鐙骨骨質(zhì)缺損對(duì)聽力傳導(dǎo)影響的有限元分析

胡力達(dá) 唐玲 楊靜雅 張芳 羅恒 田廣永

南方醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科（廣州510630）

人類獲取外界信息的重要途徑之一是聽覺。聽覺的產(chǎn)生是一個(gè)多步轉(zhuǎn)化、傳導(dǎo)的過程，包括機(jī)械傳導(dǎo)、化學(xué)能轉(zhuǎn)換以及神經(jīng)沖動(dòng)等多個(gè)步驟。其中，中耳聽骨鏈傳導(dǎo)部分是經(jīng)典的機(jī)械杠桿力臂傳導(dǎo)力學(xué)模型。近年來，大量科研工作者利用有限元對(duì)中耳的生物力學(xué)以及人工植入物進(jìn)行研究[1-6]，有限元在耳科學(xué)方面的應(yīng)用得到飛速發(fā)展。本研究旨在通過多軟件綜合處理，建立細(xì)致的鼓膜-聽骨鏈模型，在此基礎(chǔ)上通過軟件處理建立鐙骨骨質(zhì)缺損病理模型，通過有限元軟件對(duì)該病理模型進(jìn)行振動(dòng)分析，初步探討在該病理模型下，聲能傳導(dǎo)所受到的影響。建立合理且有效的中耳聽骨鏈模型，通過有限元對(duì)模型進(jìn)行生物力學(xué)分析，可為耳科學(xué)的臨床及基礎(chǔ)研究提供便利有效的研究方法，除了對(duì)正常人的聽力系統(tǒng)進(jìn)行更為細(xì)致全面的生物力學(xué)研究外，還可以對(duì)各種不同的中耳病理模型進(jìn)行生物力學(xué)分析；在耳顯微外科學(xué)，還可用于患者中耳植入物的個(gè)體化設(shè)計(jì)[7]以及術(shù)前術(shù)后聽力的模擬評(píng)價(jià)。

1 材料與方法

1.1 MicroCT掃描及Mimics初步處理

在南方醫(yī)科大學(xué)解剖實(shí)驗(yàn)中心取得新鮮冰凍顳骨一枚，該標(biāo)本屬于一名無中耳病史的中年男性。將顳骨進(jìn)行MicroCT（Scanco Medical AG，Bassersdorf，Switzerland）影像數(shù)據(jù)掃描，掃描層厚0.24mm，獲得斷層圖片共464張。將圖層數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics（Mimics15.0，Materialise Company，Belgium）軟件中進(jìn)行定位、圖層選取、閾值范圍選取、組織切割、選擇性編輯等，建立初步的三維模型。而后利用Mimics中的Remesh模塊對(duì)模型表面空缺進(jìn)行初步修補(bǔ)，對(duì)多余的三維棱角進(jìn)行修復(fù)以及曲面優(yōu)化（Smooth），得到初步的鼓膜-聽骨鏈模型。

1.2 Geomagic以及Solidworks的處理

初步經(jīng)Mimics處理得到模型后，利用Geomagic（Geomagic Studio 2012，Geomagic Company，America）軟件對(duì)凹凸不平部分進(jìn)行修整，空缺補(bǔ)位進(jìn)行填補(bǔ)（cavity），而后通過多邊形與精確曲面兩個(gè)階段的處理，進(jìn)一步優(yōu)化三角面片，并通過提取輪廓線、構(gòu)造編輯曲面片、構(gòu)造編輯柵格的過程形成NURBS曲面。最后將所得數(shù)據(jù)導(dǎo)入Solidworks（SolidWorks 2014，Dassault Systemes S.A Company，America）軟件進(jìn)行切割以及組裝，形成連續(xù)的鼓膜-聽骨鏈模型。在該模型基礎(chǔ)上，對(duì)鐙骨前、后腳分別進(jìn)行切割，建立鐙骨前、后腳骨質(zhì)缺損的病理模型，模擬鐙骨前、后腳因受外力或中耳炎浸潤腐蝕等導(dǎo)致骨質(zhì)缺損。

