本科论文开题报告国内外动态范文
1.2 国内外研究现状
1.2.1 中耳有限元模型发展
有限元方法是求解各种复杂数学物理问题的重要方法,是处理各种复杂工程问题的重要分析手段，它与先到计算机技术相联系，以弹性理论作为求解研究对象的理论基础[错误！未定义书签。]。得益于最近三十年计算机技术的高速发展,有限元分析已经成为工程中广泛应用的方法了,如在航空航天、机械、及土木等行业都成为了必不可少的研究方法。对结构比较复杂而且包含一系列的惯性组成成分的中耳进行声场—力学作用的建模，有限元方法具有一定的优越性；同时在全面模拟复杂结构的几何外形、超微结构特征以及生物系统非同质性和各向异性的生物特性的方面,研究微小的振动模式、压力分布以及系统中离散位置的力学行为等方面,有限元的数值模拟方法可以实现更精确的建模，从而实现模拟实际的目的[2]。而恰恰中耳的结构非常复杂精细，鼓膜的材料具有各向异性，镫骨振动以及耳蜗压力数量级小。基于上述有限元方法的优点和中耳结构的特点，越来越多的学者开始应用有限元技术解决中耳功能的分析问题。世界上首次将有限元方法应用于中耳研究的是加拿大学者Funnel和Laszlo（1978），他们利用猫中耳组织切片建立了猫耳鼓膜三维静态线性有限元模型，在后来几年的研究中，Funnel又增加了内耳的有限元模型（1983）[3]，以及模型在一些自然频率下的计算结果，并与实验结果作比较（1987）[4]。在Funnel地模型中，由于镫骨足板和耳蜗对鼓膜模型的阻抗作用[3-4]，他用单一的扭转刚度和转动惯量等效听骨链和耳蜗的载荷对鼓膜的作用，但是在Funnel的文章中，他并没有说明他们确立中耳各构件空间位置和方位的方法[3-5]。Lesser及William（1988）建立了人耳的鼓膜及锤骨具有代表性的二维有限元模型[6],他计算了均匀载荷作用下鼓膜和锤骨的静态位移。在后来的研究中，Lesser（1991）[7]及William（1990、1995）在人耳鼓膜的有限元模型上测试了几个鼓膜参数对固有频率的影响[8-9]。日本学者Wada和Metoki（1992）建立了一个包括外耳道、鼓膜、听骨链、中耳腔、韧带和肌肉等的三维有限元模型[10]，如图 0-1所示。鼓膜采用各向异性的材料模拟，而且Wada通过比较此模型和实验结果的频率响应确定了鼓膜的材料参数以及边界条件；在Wada的研究中，鼓膜的边界条件以线性的扭转弹簧附着在耳膜的环形韧带的形式表示，这种处理方法使得模型更加接近真实条件[10]。Beer等（1999）通过分离中耳各构件然后激光扫描显微技术获得集合模型，从而建立有限元模型，具有更准确的中耳几何形态，但很难保证非常精确的空间位置和方位[11]。Prendergast 等（1999）也建立了包括鼓膜、听骨、鼓室肌肉和韧带、关节和中耳腔的较完整的中耳有限元模型，并将这一模型应用于正常中耳和重建中耳的声传导功能的研究[12]。Koike 和Wada（2002）在Wada（1992）的中耳有限元模型中添加了韧带、肌腱、砧骨-镫骨关节、耳蜗载荷以及外耳道、中耳腔等结构，如图 0-2所示。在Koike的研究中，也是通过对比有限元计算结果与实验数据反复修正确立这些新增部分的力学特性与边界条件；为了获得听骨链复杂的运动情况，Koike用一个阻尼代替耳蜗，而且将砧骨-镫骨关节由刚性结构变为柔性结构，他的文章中表明有限元模型中中耳腔的存在几乎不影响鼓膜的振动[13]。