中耳力學研究的新進展與展望*

張?zhí)煊?王舒琪 任柳杰

耳力學屬于生物力學在耳科學的分支，研究領域包括內(nèi)耳力學和中耳力學兩大部分。中耳是聽覺系統(tǒng)長期進化所形成的高效力學放大、阻抗匹配系統(tǒng)，中耳力學采用力學原理，通過測量、計算和分析聲波激勵下鼓膜、聽骨鏈等的振動和形變特征，研究中耳鼓膜-聽骨鏈-韌帶-肌肉復合系統(tǒng)實現(xiàn)高效傳音的力學機制，以及病理狀態(tài)、聽骨鏈置換等對中耳功能的影響。

中耳力學研究旨在闡明中耳系統(tǒng)功能實現(xiàn)的力學機制及各類病理條件下的影響，為診斷、修復、重建、替代以及人工助聽裝置設計和應用提供參考。中耳力學研究不僅對中耳放大傳聲機制和傳導性聽覺重建有重要指導作用，同時也對各類先天性中耳畸形和中耳疾病的認識和診療都具有積極意義。對中耳和內(nèi)耳力學的歷史發(fā)展和研究內(nèi)容此前已經(jīng)做過系統(tǒng)綜述[1～3]，但近十年來中耳力學在測量技術(shù)、理論機制、臨床應用等方面不斷產(chǎn)生新的進展。本文主要介紹中耳力學領域的新進展，尤其是近五年來的熱點問題。

1 中耳力學的研究技術(shù)

中耳力學的研究技術(shù)包括實驗研究和力學計算兩類。實驗研究以動物模型、顳骨標本在固定激勵(如：靜壓力、聲音刺激等)下關鍵部位振動、壓力等力學參數(shù)的測量為主要手段，其中激光多普勒測振(laser doppler vibrometry, LDV)技術(shù)是中耳力學研究中應用最為廣泛的技術(shù)，其具有納米級精度、非接觸測量的優(yōu)勢，在耦合顯微鏡后適用于中耳、內(nèi)耳微小結(jié)構(gòu)的振動測量。LDV分為單點式和掃描式兩種，前者僅能對被測物表面固定點的振動進行測量，后者則通過觸發(fā)器和光學偏轉(zhuǎn)裝置，經(jīng)自動化的逐點測量還原被測物全表面的振動形態(tài)。在中耳力學研究中，常測量的特征位置包括鼓膜臍部、鐙骨底板、鐙骨頭、圓窗等，用以評估中耳的傳聲特性。例如：將鼓膜接受單位聲壓激勵下鐙骨底板的振動速度定義為中耳傳遞函數(shù)(middle ear transfer function, METF)(Puria,2013)；METF具有頻率相關性，是中耳各頻段傳聲性能的最重要的量化指標，人類中耳的METF曲線在1 kHz左右呈現(xiàn)明顯的峰值(圖1)[4,5]。

圖1 中耳傳遞函數(shù)與聲波頻率的關系

近年來一種新型的體積相干光斷層掃描測振(volumetric optical coherence tomography vibrometry，VOCTV)技術(shù)亦開始應用于中耳力學研究，該技術(shù)亦稱為Doppler OCT技術(shù)或者相敏OCT技術(shù)等，是在傳統(tǒng)OCT的基礎上發(fā)展而來，不僅保有OCT原有的高精度成像功能，同時可以進行微振動測量；其優(yōu)勢是可進行無創(chuàng)的穿透式測量，可透過鼓膜測量聽骨的振動[6]。此外，超高速攝像機、耳蝸微壓測試裝置[7,8]等也是中耳力學研究中的常用手段。

