耳蜗主动感音机制中多物理场耦合非线性行为特征研究

Sensorineural hearing loss is a medical problem because of that so far active hearing sensing mechanism and pathology mechanism are not completely known. In this research project, based on the biomechanics and electrobiology principles, a fluid-solid-electric multiphysical coupling theoretical model of active cochlear with actual geometrical and physiological properties is established. And a numerical model is built to simulate the true sound sensing process of cochlear. Through qualitative analysis of the theoretical model and simulation calculation of numerical model, the coupling dynamics bahaviors of the basilar membrane, tectorial membrane, outer hair cell body, stereocilium and the lymph in the electrophysiological environment are obtained. The active mechanism of cochlear are explained. The motion and distribution characteristics of cochlear flow are depicted. The effects of trauma and disease in cochlear on hearing threshold are analyzed. The relation between the pathology of sensorineural hearing loss and the mechano-electrical coupling behaviors are explored and the problems within the sensorineural hearing loss are resolved for the most part. The research results of the theoretical and numerical models could provide theoretical basis and application foundation for cochlear with active hearing sensing mechanism and the pathology of sensorineural hearing loss.

感音神经性耳聋是一个重要医学难题，迄今为止，耳蜗的主动感音机制及病变机制尚未完全清楚。本项目拟采用生物力学和生物电学原理，建立反映耳蜗实际尺寸和生理特征的主动耳蜗---多物理场（流-固-电）耦合理论模型，用数值仿真模拟耳蜗真实的感音过程，通过理论模型定性分析和数值模拟的仿真计算，描述基底膜、盖膜、外毛细胞体及静纤毛与淋巴液在电生理环境下的耦合非线性动力学行为，阐释耳蜗感音中的主动机制，刻画耳蜗中流场的运动和分布规律，分析内耳结构创伤及病变对感音结构听力阈值的影响，探究感音神经性耳聋病理与力-电耦合行为的关系，最大程度的解决感音神经性耳聋中的疑难问题。本项目在理论模型、数值模型等方面的研究成果，为探究耳蜗的主动感音机制和感音神经性耳聋的发病机制提供理论依据和应用基础。

至今为止，耳蜗的主动感音机理及感音神经性耳聋病变机制尚未完全清楚，一直是重要的医学难题。本研究运用数学理论、现代生物力学、流体力学、结.构动力学原理和生物电学原理，建立了在电生理环境下精确形体、生理材料的准确的主动耳蜗---多物理场（流-固-电）耦合理论模型及数值模型。通过理论模型定性分析和数值模拟的仿真计算，描述基底膜、盖膜、外毛细胞体及静纤毛与淋巴液在电生理环境下的耦合非线性动力学行为，阐释耳蜗感音中的主动机制，刻画耳蜗中流场的运动和分布规律，分析内耳结构创伤及病变对感音结构听力阈值的影响，探究感音神经性耳聋病理与力-电耦合行为的关系（模型及结论国内外均未见报道）。基于以上研究，得到重要结论：耳蜗内纵向电路环境对感音特征频率影响显著；耳蜗内力电耦合和外毛细胞刚度对耳蜗感音的敏感性影响显著；耳蜗内静纤毛刚度对感音特征频率影响较大。耳蜗对低响度的声音有自主放大功能，使得人对微弱声音有较为敏感的感知能力；耳蜗对高响度的声音有自主减弱功能，从而保护人耳不受外界高强度声音的刺激导致感音结构易损伤。耳蜗的螺旋形状对低频的振动影响显著，沿着耳蜗曲率和挠率增加的方向，影响逐渐增大。这种影响不仅能提高基底膜的振动行为，而且影响着基底膜发生最大振动的位置，从而对耳蜗的低频的位置选择特性和感音敏感性有决定性的影响。耳蜗在感知声音的过程中主要产生剪切波和压缩波，基底膜在达到振幅峰值前主要是剪切波，峰值后主要受压缩波的作用。压缩波对基底膜的高频振动有显著，且影响主动听觉机制中毛细胞和纤毛的运动。骨质螺旋板上的应力分布从顶部和底部向基底膜扩展，基底膜跨中位置出现较大的应力集中，导致基底膜的顶端区域和底端区域容易发生破坏，即人耳最容易丧失最低和最高的声音感知频率。以上结论以及主动机制产生过程中的多个因素分析均已对耳蜗主动感音放大机理的解密揭开了重要的新的一页，为感音神经性耳聋的发病机制提供理论依据和应用基础。对临床上感音性耳聋及听力下降的疑难问题以生物力学及生物电学的机制诠释了其致病机理。