Gan等（2002）根据人耳颞骨的组织切片，重构了中耳的几何模型，对中耳的声传递进行了有限元模拟，并计算了鼓膜刚度、耳蜗阻抗等对中耳传导功能的影响；由于该模型根据颞骨切片重构而来以及三维CAD技术的应用，所构建的光滑曲面更能代表三维实体，所以Gan的这个模型具有较高的精度[14-15]。国内学者姚文娟教授等（2009）采用CT扫描影像建立了中耳的有限元模型，模型包括了听骨链、鼓膜、听骨链的关节以及韧带和肌腱[16]。通过有限元仿真分析，研究了中耳的频率响应，同时获得了鼓膜和听骨链的应力分布，分析得出了听骨链较容易破坏和鼓膜结构较容易穿孔的位置;上海交通大学刘后广教授（2009）采用Siemens Sensation 16螺旋CT扫描机获得的正常人中耳的CT影像建立了中耳的三维有限元模型[17]。1.2.2 耳功能研究中的有限元耦合分析模型人耳中声音在的传递经过了整个人耳内部各个部分，外耳道，鼓膜，听小骨，中耳腔，耳蜗，而这些部件的结构形态各不相同，如外耳道和中耳腔是空气，听小骨和鼓膜为固态，耳蜗内部则为液态，在这个分析过程中就涉及到固液气的相互耦合，由于气态和液态都是流场，所以简称流固耦合。随着商业化有限元分析软件功能不断完善和发展，研究工作者可以利用这些分析工具达到比较真实的模拟声音在流体介质和固体介质中传播的过程，并能够获得比较符合实际情况的耳结构力学特性及其传递功能[18]。前人在用有限元方法研究耳功能时对中耳和耳蜗的耦合模型也有所研究。Frank Böhnke 和 Wolfgang Arnold（1999）根据医学耳蜗切片获得的图像成功建立了耳蜗的有限元模型，这是首个比较完善的耳蜗有限元模型，Frank Böhnke 的模型几乎包括了耳蜗内部所有重要的传声部件，比如前庭阶、鼓阶、基底膜，以及圆窗膜和卵圆窗膜；在 Frank Böhnke 的耳蜗模型中，耳蜗呈螺旋状，绕蜗轴旋转两周半，基底膜的材料为，基底膜是用两层壳单元模拟，基底膜的厚度和宽度几乎是线性变化的，Frank Böhnke通过对该耳蜗模型的分析，获得了声波在耳蜗内的传播形式以及耳蜗内各个位置的压力和及位移，根据这些 Frank Böhnke 还得出了耳蜗的声阻抗[19]。Gan 在建立比较精确的中耳几何模型后（2002）[20]，又根据中耳几何模型建立了有限元模型（2006）[21]，在他的有限元模型中她又增加了外耳道和中耳腔这两个部分，她的中耳部分则包括了听骨链，鼓膜、各韧带和关节 ；在 Gan 的模型中，耳蜗阻抗是用阻尼单元和等效质量块模拟的，所以 Gan 的模型中包括了中耳鼓膜和听骨链的的结构单元、中耳腔声场单元、以及外耳道的声场单元的耦合分析模型；Gan 通过对外耳道声压的谐响应分析，得出了外耳道及中耳腔在同频率下的的压力分布，此外 Gan 等人还分析了耳道内施加压力位置对外耳道和重耳腔的压力以及两窗的压力分布的影响[20-21]。在后来的研究中，Gan 根据耳蜗建模的相关研究成果在等效耳蜗载荷研究的基础上，采用简化直耳蜗建立了耳蜗有限元模型[22]，此耳蜗模型模型得到普遍认可，在这个模型中，耳蜗内流体是用粘性流体单元模拟的，耳蜗鼓阶和前庭阶的体积分别为 224和 212mm3，这个体积比正常人耳耳蜗体积稍大大；基底膜的弹性模量为性递减而阻尼系数为线性增加。