中耳力學(xué)研究

張紹興　馬芙蓉北京大學(xué)第三醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科（100191，北京）

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中耳力學(xué)研究

張紹興馬芙蓉
北京大學(xué)第三醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科（100191，北京）

【摘要】本文以研究方法為維度對中耳力學(xué)研究進(jìn)行了系統(tǒng)全面介紹，包括物理實(shí)驗(yàn)檢測，如聲導(dǎo)抗檢測、激光多普勒測振儀，頻閃成像測量儀，重力顯微鏡，可以實(shí)現(xiàn)更大維度、更小尺度、復(fù)雜的力學(xué)探測；有限元模型分析經(jīng)歷了逐漸發(fā)展和成熟的歷程，目前不僅用于研究中耳生理、病理、手術(shù)、聽覺植入假體，還深入到結(jié)構(gòu)更加精細(xì)復(fù)雜的內(nèi)耳力學(xué)領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)法和模型研究法兩者從一開始就具有互補(bǔ)的關(guān)系。

【關(guān)鍵詞】中耳力學(xué)；有限元；激光多普勒測振儀；原子力微鏡；全息成像檢測；聽覺

This research is financially supported by the Capital Health Development Research Fund of China（CHDR 2016-2-4094）

Declaration of interest：The authors report no conflicts of interest.

在距今約3.6億年前的泥盆紀(jì)晚期，海洋生物開始登陸，兩棲動物不斷進(jìn)化，由此開啟了耳聽覺系統(tǒng)數(shù)億年的發(fā)展歷程，逐漸進(jìn)化出外中耳復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，外耳收集聲音信號并傳遞到中耳的鼓膜；鼓膜引起聽骨鏈運(yùn)動，將聲音信號轉(zhuǎn)為機(jī)械振動；再通過內(nèi)耳將振動轉(zhuǎn)變成聽神經(jīng)脈沖。從工程學(xué)角度看，耳是一個(gè)在聲波激勵(lì)下的非線性流—固耦合動力系統(tǒng)。它復(fù)雜神奇的聲音傳導(dǎo)、分析功能，它的病理狀態(tài)導(dǎo)致的聽力下降，手術(shù)重建后的功能恢復(fù)等等復(fù)雜的現(xiàn)象一直被用各種研究方法解讀，包括臨床聽力學(xué)、組織學(xué)、電生理學(xué)、影像學(xué)、基因?qū)W方法等。耳聽覺力學(xué)研究因?yàn)榫哂辛炕枋?、功能模擬的特點(diǎn)，已經(jīng)被越來越多的耳科、工程專業(yè)研究人員認(rèn)可接受，并進(jìn)入快速發(fā)展期；其研究成果不斷展出，如每隔三年的中耳力學(xué)研究與耳科學(xué)會議（the Middle-Ear Mechanics in Research and Otology，MEMRO）；研究領(lǐng)域不斷拓展，已由單純模擬中耳形態(tài)，生理、病理功能研究，重建研究，深入到聽覺植入假體評估與研發(fā)，甚至內(nèi)耳的力學(xué)研究，國內(nèi)外此領(lǐng)域研究已成蔚為大觀之勢。本文擬綜述此領(lǐng)域的相關(guān)內(nèi)容，以期增進(jìn)同行對該領(lǐng)域的理解，并對未來科研展開有所裨益。

1　中耳力學(xué)的數(shù)學(xué)背景

“普遍數(shù)學(xué)（mathesis universalis）”是笛卡爾早期著作中的核心概念，他認(rèn)為一切問題都可以轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題。其發(fā)明微積分以闡釋復(fù)雜的幾何圖形和物理現(xiàn)象背后的數(shù)學(xué)問題。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，人們認(rèn)識到許多問題不能用一個(gè)自變量的函數(shù)來描述，需要多變量函數(shù)來描述，比如：物理量有不同的性質(zhì)，溫度、密度、速度等，偏微積分方程應(yīng)運(yùn)而生。生物體的研究更加復(fù)雜，從生物力學(xué)研究角度看，聲音經(jīng)外耳道，引起鼓膜振動，再經(jīng)聽骨鏈傳遞至鐙骨，最后經(jīng)鐙骨底板將振動傳遞至內(nèi)耳淋巴液。該過程中任何影響振動傳遞的因素均將影響聽力，中耳傳聲過程一定程度上是包涵偏微分方程的生物力學(xué)過程。在該過程中，聲能傳遞介質(zhì)經(jīng)過了空氣、固體及液體，涉及聲學(xué)、結(jié)構(gòu)、流體力學(xué)等多學(xué)科問題，尺度從宏觀到微觀均有［1］。從中耳力學(xué)角度研究認(rèn)識中耳傳聲機(jī)制由來已久，比如經(jīng)典中耳傳聲理論認(rèn)為：鼓膜面積與鐙骨底板面積之比約為17，理論增26 dB聲壓；聽骨鏈杠桿比1.3，增約2 dB聲壓，共28dB。后來的實(shí)驗(yàn)研究又將這一結(jié)果進(jìn)行了修正。這是早期中耳力學(xué)研究的舉例，下面我們將從研究方法的角度詳細(xì)全面審視該領(lǐng)域。

