首页 > 论文范文 > 自然科学论文 > 生物学论文 > 生物工程论文 > 探究听小骨研究现状及应用前景

探究听小骨研究现状及应用前景

2020-03-02 879 上传者：管理员

摘要：中耳主要包括听小骨和耳膜两部份，其在声音传导中具有重要作用，听小骨在听骨链系统中最先接触声音信号，其形状为锤形。声音首先引起耳膜振动，振动引起3块听骨运动，将声音转化为力的动力传导。本文对听小骨的结构及工作原理进行了阐述，对听小骨的研究现状及听小骨在机械领域的应用前景进行了论述。

关键词：
听小骨
应用前景
机械振动
研究现状
加入收藏

听小骨是人耳的重要组成部分，主要包括3块听骨：锤骨、砧骨和镫骨。声音首先引起耳膜振动，振动引起3块听骨运动，将声音转化为力的动力传导。现有研究多为确定其结构形态、材料参数及力学特性，并将其应用于医学领域。研究发现听小骨系统具有一定的减震作用，基于现有研究成果，拓展其应用领域，将其优势应用于实际生活中减震等方面具有更重要的意义。

1、听小骨简介

中耳位于外耳和内耳之间，是由听骨链（又称为听小骨）系统、鼓室、耳膜（又称为鼓膜）组成的，内部结构及控制系统如图1所示。听骨链主要的作用是将耳膜振动信号转化为内耳听觉神经末梢的电信号。听小骨包括锤骨、砧骨、镫骨3块小骨，锤骨和鼓膜相连，在听骨链系统中最先接触声音信号，其形状为锤形。锤骨与砧骨间通过锤砧关节相连，并由韧带控制在中耳内。中耳是由听骨链和鼓膜两部分构成的，鼓膜的作用是接受外耳道声波，并将声波转化为鼓膜振动传递并给听骨链。

2、国内外听小骨研究现状

2.1 听小骨模型的构建

如何对人体中耳听小骨这种极其精细的结构进行几何模型的三维重建，它们的材料属性如何测量，研究者们用多种方法进行了尝试。Lesser及William[1]建立了人耳的鼓膜及锤骨具有代表性的二维有限元模型,他计算了均匀载荷作用下鼓膜和锤骨的静态位移。在后来的研究中，Lesser[2]及William[3-4]在人耳鼓膜的有限元模型上测试了几个鼓膜参数对固有频率的影响。日本学者Wada和Metoki[5]建立了一个包括外耳道、鼓膜、听骨链、中耳腔、韧带和肌肉等的三维有限元模型。

Beer等[6]通过激光扫描显微技术获得集合模型，从而建立有限元模型，具有更准确的中耳几何形态，但很难保证非常精确的空间位置和方位。Prendergast等[7]也建立了包括鼓膜、听骨、鼓室肌肉和韧带、关节和中耳腔的较完整的中耳有限元模型，并将这一模型应用于正常中耳和重建中耳的声传导功能的研究。

近年来，张官萍等[8]分别通过实验解剖,依据重建的立体模型结合测试,得到中耳各部位的材料属性。Lee[9]运用高精度线断层摄影技术,得到重建的有限元分析模型的中耳结构参数,并同Sun等[10]使用冰冻尸体组织切片取得的数据相符。Kelly[11]、Stieger[12]和Lane等[13]通过扫描得到中耳空间模型,使模型进一步达到几何结构超细微的形象化。Yao等[14]将CT扫描数据数值化并导入PATRAN重建了精确的中耳三维有限元模型,并通过模拟分析得到听骨链的可能病变部位,在治疗方式上取得进展,但是在其研究中未详细阐述建立几何模型的方法及途径。为使有限元模型的正确性得到进一步验证，在此基础上,张官萍[8]、Lee[9]及黄新生等[15]通过对有限元模型计算和实验解剖结果，以及文献回顾等方式进行对比，验证了有限元模拟分析结果的有效性。

