基于解析方法和數(shù)值模擬的中耳結構動力學行為研究.pdf

1、21世紀是生命科學高度發(fā)展的時期，力學及結構工程的研究已逐步進入生命科學領域。中耳結構是生命活體中微小復雜的結構，它在聲波激勵下發(fā)生傳導振動，將聲能轉化為機械能傳入內(nèi)耳，這一傳聲過程是一個集固體動力學、流體動力學于一體的復雜的動力傳導過程。目前，由于中耳病變引起的中耳疾病及其傳導性耳聾仍是耳科醫(yī)學中的尚未解決的問題，而單純醫(yī)療手段研究中耳疾患問題未能考慮該結構在傳聲過程中的動力學行為特征，因此療效不理想。介于中耳結構的特點----聽骨鏈

2、及軟組織（鼓膜、韌帶和肌腱）為一體的超精細微小復雜結構。本論文基于力學原理，采用解析分析及數(shù)值模擬相結合的方法分析中耳結構。解析方法推導振動骨架的運動方程；數(shù)值模擬骨架及軟組織整個體系的中耳結構。并在前人有限元的基礎上，引入新的數(shù)值方法-----自然單元法進行數(shù)值模擬，克服了有限元模擬生物體軟組織的超彈性大變形出現(xiàn)的單元網(wǎng)格畸變和纏結問題。使粘彈性超彈性的耳生物體能更為準確的模擬分析。其主要工作如下：
　　 1、從機理上分析中耳

3、結構振動骨架系統(tǒng)的力學特征及物理規(guī)律，采用變分原理，推導了鼓膜、聽骨鏈及人工聽骨的運動方程。并通過與實驗數(shù)據(jù)的對比，驗證了方程的正確性。通過運動方程得到參數(shù)變化的物理規(guī)律，其中以彈性模量變化對中耳振動信息（鐙骨底板的振幅）影響最為敏感。進一步為數(shù)值模擬提煉參數(shù)優(yōu)化打下基礎。
　　 2、采用Voronoi圖中的邊元素代替圖中體元素構造插值函數(shù)，提高了自然單元法的計算效率。在積分方案中采用背景網(wǎng)格積分，并借助有限元方法中確定積分點個

4、數(shù)方法確定最小積分點數(shù)。在布置積分點時采用內(nèi)松外密的布點方案。最后采用分片試驗、算例對本文方法進行驗證，驗證結果表明本方法正確，具有可靠的精度。
　　 3、推導了三維自然單元法動力學問題的離散格式，并采用中心差分和Newmark常平均加速度法相結合的第一種積分格式對離散格式進行解耦，得到每個自由的解耦遞推式，進一步提高了自然單元法在求解動力學問題的計算效率。通過算例驗證本文推導的自然單元法的動力學離散格式和解耦算法的正確性。

5、r>　　 4、應用自然單元法模擬骨架及包括軟組織（鼓膜、韌帶及肌腱等）在內(nèi)的中耳整體結構的聲音傳導動力學行為。則結果顯示：自然單元法在使用較少的結點的情況下，就可以反映出聲波引起中耳結構振動的波的特性；自然單元法模擬生物軟組織，特別是超彈性（大變形）的韌帶優(yōu)于有限元法。計算結果較有限元法更與實際（實驗）吻合。
　　 5、通過對中耳整體結構的模擬分析，得到較單個構件解析方程分析中更進一步的認識，由解析方程得到的結論“彈性模量降低

6、，振幅增大”是有條件的和范圍的。在鼓膜帶動聽骨鏈的傳導運動中，聽骨鏈的彈性模量變化符合解析方程得到的結論；但由于鼓膜剛度過小將無法帶動錘骨產(chǎn)生有效的振動，則當鼓膜彈性模量小到一定值時，鐙骨位移振幅反而會減小。
　　 6、基于以上的解析模型及數(shù)值模型，針對臨床醫(yī)學常見的中耳病變問題，如鼓膜穿孔、聽骨鏈斷裂、人工聽骨接入方式以及接入位置等問題，用聲音傳導過程中各部件的動力學行為特征詮釋其病變機理------鼓膜穿孔和聽骨鏈斷裂都出現(xiàn)

7、在應力或位移最大位置；人工聽骨接在鼓膜凸位置其傳音效果最理想。
　　 7、應用數(shù)值模擬分析典型的中耳病變---鼓室硬化導致聽力下降的機理及其手術治療效果。采用彈性模量增大刻畫軟組織（韌帶及肌腱等）的硬化，采用解除軟組織與顳骨的連接模擬切除硬化軟組織的治療。模擬結果顯示切除某些硬化韌帶可以恢復聽骨運動，使聲能更有效傳入內(nèi)耳。
　　 本課題的解析方程、數(shù)值模型、以及理論分析的研究成果從力學與生物結構交叉研究的視角為傳導性耳聾