论文摘要
听觉是人类感知世界不可缺少的感知方式之一。正常情况下由声源振动引起空气振动产生的疏密波,经外耳道通过鼓膜进入中耳,引起听骨链振动,再通过卵圆窗进入内耳,振动前庭阶内的外淋巴液,使振动自前庭阶通过蜗顶的蜗孔传递至鼓阶,最后使圆窗振动,同时,两阶的外淋巴压力发生变化导致基底膜振动,刺激内外毛细胞进而激励听神经末梢产生听觉神经冲动。人工中耳是通过将声波的能量转换成机械振动,并借助附着在耳内可振动部位（如听骨链）或耳蜗（如前庭窗、蜗窗）上的中耳植入体,将振动传入内耳而产生听觉的装置。其与听骨链连接后可代替部分或全部听骨链的作用,有助于中重度感音性或混合性聋患者改善听力。然而,部分外耳道、昕骨链或鼓室异常（如先天性中外耳畸形、镫骨固定等）的中重度传导性或混合性聋病患者,由于中耳手术失败或难以手术、助听器佩戴困难等原因,导致人工中耳装置难以经卵圆窗传音途径有效地将声能传递入内耳。因此对于此类患者,不少学者采用圆窗途径人工中耳来改善听力。当声波经圆窗途径传入耳蜗后,首先将振动传递至鼓阶的外淋巴液,然后经蜗顶至前庭阶,引起相应的卵圆窗振动,在两阶间沿着耳蜗的不同部位产生压力梯度,使基底膜振动而感音。所以在本研究中我们将卵圆窗途径给声称之为“正向途径”或“耳蜗正向驱动”（Forward Driving）,而如上述这种圆窗途径传音的方式称之为“逆向途径”或“耳蜗逆向驱动”（Reverse Driving）。自上世纪50年代起就有学者开始通过动物实验研究耳蜗的逆向驱动,至今已有不少学者致力于该领域的研究。通过动物实验,人们发现耳蜗正向驱动和逆向驱动均可产生相似的耳蜗电位、听性脑干反应、听神经动作电位以及跨蜗阶压力差。而且自2006年起圆窗途径人工中耳开始应用于临床研究。据文献报道,其临床效果及短期随访结果尚可,对患者的残余听力尚未发现明显不利影响,植入装置激活后言语识别率、纯音听阈等较术前均有明显提高。但是,耳蜗逆向驱动毕竟不是一个正常的生理传音过程,而且由于耳蜗内含前庭阶、鼓阶、蜗管、前庭膜以及基底膜,对于基底膜来说耳蜗并不是一个对称的结构,所以我们认为,正向和逆向途径之间的区别不应仅局限于相反的振动传导,或者说,两者对于基底膜的振动效率而言可能并不是等效的。本文使用实验研究和有限元模拟分析两种方法对耳蜗正逆向驱动的传声效率进行了评估。在实验研究中,我们使用8只成年健康豚鼠,深度麻醉后,迅速断头取出听泡,自听泡后下壁打开直径2-3mm的小孔,然后在耳蜗底转鼓阶部位使用电钻打开一直径约为0.5～0.8mm的小孔,暴露基底膜,将一颗反光微珠放置于基底膜的中央,完成以上操作后使用玻璃薄片及牙科胶封闭耳蜗及听泡开孔。耳蜗正向驱动时,我们在外耳道内距鼓膜2mm处,使用微型扬声器施加80dB SPL的声压,频率范围1-40kHz。随后利用激光多普勒测振技术,测量耳蜗正向驱动下的砧骨长突、基底膜的振动。在进行耳蜗逆向驱动前,为了在豚鼠模型中实现耳蜗的逆向驱动,我们自制一套圆窗振子线圈驱动系统,并成功地经逆向途径驱动基底膜产生有效的振动。同时,为了使正逆向振动更有可比性,我们首先以1-40kHz的交流电驱动线圈,测量砧骨长突末端的振动,并以正向驱动时的结果作为参照,调整线圈驱动电流大小,间接调节磁性振子的振动强度,使得逆向驱动时砧骨长突末端的振动与正向驱动时尽可能地相近。然后保持驱动电流及其它实验设置不变,仅调整激光束,进行基底膜及磁性振子振动的测量。完成测量后,我们为了对两种途径下的传声效率进行评估,进一步计算耳蜗正逆向驱动下基底膜底转的耳蜗增益,并进行比较。在有限元数值模拟中,我们使用现有的人耳有限元模型,该模型包括外耳道、中耳、中耳腔空气、中耳韧带肌腱、耳蜗（内含前庭阶、鼓阶和蜗管,无Corti器）以及淋巴液等结构。正向驱动时,在模型的外耳道中,据鼓膜2mm处加载90dB SPL的声压,频率范围100Hz-10kHz。逆向驱动时,模拟两种不同尺寸的圆窗振子,均安放于中耳侧圆窗膜中央。1号振子较大,截面积1mm2,高1.2mm,质量7mg,与圆窗的面积比为0.47：1；2号振子较小,截面积0.314mm2,高1.2mm,质量2.2mg,为与圆窗的面积比为0.14：1。随后将一个大小为0.05mN的轴向驱动力加载在圆窗振子的游离端,频率范围100Hz-10kHz。完成以上设定后,对3个模型进行谐响应分析,并分别提取不同情况下鼓膜、镫骨底板、圆窗膜中心点的轴向振幅,以及不同频率下基底膜不同位置的振幅。同时,为了提高正逆向的可比性,以及与豚鼠实验的可比性,还分别计算不同情况下的耳蜗输入阻抗,以及基底膜底转的耳蜗增益。实验研究结果与有限元数值模拟结果基本一致。结果显示,自制圆窗振子系统运行稳定,能够从逆向途径驱动基底膜产生有效振动；基底膜的特征频率在正向和逆向驱动下相同,实验中均为15kHz左右；正向驱动较逆向驱动具有较低的耳蜗输入阻抗,较高的耳蜗增益,所以正向驱动具有较高的传声效率；逆向驱动时,使用较大的振子,可以降低逆向驱动时的耳蜗输入阻抗,从而产生较大的耳蜗增益,提高传声效率。以上结果提示,临床上,在植入逆向驱动人工中耳前,事先切除残余、废用或硬化的听骨链,可有效减少逆向途径下耳蜗的输入阻抗,以取得更好的传音效果。同时,应适当增加振子的体积,一方面可以产生更加有效的基底膜振动,另一方面,可以增强振子的电磁感应,提高振动强度,有效改善振子的频率响应。本文通过使用自制的圆窗振子线圈驱动系统,在豚鼠耳蜗上成功实现逆向驱动,并利用激光多普勒技术,首次实际测量耳蜗逆向驱动下的基底膜振动。其结果有助于阐明耳蜗逆向驱动的机制,并为评估其传音效率提供有效的方法,为临床圆窗途径人工中耳植入的改进提供依据。