中耳力学研究——有限元仿真软件应用思考

中耳力学研究声音经过鼓膜-听骨链途径传递至内耳的力学问题,中耳有限元模型是认识中耳生理、病理传声机制关键技术。仿真软件是实现中耳有限元模型研究的应用软件。合理选择相应软件及方法是提高研究精度的保障。本文结合作者研究经验就仿真软件在中耳力学研究领域应用做一综述,为临床医师开展中耳力学研究提供基础知识。     

中耳力学研究

本文以研究方法为维度对中耳力学研究进行了系统全面介绍,包括物理实验检测,如声导抗检测、激光多普勒测振仪,频闪成像测量仪,重力显微镜,可以实现更大维度、更小尺度、复杂的力学探测;有限元模型分析经历了逐渐发展和成熟的历程,目前不仅用于研究中耳生理、病理、手术、听觉植入假体,还深入到结构更加精细复杂的内耳力学领域。实验法和模型研究法两者从一开始就具有互补的关系。     

内耳力学研究相关测量技术进展

由于内耳结构复杂,体积微小,又位于颞骨内部,因此对内耳的力学测量存在较大的困难。一定程度上,测量技术的发展推动着内耳力学研究的进展,并决定了研究的角度以及所取得的成果。本文从测量技术的角度对内耳力学研究中用到的振动及压力测量技术进行了系统总结,包括简要的测量原理、重要的测量相关参数和具有代表性的内耳力学研究成果。具体测试技术包括电容传感器技术、穆斯堡尔技术、零偏激光干涉技术、外差激光干涉技术、低相干光干涉技术、光学断层扫描成像技术和光纤压力传感器技术。     

国际耳力学动态

耳力学是生物力学在听觉医学的一个分支,包括中耳力学和内耳力学,主要探索机械力的作用对中内耳传音的影响,其研究热潮的兴起源于20世纪70年代一些公开发表的研究报道,如基底膜调谐的灵敏性、非线性、耳蜗主动特性、耳声发射（OAE）现象等,这些研究内容后来逐渐被我们熟知。1980年＂主动＂耳蜗概念的问世,促使科学家们认为对听觉中的一些新发现、新理论有必要进行一次国际性的研讨,1983年国际性高端会议——“听觉力学”（mechanics of hearing, MOH）研讨会应运而生,十多年后集中反映中耳研究进展的“中耳力学研究与耳科学”（Middle-Ear Mechanics in Research and Otology, MEMRO）会议也随之诞生。目前国内从事该领域研究的学者很少,因此有必要向国内学界介绍这些国际会议概况与进展。     

健康鼻骨受力的生物力学建模和有限元分析

目的建立成年人健康鼻骨相关生物力学模型,对鼻骨结构受力情况进行有限元分析,获得应力、应变等数据,利用统计分析揭示鼻骨的静力学应力分布特点。方法采用64排螺旋CT扫描获得影像数据;通过三维重建和图像处理获得鼻骨的三维几何模型;利用有限元分析软件建立鼻骨受力的生物力学模型并进行力学分析。结果通过对6例鼻骨受力的情况的有限元分析,发现当外力作用于鼻骨下端时,作用力与矢状面所成角度越大则最大应变越大,同时最大主应力逐渐增大;当角度接近60°时,随着角度的增加,最大主应力反而减小。结论当作用力与矢状面的夹角接近60°时,弹性模量较大的鼻骨容易发生骨折;当在角度接近90°时,弹性模量较小的鼻骨才能发生骨折。应用医学图像重建和有限元分析软件相结合的方法,可以帮助临床定量分析成人鼻骨结构的力学性质,为骨折患者矫形提供帮助。     

正常人中耳力学的研究

鼓室成形术后许多病人的听力未能良好改善。镫骨底板的体积位移是中耳力学功能的表现,这一体积位移将运动输入到耳蜗的力学感受系统。研究这一体积位移与声刺激的频率之间的函数关系,可以对正常中耳及不同成形术后的中耳传导效率进行评介。     