Gan 对此模型的分析计算获得了镫骨和鼓脐的位移、速度响应以及中耳声压增益；同时获得基底膜各个位置的位移和压力响应、以及各个频率下基底膜振动峰值-位置曲线，通过以上的性能指标考察了中耳的传声功能以及耳蜗力学特性和声波传播机制[22]。1.2.3 耳道静压对中耳声音传递的影响的研究现状人们生活中的一些日常活动（如乘飞机、驾驶）或耳科疾病（如中耳积液）可能造成中耳腔内气压与环境气压不一致，在鼓膜两侧形成压力差。这一静态压力作用会导致鼓膜和中耳其他结构发生形状和力学状态改变，因而影响声音信号在中耳的传递。为了明确鼓膜两侧压力梯度对中耳结构状态改变和传声功能的影响，很多学者从临床和基本生物力学特性研究等不同方面对此进行了研究[23-33]，以探讨静压对中耳声音传递功能及听力的影响机制。Hüttenbrink 研究了鼓膜受到不同静压的情况下听骨链的运动[23]. Dirckx 和Decraemer 测量了人耳在耳道正压和负压下鼓膜的变形[24-25]. Gaihede 分析了静压载荷下中耳变形中的迟滞现象以及非线性的力学特征[26]. 为了研究中耳压力对鼓膜动态特性的影响，Rosowski 和 Lee（2002）对沙鼠鼓膜在不同中耳压力下的振动进行了测量与分析，他们的测量结果表明中耳静压的改变会引起鼓膜张紧部和鼓膜松弛部的听力学刚度和惯性的改变[27]。Murakami 等（1997）通过显像系统测量了人脑颅骨内鼓膜凸和镫骨头在不同中耳压力下的振动[28]，其研究结果表明镫骨的振动主要受鼓膜刚度和韧带、听骨链刚度的影响，而鼓膜凸的振动则主要受鼓膜的特性影响。他们的结果多表明中耳腔静压下对鼓膜和镫骨足板振动的影响主要在 1.5kHz 以下。除实验研究外，近年来，用有限元方法模拟声音在耳中传递过程取得了很大的发展[30-32, 34-36]。Wang对不同中耳腔静压下中耳组件的变形进行了非线性有限元计算，分析了静压对中耳传递的影响[30]。最近，Homma 等则分别用有限元法和实验测量两种途径研究了4kPa, 2kPa 外耳道静压下镫骨与鼓膜的振动速度变化[31]。但是，上述两个有限元模型只是包含中耳结构，没有包含耳蜗部分液体单元，所以其分析都集中在静压对中耳部件运动性影响。从前面的分析可以看出，耳道静压力或中耳静压对中耳传递功能的研究大多针对中耳结构的变形和对鼓膜、镫骨振动位移的影响而展开。通常情况下，镫骨足板的振动以其中心点的运动来表示，大量研究已经表明镫骨只是在低频范围是活塞状运动，在高频时还伴随有摇摆运动，这会对耳蜗的激励产生影响[37]。因此，仅用镫骨足板上一点的运动不能充分描述对耳蜗的激励特性。中耳和内耳疾病因改变耳蜗的有效输入而影响听力。Dallos 指出[37]：耳蜗的有效输入是蜗隔两侧压力差。Aibara 等[38]则应用耳蜗在前庭窗和蜗窗的压力差分析评价中耳听力装置的工作性能。对于声音的气导而言，内耳的激励是通过镫骨足板的振动输入，但驱动基底膜运动的是其两侧压力差。由于人耳结构的精细和运动的方向性，这给镫骨运动实验研究和精确测量提出很高的要求，虽然压力没有方向性，但测量耳蜗内流体压力的难度很大。因此，采用数值模型分析外耳道静压对镫骨足板位移和耳蜗内流体压力的影响，分析不同外耳道空气压力下耳蜗有效输入的变化特点，对揭示这一问题的生物力学机制有重要意义。同时，其分析结果也可为实验研究提供参考。
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