考虑螺旋器的耳蜗非线性动力学模型研究

为了探索一种能治疗混合性听力损伤的有效方法，本课题组2008年在国家自然科学基金的资助下，提出一种新型压电式仿生中耳，用智能压电材料制造的振子模拟中耳听骨链对声音的响应，并采用压电振子直接激励内耳圆窗的方法对患者残余听力进行有效补偿。但是用振子直接激励内耳圆窗是否可行，目前仍未有相关的理论研究。. 本课题拟通过对内耳耳蜗系统进行深入的研究，提取耳蜗生物力学参数，建立考虑螺旋器的耳蜗非线性动力学模型，深入研究耳蜗系统的声音传递和转换的机理，利用该模型分析盖膜与网状层间的剪切运动，分析耳蜗在圆窗激励及卵圆窗激励下的响应。研究结果可为进一步了解耳蜗非线性机制奠定理论基础，同时为新型压电式仿生中耳的具体实现提供可靠的数值模型和分析工具。

本课题组2008年在国家自然科学基金（10772121）的资助下，提出一种新型压电式仿生中耳，用智能压电材料制造的振子模拟中耳听骨链对声音的响应。由于耳蜗与中耳通过镫骨相连，耳蜗的特性直接影响仿生中耳的动态特性。要想将压电式仿生中耳付诸实现，需要对内耳耳蜗的听觉机理进行进一步的理论和实验研究。为此，本课题将解剖学、生理学、生物力学、声学、材料学及动力学有机的结合起来，深入地研究了耳蜗系统的结构和功能。通过建立耳蜗螺旋器的动力学模型研究了耳蜗外毛细胞主动作用的机制，与已有实验数据的对比验证了模型的可信度，模型可用于研究螺旋器盖膜与网状层间的剪切运动情况。在此基础上建立了考虑盖膜与网状层间剪切运动的耳蜗力学模型，研究了不同位置激励下盖膜-网状层间相互剪切运动的位移量及前庭阶中耳蜗压强分布。接着建立了二维耳蜗双向流固耦合模型，研究了耳蜗正向激励和逆向激励下基底膜的响应。研究发现：正向激励下基底膜的响应与实验结果较为接近，而逆向激励时也可以使基底膜有同样的振动特性，但需要更大的激励。为了使得仿真模型与真实的耳蜗结构更一致，建立了三维耳蜗流固耦合模型，针对耳蜗顶端的蜗孔设置了三种不同大小的尺寸，分析了不同蜗孔尺寸下基底膜的响应。为了验证模型的计算结果，搭建了耳蜗实验平台，测试了豚鼠在外耳道声激励下基底膜的振动响应，获得了耳蜗的声音传递函数，这是国内第一次测得基底膜的振动。总之，耳蜗的模型仿真结果和实验均揭示了耳蜗的行波理论以及基底膜的频率选择特性；逆向激励仿真结果表明逆向激励可以作为一种听力补偿的方法，为临床圆窗途径人工中耳植入的改进提供了依据；不同蜗孔尺寸的耳蜗模型研究显示：在模型中设置真实的蜗孔尺寸可以获得与实验数据更一致的结果。