力學計算是指使用振動力學、多體動力學、連續(xù)介質(zhì)力學等力學理論對中耳進行系統(tǒng)建模。目前研究中最為常用的建模形式包括集總單元(lump element)模型和有限元(finite element, FE)模型，集總單元模型將中耳相關的各結(jié)構(gòu)(如：外耳道、鼓膜、聽骨鏈、中耳腔等)的力學阻抗進行表征，將中耳系統(tǒng)簡化為若干個基本力學單元串聯(lián)、并聯(lián)形成的網(wǎng)絡系統(tǒng)，在實際研究中還常采用“力—電模擬”將其簡化為電路模型進行求解[9]。集總單元模型具有模型小、計算與分析簡便的優(yōu)點，但存在部分力學參數(shù)定義不明確，無法準確捕捉中耳功能中的復雜細節(jié)等不足。

有限元模型則充分保留了中耳結(jié)構(gòu)的重要形態(tài)學特征，基于各結(jié)構(gòu)合適的材料性質(zhì)(如：密度和楊氏模量)，通過施加恰當?shù)牧W邊界條件和載荷，并將幾何結(jié)果離散成上千個乃至更多的單元和節(jié)點進行求解；求解結(jié)果能夠反映激勵下每個節(jié)點的位移、速度以及每個單元的應力信息(Gan,2004)，因此，該方法具有高仿真、貼近真實的優(yōu)勢，其較高的計算代價隨著計算機技術(shù)的發(fā)展也不再成為技術(shù)瓶頸。

2 中耳力學的研究進展

中耳力學研究內(nèi)容豐富，形成了多個研究熱點，近年來相關論文和研究成果呈現(xiàn)穩(wěn)定增長的態(tài)勢。由于篇幅限制，本文僅對若干重點熱點問題的新進展進行介紹。

2.1中耳的復雜運動模式 中耳放大系統(tǒng)的經(jīng)典理論指出，面積機制、杠桿機制以及鼓膜弧度是中耳力學機制的核心，但實際上中耳的運動十分復雜。聽骨鏈的運動呈現(xiàn)復雜的三維形式[10]，鐙骨也不僅僅是簡單的活塞運動，在中高頻還存在繞底板長軸和短軸的擺動(Sim,2010)。同樣，鼓膜的運動也具有復雜性(de La Rochefoucaluld,2010)，Chen等[11,12]、Rosowski等[13]都發(fā)現(xiàn)高頻下鼓膜出現(xiàn)了類似“波”的運動。中耳的復雜結(jié)構(gòu)和復雜運動背后的力學機制及其生理意義和臨床價值仍待進一步研究，關于鼓膜與聽骨鏈的復雜運動的相關假說包括：①有益于改善高頻響應；②有利于在中耳壓力變化時仍保持較好傳聲特性；③在如爆炸聲等沖擊刺激時具有保護作用。

2.2中耳損傷、修復重建與傳聲功能 中耳力學的另一研究熱點是各類中耳損傷對中耳傳聲功能影響及臨床使用的修復重建手段的客觀效果研究，對于了解疾病機制、促進臨床診斷和選擇治療策略具有積極意義。Zhang 等[14]使用LDV測量發(fā)現(xiàn)鐙骨輕度固定時豚鼠鐙骨底板低頻振動顯著降低，和鐙骨硬化的聽力變化類似;Labato等[15]使用力學模型研究了鐙骨不同程度的損壞、斷裂等對中耳傳聲的影響;Cai等[16]使用LDV研究了鼓膜穿孔的影響，并討論了修復材料厚度的影響;Dong等[17]使用顳骨實驗比較了正常、切斷砧鐙關節(jié)、醫(yī)用膠修復以及使用部分聽骨贗復物(PORP)重建后中耳傳遞函數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)使用修復或重建手段都能很好地恢復低頻聽力，但是高頻響應恢復不佳，其原因可能是修復和重建過程中砧骨和鐙骨/PORP的過度固定。振動聲橋(VSB)等人工中耳裝置是中耳功能修復的另一重要方面，植入后的工作性能及對殘余聽力和內(nèi)耳的影響也可以使用LDV等手段進行評估[18,19]。

