听系统三维数值模型的方法精确性高,能较准确的反映听系统的力学响应特性;2.外耳道在其共振频段对中耳传声有一定的增益作用;鼓室腔及内耳的存在减小了镫骨足板的振幅;3.中耳韧带、肌腱硬化对中耳传声的响应影响较大,主要是减小了镫骨低频段的响应,其中镫骨环韧带硬化对传声的影响最大,其次为锤骨上韧带硬化。切除硬化韧带、肌腱会一定程度的改善中耳传声,但临床上应尽可能保留镫骨环韧带及锤骨上韧带;4.不同中耳韧带、肌腱硬化导致的不同类型的鼓室硬化,听骨链共振频率有不同程度的提高,全鼓室硬化时共振频率最高。5.有限元模型可以模拟不同程度的中耳损伤,并对手术干预提供量化数据。从而对临床的疗效进行个性化评估,弥补动物实验及人体研究的不足;
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