完壁與開放式乳突根治術(shù)后空氣傳導(dǎo)的有限元模型分析△

萬瑾 劉穩(wěn) 趙禹 劉后廣 厲媛

1 徐州市第三人民醫(yī)院(徐州 221005)； 2 徐州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院耳鼻咽喉科; 3 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院； 4 徐州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院影像科

慢性化膿性中耳炎和中耳膽脂瘤是中耳、乳突常見的慢性炎癥性疾病，大多數(shù)患者伴有不同程度的傳導(dǎo)性聽力下降。乳突根治鼓室成形術(shù)是治療此類中耳炎的常用方法，目前最常用的術(shù)式包括開放式乳突根治術(shù)和完壁式乳突根治術(shù)，以及為縮小術(shù)腔進(jìn)行的各種改良，如:使用骨粉、筋膜等自體組織對開放式乳突根治術(shù)腔進(jìn)行填塞[1]。對于完壁和開放術(shù)式對術(shù)后聽力的影響，目前發(fā)表的文獻(xiàn)結(jié)論不一，有臨床分析認(rèn)為完壁式乳突根治術(shù)后患者聽力較開放式提高明顯[2]，也有的研究認(rèn)為二者并無差異[3]。在臨床實(shí)際工作中，術(shù)式的選擇取決于病變范圍、程度以及乳突發(fā)育的程度[4, 5]，因此單純根據(jù)臨床數(shù)據(jù)難以得出可靠的結(jié)論；另外，文獻(xiàn)中通常僅對術(shù)后平均聽閾和氣骨導(dǎo)差進(jìn)行測試，未具體比較不同頻率的聽力特點(diǎn)[6]；因此，有必要通過不同的方法來準(zhǔn)確評估不同手術(shù)方式對患者術(shù)后聽力的影響。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元仿真技術(shù)可以較真實(shí)的模擬人耳的傳聲過程[4, 7，8]，本課題組前期研究建立的中耳有限元模型與Liu等和Gan等[9,10]的實(shí)驗結(jié)果具有較好的一致性，可以較好的模擬中耳的傳聲特性。在此基礎(chǔ)上，本研究采用有限元分析的方法，模擬完壁式乳突根治術(shù)、開放式乳突根治術(shù)及開放式乳突根治術(shù)并骨粉填塞術(shù)術(shù)后的中耳空氣傳導(dǎo)，在不考慮中耳病變的前提下，通過比較鐙骨底板位移響應(yīng)頻率和幅度，評估上述三種不同手術(shù)方式對中耳空氣傳導(dǎo)的影響。

1 資料和方法

1.1實(shí)驗材料 選用新鮮成年男性冰凍尸頭進(jìn)行手術(shù)方式模擬；電鉆動力系統(tǒng)為瑞士BIEN-AIR，型號為OSSEODOC；顯微鏡為德國ZEISS，其型號為OPMI Vario / S88；CT設(shè)備型號為西門子Somatom Force CT，采用仰臥位螺旋掃描，以聽眥線為基線，掃描范圍上緣至巖錐弓上隆起，下緣達(dá)乳突尖，層厚為0.625 mm，層間距為0.3 mm，并通過PACS軟件保存影像學(xué)圖像；醫(yī)學(xué)影像三維重建軟件為MIMICS(Materialise公司，比利時)，所得數(shù)據(jù)導(dǎo)入逆向成型軟件Geomagic Studio (Geomagic公司，美國)，將實(shí)體模型保存導(dǎo)入到Hypermesh系統(tǒng)(Altair公司，美國)，進(jìn)行布爾運(yùn)算和網(wǎng)格劃分。

1.2乳突根治術(shù)模型的建立

1.2.1完壁式乳突根治模型的建立 尸頭解凍后在耳內(nèi)鏡下清理外耳道，檢查外耳道通暢、鼓膜完整。對其左側(cè)耳模擬完壁式乳突根治術(shù)：耳后切口，剝離骨膜，做PALVA瓣；電鉆開放乳突，留骨粉；輪廓化乳突、鼓竇；開放鼓竇入口、上鼓室，暴露砧骨短突、砧骨體、錘砧關(guān)節(jié)、錘骨頭，保留并磨薄外耳道后壁，輪廓化面神經(jīng)垂直段和鼓索神經(jīng)，開放面神經(jīng)隱窩，去除后拱柱，暴露完整砧骨、砧鐙關(guān)節(jié)、圓窗龕；沖洗術(shù)腔，縫合骨膜、皮膚。再次耳內(nèi)鏡檢查見外耳道、鼓膜完整。術(shù)后立即行顳骨薄層CT軸位掃描。

