張文偉 劉穩(wěn) 劉后廣 趙禹

鼓膜穿孔十分常見，主要由中耳感染、外傷或醫(yī)源性原因引起；不同部位、大小的鼓膜穿孔可能對不同頻率的聽力產(chǎn)生不同程度的影響[1]，穿孔也可能導(dǎo)致細菌入侵，引起中耳炎癥反復(fù)發(fā)作和中耳結(jié)構(gòu)破壞。臨床上外傷導(dǎo)致的鼓膜穿孔在保持外耳道相對干凈無菌的狀態(tài)下大多數(shù)可以在1～2個月內(nèi)愈合[2,3]，但較大的外傷性穿孔以及反復(fù)炎癥造成的穿孔無法自行愈合，尤其是當穿孔邊緣涉及錘骨柄兩側(cè)或鼓膜邊緣等存在上皮細胞生發(fā)中心的部位[4,5]。鼓膜成形術(shù)也稱作鼓膜修補術(shù)，是用移植材料修復(fù)穿孔的鼓膜，目前常用的移植材料包括顳肌筋膜、耳屏軟骨(包含或不包含軟骨膜)、耳甲腔軟骨以及人工合成材料等，其中最常見的是顳肌筋膜和耳屏軟骨，但究竟哪種更有利于術(shù)后聽力恢復(fù)并無統(tǒng)一意見。故本研究采用有限元分析的方法，分別模擬不同面積中央性鼓膜穿孔，并用不同厚度的耳屏軟骨或顳肌筋膜修補鼓膜，通過比較鐙骨底板位移的頻率-幅度曲線，評估不同厚度耳屏軟骨和顳肌筋膜對術(shù)后聽力恢復(fù)的影響。

1 材料與方法

1.1正常中耳的有限元模型的建立 從安特衛(wèi)普大學(xué)網(wǎng)站下載安特衛(wèi)普大學(xué)生物物理和生物醫(yī)學(xué)物理實驗室(BIMEF)分享的正常人中耳有限元高分辨率表面模型 (https://www.uantwerpen.be/en/rg/bimef/downloads/)，并將模型文件導(dǎo)入到Hypermesh系統(tǒng)(Altair公司，美國)，進行布爾運算和3D網(wǎng)格劃分，最后將建好的人體中耳模型導(dǎo)入Abaqus系統(tǒng)(達索公司，法國)進行中耳有限元模擬。為了使模型更加準確，鼓膜的建模采用兩層實體結(jié)構(gòu)，分別用外側(cè)30 μm厚度和內(nèi)側(cè)20 μm厚度的實體網(wǎng)格來模擬正常人耳鼓膜外側(cè)的放射狀纖維層和內(nèi)側(cè)的環(huán)狀纖維層[6]，鼓膜外側(cè)的上皮細胞層和內(nèi)側(cè)的粘膜細胞層忽略(其對聽力的傳導(dǎo)作用很微弱)。

本研究的人耳有限元模型中，各個部分簡化成均勻且各向同性的材料，各部分材料的泊松比都假設(shè)為0.3[7,8]。動態(tài)分析過程中，采用兩個不同的能量損耗形式來體現(xiàn)，鼓膜緊張部(內(nèi)外兩層)、鼓膜松弛部、鼓膜環(huán)韌帶以及鐙骨環(huán)韌帶采用粘彈性材料模型，動態(tài)能耗通過粘性部分表達，其松弛模量E(t)可表達成公式(1)：

(1)

其中，E0、E1、τ是粘彈性參數(shù)，主要參考文獻報道[8～10]，其數(shù)據(jù)見表1。

表1 鼓室各部件組織材料粘彈性參數(shù)

除上述人耳軟組織外，其余各部分能量損耗均采用瑞利阻尼的形式，阻尼系數(shù)設(shè)為α=0 s-1，β=0.75×10-4s[8]。中耳組織材料屬性主要參考文獻報道[7,11～13]，并結(jié)合模型優(yōu)化而確定，具體數(shù)值見表2。

表2 中耳各部件組織材料楊氏模量和密度

本研究的人耳有限元模型中，中耳各肌腱端部、韌帶端部、鼓膜環(huán)韌帶邊緣與鐙骨環(huán)韌帶邊緣均固定處理。

1.2不同面積中央性鼓膜穿孔有限元模型的建立 在本研究的人耳有限元模型中，主要模擬圓形或類圓形中央性鼓膜穿孔(即錘骨柄兩側(cè)細胞生發(fā)中心破壞，穿孔中央僅殘留錘骨柄)(圖1)，穿孔面積分別為3.10、10.66、22.25、42.0 mm2，即以半徑約1 mm遞增的形式模擬鼓膜穿孔，穿孔面積分別占鼓膜總面積的4.2%、13.9%、30.1%、58.0%。