1.3 有限元的設(shè)置

將模型導(dǎo)入ANSYS（ANSYS 15.0，ANSYS Company，America）有限元分析軟件內(nèi)，由于三維重建過程中未引入肌肉韌帶等軟組織，需要在ANSYS中繪制邊界約束模型（圖1）。而后通過文獻(xiàn)報(bào)道[4,8]，添加材料參數(shù)，對(duì)模型泊松比（Poisson’s Ration）設(shè)置為0.3，肌肉韌帶邊界自由度設(shè)置為0，阻尼系數(shù)α（Damping Factor α）=0，β（Damping Factor β）=0.0001，有限元中的賦值部分可見圖2。在ANSYS的Mesh模塊中對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，鼓膜部分劃分為12663個(gè)單元，其余部分18961單元。選取鼓膜外耳道面施加90db SPL（0.632Pa），再提取100-12000Hz范圍的振動(dòng)頻率，測量區(qū)間劃分為20，SolutionMethod采用模態(tài)疊加法（Mode Superposition），數(shù)據(jù)采集部位選取鼓膜臍部以及鐙骨底板內(nèi)耳面中點(diǎn)，進(jìn)行諧響應(yīng)分析計(jì)算。

2 結(jié)果

通過上文進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置，程序檢測各項(xiàng)參數(shù)及模型設(shè)置無沖突后，經(jīng)過諧響應(yīng)分析計(jì)算，得到頻振數(shù)據(jù)，其中鼓膜臍部采集點(diǎn)數(shù)據(jù)以紅線表示，鐙骨足板采集點(diǎn)數(shù)據(jù)以藍(lán)線表示（圖3）。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得100-8000Hz的鼓膜臍部與鐙骨足板中心點(diǎn)處的頻振曲線，與Gan等通過激光多普勒（下文簡稱“激光”）測振儀在尸體標(biāo)本上做的頻振結(jié)果[9,10]進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行模型合理性的驗(yàn)證。

通過與Gan等激光實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（圖4）對(duì)比，在100Hz處，激光數(shù)據(jù)最大值在0.1-0.2μm區(qū)間內(nèi)，而最小值在0.02-0.03μm區(qū)間內(nèi)，有限元數(shù)據(jù)在0.04-0.05μm區(qū)間內(nèi)。隨著頻率的升高，在1000Hz附近出現(xiàn)峰值，激光數(shù)據(jù)振幅在0.03-0.1μm區(qū)間范圍，有限元數(shù)據(jù)在0.05-0.06μm。而后曲線出現(xiàn)平滑下降，數(shù)據(jù)記錄至8000Hz，該頻率下，激光數(shù)據(jù)在0.002-0.008μm區(qū)間范圍內(nèi)，而有限元記錄點(diǎn)，比激光要稍低，對(duì)應(yīng)的值在0.001-0.002μm的區(qū)間內(nèi)。

圖1 A.正常鼓膜-聽骨鏈模型；B.鐙骨前腳骨質(zhì)缺損模型；C.鐙骨后腳骨質(zhì)缺損模型。Fig.1 A.The normal eardrum-ossicular chain model;B.The bone defect model of anterior crus of stapes;C.The bone defect model of posterius crus of stapes.

圖2 有限元中各部分的材料賦值[4,8]Fig.2 Material assignment of the finite element model.

圖4 文獻(xiàn)報(bào)道鼓膜以及鐙骨位移測量曲線結(jié)果Fig.4 The result of other literatures

圖3 正常鼓膜-聽骨鏈模型的有限元諧響應(yīng)分析結(jié)果Fig.3 The harmonic response analysis of the normal eardrum-ossicular chain model

圖5 鐙骨前后腳骨折結(jié)果與正常模型結(jié)果對(duì)比Fig.5 The comparion result of the normal eardrum-ossicular chain model,fracture model of anterior crus of stapes and fracture model of posterior crus of stapes