中耳有限元分析研究中耳力学的现状

声能经由低阻抗的空气传递至高阻抗的迷路,作为中耳的传声结构,鼓膜、听骨链（锤骨,砧骨及镫骨）、韧带、肌腱和中耳腔均参与了中耳的传声过程。中耳力学通过研究中耳结构对于传音功能的影响,进一步分析和了解中耳的生理功能,各种病理状态下中耳的传声能力及中耳手术对听力的改善等。随着计算机技术和数值模拟工具的发展,中耳有限元分析被越来越广泛地应用于中耳力学研究。有限元分析是基于计算机的数值计算技术，用近似的方法对真实物理系统进行模拟。     

中耳力学研究与耳微创外科技术

中耳力学研究一直是鼓室成形术的热点。从声学水平认识中耳传声机制是耳显微外科技术提高听力的基础。耳微创外科技术理念引导下的耳显微外科技术结合中耳力学研究理论必将推动鼓室成形技术发展,进而提高鼓室成形后听力效果。     

听力学

20050405人耳蜗长度的CT及显微解剖测量的初步研究/吴佩娜…//中国眼耳鼻喉科杂志.2004,4(5).300～301,316目的:探讨多层螺旋CT仿真内镜技术在人耳蜗内腔形态重建和长度测量中的应用价值。方法:10例国人无耳疾颞骨标本(左6右4)被随机编号,分别经多层螺旋CT超薄扫描,仿真内镜三维重建及长度测量后行显微镜下耳蜗蜗管间断开窗,刻度微管蜗管长度直接测量,两组结果进行比较和讨论。结果:仿真内镜可三维重建反映耳蜗蜗管内腔形态的立体结构并允许直接进行多方位观察,利用定位图标可直接进行长度测量;显微解剖直接测量蜗管长度,客观准确。两组…     

术前模拟力学研究在拟植入耳赝附体先天性外中耳畸形患者中的应用价值

目的 探讨术前模拟力学研究在拟植入耳赝附体先天性外中耳畸形患者中的应用价值。 方法 选取20例已行外耳道成形术的先天性外中耳畸形患者(研究组),术后复查MSCT,另选取乳突发育良好的20例正常人群作为对照组,行耳颞骨MSCT。利用Mimics10.01软件建立研究对象颞骨CT图像的三维模型,并对其进行网格化处理,通过ANSYS14.5对研究对象耳赝附体植入前的三维定位及颞骨结构进行力学分析,应用球钻750 r/min。 结果 术前薄层颞骨CT图像可实现快速三维化,耳赝附体术前植入位置定位精确。外中耳畸形患者距所开放的骨性外耳道周缘(2.07±0.05)mm距离较为安全,无外中耳畸形患者距骨性外耳道周缘(1.83±0.07)mm较为安全。 结论 对于外中耳畸形已行听力重建拟行耳赝附体植入术患者,术前针对耳赝附体植入钛钉进行模拟力学研究有助于寻找合适的植入点及距外耳道的距离。     

中耳三维有限元模型的建立与中耳实体模型质量属性分析

目的根据中国健康人体颞骨组织切片数据建立中耳三维有限元模型，分析中耳腔鼓室各组件的几何尺寸，并通过附带软件计算出各听骨的质量属性。方法根据解放军总医院耳鼻咽喉研究所提供的中国正常人颞骨组织切片数据，采用AutoCAD2005、UG软件建立了中耳三维实体模型，在ADINA有限元软件中使用手动和自动法对中耳三维实体模型进行网格划分。依据中耳解剖学、声学及生物力学等研究的文献数据对模型进行生理加载和边界约束，建立了包含鼓膜、听骨、韧带、肌肉的中耳三维有限元模型。最后，利用软件附带功能测量出中耳实体模型大小以及质量属性两方面内容，并与已发表的正常中国人中耳解剖结构的测量数据比较验证其结果的几何相似性和可靠性。结果重建了包含鼓膜、听骨、韧带、肌肉的中耳三维有限元模型。从测量中耳实体模型大小以及质量属性两方面的数据证实了此中耳三维有限元模型能良好的模拟正常人体中耳鼓室形态结构，具有良好的几何相似性。结论应用本方法建立的正常人中耳腔三维有限元模型形态逼真，几何相似性好，为进一步的从声学、生物动力学方面测试此模型在不同频率特定声压作用下鼓膜及镫骨的振动反应、中耳传音结构的几何形态及负荷改变奠定了形态学基础。     