1.3不同材料修補鼓膜穿孔有限元模型的建立

1.3.1鼓膜穿孔移植修補材料 鼓膜穿孔移植修復(fù)材料選擇耳屏軟骨和顳肌筋膜，材料屬性主要參考已發(fā)表的文獻報道(表3)。人體耳屏軟骨的厚度約為1 mm[14]，術(shù)中將其削薄一半，本研究分別建立0.25、0.5和1 mm厚的實體幾何來模擬臨床手術(shù)常見軟骨片；顳肌筋膜的厚度約0.8 mm[15]，考慮到完整的顳肌筋膜包含多層結(jié)構(gòu)(主要包括顳淺筋膜、顳深筋膜及其中間的脂肪和血管夾層)，本研究分別建立0.4 mm和0.8 mm厚度的實體幾何來模擬手術(shù)中常見厚度的顳肌筋膜。

表3 鼓膜修補材料耳屏軟骨、顳肌筋膜的屬性

1.3.2鼓膜穿孔修補模型 基于上面建立的中央性鼓膜穿孔的有限元模型，分別建立不同厚度和移植材料的鼓膜修補術(shù)后有限元模型。臨床醫(yī)師在進行鼓膜修補術(shù)的過程中為了使移植物能更好地與鼓膜貼合在一起，往往會在穿孔的邊緣創(chuàng)造1～2 mm的移植床[21]，導(dǎo)致移植材料面積比實際鼓膜穿孔面積大。本模型中為了更準確的模擬實際狀態(tài)下修補術(shù)后的鼓膜，移植材料模型的半徑比實際鼓膜穿孔半徑大1～1.2 mm，即3.10 mm2中央性穿孔移植材料截面積10.66 mm2，10.66 mm2中央性穿孔移植材料截面積22.25 mm2，22.25 mm2中央性穿孔移植材料截面積42.0 mm2，42.0 mm2中央性穿孔移植材料截面積66.50 mm2，在模型中采用節(jié)點綁定的形式模擬術(shù)后移植材料與移植床的貼合。

1.4各模型鐙骨底板位移頻率-幅度曲線的獲得及分析 分別于正常中耳有限元模型、不同面積鼓膜穿孔有限元模型以及不同材料鼓膜穿孔修補術(shù)后有限元模型的鼓膜外側(cè)施加90 dB SPL聲壓，進行諧響應(yīng)分析，得出從0.25～8 kHz的鐙骨底板位移頻率-幅度曲線(分別在鐙骨底板前后上下和中間各取1點，并計算平均數(shù)值)，將正常中耳有限元模型的結(jié)果作為基準曲線，將其余模型的結(jié)果與之對比，評估不同面積穿孔和不同移植材料修補鼓膜穿孔對聽力的影響。

2 結(jié)果

2.1正常中耳有限元模型驗證 有限元模型獲得的鐙管底板位移頻率-幅度曲線與Gan等[22]實驗結(jié)果均值進行對比，如圖2所示，本模型計算結(jié)果的幅值和趨勢與Gan等的實驗數(shù)據(jù)較好的吻合。再通過反映中耳傳遞特性的鐙骨底板速度傳遞函數(shù)對所建模型做進一步驗證，在模型鼓膜處施加90 dB SPL聲壓激勵進行諧響應(yīng)分析，獲得鐙骨底板位移速度響應(yīng)值，按表達公式(2)進行計算，得到鐙骨底板速度傳遞函數(shù)：

(2)

公式中：STF為鐙骨底板速度傳遞函數(shù)，VFP為鐙骨足底板速度，PTM為鼓膜外表面聲壓；并將仿真值與 Aibara 等[23]對12例顳骨樣本測量所得的實驗結(jié)果進行對比，結(jié)果如圖 3 所示，模型計算的數(shù)值在Aibara 等實驗測得平均值±標準差的范圍區(qū)間內(nèi),說明本研究模型對鐙骨底板位移、鐙骨底板速度模擬的計算結(jié)果皆與既往實驗測量結(jié)果具有良好的一致性，能夠?qū)θ硕鷤髀暤牧W(xué)特性進行模擬研究。

