張?zhí)煊?王舒琪 任柳杰

耳力學(xué)屬于生物力學(xué)在耳科學(xué)的分支，研究領(lǐng)域包括內(nèi)耳力學(xué)和中耳力學(xué)兩大部分。中耳是聽覺系統(tǒng)長(zhǎng)期進(jìn)化所形成的高效力學(xué)放大、阻抗匹配系統(tǒng)，中耳力學(xué)采用力學(xué)原理，通過測(cè)量、計(jì)算和分析聲波激勵(lì)下鼓膜、聽骨鏈等的振動(dòng)和形變特征，研究中耳鼓膜-聽骨鏈-韌帶-肌肉復(fù)合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效傳音的力學(xué)機(jī)制，以及病理狀態(tài)、聽骨鏈置換等對(duì)中耳功能的影響。

中耳力學(xué)研究旨在闡明中耳系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的力學(xué)機(jī)制及各類病理?xiàng)l件下的影響，為診斷、修復(fù)、重建、替代以及人工助聽裝置設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。中耳力學(xué)研究不僅對(duì)中耳放大傳聲機(jī)制和傳導(dǎo)性聽覺重建有重要指導(dǎo)作用，同時(shí)也對(duì)各類先天性中耳畸形和中耳疾病的認(rèn)識(shí)和診療都具有積極意義。對(duì)中耳和內(nèi)耳力學(xué)的歷史發(fā)展和研究?jī)?nèi)容此前已經(jīng)做過系統(tǒng)綜述[1～3]，但近十年來(lái)中耳力學(xué)在測(cè)量技術(shù)、理論機(jī)制、臨床應(yīng)用等方面不斷產(chǎn)生新的進(jìn)展。本文主要介紹中耳力學(xué)領(lǐng)域的新進(jìn)展，尤其是近五年來(lái)的熱點(diǎn)問題。

1 中耳力學(xué)的研究技術(shù)

中耳力學(xué)的研究技術(shù)包括實(shí)驗(yàn)研究和力學(xué)計(jì)算兩類。實(shí)驗(yàn)研究以動(dòng)物模型、顳骨標(biāo)本在固定激勵(lì)(如：靜壓力、聲音刺激等)下關(guān)鍵部位振動(dòng)、壓力等力學(xué)參數(shù)的測(cè)量為主要手段，其中激光多普勒測(cè)振(laser doppler vibrometry, LDV)技術(shù)是中耳力學(xué)研究中應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)，其具有納米級(jí)精度、非接觸測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，在耦合顯微鏡后適用于中耳、內(nèi)耳微小結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)量。LDV分為單點(diǎn)式和掃描式兩種，前者僅能對(duì)被測(cè)物表面固定點(diǎn)的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，后者則通過觸發(fā)器和光學(xué)偏轉(zhuǎn)裝置，經(jīng)自動(dòng)化的逐點(diǎn)測(cè)量還原被測(cè)物全表面的振動(dòng)形態(tài)。在中耳力學(xué)研究中，常測(cè)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(píng)估中耳的傳聲特性。例如：將鼓膜接受單位聲壓激勵(lì)下鐙骨底板的振動(dòng)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(guān)性，是中耳各頻段傳聲性能的最重要的量化指標(biāo)，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(guān)系

近年來(lái)一種新型的體積相干光斷層掃描測(cè)振(volumetric optical coherence tomography vibrometry，VOCTV)技術(shù)亦開始應(yīng)用于中耳力學(xué)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(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，不僅保有OCT原有的高精度成像功能，同時(shí)可以進(jìn)行微振動(dòng)測(cè)量；其優(yōu)勢(shì)是可進(jìn)行無(wú)創(chuàng)的穿透式測(cè)量，可透過鼓膜測(cè)量聽骨的振動(dòng)[6]。此外，超高速攝像機(jī)、耳蝸微壓測(cè)試裝置[7,8]等也是中耳力學(xué)研究中的常用手段。