1.2.2開放式乳突根治模型的建立 在上述完壁式乳突根治術(shù)的基礎(chǔ)上施行開放式乳突根治術(shù)，步驟：翻開耳后皮瓣和PALVA瓣，取顳肌筋膜；在鼓環(huán)外矩形切開外耳道后上壁皮膚，制作蒂在鼓部的矩形外耳道皮瓣；逐漸磨低外耳道后壁和頂壁骨質(zhì)，磨去前拱柱，徹底暴露錘骨；磨平已經(jīng)開放的面神經(jīng)隱窩下方的外耳道骨壁，使外耳道擴(kuò)大和圓滑；顳肌筋膜內(nèi)置于鼓膜邊緣并覆蓋上鼓室，外耳道后上壁皮瓣鋪入術(shù)腔覆蓋顳肌筋膜；去除少許耳甲腔軟骨和外耳道軟骨部底壁軟骨，行兩瓣法耳甲腔成形術(shù)，耳后PALVA瓣填塞術(shù)腔，縫合切口。耳內(nèi)鏡下觀察術(shù)腔，術(shù)腔不規(guī)則處取少許顳肌填充，用生物膠固定，盡量使術(shù)腔圓滑接近正常術(shù)后改變。術(shù)后立即行顳骨薄層CT軸位掃描。

1.2.3開放式乳突根治骨粉填塞術(shù)式模型的建立 在開放式乳突根治術(shù)腔基礎(chǔ)上，掀開鋪好的顳肌筋膜，取預(yù)留的骨粉填充乳突、鼓竇以縮小術(shù)腔，并用筋膜覆蓋，用生物膠固定，模擬術(shù)后改變，耳內(nèi)鏡下觀察術(shù)腔圓滑。術(shù)后立即行顳骨薄層CT軸位掃描。

1.3有限元模型的建立及測量

1.3.1建立三種術(shù)式的有限元模型 以上述建立的三種術(shù)式尸頭術(shù)腔模型經(jīng)薄層CT掃描后，將PACS圖像輸入計算機(jī)，使用醫(yī)學(xué)影像三維重建軟件MIMICS對CT圖像進(jìn)行手動分割，根據(jù)圖像順序和圖層間的距離轉(zhuǎn)化為三維幾何模型，使用逆向成型軟件Geomagic Studio對模型進(jìn)行修飾。將術(shù)腔模型與已建立的中耳模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，使用有限元前處理軟件Hypermesh對術(shù)腔實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終建立術(shù)后術(shù)腔的有限元模型。由于本實(shí)驗主要研究術(shù)腔容積對術(shù)后中耳空氣傳導(dǎo)的影響，中耳腔內(nèi)的氣體所產(chǎn)生的阻抗微小，與中耳內(nèi)的其它組織結(jié)構(gòu)相比，其對中耳內(nèi)的動態(tài)特性影響甚微，因此，本模型將中耳腔隙忽略；建立了包含鼓膜、聽骨鏈、韌帶、肌腱的三種術(shù)腔的有限元模型。

1.3.2測量三種術(shù)式鼓膜臍部和鐙骨底板位移頻響曲線 基于所建的三種模型，在鼓膜處施加90 dB SPL聲壓，得到鼓膜臍部和鐙骨底板的位移曲線，將之作為基準(zhǔn)值，測量0.5、1、2和4 kHz的振幅(d0)。為模擬正常人耳空氣傳導(dǎo)的聲音激勵機(jī)制及外耳道術(shù)腔擴(kuò)大后的影響，在耳道入口施加90 dB SPL聲壓，進(jìn)行諧波響應(yīng)分析，得到0.25～8 kHz鼓膜臍部位移和鐙骨底板位移幅值，分別生成三種術(shù)式的鼓膜臍部和鐙骨底板的位移頻響曲線，測量其最大振幅所在頻率、最大振幅以及0.5、1、2和4 kHz的振幅和平均振幅(d)。

2 結(jié)果

2.1依據(jù)完壁式乳突要治術(shù)式建立的有限元模型上、中、下鼓室三種不同層面的CT圖像見圖1，可見乳突腔基本輪廓化，外耳道后上壁保留，面神經(jīng)隱窩開放，聽小骨結(jié)構(gòu)存在，鼓膜完整，外耳道保留原有形狀。將圖像引入計算機(jī)，將完壁術(shù)式的外耳道劃分為聲學(xué)四面體單元AC3D4，單元總數(shù)為140 822，最終得到完壁式有限元模型(圖2)。

圖1 完壁術(shù)式CT軸位掃描截圖 a. 上鼓室層面; b. 中鼓室層面; c. 下鼓室層面

圖2 完壁術(shù)式的有限元模型(綠色網(wǎng)格為外耳道)