2.2不同面積中央性鼓膜穿孔對鐙骨底板位移的影響 基于所建不同面積鼓膜穿孔有限元模型，計算90 dB SPL聲壓激振下蹬骨底板位移，并與無穿孔狀態(tài)下計算的結(jié)果(基準曲線)進行對比，結(jié)果如圖4所示，可見隨著穿孔面積增大，總體鐙骨位移呈現(xiàn)下降趨勢，其中，低頻區(qū)域(0.25～1 kHz)鐙骨位移階梯性下降趨勢明顯。從圖5中可見，隨穿孔面積增大平均鐙骨位移下降明顯，人耳聽力明顯降低；中高頻區(qū)域鐙骨底板位移總體呈下降趨勢，但位移曲線變得不規(guī)則(考慮與穿孔后穿孔邊緣活動度變大有關(guān))，不同面積鼓膜穿孔鐙骨足底板位移曲線共振頻率稍不同。

2.3不同材料修補鼓膜穿孔對鐙骨底板位移的影響 圖6示，在中央性鼓膜穿孔面積3.10 mm2狀態(tài)下，無論是耳屏軟骨還是顳肌筋膜，不同厚度的移植材料獲得的鐙骨底板位移曲線雖然不能與正常鼓膜的鐙骨底板位移曲線(基準曲線)完全吻合，但均能基本貼近，即鼓膜修補后患者可以基本恢復(fù)正常聽力。圖7示，在中央性鼓膜穿孔面積10.66 mm2狀態(tài)下，以不同厚度的耳屏軟骨或顳肌筋膜做移植材料獲得的鐙骨底板位移曲線也基本貼近于基準曲線，但0.25、0.5 mm厚度耳屏軟骨作為移植材料的位移曲線更符合基準曲線。圖8示，中央性鼓膜穿孔面積22.25 mm2狀態(tài)下，在低頻區(qū)域(0.25～1 kHz頻段)，耳屏軟骨比顳肌筋膜獲得的鐙骨位移曲線與基準曲線的差異??；在高頻區(qū)域(1.5～8 kHz頻段)，0.25、0.5 mm厚度耳屏軟骨和0.4 mm厚度顳肌筋膜能獲得更貼近基準曲線的鐙骨底板位移曲線。圖9示，42.0 mm2的中央性鼓膜穿孔面積修補材料面積幾乎接近整個鼓膜緊張部面積，有限元模型分析結(jié)果顯示使用顳肌筋膜和1 mm耳屏軟骨進行鼓膜修補術(shù)后獲得鐙骨底板位移曲線與基準曲線的差異較大，而0.25 mm或0.5 mm厚度的耳屏軟骨獲得的曲線差異較小，且0.25 mm厚度耳屏軟骨的鐙骨底板位移要優(yōu)于0.5 mm厚度耳屏軟骨。

3 討論

顳肌筋膜和耳屏軟骨是目前最常用的鼓膜穿孔修補材料，臨床研究發(fā)現(xiàn)，顳肌筋膜作為鼓膜穿孔修補材料，術(shù)后1年鼓膜穿孔愈合率為90%～95%，3～10年鼓膜再穿孔率為10%～15%[24]。相比較而言，軟骨的剛度更好，可以有效減少移植材料回縮和抵抗中耳腔內(nèi)的負壓，使鼓膜成形術(shù)后發(fā)生耳漏、膽脂瘤以及再穿孔等并發(fā)癥的概率比顳肌筋膜明顯降低[25]，因此，越來越多的醫(yī)師指出使用軟骨作為移植材料術(shù)后形態(tài)學(xué)結(jié)果更好。但是耳屏軟骨的厚度和剛度是否會影響修復(fù)后鼓膜和聽骨鏈的振動尚存在爭議，因此，兩者術(shù)后聽力改善效果尚無完全一致的結(jié)論。另外，對于以耳屏軟骨作為移植材料進行鼓膜成形術(shù)，已發(fā)表的文獻大多數(shù)建議采用0.5 mm厚度[16,26]，未考慮鼓膜穿孔面積的影響。故本研究采用計算機有限元方法進行動態(tài)模擬，在不考慮其它中耳病變的情況下，對不同面積中央性鼓膜穿孔修補術(shù)后聽力變化進行研究，探討不同厚度的材料修補鼓膜穿孔術(shù)后的聽力效果。

