中耳听力重建-中耳声音传导动力学特性有限元研究

耳聋是一种常见病，据WHO估计全球约6亿人存在听力障碍；其中传导性耳聋是一种可以通过手术治疗的疾病，但由于中耳结构精细,传音机制复杂，手术疗效尚难确保。本项目拟从声音传导机理入手，采用Micro-CT和同步辐射技术获取人新鲜颞骨标本的外耳、中耳和内耳结构原始数据；基于生物力学理论、结构动力学原理，用有限元建模方法建立包括外耳道、中耳和内耳的完整三维有限元模型；并通过有限元模拟计算，来验证所建模型的合理性。基于所建立的人耳完整模型，用有限元模拟技术再现人耳传声过程中的动力学特性；比较正常和病理状态下的中耳结构声音传导动力学差异；并模拟中耳听力重建手术；用有限元模拟技术，比较不同构型听骨假体和听骨假体的不同固定方式对术后听力恢复和听骨稳定性的影响；系统研究听骨假体构型和移植听骨假体的稳定性，设计出实用听骨假体；再通过新鲜颞骨实验来验证。探讨出一套以数学及力学理论为依据，可以用于指导手术的方法。

背景：听力对人类的社会活动意义重大，听力下降严重影响患者的生活。对于传导性及混合性听力下降，可通过听力重建手术恢复一定的听力。但是听力手术的效果并非十分理想，手术维持的效果也有限，因而，对其研究具有重要意义。目前对听力机制的研究主要还是集中在颞骨实验，然而颞骨较难获取，且实验较难进行。建立人耳的有限元模型可以通过计算机来进行听力的研究，并能模拟听力重建手术，因而在听力研究中具有十分重要的意义。.主要研究内容：课题通过microCT扫描颞骨标本获得人耳听觉器官的断层图像，在Mimics软件中建立人耳结构的三维几何模型。通过Geomagic软件对几何模型进行修正、优化。在Hypermesh软件中进行有限元网格的划分，材料属性的赋予以及模型边界的设置，并检查、修正模型的错误。将分网并设置好的模型导入Abaqus中进行有限元计算，模拟生理、病理及手术条件下的中耳模型响应情况。.重要结果：1、全听骨置换术时，听骨假体与镫骨足板中央部位的连接方式，术后患者听力恢复最佳。2、 听骨链并不是一个完全刚性的结构，通过锤砧、砧镫关节的柔性连接使得三块听小骨之间也具有一定的相对运动。并且由于关节的刚度有限，将听骨链之间的刚度限制在一定的范围内，从而从鼓膜传递过来的声音既能较好的转化为镫骨对内耳淋巴液最有效的激励，又不至于损失过多的声能。3、韧带和肌腱的硬化会妨碍听骨链的运动，从而导致镫骨底板传递至内耳的振幅降低，导致了听力的损失。切除硬化的听骨韧带可以有效的恢复听力。4、进行了多次的颞骨振动测试。新鲜颞骨标本的力学属性较为优良，鼓膜及中内耳结构均未破坏，软组织富有弹性。振动测试及假体的测试效果均较好。5、较小的圆窗振子和圆窗的接触面及在圆窗振子和圆窗之间增加一层耦合层能较好的提高激振效果。6、设计了一种用于治疗混合性听力损伤的人工听骨， 即可治疗传导性听力损伤。又具有主动激振能力，对伴有的感音神经性听力损伤进行补偿。其结构简单、不易故障、制造成本低，价格较低，便于广泛推广使用。.关键数据及其科学意义：本课题的关键是建立了完善的人耳有限元模型，并通过与实验对比而验证模型的有效性；所建立的模型可以用于模拟生理、病理及重建手术对人耳传音功能的影响。对计算机虚拟实验，仿真模拟人耳的听力传导具有重要意义。