2.2 听小骨结构形态

在听小骨模型形态结构的研究中，汪昌学[16-17]测量了听小骨假体与镫骨垂直方向成角度数和锤骨柄的直径，并得出听小骨假体长轴与镫骨垂直方向成角小于30毅，王俊魁等[18]通过解剖测量得到听骨链系统各部位形态及其角度，确定了听骨链在鼓室内的空间排列呈斜体“N”型，为建立几何模型提供了依据。姚文娟[19]基于CT扫描结果建立了中耳有限元模型，模型包括了听骨链、鼓膜、听骨链的关节，以及韧带和肌腱。应用动力学的传导振动原理，基于不同的声音要素，对正常的中耳结构进行了动力数值计算分析，得到频率响应曲线，与新鲜颞骨测试所得频率响应曲线[9,20]进行了对比,验证数值模型的准确性，同时模拟计算了鼓膜振幅分布及听骨链结构的应力场，得到鼓膜与锤骨接触的边界区域是鼓膜最容易穿孔部位、砧镫骨关节的邻近区域是听骨链结构最容易破坏部位的结论，为模型的实际应用提供了参考。

2.3 听小骨模型物理参数及材料参数的确定

听小骨模型的物理参数及结构参数的确定为模型的应用奠定了良好的基础，朱翊洲等[21]利用连续组织切片方法建立了包括鼓膜、听小骨、韧带等在内的中耳三维几何模型；将中耳听骨链内边界的内耳淋巴液等效为质量-刚度-阻尼模型,确定了等效模型的物理参数，并首次分析了砧骨和镫骨的连接方式对中耳听骨链系统有限元模型分析结果的影响,为确定合理的几何模型提供了必要的依据[22]。龚义群[23]运用图像处理技术提取CT扫描切片的外轮廓线，然后用CAD根据外轮廓线建立曲线扫描组成的曲面，从而形成三维模型。还确定了比较合理的中耳各部件的材料参数和内耳基底膜材料参数。李飞等[24]对听小骨建立模型并赋予模型材料属性，使模型达到力学性能要求。所建立的中耳模型可在一定程度上模拟中耳传声的功能，能够预测中耳传声的力学特征，对听小骨在减震领域的应用有一定的借鉴意义。

3、听小骨模型的应用

听小骨在医学人工听骨置换中有了较好应用，徐静进等[25]基于组织切片建立三维模型，经过数次分析与模型改进，最终得到一个较为合理的简易人工听骨形状；置换该人工听骨后的镫骨足板位移曲线和镫骨足板振动模式与正常中耳模型曲线比较接近。李生等[26]在人耳三维有限元模型的基础上，建立了听骨链置换三维有限元模型。模型中置换物将替代听骨链，将声音从鼓膜传递至镫骨底板。利用此数值模型研究了完全听骨链置换、锤骨保留与否及鼓膜重建对镫骨底板振动的影响。用数值方法解释了听骨链置换对传声的影响，为模型形状改进提供了参考。

4、听小骨在机械领域的应用前景

听骨链系统在力的传输过程中具有减弱力的作用强度和减震的作用，汪昌学[16-17]通过研究得到作用于底板传至内耳的力约为原力的0.89倍；横向作用于镫骨的力约为原力的0.46倍的结论。赵晓艳等[27]指出听骨链工作时的运动特性并不是简单的杠杆原理，原因是由于听骨链锤砧骨关节结构的复杂性，听小骨在运动轴两端的质量一直保持着均等性，并且听骨链工作时会受到神经、肌肉、韧带，以及内耳淋巴液的多重作用，当听小骨受到中等强度声压作用时，镫骨足板会沿其后脚的垂直轴（短轴）振动，当声强接近于痛阈时，镫骨足板会沿其前后轴（长轴）呈摇摆式转动。综上可知，当声强较高时，振动经听骨链的传递后，镫骨有明显的减震效果。

史长征等[28]利用CT图像，建立中耳的三维有限元模型，进行中耳力学分析，发现低频和中频中耳主应变、主应力变化较大，而在高频阶段变化并不明显，其中200Hz和在1000耀2000Hz阶段变化最为明显，中耳主应力与主应变变化趋势相一致。当刺激音高于2000Hz时，中耳听骨链没有位移产生。为听小骨在减震领域的适用范围提供了思路。

5、结语

通过研究发现，听小骨系统具有反应速度快、自适应调节能力强、易于引入控制、对低频信号感应强，且高频振动的能量容易衰减、传音功能几乎不随年龄的变化的特点，在医学领域已经有了较成熟的应用，可深入研究并将其应用于减震等领域。

王婉莹,张金萍.听小骨研究综述[J].机械工程师,2019(12):20-21.