人鼻气流动力学研究仿真模型的建立与应用

目的 研制鼻腔鼻窦仿真模型,并验证其在鼻气流动力学实验研究中的可行性和可靠性.方法 ①用正常成人鼻腔鼻窦作为灌注模板,以透明树脂和琼脂为灌注材料,制作出鼻腔鼻窦透明仿真树脂模型;②用鼻内镜检查和CT扫描确定模型内部结构符合人鼻腔鼻窦正常形态与结构;③用鼻声反射仪检测确定模型的截面积和容积曲线并与正常人鼻声反射结果比较;④使用摄像机记录烟雾在鼻腔鼻窦模型内的流动方式与分布范围,以检测其透明性和直观性,其结果可经计算机处理.结果 成功制作出鼻腔鼻窦模型.模型具有仿真性强、透明性高的特点.模型的内部结构、形态、声反射图形与正常人鼻腔鼻窦检查与测试结果相近.从外部可观测烟雾在鼻腔鼻窦模型内的走向与分布,并可用高速摄像机记录.鼻吸人气流以两种主要流动方式到达后鼻孔:气流流过鼻阈后,大部分气流直接冲击中鼻甲前端,在中鼻甲前端形成漩涡;气流大部分经总鼻道和中、下鼻道呈半弧线型,小部分经鼻腔中上部呈抛物线型到达后鼻孔.快速吸气时鼻腔中上部的气流迅速增加;在鼻阈后中鼻甲前端和鼻咽部两处气流出现漩涡.呼吸时气流可直接进入上颌窦,呼吸时上颌窦内的气流均形成漩涡.结论 ①研制的仿真透明树脂鼻腔鼻窦模型可用于鼻气流动力学的实验研究;②鼻吸入气流以两种主要流动方式到达后鼻孔:大部分经总鼻道和中、下鼻道,小部分呈抛物线型经鼻腔中上部;③鼻吸入气流主要冲击部位是中鼻甲前端和下鼻甲,呼吸时上颌窦内的气流均形成漩涡.     

两种齿状突切除术对颅颈交界区稳定性影响的有限元分析

目的通过构建上颈椎有限元模型研究两种齿状突切除术对颅颈交界区(craniocervical junction,CCJ)稳定性影响的生物力学差异。方法采用有限元软件构建Oc-C2的正常上颈椎实体模型，然后在正常模型的基础上构建常规齿状突切除模型及保留C1前弓的微创齿状突切除模型，进而在有限元软件ABAQUS v6.9.1.中分析各种模型的生物力学差异，从而得出齿状突切除术中保留C1前弓的生物力学优势。结果常规齿状突切除术对C1-C2的活动度影响较Oc-C1显著，各向活动度增加分别为前屈23%、后伸97%、侧弯231%、轴向旋转349%；对Oc-C1的稳定性同样有明显影响，其中Oc-C1后伸活动度影响最大，增加达196%。保留C1前弓的齿状突切除术可明显缩减C1-C2轴向旋转活动度的增加，实验中仅出现轻度代偿性的活动度减少；而其他方向活动度仍有异常的增加（Oc-C1后伸活动度增加167%、C1-C2侧弯活动度增加181%）。结论齿状突切除术对C1-C2的活动度影响显著，但对Oc-C1的活动度同样有明显影响。保留C1前弓的齿状突切除术可保护脊柱轴向旋转的活动度，但仍存在脊柱不稳定因素。     