力學(xué)計(jì)算是指使用振動(dòng)力學(xué)、多體動(dòng)力學(xué)、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)等力學(xué)理論對(duì)中耳進(jìn)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(guān)的各結(jié)構(gòu)(如：外耳道、鼓膜、聽骨鏈、中耳腔等)的力學(xué)阻抗進(jìn)行表征，將中耳系統(tǒng)簡(jiǎn)化為若干個(gè)基本力學(xué)單元串聯(lián)、并聯(lián)形成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在實(shí)際研究中還常采用“力—電模擬”將其簡(jiǎn)化為電路模型進(jìn)行求解[9]。集總單元模型具有模型小、計(jì)算與分析簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，但存在部分力學(xué)參數(shù)定義不明確，無(wú)法準(zhǔn)確捕捉中耳功能中的復(fù)雜細(xì)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(xué)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(dāng)?shù)牧W(xué)邊界條件和載荷，并將幾何結(jié)果離散成上千個(gè)乃至更多的單元和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行求解；求解結(jié)果能夠反映激勵(lì)下每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移、速度以及每個(gè)單元的應(yīng)力信息(Gan,2004)，因此，該方法具有高仿真、貼近真實(shí)的優(yōu)勢(shì)，其較高的計(jì)算代價(jià)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展也不再成為技術(shù)瓶頸。

2 中耳力學(xué)的研究進(jìn)展

中耳力學(xué)研究?jī)?nèi)容豐富，形成了多個(gè)研究熱點(diǎn)，近年來(lái)相關(guān)論文和研究成果呈現(xiàn)穩(wěn)定增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。由于篇幅限制，本文僅對(duì)若干重點(diǎn)熱點(diǎn)問題的新進(jìn)展進(jìn)行介紹。

2.1中耳的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)模式 中耳放大系統(tǒng)的經(jīng)典理論指出，面積機(jī)制、杠桿機(jī)制以及鼓膜弧度是中耳力學(xué)機(jī)制的核心，但實(shí)際上中耳的運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜。聽骨鏈的運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)復(fù)雜的三維形式[10]，鐙骨也不僅僅是簡(jiǎn)單的活塞運(yùn)動(dòng)，在中高頻還存在繞底板長(zhǎng)軸和短軸的擺動(dòng)(Sim,2010)。同樣，鼓膜的運(yùn)動(dòng)也具有復(fù)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(yùn)動(dòng)。中耳的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和復(fù)雜運(yùn)動(dòng)背后的力學(xué)機(jī)制及其生理意義和臨床價(jià)值仍待進(jìn)一步研究，關(guān)于鼓膜與聽骨鏈的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的相關(guān)假說(shuō)包括：①有益于改善高頻響應(yīng)；②有利于在中耳壓力變化時(shí)仍保持較好傳聲特性；③在如爆炸聲等沖擊刺激時(shí)具有保護(hù)作用。

2.2中耳損傷、修復(fù)重建與傳聲功能 中耳力學(xué)的另一研究熱點(diǎn)是各類中耳損傷對(duì)中耳傳聲功能影響及臨床使用的修復(fù)重建手段的客觀效果研究，對(duì)于了解疾病機(jī)制、促進(jìn)臨床診斷和選擇治療策略具有積極意義。Zhang 等[14]使用LDV測(cè)量發(fā)現(xiàn)鐙骨輕度固定時(shí)豚鼠鐙骨底板低頻振動(dòng)顯著降低，和鐙骨硬化的聽力變化類似;Labato等[15]使用力學(xué)模型研究了鐙骨不同程度的損壞、斷裂等對(duì)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(fù)材料厚度的影響;Dong等[17]使用顳骨實(shí)驗(yàn)比較了正常、切斷砧鐙關(guān)節(jié)、醫(yī)用膠修復(fù)以及使用部分聽骨贗復(fù)物(PORP)重建后中耳傳遞函數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)使用修復(fù)或重建手段都能很好地恢復(fù)低頻聽力，但是高頻響應(yīng)恢復(fù)不佳，其原因可能是修復(fù)和重建過程中砧骨和鐙骨/PORP的過度固定。振動(dòng)聲橋(VSB)等人工中耳裝置是中耳功能修復(fù)的另一重要方面，植入后的工作性能及對(duì)殘余聽力和內(nèi)耳的影響也可以使用LDV等手段進(jìn)行評(píng)估[18,19]。

