基于解析方法和數(shù)值模擬的中耳結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)行為研究.pdf

1、21世紀(jì)是生命科學(xué)高度發(fā)展的時(shí)期，力學(xué)及結(jié)構(gòu)工程的研究已逐步進(jìn)入生命科學(xué)領(lǐng)域。中耳結(jié)構(gòu)是生命活體中微小復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，它在聲波激勵(lì)下發(fā)生傳導(dǎo)振動(dòng)，將聲能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能傳入內(nèi)耳，這一傳聲過(guò)程是一個(gè)集固體動(dòng)力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)于一體的復(fù)雜的動(dòng)力傳導(dǎo)過(guò)程。目前，由于中耳病變引起的中耳疾病及其傳導(dǎo)性耳聾仍是耳科醫(yī)學(xué)中的尚未解決的問(wèn)題，而單純醫(yī)療手段研究中耳疾患問(wèn)題未能考慮該結(jié)構(gòu)在傳聲過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)行為特征，因此療效不理想。介于中耳結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)----聽(tīng)骨鏈

2、及軟組織（鼓膜、韌帶和肌腱）為一體的超精細(xì)微小復(fù)雜結(jié)構(gòu)。本論文基于力學(xué)原理，采用解析分析及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法分析中耳結(jié)構(gòu)。解析方法推導(dǎo)振動(dòng)骨架的運(yùn)動(dòng)方程；數(shù)值模擬骨架及軟組織整個(gè)體系的中耳結(jié)構(gòu)。并在前人有限元的基礎(chǔ)上，引入新的數(shù)值方法-----自然單元法進(jìn)行數(shù)值模擬，克服了有限元模擬生物體軟組織的超彈性大變形出現(xiàn)的單元網(wǎng)格畸變和纏結(jié)問(wèn)題。使粘彈性超彈性的耳生物體能更為準(zhǔn)確的模擬分析。其主要工作如下：
　　 1、從機(jī)理上分析中耳

3、結(jié)構(gòu)振動(dòng)骨架系統(tǒng)的力學(xué)特征及物理規(guī)律，采用變分原理，推導(dǎo)了鼓膜、聽(tīng)骨鏈及人工聽(tīng)骨的運(yùn)動(dòng)方程。并通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證了方程的正確性。通過(guò)運(yùn)動(dòng)方程得到參數(shù)變化的物理規(guī)律，其中以彈性模量變化對(duì)中耳振動(dòng)信息（鐙骨底板的振幅）影響最為敏感。進(jìn)一步為數(shù)值模擬提煉參數(shù)優(yōu)化打下基礎(chǔ)。
　　 2、采用Voronoi圖中的邊元素代替圖中體元素構(gòu)造插值函數(shù)，提高了自然單元法的計(jì)算效率。在積分方案中采用背景網(wǎng)格積分，并借助有限元方法中確定積分點(diǎn)個(gè)

4、數(shù)方法確定最小積分點(diǎn)數(shù)。在布置積分點(diǎn)時(shí)采用內(nèi)松外密的布點(diǎn)方案。最后采用分片試驗(yàn)、算例對(duì)本文方法進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明本方法正確，具有可靠的精度。
　　 3、推導(dǎo)了三維自然單元法動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的離散格式，并采用中心差分和Newmark常平均加速度法相結(jié)合的第一種積分格式對(duì)離散格式進(jìn)行解耦，得到每個(gè)自由的解耦遞推式，進(jìn)一步提高了自然單元法在求解動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的計(jì)算效率。通過(guò)算例驗(yàn)證本文推導(dǎo)的自然單元法的動(dòng)力學(xué)離散格式和解耦算法的正確性。

5、r>　　 4、應(yīng)用自然單元法模擬骨架及包括軟組織（鼓膜、韌帶及肌腱等）在內(nèi)的中耳整體結(jié)構(gòu)的聲音傳導(dǎo)動(dòng)力學(xué)行為。則結(jié)果顯示：自然單元法在使用較少的結(jié)點(diǎn)的情況下，就可以反映出聲波引起中耳結(jié)構(gòu)振動(dòng)的波的特性；自然單元法模擬生物軟組織，特別是超彈性（大變形）的韌帶優(yōu)于有限元法。計(jì)算結(jié)果較有限元法更與實(shí)際（實(shí)驗(yàn)）吻合。
　　 5、通過(guò)對(duì)中耳整體結(jié)構(gòu)的模擬分析，得到較單個(gè)構(gòu)件解析方程分析中更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，由解析方程得到的結(jié)論“彈性模量降低

6、，振幅增大”是有條件的和范圍的。在鼓膜帶動(dòng)聽(tīng)骨鏈的傳導(dǎo)運(yùn)動(dòng)中，聽(tīng)骨鏈的彈性模量變化符合解析方程得到的結(jié)論；但由于鼓膜剛度過(guò)小將無(wú)法帶動(dòng)錘骨產(chǎn)生有效的振動(dòng)，則當(dāng)鼓膜彈性模量小到一定值時(shí)，鐙骨位移振幅反而會(huì)減小。
　　 6、基于以上的解析模型及數(shù)值模型，針對(duì)臨床醫(yī)學(xué)常見(jiàn)的中耳病變問(wèn)題，如鼓膜穿孔、聽(tīng)骨鏈斷裂、人工聽(tīng)骨接入方式以及接入位置等問(wèn)題，用聲音傳導(dǎo)過(guò)程中各部件的動(dòng)力學(xué)行為特征詮釋其病變機(jī)理------鼓膜穿孔和聽(tīng)骨鏈斷裂都出現(xiàn)

7、在應(yīng)力或位移最大位置；人工聽(tīng)骨接在鼓膜凸位置其傳音效果最理想。
　　 7、應(yīng)用數(shù)值模擬分析典型的中耳病變---鼓室硬化導(dǎo)致聽(tīng)力下降的機(jī)理及其手術(shù)治療效果。采用彈性模量增大刻畫(huà)軟組織（韌帶及肌腱等）的硬化，采用解除軟組織與顳骨的連接模擬切除硬化軟組織的治療。模擬結(jié)果顯示切除某些硬化韌帶可以恢復(fù)聽(tīng)骨運(yùn)動(dòng)，使聲能更有效傳入內(nèi)耳。
　　 本課題的解析方程、數(shù)值模型、以及理論分析的研究成果從力學(xué)與生物結(jié)構(gòu)交叉研究的視角為傳導(dǎo)性耳聾