2　中耳力學(xué)研究

2.1實(shí)驗(yàn)研究

2.1.1聲導(dǎo)抗

自上世紀(jì)70年代以來聲導(dǎo)抗檢測就已經(jīng)普遍應(yīng)用于臨床，此處將之歸為中耳力學(xué)研究的方法之一，是從廣義維度出發(fā)，也是為了說明中耳力學(xué)研究的方法之多樣與歷史之悠久。聲導(dǎo)抗測量是通過聲刺激所引起的中耳傳音結(jié)構(gòu)生物物理變化來觀察聽覺系統(tǒng)功能狀態(tài)的一種客觀方法。人的中耳是一種阻抗匹配裝置，阻抗大小取決于質(zhì)量、勁度（活動度）和摩擦力。由于中耳病變對質(zhì)量和摩擦力的影響較小，通常影響的是勁度，所以中耳的狀態(tài)用順應(yīng)性來描述。

2.1.2激光多普勒測振儀（Laser Doppler Vibrometry，LDV）

LDV評價(jià)中耳某一點(diǎn)的振動，反映其聲—機(jī)械能特性。其原理是利用激光束瞄準(zhǔn)運(yùn)動中的物體，同時(shí)物體將激光束反射，利用多普勒原理分析運(yùn)動目標(biāo)的速率、振幅和時(shí)相。實(shí)驗(yàn)使用感應(yīng)頭、掃描系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡、電視攝像頭。其優(yōu)點(diǎn)有：其靈敏度和精確度可以測量到1nm；由于顯微鏡不直接接觸被測目標(biāo)，所以在測量時(shí)無機(jī)械負(fù)荷和聲的干擾；由于能自動記錄同一個(gè)界面上的多個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動特性，所以可以提供振動物體的視覺圖像并非常方便地對數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖分析［2，3］。采用LDV測量聽骨鏈及其假體振動尤為出色。

2.1.2.1使用LDV并采用自然聲刺激可進(jìn)行完整狀態(tài)下鼓膜表面位點(diǎn)的振動檢測。

這適用于尸頭與活體的中耳力學(xué)研究。Goode等［4］采用商用LDV和計(jì)算機(jī)控制給聲，檢測了6例人活體和15例新鮮顳骨標(biāo)本鼓膜臍部的振動特點(diǎn)，并進(jìn)行了對比。該研究發(fā)現(xiàn)從140到1000 Hz鼓膜臍部的振幅頻率曲線呈相對平滑，而在1000—7000Hz曲線則隨著給聲頻率升高成斜坡下降型。在1000Hz，80dB聲壓級的輸入刺激下，鼓膜臍部振幅為0.945微米。在新鮮尸頭上檢測的結(jié)果與活體非常相似。作者認(rèn)為未來LDV可有一定的臨床應(yīng)用，如用在檢測鼓膜的振動效率，發(fā)現(xiàn)鼓膜有問題的患者；還可以用來分析鼓膜成型術(shù)后的鼓膜功能，協(xié)助手術(shù)醫(yī)師改進(jìn)手術(shù)。