2.3鳥式聽骨和聽骨贗復(fù)物 哺乳動(dòng)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(fù)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(duì)于鳥類中耳系統(tǒng)的研究局限于單個(gè)特殊物種研究和測(cè)量為主[20～23]，仍缺乏系統(tǒng)研究。Peacock等[24,25]結(jié)合比較學(xué)和耳力學(xué)研究方法，對(duì)鳥類聽骨的形態(tài)和功能做了細(xì)致的研究，發(fā)現(xiàn)鳥類中耳形態(tài)(如鼓膜面積、聽小骨長(zhǎng)度和底板面積等)與體型具有正相關(guān)性，而中耳共振頻率亦與聽小骨長(zhǎng)度有負(fù)相關(guān)關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中，鳥式聽骨系統(tǒng)也為柔性聽骨贗復(fù)物的設(shè)計(jì)提供了啟示[26,27]。力學(xué)與工程設(shè)計(jì)中的新方法，如：拓?fù)鋬?yōu)化[28]以及特殊粘彈性材料設(shè)計(jì)，也逐漸應(yīng)用到聽骨贗復(fù)物的設(shè)計(jì)中。

3 中耳力學(xué)未來(lái)研究方向

3.1新型診斷和評(píng)估手段 LDV、VOCTV等中耳力學(xué)測(cè)量手段可對(duì)中耳傳聲功能進(jìn)行客觀、精確的評(píng)估，因而在臨床檢測(cè)中具有潛在應(yīng)用價(jià)值[29]，例如：Wasson等[30]應(yīng)用LDV測(cè)量人工耳蝸植入患者的鼓膜振動(dòng)，以此驗(yàn)證手術(shù)對(duì)中耳功能不產(chǎn)生顯著影響;MacDougall等[31]應(yīng)用VOCTV經(jīng)完整鼓膜成功測(cè)量鐙骨硬化患者的鐙骨振動(dòng)，為無(wú)創(chuàng)中耳功能檢測(cè)提供了新的可能。

3.2人工聽骨和3D打印技術(shù) 當(dāng)前人工聽骨(聽骨贗復(fù)物)采用鈦合金制造，受工藝、市場(chǎng)等影響，其結(jié)構(gòu)相對(duì)固定，無(wú)法做到個(gè)性化設(shè)計(jì)。3D打印技術(shù)在醫(yī)工結(jié)合領(lǐng)域具有巨大的潛力，一些研究團(tuán)隊(duì)已開始致力于聽小骨乃至整個(gè)聽骨鏈的3D打印設(shè)計(jì);Kuru等[32]設(shè)計(jì)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(gè)體化設(shè)計(jì)的3D打印聽小骨研究，并在顳骨標(biāo)本上進(jìn)行測(cè)試。

3.3新型人工中耳裝置 當(dāng)前人工中耳面臨保留氣導(dǎo)聽力、減小設(shè)計(jì)尺寸、增大聲能增益、易于手術(shù)安裝等多種設(shè)計(jì)要求,設(shè)計(jì)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(xué)的人工中耳新型裝置研發(fā)是未來(lái)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(zhǎng)突上的動(dòng)力學(xué)行為，Mocanu等[35]則采用FEM模型和LDV實(shí)測(cè)進(jìn)行分析。Shin等[36]設(shè)計(jì)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(yīng)用有限元和振動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行振子的性能分析，并行LDV實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Seong等[37]則設(shè)計(jì)了一種新型麥克風(fēng)，可安裝在鼓膜背面檢測(cè)鼓膜的振動(dòng)，檢測(cè)到的信號(hào)可有效激勵(lì)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(xué)作為實(shí)驗(yàn)聽力學(xué)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(zhǎng)。一方面，作為人類聽覺系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，對(duì)其傳聲、放大、保護(hù)功能的機(jī)制研究雖已深入，但仍待進(jìn)一步完善；另一方面，中耳相關(guān)疾病對(duì)中耳傳聲功能的影響及其修復(fù)、重建需求又賦予了中耳力學(xué)研究重要的使命。中耳力學(xué)作為一門交叉學(xué)科，其多學(xué)科融合的趨勢(shì)愈加明顯，與生物材料、生物醫(yī)學(xué)工程以及臨床醫(yī)學(xué)尋找結(jié)合點(diǎn)，發(fā)展新型診斷、治療方法，是中耳力學(xué)未來(lái)的研究方向。