2.3鳥式聽骨和聽骨贗復物 哺乳動物有三根聽小骨，而鳥類僅有一根，稱為鳥式聽骨。經(jīng)過全聽骨贗復物(TORP)重建后，患者的中耳結(jié)構(gòu)和鳥式聽骨具有相似性，因此研究鳥式聽骨中耳系統(tǒng)的傳聲特性具有啟示意義。但既往對于鳥類中耳系統(tǒng)的研究局限于單個特殊物種研究和測量為主[20～23]，仍缺乏系統(tǒng)研究。Peacock等[24,25]結(jié)合比較學和耳力學研究方法，對鳥類聽骨的形態(tài)和功能做了細致的研究，發(fā)現(xiàn)鳥類中耳形態(tài)(如鼓膜面積、聽小骨長度和底板面積等)與體型具有正相關性，而中耳共振頻率亦與聽小骨長度有負相關關系。在實際應用中，鳥式聽骨系統(tǒng)也為柔性聽骨贗復物的設計提供了啟示[26,27]。力學與工程設計中的新方法，如：拓撲優(yōu)化[28]以及特殊粘彈性材料設計，也逐漸應用到聽骨贗復物的設計中。

3 中耳力學未來研究方向

3.1新型診斷和評估手段 LDV、VOCTV等中耳力學測量手段可對中耳傳聲功能進行客觀、精確的評估，因而在臨床檢測中具有潛在應用價值[29]，例如：Wasson等[30]應用LDV測量人工耳蝸植入患者的鼓膜振動，以此驗證手術(shù)對中耳功能不產(chǎn)生顯著影響;MacDougall等[31]應用VOCTV經(jīng)完整鼓膜成功測量鐙骨硬化患者的鐙骨振動，為無創(chuàng)中耳功能檢測提供了新的可能。

3.2人工聽骨和3D打印技術(shù) 當前人工聽骨(聽骨贗復物)采用鈦合金制造，受工藝、市場等影響，其結(jié)構(gòu)相對固定，無法做到個性化設計。3D打印技術(shù)在醫(yī)工結(jié)合領域具有巨大的潛力，一些研究團隊已開始致力于聽小骨乃至整個聽骨鏈的3D打印設計;Kuru等[32]設計和制造了完整的3D打印聽骨鏈模型，其傳聲性能接近正常人類中耳。Hirsch等[33]著力于個體化設計的3D打印聽小骨研究，并在顳骨標本上進行測試。

3.3新型人工中耳裝置 當前人工中耳面臨保留氣導聽力、減小設計尺寸、增大聲能增益、易于手術(shù)安裝等多種設計要求,設計中需保持裝置的輸出特性與正常中耳的傳聲特性相符，以保證植入患者聽覺的清晰度和舒適性。因此，基于中耳生物力學的人工中耳新型裝置研發(fā)是未來的研究方向之一，目前也已經(jīng)有部分嘗試性研究;Rusinek等[34]構(gòu)建了集中參數(shù)模型描述VSB的漂浮質(zhì)量振子安裝砧骨長突上的動力學行為，Mocanu等[35]則采用FEM模型和LDV實測進行分析。Shin等[36]設計了一種新型的人工中耳壓電振子，該振子可安裝在中耳腔耳蝸骨質(zhì)表面，研究人員應用有限元和振動力學理論進行振子的性能分析，并行LDV實驗驗證。Seong等[37]則設計了一種新型麥克風，可安裝在鼓膜背面檢測鼓膜的振動，檢測到的信號可有效激勵人工中耳及其它人工聽覺裝置。

4 結(jié)論與展望

綜上所述，中耳力學作為實驗聽力學的重要組成部分，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其涵蓋內(nèi)容的深度和廣度都大幅增長。一方面，作為人類聽覺系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，對其傳聲、放大、保護功能的機制研究雖已深入，但仍待進一步完善；另一方面，中耳相關疾病對中耳傳聲功能的影響及其修復、重建需求又賦予了中耳力學研究重要的使命。中耳力學作為一門交叉學科，其多學科融合的趨勢愈加明顯，與生物材料、生物醫(yī)學工程以及臨床醫(yī)學尋找結(jié)合點，發(fā)展新型診斷、治療方法，是中耳力學未來的研究方向。