Gan等[27]實驗中相同聲壓分別作用于不同人耳，固定頻率下的鐙骨底板位移幅度略有差異，但鐙骨位移曲線的形狀明顯相似，實驗者取結(jié)果數(shù)據(jù)的均值；De Greef等[28]針對不同人耳的有限元模型分析也獲得類似結(jié)果。而對于單個個體，Guinan等[29]動物實驗中聲壓(最高到130 dB SPL)引起的鐙骨運動主要呈活塞樣式，鐙骨位移幅度與施加的聲壓級呈線性關(guān)系。另外，Gan等[22]實驗表明鼓膜穿孔可導(dǎo)致鐙骨底板位移幅度降低，穿孔越大位移降低也越明顯，且相應(yīng)的有限元模型計算值與實驗數(shù)值有明顯的一致性(低頻略不同，考慮是噪音干擾導(dǎo)致)。本研究中有限元模型是基于單個人耳顳骨構(gòu)建，模型分析得到的鐙骨底板位移曲線雖無法與不同個體的人耳鐙骨位移曲線完全吻合，但位移曲線的總體趨勢適用于不同的人耳，可通過將鼓膜穿孔以及不同材料修補后的銼骨底板位移曲線與基準曲線進行比較評估人耳的聽力情況。

文獻報導(dǎo)，鼓膜穿孔面積百分比與聽力損失成正比[30,31]，本研究有限元模型也證實，隨著穿孔面積的增大，總體鐙骨底板位移幅度呈下降趨勢。對于不同面積鼓膜穿孔的修復(fù)材料，文中結(jié)果顯示，在半徑<2 mm的較小鼓膜中央性穿孔(穿孔面積3.10、10.66 mm2)狀態(tài)下，不同厚度的耳屏軟骨和顳肌筋膜作為移植材料術(shù)后鐙骨底板位移沒有顯著差異，均可以較好的恢復(fù)患者聽力；但對于半徑>2 mm的中大型穿孔(穿孔面積22.25、42.0 mm2)，耳屏軟骨作為移植材料的模型中鐙骨底板位移曲線比以顳肌筋膜作為移植材料更貼近基準曲線，尤其是在低頻(0.25～1 kHz)頻段的優(yōu)勢更加明顯，如果軟骨片厚度修剪至0.25 mm，術(shù)后聽力效果更好。

中耳的主要功能是通過聲阻抗匹配作用將空氣中的聲能高效地傳入內(nèi)耳淋巴液中，鼓膜的振動在氣體到液體的聲能轉(zhuǎn)換中起到了關(guān)鍵性作用[32]，鼓膜自身彈性(主要指楊氏模量)、厚度、質(zhì)量等物理特性是影響鼓膜振動的關(guān)鍵因素。顳肌筋膜和軟骨的楊氏模量均較正常鼓膜低，結(jié)合Gan等[7]實驗結(jié)果，較低的楊氏模量不利于聲能傳導(dǎo)，尤其是在高頻狀態(tài)下，鐙骨底板位移明顯降低。顳肌筋膜較松弛柔軟，用其修補鼓膜后耳道內(nèi)聲波無法引起有效的鼓膜振動，并且術(shù)后容易導(dǎo)致內(nèi)陷粘連或前緣鈍角愈合；而軟骨片對聲壓的接收和傳導(dǎo)能力優(yōu)于顳肌筋膜，但軟骨厚度往往比鼓膜自身厚度(65±7 μm)[6,33]厚很多，修補術(shù)后鼓膜質(zhì)量明顯增大，相同外耳道聲壓下，較厚的鼓膜振動幅度較小。隨著鼓膜穿孔面積變大，修補材料面積相應(yīng)變大，這種差異對于聲波傳遞的影響更明顯。因此，使用耳屏軟骨和顳肌筋膜作為移植材料修補中央性較小穿孔后鐙骨底板位移沒有顯著差異；隨著穿孔面積增大，以較薄的耳屏軟骨作為移植材料得到的鐙骨底板位移曲線與基準曲線差異更小。

盡管有限元模型可以很好的理解人耳生物力學(xué)，但與真實的人耳和中耳疾病的病理生理變化相比，仍有一定局限性，該模型沒有將中耳粘膜皺襞、中耳腔以及中耳組織不均勻且各向異性的特性考慮在內(nèi)，導(dǎo)致模型并不能與實際的人體中耳結(jié)構(gòu)完全匹配；鼓膜穿孔往往伴隨咽鼓管功能障礙、中耳炎癥、膽脂瘤、聽骨鏈破壞或中耳粘連等其它中耳病變，使得絕大多數(shù)中耳鼓室成形術(shù)更為復(fù)雜；移植材料成活后的再塑形以及個體術(shù)后恢復(fù)的差異化，使術(shù)后聽力情況不能進行標準化預(yù)測；模型是一種理想化的設(shè)計，實際手術(shù)操作中很難精確做到；但利用有限元模型研究結(jié)果與臨床研究結(jié)合，仍能為臨床實際提供一定的指導(dǎo)。