2.1.2.2使用LDV并采用電機(jī)械刺激可進(jìn)行鼓膜以內(nèi)結(jié)構(gòu)的振動測量，進(jìn)行中耳傳聲機(jī)制的研究。

對鼓膜內(nèi)側(cè)的中耳結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測需要手術(shù)的暴露，故很難在活體上進(jìn)行，多選擇顳骨標(biāo)本；檢測過程中激光束需要對準(zhǔn)聽骨鏈，并掀起耳鼓膜瓣，所以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的聲刺激是不可能的，只有通過對聽骨鏈的機(jī)械刺激進(jìn)行測量并換算為聲刺激。故利用電機(jī)械刺激模型研究中耳傳聲機(jī)制，該模式將磁鐵放置在鼓膜臍部，并用掀起的耳道鼓膜瓣覆蓋和固定。電磁刺激線圈放置在顳骨鱗部的頂部，線圈、放大器和信號發(fā)生器相連并產(chǎn)生所需強(qiáng)度的電磁場，并產(chǎn)生機(jī)械刺激。Ruggero等［5］使用LDV技術(shù)測量了活體和尸頭的鼓膜與鐙骨在不同頻率下的振動衰減速率，發(fā)現(xiàn)活體與尸頭具體振動模式存在一定的差距，并推測鐙骨只有輕微的調(diào)頻傳導(dǎo)能力（這與其他的胎生脊椎動物具有相似性），進(jìn)一步探討了人類中耳聲音傳導(dǎo)的特點(diǎn)是寬帶傳輸還是具有調(diào)頻功能這一問題。Killion和Clemis［6］等人使用陳舊的顳骨標(biāo)本模擬了中耳手術(shù)實(shí)驗(yàn)，并使用該技術(shù)測量了中耳手術(shù)前后的能量傳遞，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)能量的傳遞過程中出現(xiàn)3 kHz的切跡。Gyo［7］基于Killion的模型進(jìn)行了改進(jìn)，在500 Hz以上頻率范圍，其結(jié)果仍不理想。究其原因，其一，可能跟顳骨不夠新鮮，不是馬上進(jìn)行觀察有關(guān)。原有的標(biāo)本一般都放置了數(shù)天或先行冰凍保存［8，9，10］，這樣會影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。馬芙蓉［11］采用新鮮顳骨，尸體距離死亡時(shí)間平均在1～1.5天，保證實(shí)驗(yàn)條件更接近活體的情況，利用激光多普勒振動儀，在聲刺激和不同強(qiáng)度的機(jī)械刺激下，研究了鼓膜和鐙骨底板的運(yùn)動，發(fā)現(xiàn)鼓膜和鐙骨底板的運(yùn)動與活體測量的數(shù)據(jù)接近，新鮮顳骨標(biāo)本可以用于不同方面中耳傳聲機(jī)制的研究，在鼓膜臍部的電機(jī)械刺激可以模仿聲刺激。隨后研究了聲音在中耳傳遞過程中在砧鐙關(guān)節(jié)上的聲損失，采用激光多普勒振動儀，分別在聲刺激和機(jī)械刺激下，對15個(gè)新鮮顳骨標(biāo)本進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)砧鐙關(guān)節(jié)上的聲損失在3dB以內(nèi)，認(rèn)為這種損失是生理性和保護(hù)性的［12］。

2.1.2.3利用LDV測量中耳結(jié)構(gòu)（聽骨鏈、圓窗膜、鼓岬、第三窗）振動，評估不同手術(shù)方式、人工聽骨假體、人工中耳植入體、植入式骨導(dǎo)助聽器的效果，指導(dǎo)手術(shù)改進(jìn)與優(yōu)化植入裝置設(shè)計(jì)。

