中耳病变及人工镫骨形体研究

目的 研究听骨韧带、肌腱硬化和切除以及人工镫骨置换对声音传导的影响。方法 基于CT扫描数据,通过自编C＋＋程序读取CT数据中体单元建立人耳结构几何模型,将几何模型导入PATRAN中赋予材料参数、设置关节接触面以及相应其他边界条件生成数值模型。结果 利用本文人耳数值模型进行正常耳和病变耳的谐响应分析,得到正常耳和病变耳镫骨底板和鼓膜凸的振幅变化规律。并由此构建了套型人工镫骨。结论 正常耳的模拟结果与实验测试结果吻合,证明了本模型准确性,可以模拟人传声功能。本模型模拟病变耳的计算结果可以从力学角度解释病变对声音传导的影响,为病变耳治疗提供参考。本文的套型人工镫骨较我国临床用的环型人工镫骨更吻合人耳的生理功能,其重建听力效果更好。     

细菌生物膜对置换钛质听骨赝复物听力恢复的影响

目的 探讨生物膜不同成长时期对部分钛质听骨赝复物结构动力行为的影响,为临床治疗分泌性中耳炎等疾病提供理论依据。方法 基于人体正常右耳的CT扫描图像,结合自编程序,重建人耳三维有限元模型,对其进行声音传导动力分析,并与实验数据对比。采用频率响应方法对耳结构模型进行计算,同时分析不同生长时期的细菌生物膜生长在人工钛质听骨上对声音传导的影响。结果 模拟得到鼓膜凸和镫骨底板振幅与实验数据吻合,验证了模型的正确性。生物膜的存在会使患者听力在低频段有0~1.6 dB的损伤;生物膜沿部分听骨赝复物径向生长会使患者听力在中高频阶段有0~12 dB的损伤,尤其是在8 kHz时,听力损伤高达11.2 dB。结论 细菌生物膜对患者听力有影响,在低频段会使患者听力损失,在高频段听力有增加。细菌生物膜在人工听骨上的径向生长会降低听力,影响人工假体对听力恢复正常的工效。     

置换部分听骨赝复物后对人耳听力恢复的影响

目的探讨听骨部分置换术中不同的置换方式对患者术后听力的影响。方法根据人体正常右耳CT扫描结果,用自编程序将CT扫描数值化并导入PATRAN重建人耳三维有限元模型,对其进行声音传导动力分析,并与试验数据对比。结果通过正常人耳结构动力响应分析结果与实验数据吻合,验证了模型的正确性;在0.1～10 kHz频率下保留部分锤骨柄置换人工听骨比不保留锤骨柄术后听力恢复更好,听力恢复值在11.56～28.91 dB之间;保留部分锤骨柄时鼓膜处的最大应力值比不保留锤骨柄时更小;厚2.0 mm软骨片在0.1～0.6 kHz,2～10 kHz频率上听力恢复较好;厚0.1 mm软骨片在0.6～2 kHz频率上听力恢复较好。结论在听骨部分置换术中,保留部分锤骨柄比不保留锤骨柄听力恢复效果更好;鼓膜与人工听骨的接触面上垫置的软骨片厚度在0.1～2.0 mm之间对人耳听力恢复效果较好。     

细菌生物膜厚度和面积对人耳听力的影响

依据临床健康志愿者右耳的CT扫描结果,将CT扫描数据数值化导入PATRAN软件进行人耳三维有限元模型的重建,并用NASTRAN软件对该模型进行频率响应分析。通过对正常人耳结构进行频率响应分析得出数据与实验数据吻合,验证了模型的正确性。结合临床中耳炎病症实际情况,研究细菌生物膜的成长阶段对人耳听力的影响。结果表明：在不同声压相同的频率段,细菌生物膜的厚度变化对人耳听力的影响是相同的。在相同声压不同频率段,细菌生物膜的厚度增加会引起镫骨振幅和速度降低,在较低频率段镫骨振幅和速度下降幅度较大,下降的最大值为1.64 dB;在较高频率段镫骨振幅和速度下降幅度较小,下降的最大值为1.04 dB。在不同声压作用下,在相同的频率段细菌生物膜的面积增加会引起镫骨振幅和速度降低。在100～1 000 Hz频率段镫骨振幅和速度的下降幅度较小,下降的最大值为0.18 dB。在1000～10 000 Hz频率段镫骨振幅和速度的下降幅度较大,下降的最大值为2.26 dB。细菌生物膜厚度或面积增加都会使人耳听力下降,厚度增加在低频时比高频时下降更多,而面积增加则刚好相反。     

