豚鼠耳蝸生物數(shù)值模型的實驗研究

蘇英鋒，孫秀珍，劉迎曦，閆志勇，沈雙，辛曉燕，于 申

(1.大連醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院 耳鼻喉科，遼寧 大連116027;2.大連理工大學 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室，遼寧 大連116024)

近年來，臨床實踐發(fā)現(xiàn)感音神經(jīng)性耳聾患者發(fā)病率逐漸增高。耳蝸——執(zhí)行感音功能的核心結(jié)構(gòu)，負責將聲音由機械能轉(zhuǎn)換為電能，進一步經(jīng)聽神經(jīng)傳導入大腦，從而引起聽覺。目前針對感音功能的研究手段主要包括:(1)功能測試如電測聽、聲導抗、耳聲發(fā)射、腦干聽覺誘發(fā)電位等;(2)形態(tài)學觀察如掃描電鏡和投射電鏡觀察等。然而上述研究措施已然難以適應(yīng)現(xiàn)代耳科學研究的需要。鑒于耳傳聲與感音過程力學特征顯著，運用生物力學方法對耳傳聲與感音功能進行研究逐漸得到了醫(yī)、理學科研究人員的重視，此外，該方法還有助于定性、定位、定量描述器官結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系［1］。因此，耳生物力學研究已經(jīng)成為一個快速發(fā)展的新興研究領(lǐng)域［2］。

關(guān)于耳蝸力學研究:早期的耳蝸數(shù)值模型假設(shè)耳蝸淋巴液為無粘滯性的理想流體，同時將Navier-Stokes 方程簡化為線性方程，所建模型過于簡化，與正常生理狀態(tài)下的耳蝸有較大差別［3］;近年來，研究人員進一步建立了耳蝸三維數(shù)值模型，其所建模型將簡化為直管狀，其中的基底膜簡化為直板形［4-6］;楊國標等［7］進一步基于micro -CT 建立了三維螺旋管形耳蝸模型，符合正常生理狀態(tài)下耳蝸呈螺旋狀結(jié)構(gòu)的特性。

耳蝸位置深在、結(jié)構(gòu)復雜，影像學掃描不能很好地顯示其膜性結(jié)構(gòu)，使得上述所建模型不能完全反映耳蝸膜迷路的結(jié)構(gòu)特征，本實驗擬通過連續(xù)組織切片技術(shù)獲取耳蝸膜迷路結(jié)構(gòu)的二維解剖數(shù)據(jù)，進一步建立豚鼠耳蝸宏觀生物數(shù)值模型，并模擬耳蝸基底膜感音過程，以檢驗模型的準確性，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 材 料

健康成年豚鼠1 只，體重500 g，雄性，由大連醫(yī)科大學動物實驗中心提供。耳廓反射靈敏，耳內(nèi)鏡檢查未見異常，聲導抗、耳聲發(fā)射、腦干聽覺誘發(fā)電位檢查均無異常。

計算機軟件:Photoshop 圖像處理軟件、Mimics和Hypermesh 軟件、有限元分析軟件ANSYS12. 0等。

1.2 方 法

1.2.1 制作豚鼠內(nèi)耳連續(xù)組織切片:選擇健康成年豚鼠1 只，運用10%水合氯醛2 mL 腹腔注射，麻醉后迅速斷頭，取出顳骨聽泡并予以修剪，保留豚鼠耳蝸及前庭部分，用針尖在蝸尖骨壁鉆孔，再挑開蝸窗下緣骨壁，用4%多聚甲醛進行蝸管內(nèi)灌流，將內(nèi)、外淋巴液充分灌流出去，同時固定膜迷路，然后迅速將組織塊浸泡于4%多聚甲醛中固定48 h。然后，依次經(jīng)過修剪、脫鈣;清洗、脫水;透明、浸蠟;定位、包埋;塑型、切片;HE 染色，其中選擇外定位法進行定位，最終制作一套完整的豚鼠內(nèi)耳組織連續(xù)切片，切片厚度6 μm。

1.2.2 攝像并獲取二維結(jié)構(gòu)信息:采用帶微距鏡頭單反數(shù)碼相機(CANON EOS 7D MARK II)對豚鼠內(nèi)耳組織切片進行攝像，相機設(shè)定為2020 萬像素和最高圖像精細度，采用jpg 格式保存彩色圖像，將圖像文件傳送至計算機并進一步轉(zhuǎn)換成bmp 格式圖像，依次進行編號。