馬芙蓉［13］在新鮮尸體顳骨標(biāo)本上，采用不同強(qiáng)度的機(jī)械刺激研究鐙骨贗復(fù)體與砧骨長腳間不同的連接程度對聲音傳導(dǎo)的影響，發(fā)現(xiàn)緊密連接時(shí)，聲音的傳導(dǎo)在此連接上損失2dB，小于砧鐙關(guān)節(jié)生理性的聲損失3dB，松弛連接和未連接對聲音的傳導(dǎo)在此連接上的損失很大，高達(dá)28dB不等，平均為10dB；認(rèn)為鐙骨手術(shù)時(shí)鐙骨贗附體與砧骨長腳連接緊密時(shí)，聲傳導(dǎo)損失接近砧鐙關(guān)節(jié)的生理性聲傳導(dǎo)損失。Asia等［9］利用LDV在22例新鮮的人顳骨標(biāo)本上測量圓窗振動，以評估在鐙骨底板不同部位進(jìn)行聽骨鏈重建手術(shù)后的聽力提高效果，從而指導(dǎo)如何在鐙骨底板上安裝假體。Needham［14］在尸頭標(biāo)本上進(jìn)行了振動聲橋（Vibrant Soundbridge，VSB）的質(zhì)量載荷效應(yīng)，使用LDV測量鐙骨的振動，發(fā)現(xiàn)漂浮質(zhì)量傳感器（Floating Mass Transducer，F(xiàn)MT）一定程度上減低了鐙骨的振動振幅，在高頻時(shí)尤其明顯。Eze［15］在尸頭上利用LDV測量了VSB植入后鐙骨的振動速度，進(jìn)行了FMT與砧骨長腳之間角度的變化對振動傳導(dǎo)效率之影響的研究，發(fā)現(xiàn)45度以上角度并不會顯著影響植入體的工作效能，尤其是在言語頻率范圍以內(nèi)時(shí)。Schraven［16］在新鮮的尸頭標(biāo)本上模擬了兩種方式的VSB植入手術(shù)，新術(shù)式采用了彈夾耦合裝置固定FMT與砧骨長腳。LDV測量了各自鐙骨振動的速度振幅，發(fā)現(xiàn)在1KHz附近，彈夾可以獲得增益10dB以內(nèi)的增益，但在1.8至6kHz鐙骨振幅反而下降，研究者認(rèn)為彈夾耦合器雖然改變了術(shù)中需要將FMT卷曲固定在砧骨長腳上的做法，可降低砧骨長腳壞死幾率，但是其振動傳導(dǎo)效果卻比傳統(tǒng)方式下降許多。還有部分學(xué)者在尸頭上對VSB植入時(shí)FMT與砧骨長腳的耦合方式、FMT安置的不同位置（砧骨、鐙骨、圓窗）進(jìn)行了評估。BAHA（Bone Anchored Hear?ing Aid）是骨錨式助聽器的代表，其傳導(dǎo)機(jī)制的研究對于指導(dǎo)手術(shù)非常重要。Eeg-Olofsson［17］使用LDV對尸頭中耳鼓岬的振動進(jìn)行了測量，研究了BAHA植入的不同位置、距離耳蝸的遠(yuǎn)近、以及鱗骨骨縫對骨導(dǎo)傳輸?shù)挠绊?。H?kansson［18］則對一種新研發(fā)的骨導(dǎo)助聽器的最大輸出（鼓岬振動）進(jìn)行了測量。與傳統(tǒng)的BAHA輸出效果進(jìn)行對比時(shí)，發(fā)現(xiàn)新式裝置在同側(cè)振動輸出中具有優(yōu)勢，對側(cè)則相反。Majdala?wieh［19］測量了不同BAHA植入實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停蛰dBAHA、干顱骨、塑料頭顱模型、術(shù)中病人）的振動輸出差異，分析了影響因素。由此可見，目前LDV技術(shù)在廣義的中耳力學(xué)研究中仍然被廣泛采用，產(chǎn)生了大量的確實(shí)可信的研究成果，指導(dǎo)了中耳病生理研究、臨床研究。

2.1.3原子力顯微鏡

原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM），一種用來研究材料表面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析儀器。它通過檢測樣品表面和力敏感元件間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。將一個(gè)對微弱力極端敏感的微懸臂一端固定，另一端有微小針尖，可接近樣品，這時(shí)它將與其相互作用，作用力將使得微懸臂發(fā)生形變或運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化。掃描樣品時(shí)，傳感器可獲得作用力分布信息，從而以納米級分辨率獲得表面形貌結(jié)構(gòu)、粗糙度信息。該技術(shù)被應(yīng)用于測量材料的物理屬性參數(shù)，而這一屬性參數(shù)對有限元的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。在2006年就有學(xué)者對生物體的關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞粘彈性進(jìn)行了測量［20］，Murakoshi等［21］及Gueta等［22］報(bào)道了用原子力顯微鏡測量小鼠、沙鼠、豚鼠等的毛細(xì)胞、蓋膜等組織的彈性參數(shù)，為精確模型的建立提供了必須的物理材料屬性數(shù)據(jù)。Monika［23］采用該技術(shù)對鐙骨環(huán)韌帶在生理彎曲范圍內(nèi)的最大彎曲度、彈性系數(shù)、剛度進(jìn)行了準(zhǔn)確測量。由于該技術(shù)可以在顯微尺度和納米尺度對生物材料的屬性進(jìn)行檢查，故非常適合精細(xì)的中耳、內(nèi)耳結(jié)構(gòu)的材料屬性測定，為下一步更加精準(zhǔn)有效的有限元建模提供數(shù)據(jù)。