2.2依據(jù)開放式乳突根治術(shù)式建立的有限元模型 上、中、下鼓室三種不同層面的CT圖像見圖3，可見乳突腔基本輪廓化，外耳道后上壁切除，外耳道、上鼓室、鼓竇、乳突融合為一個大腔，聽小骨結(jié)構(gòu)存在，鼓膜完整。將圖像引入計算機(jī)，將開放式外耳道模型劃分為聲學(xué)四面體單元AC3D4，單元總數(shù)為620 310，最終得到開放式術(shù)腔的有限元模型(圖3)。

圖3 開放術(shù)式的軸位CT圖 a. 上鼓室層面; b. 中鼓室層面; c. 下鼓室層面

圖4 開放術(shù)式的術(shù)腔有限元模型(綠色網(wǎng)格區(qū)域為術(shù)后擴(kuò)大的術(shù)腔)

2.3依據(jù)開放性乳突根治骨粉填塞術(shù)式建立的有限元模型 上、中、下鼓室三種不同層面的CT圖像見圖5，可見乳突、鼓竇有骨粉充填，外耳道、上鼓室、鼓竇、乳突融合為一個略微縮小的空腔，聽小骨結(jié)構(gòu)存在，鼓膜完整。將圖像引入計算機(jī)，將開放并骨粉填塞術(shù)腔模型劃分為聲學(xué)四面體單元AC3D4，單元總數(shù)為457 568，最終得到開放并骨粉填塞的有限元模型(圖6)。

圖6 填入部分骨粉的開放式乳突根治術(shù)腔模型(綠色網(wǎng)格區(qū)域為填塞骨粉后的術(shù)腔)

圖5 開放式乳突根治骨粉填塞術(shù)CT圖 紅色區(qū)域為填塞的骨粉; a. 上鼓室層面; b. 中鼓室層面; c. 下鼓室層面

2.4三種術(shù)式的鐙骨底板及鼓膜臍部位移振幅和等效聲壓級差值 鐙骨底板位移頻響曲線顯示，完壁式、開放式、開放并骨粉填塞術(shù)式在1 kHz以下中低頻段的鐙骨底板位移振幅的差別較?。辉?～3 kHz頻段，不同容積的術(shù)腔其最大振幅所在的頻段發(fā)生改變，最大振幅和最大等效聲壓級差也不同，完壁術(shù)式最大振幅所在頻率為3 kHz左右，最大振幅為1.17×10-5mm，其最大等效聲壓級差為15 dB；開放術(shù)式最大振幅所在頻率為1.8 kHz左右，最大振幅為1.27×10-4mm，最大等效聲壓級差為22 dB；開放術(shù)式填塞骨粉后開放術(shù)式最大振幅所在頻率介于二者之間，為2～3 kHz，最大振幅為1.04×10-5mm，最大等效聲壓級差為24 dB；鼓膜臍部位移頻響曲線顯示同樣的趨勢(圖7、8)。

圖7 鼓膜臍部位移曲線及等效聲壓級差曲線 a. 為鼓膜臍部位移曲線; b. 圖為等效聲壓級差值曲線

圖8 鐙骨底板位移曲線及等效聲壓級差曲線 a. 鐙骨底板位移曲線; b. 圖為等效聲壓級差值曲線

計算0.5、1、2和4 kHz鐙骨底板振幅的平均值，完壁術(shù)式平均振幅為6.95×10-5mm，平均等效聲壓級差為3.28 dB；開放術(shù)式平均振幅為6.59×10-5mm，平均等效聲壓級差為5.54 dB；骨粉填塞術(shù)式的最大振幅介于二者之間，平均振幅為9.82×10-5mm，平均等效聲壓級差為4.52 dB。