1.2. 3 耳蝸膜迷路和基底膜的三維重建:運用Adobe Photoshop 軟件將上述圖像轉(zhuǎn)換成黑白色圖片，然后進行識別、標記并強調(diào)邊界，以增強對比度，利于識別內(nèi)耳膜性結(jié)構(gòu)。

本實驗所獲豚鼠內(nèi)耳組織切片共480 張，為減少工作量，每3 張連續(xù)圖片選擇1 張進行數(shù)字化，進而三維重建，即所用圖像間隔為12 μm。選擇一張質(zhì)量最好的切片作為定位基準，標記其4 個定位點的坐標，將其他圖像定位點進行標記，以定位基準圖片為標準利用自由變換工具進行旋轉(zhuǎn)、移動等將所有三維重建圖片定位點進行擬合。

將上述圖片導入Mimics10.01 軟件，識別內(nèi)耳膜性結(jié)構(gòu)和基底膜邊界并形成邊界點坐標。

運用Hypermesh 軟件形成豚鼠內(nèi)耳膜性結(jié)構(gòu)和基底膜的邊界的幾何面。

將所獲取的幾何面導入到有限元軟件ANSYS12.0，進一步生成豚鼠內(nèi)耳膜性結(jié)構(gòu)的三維幾何模型，采用Solid45 單元進一步完整有限元剖分。

1.2.4 基于豚鼠耳蝸宏觀生物數(shù)值模型的基底膜模態(tài)分析:為了確定所建模型基底膜振動特性，確定基底膜材料屬性:楊氏彈性模量:E=2.0 ×105Pa，泊松比0. 3，密度為1200 kg/m3阻尼D = 10-6kg/m［8］;邊界條件:基底膜的兩側(cè)面及蝸頂端施加固定位移約束，運用Block Lanczos 解法求解，得到模型前10 階固有頻率和振型，即模態(tài)分析。其中基底膜幾何尺寸:蝸底直徑為0.41 ×10-4m，蝸頂直徑為2.75 ×10-4m，長度為1.40 ×10-2m，蝸底至蝸頂厚度逐漸增寬3 倍［11］。

2 結(jié) 果

2.1 建立豚鼠耳蝸宏觀生物數(shù)值模型

通過組織連續(xù)石蠟切片及攝像，能夠獲得一整套豚鼠耳蝸連續(xù)切片的圖像;所建豚鼠耳蝸的宏觀三維生物數(shù)值模型能夠清楚顯示耳蝸的空間結(jié)構(gòu)特性，耳蝸呈螺旋型，共4 周，其內(nèi)基底膜亦呈螺旋狀曲面上升，基底膜寬度不同，其中近蝸底部為0.41 ×10-4m，近蝸頂部為2. 75 ×10-4m，基底膜長度為1.40 ×10-2m。見圖1。

圖1 豚鼠耳蝸(A)基底膜(B)三維生物模型示意圖Fig 1 3 - D Biological model of cochlea(A)and basilar membrane(B)

2.2 模態(tài)分析結(jié)果

聲波信號傳導入內(nèi)耳后，基底膜振動具有頻率特異性，其中低頻聲音激勵下，最大行波振幅靠近基底膜耳蝸頂部，而在高頻聲音激勵時，最大行波振幅則靠近基底膜底部，本實驗分析頻率階次共10 階，從1 階依次到10 階對應(yīng)的最大行波振幅頻率分別為2919.7 Hz、4409. 3 Hz、4946. 3 Hz、5650. 8 Hz、5910. 2 Hz、6575. 1 Hz、7134. 0 Hz、7359. 3 Hz、7858.6 Hz、8247.5 Hz。具體見圖2。

3 討 論

3.1 基于耳蝸二維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)建立三維模型的經(jīng)驗總結(jié)

圖2 耳蝸基底膜模態(tài)分析基底膜振型云圖(Ⅰ- Ⅹ階)Fig 2 Cloud picture of modal shape of the basilar membrane(Ⅰ- Ⅹ)

制備能夠滿足生物力學模型構(gòu)建所需要的二維組織切片的精度要求不同于常規(guī)實驗要求，不僅要求結(jié)構(gòu)保留完整，而且要求結(jié)構(gòu)不能移位，否則所建模型便會失真。本實驗過程中投入了大量的人力和物力保證二維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的準確性。