2.1.4頻閃全息測量儀（Stroboscopic Holography，SH）

利用機(jī)器微視覺技術(shù)對高速物體運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行描述。SH可以發(fā)出頻密閃光，當(dāng)閃光頻率與被測物體的轉(zhuǎn)動或運(yùn)動速度接近或同步時(shí)，利用視頻同步，能輕易觀測到高速運(yùn)動物體的表面質(zhì)量或運(yùn)行狀況。耳鼻喉科臨床使用的頻閃喉鏡便是基于這一技術(shù)。早在上世紀(jì)80年代，Gyo［6］在聽骨上安裝鋼珠以便于記錄，并利用搭建的視頻測量系統(tǒng)（頻閃記錄儀），測量利用聲音刺激引起的聽骨的振動。Daniel［24］使用該技術(shù)對離體的鼓膜、錘骨復(fù)合體進(jìn)行了研究，觀察了不同頻率下鼓膜整體的振動幅度與頻率，提出鼓膜具有一定的粘滯阻力，推測了連接鼓膜與錘骨柄的上皮皺襞的材料屬性特點(diǎn)。Cheng［25，26］使用頻閃全息干涉測量研究對人鼓膜表面約40000點(diǎn)運(yùn)動的振幅和相位，使用的聲音刺激為0.5，1，4和8kHz；頻閃全息圖記錄的原始數(shù)據(jù)與傅里葉估算運(yùn)動數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性0.9以上，發(fā)現(xiàn)0.5、1kHz時(shí)整個(gè)鼓膜振動模式大致同步，但伴有一些位于大振幅之間的小相位延遲，在4和8kHz鼓膜運(yùn)動更加復(fù)雜，錘骨柄環(huán)周處出現(xiàn)多個(gè)最大振幅。在這項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)鼓膜運(yùn)動不能用任何單一波運(yùn)動解釋，更符合摻雜有多個(gè)小“行波”樣成分低高階模態(tài)運(yùn)動。Rosowski［27］通過此方法對0.4至25kHz頻率聲音刺激引起的鼓膜表面運(yùn)動特點(diǎn)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)鼓膜表面運(yùn)動的相位具有有趣的空間梯度特點(diǎn)，如同“行波”，可能是具有一定的阻尼能力的鼓膜受到統(tǒng)一模式的刺激所致。

既往的研究只能觀察和測量中耳某一局部位點(diǎn)的振動特點(diǎn)，該技術(shù)的出現(xiàn)讓研究者可以首次直觀地觀察到鼓膜整體的運(yùn)動形式及特點(diǎn)，拓展了觀察的維度，并促進(jìn)了對中耳力學(xué)更加深入的研究，提供了理解中耳生理功能的新視角。

2.2模型研究

2.2.1早期模型

早在19世紀(jì)末即有建立理論模型的嘗試，如電路模型。Zwislocki首次用該模型解釋中外耳的阻抗匹配現(xiàn)象。其他還有分析模型以及多體模型。雖然在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下促進(jìn)了人們對中耳的理解，但是這些在揭示復(fù)雜的中耳系統(tǒng)動力學(xué)特征方面具有很大的局限性，不能很好的適用于對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的中耳系統(tǒng)的研究，相比之下后起的有限元方法對復(fù)雜的生物系統(tǒng)建模就有很多優(yōu)勢。

2.2.2有限元模型

有限元方法可以全面的模擬復(fù)雜的幾何形態(tài)、超微結(jié)構(gòu)特征以及生物系統(tǒng)非同質(zhì)性和各向異性的生物特性，研究細(xì)致的振動模式、壓力分布以及系統(tǒng)中任何位置的力學(xué)行為。有限元的概念是于1956年由Turner［28］等首先提出，并迅速應(yīng)用到航空工業(yè)中分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)等問題。隨后，其在解決復(fù)雜工程問題中的優(yōu)越性日益凸顯，在飛機(jī)、輪船、電視、冰箱等制造業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用與推廣。

2.2.2.1有限元模型對外中耳生理功能的研究

Funnell等1978年首次報(bào)道了第1例中耳有限元模型，來自于貓的組織切片。之后他對該模型進(jìn)行了改進(jìn)，并研究了貓的中耳正常生理傳聲功能［29］。1992年Wada等［30］創(chuàng)建了第一例人的中耳有限元模型，而Koike等［31］于2002年進(jìn)一步改進(jìn)了此模型，包含結(jié)構(gòu)更加全面，在增加了鼓膜、聽骨鏈、錘骨前韌帶、砧骨后韌帶、鼓膜張肌腱、鐙骨肌腱、中耳腔和外耳道等解剖結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還將聽骨鏈關(guān)節(jié)的活動性和耳蝸負(fù)載對中耳傳聲的影響考慮在內(nèi)。Gan等［32］于2002年建立的模型是基于顳骨的組織切片數(shù)據(jù)建成，并使用LDV系統(tǒng)作了驗(yàn)證，由此建立了較為真實(shí)的中耳有限元模型，在此基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)。在建立了相對成熟的有限元模型后，針對中耳的生理功能進(jìn)行了一系列研究，有學(xué)者［30，33］研究了鼓膜的振動模式與外界聲音頻率的關(guān)系，應(yīng)力最大區(qū)域主要位于鼓膜下方靠邊處，低頻時(shí)振動增幅出現(xiàn)在后部及松弛部，高頻時(shí)前方和后方出現(xiàn)不協(xié)調(diào)運(yùn)動，最大振幅位于后下部。描述了接近生理狀態(tài)下鐙骨足板沿著特定軸線作“活塞”、“搖擺”、“旋轉(zhuǎn)”的運(yùn)動模式［30，31］。鼓膜、鐙骨環(huán)韌帶、耳蝸負(fù)荷的不同材料性質(zhì)對鐙骨活動的影響［34］，聲壓于不同頻率下在中耳腔不同部位的分布特點(diǎn)［35］。王杰［36］等使用分辨率極高的成年男性顳骨標(biāo)本的Micro-CT掃描數(shù)據(jù)建模，研究外耳道對鼓膜外表面的增壓作用，發(fā)現(xiàn)顯示外耳道對鼓膜外表面有明顯頻率特異性的增壓作用，于共振頻率處最強(qiáng)。

