中耳炎病变对圆窗激振听力补偿影响的数值分析

为了研究中耳炎引起的鼓膜病变和听小骨腐蚀对圆窗激振式人工中耳听力补偿的影响,利用计算机断层扫描(CT)技术和逆向成型技术建立了包含耳蜗不对称结构的人耳有限元模型,并与相关实验数据对比,验证模型的可靠性。基于该模型,通过改变相应的组织结构,分别模拟中耳炎引起的鼓膜病变和听小骨腐蚀,并对比相应的基底膜特征频率处的位移响应,来研究中耳炎病变对圆窗激振听力补偿效果的影响。结果表明:鼓膜增厚和鼓膜硬化主要恶化圆窗激振低频段的听力补偿效果;鼓膜穿孔和未导致听骨链脱离的听小骨腐蚀,对圆窗激振的影响较小;不同于前述病变类型的影响,听小骨腐蚀导致听骨链脱离时,将提高圆窗激振低频段的听力补偿性能。因此,设计圆窗激振作动器时,应综合考虑中耳炎病变对其听力补偿性能的影响,特别是鼓膜增厚及硬化对其低频段性能的恶化,适当增大其低频段的输出增益,确保其术后的实际听力补偿性能。     

典型中耳病变对圆窗激振听力补偿性能影响的数值分析

目的研究典型中耳病变对圆窗激振听力补偿效果的影响,为圆窗激振式人工中耳的优化设计提供参考。方法利用CT扫描和逆向成型技术建立包括中耳和耳蜗的有限元模型,并验证模型的可靠性。再基于该模型,通过改变相应组织的材料属性,分别模拟镫骨环韧带硬化、镫骨不正常发育和锤骨前韧带硬化3种典型中耳病变。通过对比相应的基底膜响应,分析这3种病变对圆窗激振听力补偿效果的影响。结果镫骨不正常发育主要在高频处降低圆窗激振的效果,镫骨环韧带硬化和锤骨前韧带硬化主要恶化圆窗激振低频段的响应。3种病变中,镫骨环韧带硬化对圆窗激振听力补偿效果影响较大,等效声压的减小量可高达17 d B。结论中耳病变恶化圆窗激振的听力补偿效果,且恶化量较大,故在设计圆窗激振式人工中耳时需要针对性地提高其作动器的输出量。     

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。     

基于基底膜响应的圆窗激振性能评估偏差研究

目的研究采用传统基底膜位移评价标准评估圆窗激振式人工中耳听力补偿性能的准确性,为圆窗激振式人工中耳的性能评估提供理论基础。方法基于耳蜗几何结构的实验数据,建立耳蜗感声微观有限元模型,通过对比内听毛细胞、外听毛细胞、盖膜等部位位移响应的实验测量值,验证模型的可靠性。基于该模型,对比分析正向激振、圆窗激振下的基底膜位移与内听毛细胞静纤毛剪切位移;以内听毛细胞静纤毛剪切位移作为感声标准,研究圆窗激振时采用传统人工中耳基底膜评价标准的等效声压级偏差。结果在所研究耳蜗微段对应的5 k Hz特征频率处,相同幅值的声压作用下,圆窗激振的基底膜位移和内听毛细胞静纤毛剪切位移均小于正向激振的对应值。结论正向激振下的内听毛细胞更兴奋,感声效果更强。同时,采用正向激振的基底膜位移评价方法评估圆窗激振的听力补偿效果,会高估圆窗激振的听力补偿性能;但偏差较小,是一种相对可靠的评价方法。     

中耳畸形对圆窗激振听力补偿性能影响的数值分析

目的研究中耳畸形对圆窗激振性能的影响,为圆窗激振式人工中耳的优化提供理论支持。方法构建包含两腔不对称的非螺旋耳蜗的人耳有限元模型,并与实验数据进行对比,验证模型的可靠性。基于该模型,通过改变相应组织的材料属性,分别模拟听骨链固定、听骨链融合、听小骨缺损3种中耳畸形对圆窗激振性能的影响。结果中耳畸形主要影响圆窗激振式人工中耳的低频性能,听骨链固定和听骨链融合对圆窗激振起恶化效果。镫骨固定对圆窗激振补偿性能的影响最大,恶化量高达47.93 dB;听小骨缺损可提高圆窗激振的性能,最大改善量为6.24 dB。结论中耳畸形对圆窗激振的低频性能有影响,临床植入圆窗激振式人工中耳时需要针对性地提高其作动器的输出量。     

