人中耳系统结构与功能适应性相互依存的生物力学研究

Human middle ear including 4 parts:the tympanic cavity,the eustachian tube,the antrum and the mastoid process,we find that the changes of these structures depend and influence with each other mutual influence and dependence.We will integrate the three-dimensional image reconstruction, computational biomechanics, parameter identification inverse problem theory and modern otology theory and clinical advanced technology to do the research on the structure and function adaptation of the middle ear;To establish the structure and functional adaptation biomechanical model of human middle ear cavity; To simulate the adaptive self plastic process of middle ear cavity in certain parts of structural abnormalities.Eustachian tube dysfunction can cause secretory otitis media with the negative pressure and fluid in the middle ear cavity, thereby inhibiting the mastoid morphological development; This is the background of our research,then we are going to do the numerical simulation of geometric morphometric changes and development process of middle-ear cavity structure under ambient excitation. The model of scientific theory will provide numerical analysis research platform for the otology theory studying , the prediction of the middle ear disease with abnormal structures, the numerical analysis of clinical diagnosis and prevention. We attempts to seek a kind of biological numerical modeling method in medical research with the inverse problem theory being applied to. The innovative research results is what we are going to achieve.

人中耳包括鼓室、咽鼓管、鼓窦及乳突4部分，我们发现其结构变化是相互影响和依赖的。将三维图像重构、计算生物力学、参数识别反问题理论，与现代耳科基础理论和临床先进医疗检测技术相融合，将人中耳系统作为有机统一的整体进行研究，建立人体中耳系统结构与功能适应性相互依存的生物力学模型；模拟中耳腔某部位结构异常导致中耳腔其他部位结构适应性自塑过程；研究该过程中，中耳腔结构与其物理力学环境发生交互关系时，调整自身几何形态的数学表达式及模型的推导。以人体中耳腔负压导致分泌性中耳炎，从而抑制乳突气房的形态发育这一自适应生物过程为背景，数值模拟中耳腔结构在环境激励下，几何形态发生变化和发展的过程。该模型的建立将对耳科学理论深入研究、中耳腔结构异常导致中耳相关疾病的预测、临床诊断和预防提供数值量化分析的研究平台。试图运用生物力学方法建立人体仿真模型，并量化分析解剖结构变化对功能的影响，以期取得具有创新意义的研究。

目的：建立正常人中耳含气系统三维数值模型，运用流固耦合方法，分析外力刺激对正常中耳气流流动的影响，计算出正常人在外力刺激下鼓膜的响应数值。从生物力学角度定量分析出正常中耳含气系统的生物力学特性，为研究中耳结构异常引发中耳炎的发病机理提供新的思路和方法。方法：1.采集健康成年女性Valsavas加压时中耳CT扫描数据；2.将CT图像导入Mimics 20.0 结合临床医学解剖采集的信息修正，进行鼻咽、咽鼓管、中耳鼓室、鼓窦及乳突含气腔图像的分割及三维重建；3.使用Ansys 15.0和Msc Nastran 2014对Valsavas加压时中耳系统进行流固耦合计算。结果：1. 三维模型的测量：咽鼓管正常开放时咽隐窝充气体积，左侧5323.61mm3，右侧4685.98 mm3。2.流固耦合分析正常人中耳含气系统生物力学特性：右侧前鼻孔给予 3.5 kPa吹张压作用时，出现最大流速为4.2m/s，最低负压为-10kPa，右侧鼓膜最大位移为9.14×10-3mm。30 kPa吹张压作用时，最大流速为12.8 m/s，最低负压为-100kPa，右侧鼓膜达最大位移为0.36 mm。3.切除右侧乳突后中耳系统的生物力学研究：右侧前鼻孔给予3.5 kPa吹张压作用时，最大流速为4m/s，最低负压为-0.8kPa。右侧鼓膜最大位移为8.39×10-3mm。30 kPa吹张压作用时，最大流速为12.1m/s，最低负压为-80kPa，右侧鼓膜最大位移为0.33 mm。切除右侧乳突后，在同样的压力作用下，最低压力绝对值减小，最大速度减小；鼓膜最大位移减小；中耳系统压力达到平稳所需时间延长为0.9秒。结论：1.研究基于健康成年女性志愿者的中耳 CT 图像建立中耳含气系统有限元模型，突破传统医学实验性生物学研究的限制，能够无创的对结构、形状、载荷等材料复杂的组织结构进行重建和力学与器官功能分析。使我们的科学研究更接近临床真实情况。2.正常咽隐窝结构的存在是保证圆枕正常运动的基础，任何原因引发咽隐窝含气消失和咽鼓管开放时后壁向后运动受阻都是导致分泌性中耳炎患者咽鼓管功能不良的重要的原因。3.良好的中耳含气系统是维系乳突正常发育的基础，正常乳突气房的体积是保证咽鼓管功能正常开放的必要条件，良好的乳突结构对中耳气压变化起着重要的缓冲作用。