中耳積液對聲音傳導的影響

黃新生 姚文娟 李曉青 周華聰

(1.復旦大學附屬中山醫院耳鼻喉科,上海 200032;2.上海大學土木系,上海 200072)

上世紀末及本世紀初耳生物力學的研究開始起步。學者們用力學方法研究耳生物問題,除通過實驗進行實測研究[1-2]外,主要采用兩種方法:一種是理論研究方法,如采用力學理論推導鼓膜振動問題的解析人工聽骨檢測[3-4];另一種是數值研究方法,其中以有限元方法為主導方法,如Voss等[5]研究了聲音傳導與穿孔的關系;Bance等[6]研究了砧骨假體頭的尺寸對振動影響;Vard等[7]人研究了鼓膜通氣管的設計形狀對鼓膜振動的影響;Rinze等[8]研究了鐙骨置換假體接頭形狀對聽力傳導影響;Justin等[9]研究了鐙骨假體在短期內聽力恢復情況和植入的角度對聽力影響;姚文娟等[10-14]使用有限元方法分析人工鐙骨贗體材料優化與砧骨長腳的連接方式以及模擬中耳結構病變等。

中耳積液時,鼓膜聽骨等中耳結構的運動受阻,導致傳導性耳聾。本文研究中耳有積液對中耳結構動力響應的影響,為臨床上治療相關疾病提供參考依據。

1 資料與方法

1.1 動力學有限元方程 外耳道、鼓膜、中耳積液以及鐙骨與耳蝸內液體流-固耦合的結構動力學有限元方程如下。

[Me]為固體質量矩陣;[Mfs]為流-固耦合界面質量矩陣;[Mep]為聲音質量矩陣;[Ce]為結構阻尼矩陣;[Cep]為聲音阻尼矩陣;[Kep]為流體剛度矩陣;ue為位移矩陣;Pe為壓力矩陣。

1.2 建立模型

1.2.1 有限元建模 有限元模型的幾何尺寸是基于復旦大學附屬中山醫院對人體正常耳CT檢查所得的圖像(使用GE lightspeed VCT 64排螺旋CT機。掃描參數:準直0.625 mm,球管旋轉時間0.4 s,重建層厚0.625 mm,間隔0.5～0.625 mm)。通過對圖像的進一步處理,用自編軟件將CT檢查數值化,再利用PATRAN的強建模功能,重建耳三維幾何模型。對其劃分網格,設定邊界條件、材料參數,導入Nastran得到耳三維流-固耦合的有限元數值模型(圖1、2)。

外耳道氣體單元劃分為7200個8節點六面體(Hex8)單元,節點數7581。鼓膜劃分為360個4節點四邊形(Quad4)面單元,節點數361。聽骨鏈劃分為21438個4節點四面體單元(Tet4),節點數6065,中耳腔劃分為15820個4節點四面體單元,節點數4560。耳蝸網格劃分:前庭內靠近鐙骨處流體域劃分為Tet4單元,其他流體域劃分為Hex8單元,流體單元屬性均定義為FLUID單元,共計產生單元數為 4392,節點數為 5885;卵圓窗劃分為T ria3面單元,卵圓窗單元定義為二維膜結構,共計單元數56,節點數37;圓窗劃分為Quad4面單元,圓窗單元定義為二維膜結構(Membrane)共計單元數16,節點數25。

1.2.2 材料屬性 本文數值模型各部分的材料屬性及聲學屬性系參考文獻[15-16]的實驗數據。本文數值模型各部分的材料屬性及聲學屬性相關參數值見表1,表2。泊松比均取為0.3。通過模擬試算定聽力系統結構阻尼系數為0.5。