镁合金冠脉支架支撑性能分析及其优化

目的利用有限元法对支架支撑性进行模拟分析,选用Kriging代理模型理论优化支架结构,为支架的临床治疗及设计开发提供更加科学的参考。方法通过惩罚函数法建立接触模型,选用广义变分原理作为数值模拟仿真的理论基础,并以Kriging代理模型理论对支架刚度进行有限元优化,研究周向支撑体数目、支撑体长度和初始直径对支架支撑性能的影响。结果支架的支撑力随着周向支撑体数目和支撑体长度的增加呈现下降的趋势,而随着初始直径的增大呈现上升的趋势;利用Kriging代理模型理论从7款支架中得出:支撑体数目为6个、支撑体长度为1.15 mm、初始直径为1.65 mm是支撑刚度最优支架结构。结论数值分析与体外实验结果吻合较好,误差在5%以内,实验重复性误差率在0.5%以内,验证了有限元分析的有效性和合理性。镁合金支架支撑性能的优化为新型支架设计及开发提供重要参考依据。     

镍钛合金胸主动脉支架支撑性能数值模拟

目的研究不同支撑体高度、支撑体个数和截面尺寸对镍钛合金胸主动脉支架支撑性能的影响。方法利用Auto CAD 2016和Soild Works 2014建立27款不同参数支架模型,利用Hyper Mesh 14.0进行四面体网格划分,利用ABAQUS 2017进行支撑性能模拟分析。结果支撑体高度降低,支撑刚度增加;截面尺寸越大,支撑刚度越大;随着支撑体个数增多,支撑刚度增加。支撑性能影响因素中,影响程度由大到小依次为支撑体高度、截面尺寸、支撑体个数。结论研究结果对胸主动脉支架的开发和研究具有一定指导意义,为临床支架的选择及优化提供理论依据。     

血管支架柔顺性能的仿真模拟及灰色相关性分析

目的利用有限元法与灰色相关性理论的方法,分析并比较支架结构参数对支架植入后与血管同步运动能力的影响。方法选取S型闭环镁合金支架作为研究对象,应用Solid Works软件建立不同材料、周向支撑体数目、支撑体长度及初始直径共9款支架模型;应用Hyper Mesh软件进行支架模型网格的划分;应用ABAQUS软件模拟分析支架植入后与血管同步运动能力;利用灰色相关性理论研究并比较支架结构参数对弯曲刚度影响因子大小。结果材料对支架柔顺性的影响较明显,其中镁合金的柔顺性最好,对应弯曲刚度值为0.958 N·(rad·mm)~(-1);周向支撑体数目为5对应支架的柔顺性最好,其弯曲刚度值为0.853 N·(rad·mm)~(-1);支撑体长度为1.0 mm对应支架的柔顺性最好,其弯曲刚度值为0.829 N·(rad·mm)~(-1);初始直径为1.4 mm对应支架的柔顺性最好,其弯曲刚度值为1.024 N·(rad·mm)~(-1)。结论镁合金支架对应柔顺性最好,其次为不锈钢,钴铬合金支架对应柔顺性较差;柔顺性随着周向支撑体数目、支撑体长度、初始直径的增加而呈减小趋势变化;通过灰色相关性计算可知,材料对应柔顺性的影响最显著,其次为周向支撑体数目、支撑体长度,初始直径对其影响较小;分析支架结构参数对柔顺性的影响,可为支架的设计研发及临床治疗提供更加科学的参考。     

基于压电叠堆的砧骨激励式人工中耳低功耗结构设计

目的设计一种具有位移放大结构的压电振子改进方案,用于降低现有砧骨激励式人工中耳压电叠堆振子的功耗。方法首先,基于人耳解剖结构,设计带有位移放大结构和仅仅由压电叠堆构成的两种压电振子,并建立相应压电振子与中耳的耦合力学模型。通过对比该两种耦合力学模型的计算结果,分析引入位移放大结构前后的人工中耳听力补偿性能及功耗。结果引入位移放大结构后,压电振子在10.5 V有效电压驱动下,在1 kHz频率处的等效声压级由之前的100 dB增大至113 dB。此外,由压电叠堆直接激振时,振子在1、2和4 kHz处的功耗分别为6.42、1.56和0.28 mW;引入位移放大结构后,压电振子对应上述3个频率点的功耗分别降低至0.39、0.09和0.01 mW。结论所设计的带有位移放大结构的压电振子能够提高砧骨激励式人工中耳的听力补偿能力,有效降低压电振子的功耗。研究结果将有助于人工中耳结构设计的进一步完善,从而达到更好的听力补偿效果。     