本實驗中耳蝸固定主要通過蝸尖注入4%多聚甲醛灌洗，其過程首先需要探針手工方法挑開蝸尖，會不同程度地損傷蝸尖相關(guān)結(jié)構(gòu)，從而導致二維組織切片中靠近蝸頂?shù)哪ば越M織移位、失真，使得在三維重建過程中需要耳科醫(yī)生根據(jù)解剖學知識和經(jīng)驗予以修復。李寒等［9］提出心臟灌注能夠滿足耳蝸膜性結(jié)構(gòu)固定的需要，而且可以避免結(jié)構(gòu)的損傷，值得借鑒。

基于組織連續(xù)切片技術(shù)進行耳蝸三維重建的一個難點是定位，定位點的精度直接影響了三維重建結(jié)構(gòu)的準確性和精確性。目前的定位方法主要包括:(1)利用鋼針穿刺或激光打孔;(2)根據(jù)解剖學的相關(guān)知識進行辨別;(3)將標本的側(cè)面修成平面［10］。本實驗前期多次試制過程中發(fā)現(xiàn)外定位法相對穩(wěn)定可行，遂采用植物桿莖作為定位物，包埋時不僅能夠與石蠟緊密結(jié)合，而且不易移位，顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)大多數(shù)切片4 個定位點全部在位，少數(shù)切片有定位點脫落現(xiàn)象，但每張切片最少有2 個定位點，決定了后續(xù)三維重建過程的順利進行。

石蠟組織切片具有制作方法簡單、制備周期短、費用低廉、切片形態(tài)結(jié)構(gòu)完整等特點［11］，能夠滿足宏觀耳蝸生物模型的要求，但其切片厚度僅為4 ～6 μm，在展片的過程中易于發(fā)生組織的變形、扭曲及損壞，需要謹慎操作。盡管如此，仍然有部分切片不能達到要求，如切片染色不均、切片中混有雜質(zhì)、部分結(jié)構(gòu)缺失等，因此在配準以前仍然需要進一步處理，確保切片清晰，具體包括:(1)切片的過程中采用光鏡進行觀察，剔除結(jié)構(gòu)有破壞的殘片或廢片;(2)切片完成后手工去除周邊雜質(zhì)或組織殘端;(3)通過計算機軟件將彩色圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榛叶葓D像，并調(diào)整比例大小［12-13］。

本實驗最終所建模型清晰地顯示了豚鼠耳蝸的空間結(jié)構(gòu)特征，與Gan RZ 等［14-15］耳蝸重建結(jié)果一致?？梢?，基于組織連續(xù)切片技術(shù)建立耳蝸生物力學模型的方法可行，甚至可推廣應(yīng)用于其他小微器官生物數(shù)值模型的建立。

3.2 耳蝸基底膜生物數(shù)值模型的建立

本實驗所建基底膜生物力學模型的結(jié)構(gòu)特征為從蝸軸底部到蝸軸頂部呈螺旋狀上升，基底膜呈上寬下窄，靠近底周最窄，靠近耳蝸頂部最寬，寬度分別為0.41 ×10-4m、2.75 ×10-4m，蝸底至蝸頂厚度逐漸增寬3 倍，與文獻報道基本一致［15］。

模態(tài)分析可見振型特點:耳蝸基底膜的前10 階固有頻率介于2919.7 ～8247.5 Hz 之間，固有頻率隨階次增加亦逐漸增加;第1 階模態(tài)中，最大振幅發(fā)生于基底膜靠近蝸頂處，隨階次增加，最大振幅位置逐漸向基底膜蝸底部移動，與經(jīng)典行波學結(jié)論基本吻合。楊國標等［7］基于數(shù)學方法分析結(jié)論一致，均與經(jīng)典“行波學說”吻合，不同點在于其前10 階固有頻率在139.0 ～564.6 Hz，與本實驗計算結(jié)果不一致。分析主要原因在于其將基底膜簡化直板狀，其“上底為0.05 mm，下底為5 mm，厚度為0.05 mm”，本實驗模型的寬度為10-4m 數(shù)量級，相差近100倍;此外，兩個模型均為簡化基底膜模型，忽略了耳蝸Corti 器及淋巴液對基底膜的影響，亦是兩者差別的原因所在;另外基底膜的梯度、坡度及傾斜角度等因素對基底膜的行波及位移具有重要影響。上述均提示本課題組仍然需要進一步建立更為精準的生物力學模型。

總之，本實驗基于連續(xù)組織切片技術(shù)獲得的耳蝸二維解剖數(shù)據(jù)建立三維有限元數(shù)值模型的技術(shù)路線可行，數(shù)值模擬結(jié)果與經(jīng)典的行波學說基本吻合，為本課題組后續(xù)運用生物力學方法對耳蝸感音功能進行探索研究奠定了基礎(chǔ)。

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