2.2.2.2有限元模型對中耳病理狀態(tài)的研究

有限元分析還可以應(yīng)用在中耳病理狀態(tài)下的機(jī)制研究。如臨床上早已觀察到分泌性中耳炎可導(dǎo)致傳導(dǎo)性聾，這一簡單現(xiàn)象背后有哪些復(fù)雜微妙的原因機(jī)制呢？通過有限元分析，發(fā)現(xiàn)中耳積液是如何影響鼓膜和鐙骨足板運(yùn)動的：中耳內(nèi)形成氣液耦合系統(tǒng)使共振頻率向低頻移動，并降低了鼓膜及鐙骨足板在共振頻率附近的振幅［37］。第二個(gè)常見現(xiàn)象是鼓膜穿孔的大小可以對聽力產(chǎn)生影響。通過有限元分析發(fā)現(xiàn)，穿孔使鼓膜兩側(cè)壓差變小。當(dāng)鼓膜穿孔面積小于2%時(shí)，穿孔位置對中耳腔的聲壓分布和頻率響應(yīng)沒有顯著影響，穿孔尺寸則會顯著影響聲壓峰值及頻率響應(yīng)［35］。這使得我們能夠用不同以往的手段系統(tǒng)、深入、量化、直觀的研究中耳力學(xué)。另外，老年性聾的機(jī)制？有研究發(fā)現(xiàn)鐙骨環(huán)韌帶的硬度增加會減低鐙骨足板活動度，尤其是在較低頻率刺激下，這提示與年齡升高有關(guān)的韌帶彈性減弱可導(dǎo)致一些老年性聾［38］。此外，還有對耳硬化癥的研究。通過在有限元模型中分別模擬錘骨固定和耳硬化癥，發(fā)現(xiàn)部分錘骨固定中錘骨柄的振動模式顯著改變，伴有鐙骨振動減弱，尤其在低頻（＜1000 Hz）明顯；耳硬化癥對鐙骨振動的影響明顯大于對錘骨的影響［39］。聽骨或砧鐙關(guān)節(jié)負(fù)重、硬度增加，可以使得鐙骨活動度增加［40］。砧鐙關(guān)節(jié)的硬度減低會引起鐙骨活動下降，但低頻鼓膜振幅卻增加，這可能是關(guān)節(jié)硬度增加減少傳導(dǎo)至鐙骨足板的能量，故而鼓膜活動增加［34］。Chen［41］報(bào)道了一個(gè)新的有限元耳模型，包括各聽骨，外耳道，鼓室腔，乳突腔。適合用來研究中耳不同病理狀態(tài)下的動態(tài)行為，如在鐙骨肌腱、鼓膜張肌腱、鼓膜的硬度不同時(shí)的表現(xiàn)。