基于Gammatone滤波器组分解的数字助听器频响补偿算法

目的针对现有数字助听器中的多通道频响补偿算法容易破坏语音信号的共振峰结构,致使频响补偿后语音信号的可懂度、清晰度和舒适度降低等问题,提出一种基于人耳听觉特性的多通道频响补偿算法。方法首先采用一种可以模拟人工耳蜗模型的Gammatone滤波器组,然后通过滤波处理把输入信号分为32个频带,并依据耳聋者的听力曲线对每个频带进行频响补偿。最后采用语音信号每个通道的声压级,以及从共振峰结构和主观测试对比该算法与基于Bark域的非均匀滤波器组分割频率的算法的优越性。结果通过该算法处理后的语音信号可以很好地满足不同听力损失者的听力要求。相对于比较算法,该算法语音信号的共振峰结构完整性更好,在不同的声压级下,该算法的语句可懂度提高10%以上。结论基于Gammatone滤波器组分解的数字助听器频响补偿算法优于对比算法,并且提高了听力损失者的语句可懂度和舒适度。     

高压对耳蜗的影响

目的研究高压环境对人耳蜗的影响,弥补试验手段不足导致的耳蜗在高压环境下听力行为特征研究的缺失,为今后对耳蜗进行针对性研究提供新的思路。方法基于健康人耳蜗CT扫描图像,结合自编程序,利用PATRAN软件建立三维螺旋耳蜗有限元模型。应用NASTRAN软件进行流固耦合频率响应分析和瞬态响应分析,通过数值模拟方法研究高压对耳蜗的影响。结果基底膜12 mm处与镫骨底板中心(卵圆窗的中心)处位移比值模拟结果与已报道的试验结果相吻合,验证了所建模型的正确性。高压环境下,耳蜗中基底膜特征频率点的幅值随着压强的增大而不断减小。结论高压环境最终导致人耳听力的降低。研究结果为临床上研制防治高压的缓冲装置提供理论支撑。     

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。     

噪声环境下基于信噪比的多通道自适应频响补偿算法

目的针对数字助听器中现有的频响补偿算法在噪声环境下无法满足耳障者对语音质量和可懂度要求的问题,本文提出了基于信噪比的多通道自适应频响补偿算法。方法该算法首先采用Gammatone滤波器组对含噪语音进行子带分解,对各子带采用二值掩蔽方法去噪,在不损伤语音的同时尽可能去除各子带内的噪声;然后在各子带估计其信噪比以及增益;再利用信噪比自适应地调整线性放大和宽动态压缩在频响补偿中所占的权重,并且在高频语音部分采用基于非线性频率压缩的宽动态压缩算法;最后根据正常人和耳障者听力曲线以及信噪比对各子带进行自适应频响补偿,通过对语音的LPA估计以及对耳障者的主观测试比较本文算法与对比算法的优越性。结果本文算法对每个子带的语音信号实现了自适应频响补偿,相较于对比算法,本文算法在噪声环境下不仅较好地保护了语音的共振峰结构和谱包络,而且使语音的声压级在耳障者的听力舒适阈内得到了较多的补偿,有效地补偿了患者损失的听力,提高了耳障者的言语可懂度。结论噪声环境下基于信噪比的多通道频响补偿算法优于对比算法,有效提高了听障患者感知语音的可懂度和舒适度。     

球囊撑开器对儿童膝关节生物力学影响的有限元分析

目的：基于儿童膝关节MRI图像建立正常膝关节三维实体模型和球囊完全撑开膝关节的三维有限元模型,采用有限元法分析两种球囊撑开器（分开设计/一体化设计）对膝关节的生物力学影响。方法：使用医学建模软件建立儿童膝关节有限元模型,模拟儿童膝关节镜手术过程。建立两种球囊撑开器模型,对球囊模型施加不同的压力,探究分开设计时3种不同形状球囊和一体化设计时不同短轴尺寸球囊与膝关节软骨相互作用的应力分布情况,获得撑开方式的最优设计。结果：当撑开器与膝关节镜分开设计时,球状球囊对软骨的峰值应力影响较小;当撑开器一体化设计时,短半轴3.0 mm逐渐增大尺寸,环状球囊的应力峰值变化较小且软骨上的应力峰值较小,环状球囊短半轴取3.0 mm是一种较优的尺寸。结论：球囊撑开器可以有效撑开一定的膝关节间隙,撑开器一体化设计相比分开设计在术中对膝关节影响较小。本研究为球囊撑开器中球囊几何结构的设计提供理论依据,提高了半月板手术治疗的安全性。     