鼓膜穿孔对听力系统振动的影响

目的研究鼓膜穿孔尺寸及穿孔衍射对听力系统振动的影响。方法利用CT获取志愿者耳部结构临床资料,提取相关结构的边界,导入ANSYS并建立人耳结构数值有限元模型。结果穿孔面积分别为0.97、3.66和7.97mm2,随着穿孔尺寸增大,共振频率分别变为3.6、4.4和4.6kHz,镫骨底板位移振幅随之变小;镫骨底板位移振幅在衍射声波作用下明显变小;在1000Hz处,鼓膜位移云图位移最大值分别为0.32、0.20和0.19μm,在共振频率处,鼓膜位移云图位移最大值分别为0.20、0.14和0.09μm。结论鼓膜穿孔尺寸越大,镫骨底板位移振幅越小,尤其4kHz以下,共振频率升高。鼓膜云图位移振幅最大值随穿孔增大变小,有望对临床治疗提供参考。     

不同激振位置对压电式人工中耳听力补偿性能的影响

研究不同激振位置对压电式人工中耳听力补偿性能的影响,确定压电式人工中耳最优激振位置。建立人耳有限元模型,并通过和相关实验数据进行对比验证模型的可靠性。基于该模型,分别在鼓膜脐部、砧骨体、砧骨长突和圆窗施加相同的位移驱动,通过检测镫骨足底板位移及基底膜的最大位移,分析这些位置的激振对人工中耳听力补偿性能的影响。结果表明,以镫骨足底板位移为评估标准会低估圆窗激振的高频听力补偿效果。砧骨长突激振下的基底膜特征位置处的运动位移大于激振鼓膜脐部及激振砧骨体时的位移值,其中激振砧骨体时的基底膜特征位置处运动位移最小;激振圆窗时的基底膜特征位置处运动位移在低频段小于激振其他位置时对应的位移值,但在中、高频段其激振效果最好。在频率低于400 Hz时,砧骨长突激励听力补偿效果最好,圆窗激励听力补偿效果最差。当频率大于1 kHz时,圆窗激励听力补偿效果比其他位置好。以传统的镫骨足底板响应为评估标准,将低估圆窗激振式人工中耳的听力补偿效果。     

人耳鼓膜病变数值分析

目的研究鼓膜厚度和硬度对人耳传声的影响。方法利用CT获取志愿者耳部结构临床资料,使用Matlab软件提取相关结构的边界,将边界文件导入ANSYS建立人耳结构数值有限元模型。结果利用本文人耳数值模型,在外耳道口施加105dB声压,进行200～8000Hz频率范围的谐响应分析。以此研究在鼓膜病变情况下,鼓膜和镫骨底板位移幅值的变化规律。结论用数值方法解释了鼓膜病变对传声的影响,为鼓膜修补提供了力学参考。     

高压下中耳结构动力损伤研究

目的研究高压对中耳结构造成的损伤。方法基于CT扫描建立中耳结构有限元数值模型,对模型施加随时间变化的压力,分析鼓膜以及镫骨足板的应力、应变和位移变化。结果获得的计算结果与相关文献中的试验数据吻合,验证了所建中耳模型的准确性。高压会对中耳造成损伤,随着压力的增加,损伤加重;快速加压使得中耳损伤严重,对内耳的影响较小;慢速加压也能导致中耳损伤,但在中耳损伤前,内耳会损伤。结论高压容易导致人耳出现损伤,为避免听力受到影响,在加压过程中要控制好加压速率。     

鼓膜-听骨链精细三维重建及谐响应有限元分析

目的　建立精细化的鼓膜-听骨链三维模型,并通过有限元方法进行生物力学分析,验证模型的合理性,为后续实验提供理论基础及依据。 方法　通过Micro-CT获取精细断层数据（螺距0.24 mm,断层图像共464张）,利用多软件综合处理,数字化重建鼓膜-听骨链,使用有限元进行谐响应振动力学分析,与激光多普勒在颞骨标本上获取的相应数据进行对比分析。 结果　数字化重建的鼓膜-听骨链模型,于100Hz、800Hz、8000Hz处,鼓膜数据采集点振幅分别为0.022μm、0.031μm、0.0041μm,镫骨足板数据采集点振幅分别为0.011μm、0.015μm、0.000069μm,各频率对应振幅与激光多普勒所得结果区间相符,趋势一致。 结论　利用该方法建立的模型,可以有效的数字化还原鼓膜-听骨链,后续可通过该模型,进一步实验分析听骨链生理及病理模型。     