2.2.2.3有限元模型對中耳手術(shù)和人工植入假體的研究

通過在有限元模型中比較不同的人工聽骨、手術(shù)方式的中耳行為模式，可以指導(dǎo)人工聽小骨的設(shè)計(jì)、選擇以及手術(shù)的方式。王杰等［42］根據(jù)顳骨標(biāo)本Micro-CT數(shù)據(jù)建立了有限元模型，研究了顳肌筋膜重建鼓膜厚度對中耳傳聲的影響，發(fā)現(xiàn)重建后的鼓膜厚度影響鼓膜本身及鐙骨底板的振動，當(dāng)厚度超過1.0mm時(shí)對中耳傳聲影響顯著。Jie Wang等［43］報(bào)道了使用有限元分析前鼓膜耳道夾角對中耳傳聲功能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著角度鈍化的加重，傳導(dǎo)效率隨之下降。增加人工聽骨硬度會導(dǎo)致鐙骨活動度增加，對錘骨柄和鐙骨頭的壓力增高。硬度下降會導(dǎo)致共振頻率減低和多共振產(chǎn)生［38，42］。所以出色的人工聽骨應(yīng)該具有較輕的質(zhì)量和足夠的硬度。而當(dāng)錘骨柄與鐙骨頭之間夾角偏大時(shí)，TORP放置的位置會影響振動，直接放在鼓膜處對高頻的傳導(dǎo)會優(yōu)于放在錘骨柄處［44］。一個(gè)可靠的有限元模型是中耳植入體研發(fā)必不可少的工具。通過利用已知的結(jié)構(gòu)尺寸、材料屬性、載荷等參數(shù)建模，可以對植入體的結(jié)構(gòu)材料特點(diǎn)、功能等進(jìn)行分析，并優(yōu)化其設(shè)計(jì)。目前已開發(fā)出不同類型的可植入助聽設(shè)備來治療傳導(dǎo)性耳聾，有學(xué)者對中耳及助聽設(shè)備的振動單元建模并進(jìn)行有限元分析，比較了兩種不同類型振動單元的優(yōu)缺點(diǎn)，并對它們的聽骨鏈附著位置進(jìn)行了分析，最后指出鐙骨頭具有對刺激方向低敏感的特點(diǎn)，并推薦為最佳附著位［45］。Monika［46］建立了一個(gè)包含鐙骨底板的內(nèi)耳有限元模型，并通過與尸頭的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了該模型進(jìn)行力學(xué)分析的有效性，通過模擬分析不同形態(tài)的鐙骨假體（Piston）植入時(shí)圓窗膜的振動，來判斷假體植入后的聽力恢復(fù)效果，最后指出該模型可以用來進(jìn)行優(yōu)化聽覺植入假體的研究。Zhang等［47］建立了包括外耳道、中耳、耳蝸的有限元模型，研究了中耳植入式助聽設(shè)備的正向與反向傳動機(jī)理以及它對基底膜的被動運(yùn)動，指導(dǎo)助聽器的研發(fā)。另有學(xué)者利用集成有限元模型，分別模擬前庭窗傳入內(nèi)耳的正向傳遞過程和蝸窗機(jī)械激勵(lì)在耳中逆向傳遞過程，計(jì)算獲得相應(yīng)的傳遞函數(shù)，為蝸窗驅(qū)動的聽力裝置研發(fā)提供參考。

2.2.2.4借鑒中耳力學(xué)研究耳蝸力學(xué)

在中耳有限元建模逐漸成熟的同時(shí)，耳蝸有限元建模也取得了較快發(fā)展，包括對柯蒂器進(jìn)行了局部三維建模，引入三維黏性液體影響、材料屬性及柯蒂器的正饋?zhàn)饔?，建立外毛?xì)胞的流固耦合模型，研究黏性流體對外毛細(xì)胞的頻率阻尼效應(yīng)，建立毛細(xì)胞有限元模型，研究毛細(xì)胞個(gè)體位移，外毛細(xì)胞對基底膜和纖毛的影響，纖毛發(fā)生位移、外毛細(xì)胞的阻尼與頻率的關(guān)系，耳蝸有限元研究更復(fù)雜于中耳［48，49，50，51］，涉及更加精確建模要求和材料參數(shù)的確定等，受篇幅和主題所限，此處不做贅述。

3　總結(jié)和展望

本文主要從研究方法的角度對中耳力學(xué)研究進(jìn)行了綜述。從20世紀(jì)下半葉至今，耳力學(xué)研究突飛猛進(jìn)：在傳統(tǒng)的聲導(dǎo)抗檢測、激光多普勒測振儀仍然活躍于研究者手中的同時(shí)，新的研究工具已經(jīng)不斷涌現(xiàn)，如頻閃成像測量儀，原子力顯微鏡，甚至觸覺力檢測裝置，從而可以實(shí)現(xiàn)更大維度、更小尺度、更復(fù)雜的力學(xué)探測；有限元模型分析也經(jīng)歷了逐漸發(fā)展和成熟的歷程，目前不僅用于研究中耳生理、病理、手術(shù)、聽覺植入假體，還深入到結(jié)構(gòu)更加精細(xì)復(fù)雜的內(nèi)耳力學(xué)領(lǐng)域［52，53］。

實(shí)驗(yàn)法和模型法從一開始就具有互補(bǔ)的關(guān)系。有限元分析需要的材料參數(shù)、邊界條件來自實(shí)驗(yàn)法的數(shù)據(jù)。有限元模型可以簡單、無創(chuàng)地完成實(shí)驗(yàn)所不能的任務(wù)，但具有一定的不準(zhǔn)確性，其結(jié)果的有效性需要實(shí)驗(yàn)法驗(yàn)證和支撐。