在鐙骨足板頻振曲線數(shù)據(jù)圖上我們可以觀察到，初始部分100Hz處，激光所得結(jié)果最小值在0.009-0.01μm內(nèi)，最大值在0.08-0.09μm內(nèi)，有限元結(jié)果在0.02-0.03μm區(qū)間范圍內(nèi)。而后曲線平緩增長，在800-1000Hz內(nèi)達(dá)到峰值，激光最大值在0.009-0.01μm內(nèi)，最小值在0.001-0.002μm內(nèi)，有限元峰值落在0.02-0.03μm區(qū)間內(nèi)，但比100Hz處更接近0.003μm，而后曲線開始出現(xiàn)下移，數(shù)據(jù)記錄至8000Hz處，在該處，可見激光最大值在0.002-0.003μm內(nèi)，最小值在0.0003-0.0004μm內(nèi)，有限元所得結(jié)果在0.0002-0.0003μm區(qū)間范圍內(nèi)。

在我們的實(shí)驗(yàn)中，同樣記錄了100Hz頻率時(shí)，鼓膜的振幅為0.022μm，鐙骨足板處為0.011μm而后曲線平緩增長，在800Hz附近達(dá)到峰值，鼓膜處峰值記錄為0.031μm，鐙骨足板處為0.015μm，在8000Hz處，鼓膜的數(shù)據(jù)為0.0041μm，鐙骨足板處數(shù)據(jù)為0.000069μm。通過上文分析，可見該模型的計(jì)算結(jié)果趨勢與Gan等的激光多普勒測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)區(qū)間吻合，且趨勢相同。不足之處是本次試驗(yàn)所測得結(jié)果在低頻部分得到平滑曲線，但在高頻部分，曲線出現(xiàn)震蕩。

驗(yàn)證模型后，我們導(dǎo)入骨質(zhì)缺損模型，各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定與上文鼓膜-聽骨鏈模型一致，而后進(jìn)行鐙骨前、后腳骨質(zhì)缺損模型諧響應(yīng)分析計(jì)算。通過對(duì)正常模型鐙骨足板、鐙骨前腳骨質(zhì)缺損、鐙骨后腳骨質(zhì)缺損模型數(shù)據(jù)進(jìn)行整合（圖5），可見曲線重合度高，在100-12000Hz頻率段內(nèi)頻振曲線較為一致，無明顯差異性。

3 討論

3.1 模型部分

本次實(shí)驗(yàn)初次對(duì)中耳結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，主要方法是結(jié)合軟件自動(dòng)劃分與人工劃分操作。Mimics軟件根據(jù)影像學(xué)資料的不同閾值，經(jīng)過計(jì)算機(jī)計(jì)算，可自動(dòng)劃分骨質(zhì)部分與軟組織邊界，但由于鼓膜與錘骨過渡部分，鐙骨前、后腳及鐙骨足板等過于細(xì)微，二維數(shù)據(jù)上沒有十分明確的界限，通過人工操作填補(bǔ)，會(huì)得到校正后更精確的數(shù)據(jù)資料。該方法缺點(diǎn)是人工操作耗時(shí)較大，需要多人、多次反復(fù)的閱片。由于院內(nèi)實(shí)驗(yàn)室條件有限，MicroCT掃描未能達(dá)到微米級(jí)別，在下一步實(shí)驗(yàn)中，利用微米級(jí)別的Micro-CT掃描儀，建立辨識(shí)度更高的中耳模型，除了可得到錘砧關(guān)節(jié)、砧鐙關(guān)節(jié)邊界更清晰的二維數(shù)據(jù)外，還可以得到一些細(xì)小結(jié)構(gòu)，如鐙骨肌、鼓膜張肌、中耳各韌帶的連續(xù)斷層數(shù)據(jù)。同時(shí)，在進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)中，還可將外耳道以及中耳骨壁加入模型，設(shè)置相應(yīng)的吸音系數(shù)，從而建立更完善的中耳生物力學(xué)模型。

