论文摘要
中耳听骨链系统是一个典型的形态不规则而构造精巧的牛顿力学系统,在声波的传导过程中起到了重要的作用。其解剖结构包括鼓膜、锤骨、砧骨、镫骨、听关节、韧带及肌肉等。建立精确有效的听骨链系统有限元模型来研究听骨链系统的力学行为特性,有助于从数字化层面进一步阐明中耳传导声音的力学机制,同时为研究术后中耳结构变化或中耳病理状态下对中耳传声机制的影响等提供一个较为完善的数学模型和力学平台,从而进一步为相关临床疾病如内耳淋巴液压力增大导致的传导性聋的力学机制提供理论依据。本文结合不脱钙颞骨组织切片和Micro-CT扫描的方法获得高精度的中耳听骨链三维形态数据;将获得的图像数据通过SURFdriver、MicroView、Mimics等软件进行分割、提取和CAD三维重建等数字化处理,再将模型转入Mimics的FEA模块的Remesh环境进行调整、细化及面网格优化;在此基础上通过Geomagic软件将组织切片来源的表面重建数据转换为实体网络,最终形成FEA软件可识别的实体三维模型,同时结合HyperMesh进行几何清理,采用混合单元对听骨链系统各结构进行网格划分,通过设定单元质量的控制参数来保证其计算的精度;利用ANSYS10.0软件建立了包含听关节和附属韧带肌肉等软组织的完整的听骨链系统的有限元计算模型,分析在90dB SPL声压级模拟条件下200-8000Hz频段的鼓膜和镫骨足板的位移曲线、镫骨足板速度传递函数和鼓膜脐部/镫骨足板位移比率,与已报道模型及实验数据比较,验证该计算模型的可靠性;在此基础上进行了不同声强作用下听骨链关键结构的静力学特性、固有振动特性以及在不同频率作用下的谐响应分析,分析发现鼓膜的最大位移区域位于鼓膜脐部两侧,集中应力最大区域主要分布在鼓膜下方边缘,镫骨的运动模式则在4000Hz以下仍以典型的活塞样运动为主,4000Hz以上是包含摆动和转动的复合运动;利用该模型着重研究砧骨镫骨夹角变化对声音传导在中耳部分的影响,分析结果为砧骨与镫骨夹角处于90度时,当声波频率低于1000Hz时能够最大程度减少鼓膜和镫骨足板振动的波动,当高于1000Hz时能达到鼓膜和镫骨的最佳振动响应,证实了该角度是实现听骨链高效传音功能的最佳角度;通过有限元模型模拟内耳淋巴液压力改变状态下中耳传音的改变,发现内耳淋巴液压力改变对鼓膜和镫骨的振动在800-2000Hz区段最为显著,当压力增加时鼓膜和镫骨的振动受到一定幅度的限制。另外,本文对激光多普勒测振仪测量听骨链微振动的验证实验进行了初步探索,实验测得镫骨固有频率频段与有限元模拟镫骨的前6阶频率基本接近,进一步证实了有限元模型的合理性。通过本文的系列研究,系统地建立了由传统组织切片和Micro-CT扫描图像来源的中耳听骨链系统精确三维形态学模型,结合有限元法获得验证可靠的中耳听骨链系统有限元计算模型,并在不同状态下的听骨链传音机制研究中得到初步应用。激光多普勒测振仪的探索性研究则实验验证了所建有限元模型,并为进一步的听骨链微振动测量积累了经验。
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