喉腔手术动物模型的初步研究

目的 通过对实验动物犬的手术、术中测量及围手术期处理,对喉腔手术的动物模型进行初步研究。方法 选择16只健康比格犬行喉裂开手术,术中测量喉腔基本参数。术后对实验犬进行气管切开及鼻饲肠内营养,观察实验犬的术后状况。结果 实验犬的喉腔基本参数与人体具有相似性;实验犬能够耐受术后气管切开及鼻饲。结论 选择犬作为实验对象合适,实验犬的手术及围手术期处理方案基本明确。     

环甲关节运动与声带张弛的力学分析

在61只尸体喉解剖和测量的基础上,对环甲关节运动进行了力学分析。环状软骨绕贯穿两侧环甲关节的冠状轴在矢状面上转动,能使两侧声带同时伸缩3.41mm左右;沿甲状软骨环关节面长径方向滑动,能使一侧声带伸长而另一侧声带缩短,二者之差可达2.42mm左右。上述“转动”能有效地调节声带的张弛,“滑动”能均衡两侧声带张力,由于“滑动”运动要比“转动”运动费力得多,因而关节病变时易引起滑动受限。环甲关节水平向异常滑动或单侧滑动受限可导致声门偏斜。     

听神经病实验动物模型

听神经病的临床听力学特征主要表现在具有正常的耳蜗感受器电位和异常的听性脑干反应波形以及对语言的理解障碍,其病理学改变部位被确定是在周边听觉系统,主要表现在内毛细胞缺损、听神经末梢破坏、听神经纤维脱髓鞘病变、螺旋神经节细胞缺损,或上述一个或几个部位同时发生病变。本文介绍了模拟听神经病的各种实验动物模型,其中包括模拟单纯内毛细胞缺损的Slc19a2基因缺陷小鼠和Ggt1基因缺陷小鼠实验模型;模拟单纯Ⅰ型传入神经末梢损害的谷氨酸盐实验模型;模拟单纯脱髓鞘病变的甘油实验模型;模拟Ⅰ型螺旋神经节及其神经纤维损害的乌苯酐实验模型和免疫性疾病损害模型;模拟单纯神经纤维脱髓鞘病变的胆红素实验模型和髓鞘缺陷仓鼠模型;模拟单纯听神经近端脱髓鞘病变的阿霉素模型和压力夹伤听神经实验模型;以及模拟整个周边听觉系统全程病变的卡铂南美栗鼠实验模型。这些实验模型可以分别用于模拟听神经病的一种或几种临床表现及病变特征的实验研究。     

中耳力学研究

中耳炎是一个古老话题,围绕如何重建受损鼓膜与听骨链的相关研究一直经久不衰.耳外科医师关注两个主要问题:外中耳病理变化如何影响声音传递,鼓膜听骨链病变性质、范围与纯音听阈关系如何?如何通过手术去除病变组织的同时,使得重建后的外中耳结构、声学与力学特性近似正常,从而提高听力?众多耳科医师已经认识到鼓耳道角变钝会导致术后传导性听力损失,锤骨柄完整、镫骨完整的病例术后气骨导差小,尽可能保持中耳正常结构是减小鼓室成形术后气骨导差的重要因素.     