中耳结构动力响应对不同病理圆窗封闭的反馈

目的研究耳蜗圆窗病变对中耳结构力学行为的影响。方法依据临床健康志愿者右耳CT扫描结果,将CT扫描数据数值化导入PATRAN软件进行人耳三维有限元模型重建,并应用NASTRAN软件进行流固耦合频率响应分析,通过数值模拟方法探讨中耳结构动力响应对内耳耳蜗圆窗病变的反馈。结果硬化症导致的圆窗封闭比先天性圆窗封闭使镫骨振幅下降更多,最大达到30. 2 d B,且后者不会对镫骨振动速度产生明显影响。相位角方面,硬化症情况下镫骨和圆窗均最多产生90°变化,且两者保持180°差值;而先天性圆窗封闭情况下镫骨最大有270°变化,同时圆窗相位角变化消失。结论基于振幅、速度和相位角,镫骨动力行为会对先天性和硬化症导致的圆窗封闭形成不同的反馈表现,研究结果可为未来临床上诊断及修复圆窗病变提供理论支撑。     

Three-Dimensional Finite Element Modeling of Human Ear for Sound Transmission

An accurate, comprehensive finite element model of the human ear can provide better understanding of sound transmission, and can be used for assessing the influence of diseases on hearing and the treatment of hearing loss. In this study, we proposed a three-dimensional finite element model of the human ear that included the external ear canal, tympanic membrane (eardrum), ossicular bones, middle ear suspensory ligaments/muscles, and middle ear cavity. This model was constructed based on a complete set of histological section images of a left ear temporal bone. The finite element (FE) model of the human ear was validated by comparing model-predicted ossicular movements at the stapes footplate and tympanic membrane with published experimental measurements on human temporal bones. The FE model was employed to predict the effects of eardrum thickness and stiffness, incudostapedial joint material, and cochlear load on acoustic-mechanical transmission through the human ossicular chain. The acoustic-structural coupled FE analysis between the ear canal air column and middle ear ossicles was also conducted and the results revealed that the peak responses of both tympanic membrane and stapes footplate occurred between 3000 and 4000 Hz.     

The origin of the stapes and relationship to the otic capsule and oval window

Background: The stapes, an ossicle found within the middle ear, is involved in transmitting sound waves to the inner ear by means of the oval window. There are several developmental problems associated with this ossicle and the oval window, which cause hearing loss. The developmental origin of these tissues has not been fully elucidated. Results: Using transgenic reporter mice, we have shown that the stapes is of dual origin with the stapedial footplate being composed of cells of both neural crest and mesodermal origin. Wnt1cre/Dicer mice fail to develop neural crest‐derived cartilages, therefore, have no middle ear ossicles. We have shown in these mice the mesodermal stapedial footplate fails to form and the oval window is induced but underdeveloped. Conclusions: If the neural crest part of the stapes fails to form the mesodermal part does not develop, indicating that the two parts are interdependent. The stapes develops tightly associated with the otic capsule, however, it is not essential for the positioning of the oval window, suggesting that other tissues, perhaps within the inner ear are needed for oval window placement. Developmental Dynamics 241:1396–1404, 2012. © 2012 Wiley Periodicals, Inc.     

Normal development of the middle ear in the mouse: a light microscopic study of serial sections

Development of the ear, especially the middle ear, was studied histologically in ddN and CF mice. Primordia of the 3 ossicles and the otic capsule appeared on day 12 of pregnancy. The stapedial primordium was observed as a mass of mesenchymal cells lateral to the primordium of the otic capsule, attaching to the medial part of the facial nerve. On day 13, the stapedial primordium continued to develop with the Reichert's cartilage. On day 14, the malleus and incus were differentiated. On day 15, the 3 ossicles were mostly completed in shape, and the stapedial footplate had a bilaminar structure at this stage. This structure appeared to correspond to the lamina stapedialis in the developing human stapes.