3 討論

手術(shù)清除病灶重建聽力是慢性化膿性中耳炎和中耳膽脂瘤的主要治療手段，完壁式乳突根治術(shù)式可以保留外耳道壁的完整性，避免了擴(kuò)大的術(shù)腔帶來的各種不便，但對技術(shù)要求較高，并且受視野局限，病灶復(fù)發(fā)率較高[2]。開放式乳突根治術(shù)將乳突、鼓竇、鼓室合并為一個術(shù)腔，可以徹底清理病灶，但術(shù)后干耳時間長，術(shù)腔上皮缺少自凈功能需要定期隨訪清理痂皮[1, 2]。開放式乳突根治手術(shù)中使用自體骨粉、軟骨、筋膜、肌肉、皮膚或者異體組織(如：羥基磷灰石等)填塞縮小術(shù)腔也是臨床上常用的方法[1],但何種術(shù)式對術(shù)后中耳空氣傳導(dǎo)更好還存在爭議。為研究中耳的傳聲特性，國內(nèi)外學(xué)者借助計算機(jī)有限元模型法進(jìn)行動態(tài)模擬，研究涉及鼓膜、聽骨鏈、內(nèi)耳的生理和病理，并且與臨床研究有一定的契合[4, 7, 10～12]。本研究通過新鮮尸頭，建立相應(yīng)的完壁式、開放式及開放式并骨粉填塞乳突腔和鼓竇的乳突根治術(shù)的有限元模型，采用有限元分析的方法來測量相應(yīng)術(shù)式的鐙骨底板位移幅度，以期從有限元生物力學(xué)的角度來探討不同術(shù)式術(shù)后中耳的空氣傳導(dǎo)差別。本研究結(jié)果顯示，完壁式、開放式、開放式并骨粉填塞的乳突根治術(shù)對患者術(shù)后低頻段傳導(dǎo)的影響差異不大，在1 kHz以下頻段鐙骨底板的位移振幅較為一致，但是在中高頻段，不同容積術(shù)腔的共振頻段發(fā)生改變，完壁術(shù)式最大振幅在3 kHz左右，乳突腔及鼓突填塞骨粉后其最大振幅在2～3 kHz之間，開放術(shù)式最大振幅在1.8 kHz左右。外耳道不僅傳遞聲音并對聲波起共振作用，對3～4 kHz的聲波有放大效應(yīng)[11]，這與本研究中完壁術(shù)式在3 kHz左右達(dá)到最大位移振幅是一致的。隨著外耳道后上壁的切除和耳甲腔成形術(shù)擴(kuò)大外耳道口，外耳道和乳突腔融合為一個大腔，根據(jù)赫姆霍茲共鳴腔原理[12]，外耳道容積改變導(dǎo)致共振頻率改變，隨著耳道增寬，共振頻率降低，鼓膜臍部的振動在1～2 kHz之間具有更好的響應(yīng)，通過聽骨鏈的傳遞，鐙骨底板也產(chǎn)生了相應(yīng)的反應(yīng)；而使用骨粉填塞后，外耳道容積介于二者之間，其共振頻率也介于二者之間，就產(chǎn)生了上述的結(jié)果，其最大振幅所在頻率位于2～3 kHz之間。為便于直觀理解鐙骨底板位移幅度和聲壓級的關(guān)系，本研究根據(jù)公式將各個頻率的鐙骨底板振幅轉(zhuǎn)換為等效聲壓級差，并計算0.5、1、2和4 kHz的平均值，結(jié)果顯示三種術(shù)式術(shù)后鐙骨底板處的平均等效聲壓級差有輕微差異，完壁術(shù)式平均等效聲壓級差為3.28 dB，開放術(shù)式平均等效聲壓級差為5.54 dB，骨粉填塞術(shù)式平均等效聲壓級差為4.52 dB，三者之間差異極為輕微，與吳婷婷等[2]的Meta分析結(jié)果不盡相符，該分析認(rèn)為完壁式手術(shù)對聽力的改善要優(yōu)于開放式，但由于病變范圍、手術(shù)條件的限制，臨床研究很難做到隨機(jī)分組，得出的結(jié)論可能存在偏差；而本模型假設(shè)的中耳條件是相同的，僅對不同術(shù)式術(shù)后空氣傳導(dǎo)的結(jié)果進(jìn)行了研究，結(jié)果相對可靠。

盡管有限元模型有助于更好的理解人耳生物力學(xué)，但是與真正的人體中耳結(jié)構(gòu)并不能完全匹配，中耳結(jié)構(gòu)細(xì)微，高分辨CT(HRCT)受制于測試的精度、方向和位置，建立的模型可能存在不同程度的失真；中耳各結(jié)構(gòu)的材料特性極為復(fù)雜，特別是中耳軟組織如肌肉、韌帶、粘膜皺襞的非線性機(jī)械特性在計算機(jī)上難以準(zhǔn)確體現(xiàn)出來，在決定中耳介質(zhì)導(dǎo)抗的阻力、慣性、勁度上難以準(zhǔn)確模擬；模型無法模擬中耳精細(xì)的神經(jīng)反射機(jī)制。另外，本研究建立的模型是以單一的尸頭為基礎(chǔ)，而真正的中耳病變千差萬別，術(shù)后空氣傳導(dǎo)受到病變范圍、病變性質(zhì)、鼓膜聽骨鏈重建方式、咽鼓管功能、術(shù)后炎癥狀態(tài)、患者個體情況等多種因素影響，因此，該模型并不能反映真實(shí)的病變中耳，對臨床的指導(dǎo)意義有限，但無疑為中耳力學(xué)的研究提供了一個思路。