金属悬臂粱式口周肌压力传感器的研制

研制一种基于金属悬臂梁的口周肌压力传感器,采用电阻应变片作为力学信号转换元件,对传感器进行标定,对其防水性能、温度补偿功能等指标进行测试,该传感器具有体积小、性能稳定、高精度、高灵敏度、防水性能良好的特点,可用于多种微弱压力信号的采集.     

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。     

数字助听器中基于两步降噪的多通道频响补偿算法

目的 针对数字助听器中现有频响补偿算法在噪声环境下无法满足耳聋者言语可懂度和舒适度的问题,本文提出了基于两步降噪的多通道频响补偿算法。方法 该算法首先通过计算通用单通道语音增强的先验信噪比和系统增益,并利用前后语音帧间的相关性,结合自适应先验信噪比平滑因子对先验信噪比估计进行优化,实现两步降噪;然后采用gammatone滤波器对增强后的语音进行非均匀多子带分解,在每个子带中采用两次插值;最后依据耳聋者的听力曲线对每个频带进行频响补偿。结果实验表明,该算法能够有效地去除了噪声对频响补偿的影响,保护了共振峰结构,获得更多增益信息,补偿了患者缺失的语音能量,满足了听力损失者的听力需求。结论 基于两步降噪的多通道频响补偿算法有效提高了听障患者感知语音的可懂度和舒适度。     

生物主动脉瓣膜设计中的有限元分析模型

目的 为了更好地分析生物心脏瓣膜的应力分布及闭合性能,本研究提出一种新的有限元分析模型.方法 利用点点接触将瓣膜与支架的缝合点一一对应以模拟瓣膜实际缝制过程,建立将平面设计的瓣膜缝制到支架上的模型,从而形成缝制模型.而对照模型则直接建立瓣叶的理想三维几何结构.在两种模型的瓣叶上施加一定压力,进行有限元计算,将缝制模型与对照模型的应力分布情况进行对比,同时参照实际瓣膜的闭合情况对比上述两种模型的闭合形态.结果 缝制模型最大应力集中部位为瓣叶两翼,其瓣叶倾角及闭合形态分析均较可靠.结论有限元缝制模型可以为心脏瓣膜瓣叶性能分析提供比对照模型更精确的结果,从而为瓣叶形状的设计和优化提供指导依据.     

基于强迫振荡技术的肺功能测量系统研究

强迫振荡技术是一种通过对呼吸系统施加外部强迫振荡气体,并检测经气道后气体压力和流量变化,结合系统辨识方法来获得呼吸系统阻力特性的主动型肺功能检测技术。本文研制了强迫振荡法的肺功能测量系统,对振荡气体发生单元主要构件、压力和流量传感器选型、振荡气体激励信号的设计以及压力、流量传感信号同步数据采集等进行了深入分析,搭建了基于LabVIEW的软硬件测量系统。基于该测量系统,分析了压力和流量传感器性能,得到了系统振荡压力频响曲线,基于该频响曲线,修正了振荡气体发生单元在各频率点(4~40 Hz)的压力信号幅度。最后,使用主动模拟肺ASL5000进行了呼吸阻抗的模拟测试。测试结果表明,本系统可以正确测量呼吸系统阻抗。     

坐姿人体在水平和垂直激励下的动力学响应

建立了一个人体坐姿状态下上体的倒立摆生物动力模型,并基于动力学达朗贝尔原理推导了模型的非线性生物动力微分方程,进一步应用非线性理论中的KB方法获得了模型在水平和垂直激励下的动力学幅频响应函数,通过MATLAB进行数值模拟,发现模型呈现出丰富的非线性特性,讨论了真实人体模型参数(包括肌肉弹簧刚度、韧带阻尼系数、组合非线性项系数等)和外激励幅值(包括水平和垂直方向的外激励)对幅频响应的影响,从而为解释和评估人体在坐姿状态下受座位激振力(如驾驶、乘坐机车等),维持上体稳定的参数识别、稳定区域等生物力学机理提供了理论与工程应用依据.