人耳耳蝸的雙向流固耦合建模分析與主動作用機(jī)制研究.pdf

1、經(jīng)過數(shù)千年的進(jìn)化歷程，哺乳動物的聽覺系統(tǒng)已經(jīng)是最復(fù)雜的系統(tǒng)之一，人作為高級哺乳動物其聽力系統(tǒng)具有十分強(qiáng)大的功能。然而人耳復(fù)雜的功能使得人們難以輕易地了解聽覺系統(tǒng)的工作機(jī)制，尤其是耳蝸?zhàn)鳛槠渲械年P(guān)鍵器官，至今人們對它的傳聲機(jī)制還沒有完全弄清楚，因此對耳蝸在傳聲時的力學(xué)特性展開研究顯得非常必要。本文以提取耳蝸輸入阻抗、了解耳蝸的傳聲機(jī)制為目的，通過模型仿真分析與豚鼠耳蝸基底膜振動測試兩個方面對耳蝸宏觀力學(xué)特性和微觀力學(xué)特性進(jìn)行了研究，論文主

2、要工作包括以下五個部分。
　　(1)建立了二維的耳蝸流固耦合模型，考慮了耳蝸內(nèi)流體與基底膜的雙向流固耦合作用，分析了基底膜在卵圓窗激勵下的響應(yīng)特性。結(jié)果表明：耳蝸基底膜不同位置對不同頻率的聲音敏感，驗(yàn)證了頻率選擇特性。利用該模型首次計(jì)算了蝸孔大小對耳蝸基底膜響應(yīng)的影響，并指出：合適的蝸孔大小可以得到合理的基底膜響應(yīng)，畸形的蝸孔會導(dǎo)致基底膜的振動衰減，從而影響耳蝸的傳聲特性。分析了圓窗逆向激勵耳蝸時基底膜的響應(yīng)特性，結(jié)果表明：逆向激

3、勵的耳蝸傳聲效率略低于正向激勵，但基底膜的響應(yīng)特性基本一致，逆向激勵是中耳助聽裝置驅(qū)動耳蝸的一種可能方式。
　?。?）首次使用雙向流固耦合方法建立了三維的耳蝸流固耦合模型，分析了耳蝸基底膜、圓窗的位移響應(yīng)，計(jì)算了耳蝸內(nèi)流體壓力的分布情況，提取了耳蝸輸入阻抗，并通過耳蝸輸入阻抗、基底膜位移響應(yīng)、耳蝸地圖以及耳蝸內(nèi)流體壓力仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的對比，驗(yàn)證了模型的可靠性。研究結(jié)果表明：耳蝸輸入阻抗隨著頻率的變化而變化，在低頻區(qū)變化平緩，在高

4、頻區(qū)明顯增大；圓窗的振動與卵圓窗輸入是反相位的，它起到緩沖耳蝸內(nèi)流體壓力的作用；耳蝸基底膜任一位置只對特定頻率的純音激勵最敏感，在該特定頻率激勵下基底膜該位置的振動最大，且相對于卵圓窗激勵的相位滯后明顯增加，驗(yàn)證了基底膜的頻率選擇特性和行波特性；基于雙向流固耦合方法的有限元模型不僅可以正確地模擬基底膜的響應(yīng)，還可以更準(zhǔn)確地計(jì)算耳蝸內(nèi)流體壓力的分布情況。
　?。?）以局部柯蒂氏器為對象，建立了人耳耳蝸的微觀力學(xué)模型，給出了系統(tǒng)的運(yùn)動

5、微分方程，推導(dǎo)了基底膜、蓋膜-網(wǎng)織層組合結(jié)構(gòu)以及外毛細(xì)胞運(yùn)動的穩(wěn)態(tài)解。為了與主動耳蝸的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，用豚鼠耳蝸的參數(shù)代入系統(tǒng)方程中，計(jì)算了基底膜在被動耳蝸和主動耳蝸中的響應(yīng)特性，發(fā)現(xiàn)主動耳蝸基底膜的響應(yīng)具有非線性壓縮性和移頻特性。首次從理論上分析了主動耳蝸柯蒂氏器各結(jié)構(gòu)運(yùn)動之間的相位關(guān)系，發(fā)現(xiàn)外毛細(xì)胞的運(yùn)動超前于組合結(jié)構(gòu)的運(yùn)動，而組合結(jié)構(gòu)的運(yùn)動又超前于基底膜的運(yùn)動，并指出：柯蒂氏器各結(jié)構(gòu)運(yùn)動之間的相位調(diào)制影響著主動耳蝸的放大機(jī)制。對比研

6、究了外毛細(xì)胞等效非線性阻尼和線性阻尼對主動耳蝸響應(yīng)的影響，揭示了柯蒂氏器的相位調(diào)制的本質(zhì)原因，并提出：外毛細(xì)胞等效非線性阻尼是相位調(diào)制的關(guān)鍵因素。
　　（4）由于三維人耳有限元模型中并沒有包含主動作用機(jī)制，而微觀力學(xué)模型中考慮了柯蒂氏器的微觀機(jī)制。故基于微觀模型的研究結(jié)果，分析微觀的被動模型中組合結(jié)構(gòu)對基底膜的作用力關(guān)系，同樣研究了微觀的主動模型中基底膜受力與被動模型中受力的比例關(guān)系，將他們應(yīng)用到三維人耳有限元模型中，分析了組合結(jié)

7、構(gòu)對基底膜響應(yīng)的影響和含主動力的人耳耳蝸基底膜的傳聲特性，并指出：組合結(jié)構(gòu)對基底膜的響應(yīng)特性影響不大；而主動的基底膜響應(yīng)具有明顯的放大效果，且其最大振幅的位置與被動模型相比有所不同。
　?。?）搭建了哺乳動物耳蝸振動測試平臺，使用激光多普勒測振儀記錄耳蝸基底膜和耳蝸輸入處鐙骨的振動情況。國內(nèi)首次測試了鐙骨和基底膜在外耳道70、80和90 dB SPL聲激勵下的振動響應(yīng)，結(jié)果表明：鐙骨的位移幅值在2 kHz時最大，之后緩慢地降低；基

8、底膜的位移幅值在分析頻率范圍內(nèi)有且只有一個峰值，該峰值對應(yīng)的頻率就是基底膜該位置對應(yīng)的最佳頻率；基底膜振動的相位在最佳頻率時迅速地降低，與行波特性一致。根據(jù)耳蝸響應(yīng)與耳蝸輸入的比值，計(jì)算了耳蝸增益，并指出：耳蝸增益與激勵強(qiáng)度無關(guān)，是耳蝸的固有屬性。對比了本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)報道的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了本文實(shí)驗(yàn)的可靠性。通過定性分析，對比了人耳耳蝸有限元模型模擬的基底膜響應(yīng)與實(shí)驗(yàn)測試的豚鼠耳蝸基底膜的響應(yīng)結(jié)果，基底膜的響應(yīng)特性基本一致，驗(yàn)證了模