3.2 有限元部分

參考Gan等報(bào)道的文獻(xiàn)，我們?cè)谲浖暇嚯x鼓膜臍部2mm處施加了90dB純音刺激（0.632Pa）。最后的計(jì)算結(jié)果趨勢與Gan等的激光多普勒測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)區(qū)間吻合，趨勢相同，提示通過多軟件綜合處理，建立的有限元模型，可進(jìn)行進(jìn)一步的分析測量工作。本次試驗(yàn)所測得結(jié)果在低頻部分得到平滑曲線，但在高頻部分，曲線出現(xiàn)震蕩，數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，參考文獻(xiàn)報(bào)道[9]，我們分析得出該誤差的主要原因?yàn)楸敬卧囼?yàn)，鐙骨足板部位未能加入內(nèi)耳阻尼的模擬，使得曲線在高頻部分震蕩較為明顯，未能很好還原鐙骨足板在高頻部分的真實(shí)震動(dòng)規(guī)律。在后續(xù)試驗(yàn)中，通過更為細(xì)致的建模以及設(shè)置，加入對(duì)內(nèi)耳阻尼的模擬。其它的差異之處，我們總結(jié)為以下幾個(gè)方面：1）由于本文實(shí)驗(yàn)是初步實(shí)驗(yàn)，原始斷層數(shù)據(jù)資料較少，僅有1例正常顳骨，而Gan[9-11]等文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是基于多顳骨標(biāo)本進(jìn)行測量所得均值。后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)加入多個(gè)模型進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證利用有限元建模的合理性；2）由于材料屬性彈性模量及邊界條件等均是參考文獻(xiàn)報(bào)道資料進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入，并未能很好的反映該實(shí)驗(yàn)顳骨標(biāo)本的真實(shí)數(shù)據(jù)；3）本次實(shí)驗(yàn)，由于未加入外耳道和中耳骨壁，未設(shè)置各材料與面的吸音系數(shù)，這一部分?jǐn)?shù)據(jù)的丟失，也將會(huì)造成一定的誤差。后續(xù)試驗(yàn)中，可以利用激光多普勒測振儀對(duì)實(shí)驗(yàn)顳骨進(jìn)行測量，通過記錄對(duì)比激光多普勒與有限元之間鼓膜振動(dòng)與鐙骨足板振動(dòng)頻振曲線，更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼撟C模型的合理性。

在模型進(jìn)行驗(yàn)證后，我們通過對(duì)模型進(jìn)行切割重組，初步對(duì)鐙骨前、后腳骨質(zhì)缺損模型進(jìn)行諧響應(yīng)分析。在模型的數(shù)據(jù)分析中，缺損模型計(jì)算所得數(shù)據(jù)與正常模型所得結(jié)果重合度較高，無明顯差異性。這提示我們?cè)阽嫻乔澳_、后腳骨質(zhì)部分缺損情況下，頻振曲線并不會(huì)出現(xiàn)太大的差異，對(duì)鐙骨足板的運(yùn)動(dòng)未造成顯著的影響。

本次實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)較簡單，僅將鼓膜及鐙骨足板振幅數(shù)據(jù)進(jìn)行了測量，但鐙骨運(yùn)動(dòng)不是簡單的活塞式振動(dòng)，根據(jù)Von Bekesy（1951）的觀察，在中強(qiáng)度聲壓作用下鐙骨足板呈活塞運(yùn)動(dòng)，但在接近痛閾的聲強(qiáng)下，鐙骨足板的運(yùn)動(dòng)更為復(fù)雜，包含搖擺以及旋轉(zhuǎn)式的運(yùn)動(dòng)，該模式的運(yùn)動(dòng)使外淋巴液不會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的震動(dòng)而導(dǎo)致?lián)p傷內(nèi)耳。如何通過有限元還原鐙骨的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)模式，需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。

綜上所述，通過多軟件綜合處理，利用新鮮顳骨標(biāo)本制作的鼓膜-聽骨鏈有限元模型，頻振曲線趨勢與文獻(xiàn)報(bào)道激光多普勒所測曲線一致，建模有效，可用于有限元力學(xué)分析；利用該模型制作的鐙骨前、后腳骨質(zhì)缺損病理模型，所計(jì)算得出的頻振曲線趨勢與正常聽骨鏈結(jié)果趨勢基本一致，未對(duì)傳聲效能產(chǎn)生顯著影響。