中耳含气系统有限元数值建模

目的　建立正常人中耳含气系统结构与功能相适应的有限元数值模型,无侵入性的测量特定状态下咽鼓管同周围组织结构之间的生物力学关系,模拟活体状态下其内部气流流场分布特征及软组织结构运动行为。方法　选取一名成年无耳科疾病女性志愿者,应用Philips 128排多层螺旋 CT 机扫描,范围自中颅窝底到下鼻道下端,听眶线与水平面垂直,扫描平面平行于听眶线,采集其咽鼓管开 放状态下的数据并以DICOM格式输出;将上述DICOM数据导入Mimics 20.0进行三维重建,将所得STL格式文件导入Geomagic studio 12.0中进行修复、降噪、面片划分,得到光滑曲面的三维模型,应用Ansys 15.0对其划分体网格及面网格,建立中耳含气结构的有限元数值模型。结果　咽鼓管正常开放状态下其咽口的横截面积右侧为71.09 mm2、左侧为70.89 mm2,峡部的横截面积右侧为1.67 mm2、左侧为1.85 mm2,鼓室口横截面积右侧为14.78 mm2、左侧为13.96 mm2,鼓窦入口的横截面积右侧为21.81 mm2、左侧为20.05 mm2,充气状态下咽隐窝的容积右侧为4685.98 mm3、左侧为5323.61 mm3;前鼻孔给予3300 Pa压力时随着咽鼓管截面积的逐渐减小,气流流速逐渐增加,气流压力逐渐减小,在咽鼓管软骨部距峡部7 mm处中心气流流速最大,气流压力最小。结论　建立中耳含气系统有限元数值模型,可用于模拟正常及病理状态下中耳的结构与功能,为从生物力学角度探讨与咽鼓管功能相关的中耳疾病的病因诊断和治疗提供数值模型基础。     

腺样体肥大患儿鼻声反射联合上气道气流场生物力学数值模型的特征分析

目的　探讨鼻声反射对腺样体肥大患儿的临床应用价值,联合建立上气道气流场生物力学数值模型,定性分析患儿鼻腔、鼻咽腔形态特征及气流场分布情况。方法　对35例腺样体肥大患儿行鼻咽侧位片及鼻声反射检查,根据腺样体/鼻咽腔（adenoid/nasopharynx,A/N比率）分为三组（A/N≤0.60,0.60＜A/N≤0.70,A/N＞0.70）,分析三组间鼻腔最小横截面积（minimal cross-sectional area,MCSA）、鼻腔最小横截面积距离前鼻孔的距离（distance of the minimal cross-sectional area from the nostril,DMCA）、鼻腔阻力（nasal airway resistance,NR）、鼻腔容积（nasal volume,NV）及鼻咽腔容积（nasopharyngeal volume,NPV）的参数有无显著性差异。据其中9例受试者上气道CT影像,三维重建上气道生物力学数值模型,分析气流流场特征。结果　35例受试者鼻声反射曲线特点为后段低平。随A/N比率增大NR逐渐增大,NV、NPV下降,各组间MCSA、DMCA、NR、NV无显著性差异（P＞0.05）,NPV有显著性差异（P =0.000）。患儿鼻咽部气流形态紊乱,压强变化梯度主要集中在鼻阈及腺样体与扁桃体交界区域,呼吸道的高流速区主要集中在鼻阈、中鼻道和鼻咽部。结论　鼻声反射可用于腺样体肥大患儿鼻咽腔容积的定量分析,可验证患儿上气道计算机仿真模型的真实及可靠性,二者结合可从三维立体角度考虑患儿上气道的阻塞因素,不仅能应用于腺样体肥大患儿的筛查工作,也可为临床因人制宜采取不同的手术方案及术后评估提供参考。     

鼻上颌骨复合体三维有限元模型的建立

目的通过建立鼻上颌骨复合体三维有限元模型,探讨三维有限元模型的建立方法,为研究鼻上颌骨复合体的生物力学特性提供基础。方法螺旋CT薄层扫描获取医学数字成像与通讯标准（digital imaging and communications in medicine,DICOM）格式数据文件,导入三维重建软件Mimics,并应用有限元软件Ansys建立鼻上颌骨复合体三维有限元模型。结果用该方法所建立鼻上颌骨复合体三维有限元模型与实体有很好的相似性,并且操作误差小,建模分辨率高。结论应用DICOM数据计算机辅助建模法是一种快捷、准确、高效的有限元建模方法,该实验所建鼻上颌骨复合体三维有限元模型精确度高,操作的可重复性好,能为临床研究鼻上颌骨复合体骨折的生物力学的机制提供基础。