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人工听骨接入方式对听力恢复的影响

重建听骨链是治疗传导性听力损失的主要方法。为了建立一个良好的慢性、连续性好、稳定的传输结构，耳膜传递的声音能被发送到内耳。目前临床应用的人工听骨有多种,材料不同,形状各异,听骨链的接入方式及位置都是影响人工听骨传导功能的主要因素。听骨链假体的研究主要集中在听骨膺复物的材料的选择,听骨膺复物外形的设计,对听骨膺复物的连接等问题的研究,主要采用的试验方法是在颞骨标本上对人工听骨进行试验。但试验材料和设备的获得是一大难题,且受外界因素影响大。随着生物力学的发展,20世纪末学者们开始用力学方法研究耳的生物学问题:如采用力学理论推导鼓膜振动问题的解析解及人工听骨检测的解析方法;使用有限元方法模拟中耳结构的传导振动并分析力学因素与中耳的某些病变关系[8,9,10,11,12,13,14,15]。目前临床上极为关注的问题是手术治疗效果的预测。用数值模拟手术置换人工听骨耳结构的动力响应,并由此分析手术后的听力恢复效果可以解决活体难以随时检测声音传导动力学行为的问题,避免实验的方法耗时耗资大等问题。但是此类研究未见报道。因此,本文采用有限元法研究人工听骨接入位置对听力恢复效果的影响,为临床手术治疗提供理论依据。

1[清催化系统]mep/ke

声固耦合与液固耦合的控制方程

式中:

[Me]为固体质量矩阵;[Mfs]为流固耦合界面质量矩阵;[Mep]为声音质量矩阵;[Ce]为结构阻尼矩阵;[Cep]为声音阻尼矩阵;[Ke]为刚度矩阵;[Kep]为流体刚度矩阵;[Kfs]为流固耦合刚度矩阵;[Re]为流固耦合界面过渡矩阵;ue位移矩阵;pe压力矩阵。

2有限模型

2.1模型建立及网格划分

有限元模型的几何尺寸是基于复旦大学附属中山医院对人体正常耳CT扫描所得的图像(使用GElightspeedVCT64排螺旋CT机。扫描参数:准直0.625mm,球管旋转时间0.4s,重建层厚0.625mm,间隔0.5~0.625mm)。通过对图像的进一步处理,用自编程序将CT扫描数值化,再利用PAT-RAN的强建模功能,重建耳三维几何模型。对其划分网格,设定边界条件、材料参数,导入NASTRAN得到耳三维流-固耦合的有限元数值模型(见图1~3)。外耳道气体单元划分为7200个八节点六面体Hex8)单元,节点数7581。鼓膜划分为360个四节点四边形(Quad4)面单元,节点数361。听骨链划分为21438个四节点四面体单元(Tet4),节点数6065,耳蜗网格划分:前庭内靠近镫骨处流体域划分为Tet4单元,其他流体域划分为Hex8单元,流体单元属性均定义为FLUID单元,共计产生单元数为4392,节点数为5885;卵圆窗划分为Tria3面单元,卵圆窗单元定义为二维膜结构,共计单元数56,节点数37;圆窗划分为Quad4面单元,圆窗单元定义为二维膜结构(Membrane)共计单元数16,节点数25。

2.2材料属性参数值

本文数值模型各部分材料属性及声学属性参考文献,实验数据。本文数值模型各部分材料属性及声学属性相关参数值见表1和表2,泊松比均取0.3。通过模拟试算定听力系统结构阻尼系数取0.5,在两种材料链接处的材料属性取弹性模量大的材料属性作为连接处材料属性。

2.3外耳道壁及内耳骨壁

(1)外耳道口施加(200~10000Hz)内90dB(0.632Pa)面压力,模拟纯音声压;

(2)软组织(鼓膜张肌、锤骨上悬韧带、锤骨前韧带、锤骨侧韧带、砧骨上悬韧带、砧骨后韧带、镫骨肌)与颞骨相连处视为固定约束;

(3)鼓膜环韧带外边缘视为固定约束;

(6)外耳道壁及内耳骨迷路壁设为相对刚性壁;

(7)鼓膜、镫骨底板及环韧带为流固耦合界面。

2.4链置换体的共享

假体数据来源于医院提供的美国MedtronicXomed公司整体听骨链置换体(TORP)说明书,该假体是目前临床最常用的听骨链置换体之一(见图4)。

锤骨柄与镫骨足板之间有一定的距离和角度。将假体的柄端垂直与镫骨底板连接于镫骨底板和鼓膜之间是较为方便的一种手术方式。但此时的顶盘与鼓膜的连接位置并不是正常耳听骨与鼓膜的连接位置,这对听力会造成什么样的影响?什么样的接入位置能获得更好的听力效果?本文基于这2个问题,分析比较了听骨链假体不同接入位置(见图10)和锤骨不同的处理方式(见图11)下听力恢复效果。

3骨速度传递函数曲线

本文建立正常耳结构模型,并取中耳结构(未加入外耳道的影响)的动力响应位移曲线与Gan试验数据曲线比较,可知两者在趋势、幅值方面均比较接近,如图7、8所示。

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