表1 本文模型中中耳各結構材料屬性

表2 耳部結構聲學屬性

1.2.3 邊界條件

①外耳道口邊緣單元各方向位移為零;②外耳道口處氣體受均布聲壓激勵;③連接聽骨鏈的韌帶另一端面上節點各方向位移為零;④鼓膜環韌帶外邊緣節點各方向位移為零;⑤卵圓窗、圓窗外邊緣節點各方向位移為零;⑥鼓膜、鐙骨底板為流-固耦合界面;⑦聽骨鏈與積液接觸表面為流-固耦合界面。

2 結 果

2.1 數值模擬的可靠性 本研究建立正常耳結構模型在90 dB聲壓下的動力響應位移曲線與Gan等[15]在90 dB聲壓激勵下測得的試驗數據曲線進行比較,結果顯示兩者在趨勢、幅值方面均比較接近(圖 3 、4)。

2.2 中耳積液數值模擬 本研究對在不同聲壓激勵下(50 dB-0.00632 Pa,70 dB-0.0632 Pa,90 dB-0.632 Pa)中耳積液對聲音傳導的影響進行了分析,積液范圍從液體剛到達鼓膜下端,至浸滿中耳腔(此時積液達100%)。

圖5、6記錄顯示了90 dB聲壓下不同程度的中耳積液(積液體積占中耳腔的25%、50%、75%、100%)對聲音傳到的影響。其中實方格連線表示正常耳在90 dB聲壓下鼓膜凸、鐙骨底板振動幅度隨頻率的變化曲線。中耳積液對鼓膜凸和蹬骨底板的振幅產生了明顯影響,積液面越高,對聽力效果的削弱越大。

25%積液情況下,對較低頻率(＜900 Hz)的聽力效果影響較小,鼓膜凸振幅和鐙骨振幅還出現高于正常情況的現象;對900 Hz以上的聽力的效果影響顯著,鼓膜凸振幅大約有6 dB的削弱,鐙骨振幅的削弱最大達10 dB。

對于 50%、75%、100%的積液量,在低頻率范圍下(＜1200 Hz),隨著積液量的提高,對聽力的影響也不斷增大,50%時有2～9 dB的削弱,75%時有5～10 dB的削弱,100%時有7～14 dB的削弱。50%、75%、100%積液水平,在本研究計算的頻率范圍內(200～8000 Hz),隨著積液量的提高,對鐙骨振幅的削弱作用也不斷增大,50%時有5～10 dB的削弱,75%時有6～12 dB的削弱,100%時有7～14 dB的削弱。而這幾種積液量對高頻率(＞1200 Hz)下的鼓膜凸振幅、鐙骨振幅的影響基本一致,對聲音傳導的削弱最大達到15 dB。

圖7、8記錄顯示了70 dB聲壓下不同程度的中耳積液(25%、50%、75%、100%)對聲音傳導的影響。在70 dB聲壓下,不同積液量對鼓膜凸振幅的影響與在90 dB下的情況基本相同。對鐙骨振幅的影響略有不同。

25%的積液量對鐙骨振幅的影響較小,鐙骨振幅同樣出現高于正常情況的現象。在900 Hz以上時,25%積液量對聽力效果影響顯著,鼓膜凸約有6 dB的削弱,鐙骨振幅的削弱最大達10 dB。

50%、75%、100%積液量,在本研究計算的頻率范圍內(200～8000 Hz)對鐙骨振幅的影響基本一致。整個頻率范圍內有6～14 dB的削弱。在1000 Hz左右最小,在8000 Hz左右最大。

圖7 70dB聲壓下中耳積液對鼓膜凸振幅的影響

圖8 70dB聲壓下中耳積液對鐙骨振幅的影響

圖9、10記錄顯示了50 dB聲壓下不同程度的中耳積液(25%、50%、75%、100%)對聲音傳導的影響。在50 dB聲壓下,不同積液量對鼓膜凸振幅和鐙骨振幅的影響量與70 dB下的情況基本相同。

