内耳感音系统中多结构与流体耦合动力学行为研究

Sensorineural deafness is an important and difficult issue in medical science, the acoustics mechanism and pathological changes of which has not been clearly addressed, and effective treatment is lacking. The present project intends to establish a biomechanics model which can truly reflect the overall physiological characteristics for the cochlea of inner ear based on modern biomechanics, fluid mechanics, and structural dynamic principle. By simulating the nonlinear dynamics behavior of the coupling effect between basement membrane, hair cell and cochlea lymph of acoustic subject, the quantitative relationship between micro element and structure dynamic is determined. Moreover, its physical mechanism is explained, and the relationship between phonosensitive mechanism and structural dynamics behavior is investigated. Furthermore, by integrating the established numerical model of outer and middle ear in previous studies, the interactive effect between outer ear, middle ear and inner ear is investigated, the effect of the pathological changes for outer and middle ear on the basement membrane and the dynamics behavior of hair cell is analyzed. The relationship between physiology, pathology, and mechanics behavior is discussed, which can be used to maximum solving the difficulty in sensorineural deafness. The analytical and numerical model proposed in this project shall well explain the mechanism of the cochlea of inner ear from the perspective of biomechanics, and provide a theoretical base for the clinic study of ear.

感音神经性耳聋是一个重要医学难题，至今为止，感音机理及病变机制尚未完全清楚，相应的治疗措施及效果也十分有限。本项目拟运用现代生物力学、流体力学和结构动力学原理，建立真实全面的反映内耳耳蜗生理特征的生物力学模型，通过刻画感音主体结构基底膜及毛细胞与耳蜗淋巴液耦合作用的非线性动力学行为，揭示微观因素与结构动力学行为之间的定量关系，阐释其物理机制，探讨感音机理及结构动力学行为的关系。在此基础上，结合前期研究中已建立的外耳及中耳数值模型，分析外耳、中耳、内耳的相互作用机理以及中内耳病变对基底膜及毛细胞动力学行为的影响，探讨生理及病理与力学行为的关系，最大程度的解决感音性耳聋中的疑难问题。本项目在力学解析模型、数值模型等方面的研究成果，有望从生物力学的视角诠释内耳耳蜗的感音机理，为耳科医学临床提供理论依据和应用基础。

迄今为止，内耳耳蜗的感音机理及耳聋病变机制尚未完全清楚，该问题是重要的医学难题。本研究运用数学理论、现代生物力学、流体力学和结构动力学原理，建立了精确的内耳耳蜗数值计算模型，其中包括：内耳耳蜗宏观结构、内耳耳蜗中微观结构柯蒂氏器（Corti）的数值模型。在此基础上，进一步建立了全面考虑多物理场耦合非线性的主动耳蜗系统感音过程的解析---数值联合模型，完整的反映了耳蜗宏观结构及微观结构的被动及主动生物力学行为和多物理场耦合运动，逼真的刻画了支撑结构基底膜在蜗腔体淋巴液中的运动；静纤毛的电离子通道启闭特性和外毛细胞电致运动特性以及主动力反馈机制。之后建立了整耳数值模型，分析外耳、中耳、内耳的相互关联作用。此外，利用空间螺旋曲率的张量映射关系，建立了螺旋几何特征的耳蜗解析模型，分析得到了螺旋形体对耳蜗感音功能的贡献。最后，研究噪音刺激及临床典型的耳病变对基底膜及毛细胞动力学行为的影响导致听了下降或发生感音神经性耳聋的机理。得到一个重大发现：耳蜗的主要结构基底膜除了以往诺贝尔获奖者Von Békésy提出的行波振动外，低频率区域还存在另一种新的振动形式——驻波。重要结论：耳蜗的螺旋形状不仅使流场压强沿径向呈现偏态分布的特征，导致Corti上的盖膜和纤毛沿径向产生相对剪切运动，促发听觉的感知行为的产生，而且能增强淋巴液中的基底膜及毛细胞等的运动能力，使之信号增强而帮助耳蜗提高感受声音的能力。噪音刺激及耳典型病变将引起耳蜗感音结构基底膜毛细胞等在生物电环境中与淋巴液耦合的生物动力学行为的改变而导致听了下降或感音神经性耳聋的发生。新的发现的驻波振动不仅完善了目前实验技术条件所无法得到的基底膜低频率下的振动模式，而且诠释了多年来许多科学家通过实验提出对行波的种种质疑。 这个新发现是对耳科医学及生物力学结合领域重大难题的一大突破，重要研究成果及结论为人类全面的揭示医学难题----耳蜗感音机理增加了新的视角。为临床治疗感声神经性耳聋提供理论支撑就应用基础。