雖然耳力學(xué)研究從各種實(shí)驗(yàn)方法到數(shù)值模型均已取得長足的進(jìn)展，但仍存在許多需要進(jìn)一步探索和突破之處，主要有：①中耳有限元模型的準(zhǔn)確有效性需要進(jìn)一步提高，這涉及到對生物材料的物理屬性的不斷校正，利用現(xiàn)代檢測工具和方法對材料屬性再測量，尤其是用現(xiàn)代方法開展中國人體組織材料性能測試工作；探索更加精細(xì)全面的中耳結(jié)構(gòu)形態(tài)分析和建模方法［54］；收集不同種族、年齡、性別的人耳系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并建立相應(yīng)的有限元模型。②借鑒中耳研究經(jīng)驗(yàn)，推動內(nèi)耳力學(xué)研究不斷深入，并嘗試中耳-內(nèi)耳聯(lián)合系統(tǒng)的有限元研究。內(nèi)耳系統(tǒng)更加細(xì)微復(fù)雜，有限元分析對于內(nèi)耳能量傳遞機(jī)理、毛細(xì)胞主動產(chǎn)生動力的機(jī)制、包括淋巴液在內(nèi)的多結(jié)構(gòu)聯(lián)動作用、柯蒂器對聲刺激的敏感性和頻率選擇性的機(jī)理、基底膜振動的機(jī)理等問題的探索具有獨(dú)特的優(yōu)勢，同時(shí)又面臨巨大的挑戰(zhàn)，其中建立準(zhǔn)確可信的內(nèi)耳有限元模型便是一個(gè)難點(diǎn)；③近10余年來各種中耳主動、被動植入體已經(jīng)應(yīng)用于臨床，還有大量新型植入體處于研發(fā)之中。需要進(jìn)一步推進(jìn)將有限元分析引入到對植入體研發(fā)和應(yīng)用的綜合評估中；同時(shí)推進(jìn)有限元分析在手術(shù)模擬分析中的應(yīng)用，促進(jìn)聽骨鏈重建技術(shù)的改進(jìn)、鼓室成型方法的改進(jìn)。④有限元分析不應(yīng)只限于此，還可以探索應(yīng)用到對病人的個(gè)性化分析、評估、診斷、手術(shù)規(guī)劃中，也可嘗試用于患者教育和醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域［55］。其次要關(guān)注有限元建模軟件的改進(jìn)，適合于中耳、內(nèi)耳三維重建算法的改進(jìn)，加快有限元建模速度，提高建模質(zhì)量。⑤中耳力學(xué)的研究不應(yīng)限于或受縛于有限元法，不能忽視傳統(tǒng)和新興物理實(shí)驗(yàn)檢測手段的優(yōu)勢，避免對有限元分析的盲信和跟風(fēng)，應(yīng)針對研究目的和內(nèi)容選擇合適的研究方法，并使用實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行校驗(yàn)。

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·臨床研究·

Research on middle ear mechanics

ZHANG Shaoxing，MA Furong
Department of Otorhinolaryngology Head and Neck Surgery，Peking University Third Hospital，Beijing 100191，China Corresponding author：MA FurongEmail：furongma@126.com

【Abstract】This paper mainly focuses on various studies on middle ear mechanics，including physical experiments and model studies，the former including acoustic immittance measurement，laser Doppler vibrometry，atomic force microscopy and stroboscopic holography which are capable of complex and accurate mechanical detection in greater dimensions and smaller scales.Finite element model analysis has also experienced a progressive development and is applied at present not only to research of middle ear physiology，pathology，surgery and auditory prosthesis implantation，but also to precise and complex inner ear mechanics.Both experimental and model studies，which have a complementary relationship，are crucial to advancing knowledge of middle ear mechanics.

【keywords】Middle ear mechanics；Finite element；Laser doppler vibrometry；Atomic force microscope；Stroboscopic holography；Hearing

【中圖分類號】R764

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】1672-2922（2016）03-353-7

DOI：10.3969 / j.issn.1672-2922.2016.03.008

基金項(xiàng)目：首都衛(wèi)生發(fā)展科研專項(xiàng)（首發(fā)2016-2-4094）資助。

作者簡介：張紹興，博士，主治醫(yī)師，研究方向：耳科基礎(chǔ)與臨床治療、機(jī)器人與影像導(dǎo)航手術(shù)研究。

通訊作者：馬芙蓉，Email：furongma@126.com

收稿日期：（2016-05-03）