3 討 論

在不同聲壓下,中耳積液對中耳結構的振動情況均有很大影響,特別是積液量的多少直接影響到鼓膜凸和鐙骨振幅,即傳入內耳的能量。在50 dB或70 dB聲壓下,25%的積液量可使高頻率下的聽力效果削弱6～10 dB,對低頻率的削弱較小;而 50%、75%、100%積液量量可以使200～8000 Hz頻率范圍內的聽力效果受到最大達14 dB的削弱。在90 dB聲壓下,隨著積液量的增多,聽力損失量也隨之增大(25%積液量時對聽力的削弱最大達6 dB,50%積液量時有2～9 dB的削弱,75%積液量時有5～10 dB的削弱,100%積液量時有7～14 dB的削弱)。

鼓膜未接收到聲波前,就已在積液的重力作用下產生初始變形,使鼓膜彈性模量變大,進而減小鼓膜的振幅,同時鼓膜振動也帶動積液振動,即要克服由積液重力所作的功,消耗了部分聲能,使傳入內耳的聲能減小,進一步破壞了中耳結構的聲音傳導功能。因此清除中耳腔內的積液,對治療由中耳積液引起的傳導性耳聾效果明顯。

1 馬芙蓉,Thomas L,Alex H,等.新鮮顳骨模型建立在中耳傳聲機制研究中的作用[J].中國耳鼻咽喉頭頸外科,2005,12(6):359-361.

2 Chenkai D,M ark WW,Rong ZG.Combined effect of fluid and pressure on middle ear function[J].Hearing Research,2008,236(1/2):22-32.

3 姚文娟,李武,李曉青.檢驗人工聽骨力學性質的解析方法[J].力學學報,2009,41(2):216-221.

4 姚文娟,李武,黃新生,等.鼓膜振動方程的建立與求解[J].振動與沖擊,2009,27(3):63-66.

5 Voss SE,Rosowski JJ,Merchan SN.Non-ossicular signal transmission in human middle ears:Experimental assessment of the‘acoustic route'with perforated tympanic membranes[J].The Journal of the Acoustical Society of America,2007,122(4):2135-2153.

6 Bance M,Campos A.How does prosthesis head size affect vibration transmission in ossiculoplasty?[J].Otolaryngology-Head and Neck Surgery,2007,137(1):70-73.

7 Vard JP,Kelly DJ,Blayney AW,et al.T he influence of ventilation tube design on the mag nitude of stress imposed at the implant/tympanic membrane interface[J].M edical Engineering&Physics,2008,30(2):154-163.

8 Rinze AT,Wilko G.An analysis of the air-bone gap closure obtained by a crimping and a non-crimping titanium stapes prosthesis in otosclerosis[J].Auris Nasus Arynx,2008,35(2):181-184.

9 Justin T,Moisé s AA.Enhanced hearing in heat-activated-crimping prosthesis stapedectomy[J].Otolaryng ology-Head and Neck Surgery,2008,138(4):513-517.

10 黃新生,姚文娟,李曉青,等.不同材料鐙骨贗復體術后聽力效果的有限元分析[J].復旦學報(醫學版),2008,35(6):815-818.

11 黃新生,姚文娟,李武,等.人工聽骨傳音特性的有限元分析[J].中國臨床醫學,2008,15(2):236-238.

12 姚文娟,李曉青,李武,等.中耳病變及人工鐙骨形體研究[J].醫用生物力學,2009,24(2):118-122.

13 姚文娟,李武,付黎杰,等.中耳結構數值模擬及傳導振動分析[J].系統仿真學報,2009,21(3):651-654.

14 Yao WJ,Huang XS,Fu LJ,et al.Transmitting vibration of artificial ossicle[J].International Journal of Nonlinear Sciences and Numerical Simulation,2008,9(2):131-139.

15 Gan RZ,Bin F,Qunli S.Three-dimensional finite element modeling of human ear for sound transmission[J].Annals of Biomedical Engineering,2004,32(6):847-859.

16 Rong ZG,Brian P R,Xulin W.Modeling of sound transmission from ear canal to cochlea[J].Annals of Biomedical Engineering,2007,35(12):2180-2195.