耳蜗正逆向驱动传声效率的实验研究和数值模拟

【摘要】听觉是人类感知世界不可缺少的感知方式之一。正常情况下由声源振动引起空气振动产生的疏密波,经外耳道通过鼓膜进入中耳,引起听骨链振动,再通过卵圆窗进入内耳,振动前庭阶内的外淋巴液,使振动自前庭阶通过蜗顶的蜗孔传递至鼓阶,最后使圆窗振动,同时,两阶的外淋巴压力发生变化导致基底膜振动,刺激内外毛细胞进而激励听神经末梢产生听觉神经冲动。人工中耳是通过将声波的能量转换成机械振动,并借助附着在耳内可振动部位(如听骨链)或耳蜗(如前庭窗、蜗窗)上的中耳植入体,将振动传入内耳而产生听觉的装置。其与听骨链连接后可代替部分或全部听骨链的作用,有助于中重度感音性或混合性聋患者改善听力。然而,部分外耳道、昕骨链或鼓室异常(如先天性中外耳畸形、镫骨固定等)的中重度传导性或混合性聋病患者,由于中耳手术失败或难以手术、助听器佩戴困难等原因,导致人工中耳装置难以经卵圆窗传音途径有效地将声能传递入内耳。因此对于此类患者,不少学者采用圆窗途径人工中耳来改善听力。当声波经圆窗途径传入耳蜗后,首先将振动传递至鼓阶的外淋巴液,然后经蜗顶至前庭阶,引起相应的卵圆窗振动,在两阶间沿着耳蜗的不同部位产生压力梯度,使基底膜振动而感音。所以在本研究中我们将卵圆窗途径给声称之为“正向途径”或“耳蜗正向驱动”(ForwardDriving),而如上述这种圆窗途径传音的方式称之为“逆向途径”或“耳蜗逆向驱动”(ReverseDriving)。自上世纪50年代起就有学者开始通过动物实验研究耳蜗的逆向驱动,至今已有不少学者致力于该领域的研究。通过动物实验,人们发现耳蜗正向驱动和逆向驱动均可产生相似的耳蜗电位、听性脑干反应、听神经动作电位以及跨蜗阶压力差。而且自2006年起圆窗途径人工中耳开始应用于临床研究。据文献报道,其临床效果及短期随访结果尚可,对患者的残余听力尚未发现明显不利影响,植入装置激活后言语识别率、纯音听阈等较术前均有明显提高。但是,耳蜗逆向驱动毕竟不是一个正常的生理传音过程,而且由于耳蜗内含前庭阶、鼓阶、蜗管、前庭膜以及基底膜,对于基底膜来说耳蜗并不是一个对称的结构,所以我们认为,正向和逆向途径之间的区别不应仅局限于相反的振动传导,或者说,两者对于基底膜的振动效率而言可能并不是等效的。本文使用实验研究和有限元模拟分析两种方法对耳蜗正逆向驱动的传声效率进行了评估。在实验研究中,我们使用8只成年健康豚鼠,深度麻醉后,迅速断头取出听泡,自听泡后下壁打开直径2-3mm的小孔,然后在耳蜗底转鼓阶部位使用电钻打开一直径约为0.5～0.8mm的小孔,暴露基底膜,将一颗反光微珠放置于基底膜的中央,完成以上操作后使用玻璃薄片及牙科胶封闭耳蜗及听泡开孔。耳蜗正向驱动时,我们在外耳道内距鼓膜2mm处,使用微型扬声器施加80dBSPL的声压,频率范围1-40kHz。随后利用激光多普勒测振技术,测量耳蜗正向驱动下的砧骨长突、基底膜的振动。在进行耳蜗逆向驱动前,为了在豚鼠模型中实现耳蜗的逆向驱动,我们自制一套圆窗振子线圈驱动系统,并成功地经逆向途径驱动基底膜产生有效的振动。同时,为了使正逆向振动更有可比性,我们首先以1-40kHz的交流电驱动线圈,测量砧骨长突末端的振动,并以正向驱动时的结果作为参照,调整线圈驱动电流大小,间接调节磁性振子的振动强度,使得逆向驱动时砧骨长突末端的振动与正向驱动时尽可能地相近。然后保持驱动电流及其它实验设置不变,仅调整激光束,进行基底膜及磁性振子振动的测量。完成测量后,我们为了对两种途径下的传声效率进行评估,进一步计算耳蜗正逆向驱动下基底膜底转的耳蜗增益,并进行比较。在有限元数值模拟中,我们使用现有的人耳有限元模型,该模型包括外耳道、中耳、中耳腔空气、中耳韧带肌腱、耳蜗(内含前庭阶、鼓阶和蜗管,无Corti器)以及淋巴液等结构。正向驱动时,在模型的外耳道中,据鼓膜2mm处加载90dBSPL的声压,频率范围100Hz-10kHz。逆向驱动时,模拟两种不同尺寸的圆窗振子,均安放于中耳侧圆窗膜中央。1号振子较大,截面积1mm2,高1.2mm,质量7mg,与圆窗的面积比为0.47：1；2号振子较小,截面积0.314mm2,高1.2mm,质量2.2mg,为与圆窗的面积比为0.14：1。随后将一个大小为0.05mN的轴向驱动力加载在圆窗振子的游离端,频率范围100Hz-10kHz。完成以上设定后,对3个模型进行谐响应分析,并分别提取不同情况下鼓膜、镫骨底板、圆窗膜中心点的轴向振幅,以及不同频率下基底膜不同位置的振幅。同时,为了提高正逆向的可比性,以及与豚鼠实验的可比性,还分别计算不同情况下的耳蜗输入阻抗,以及基底膜底转的耳蜗增益。实验研究结果与有限元数值模拟结果基本一致。结果显示,自制圆窗振子系统运行稳定,能够从逆向途径驱动基底膜产生有效振动；基底膜的特征频率在正向和逆向驱动下相同,实验中均为15kHz左右；正向驱动较逆向驱动具有较低的耳蜗输入阻抗,较高的耳蜗增益,所以正向驱动具有较高的传声效率；逆向驱动时,使用较大的振子,可以降低逆向驱动时的耳蜗输入阻抗,从而产生较大的耳蜗增益,提高传声效率。以上结果提示,临床上,在植入逆向驱动人工中耳前,事先切除残余、废用或硬化的听骨链,可有效减少逆向途径下耳蜗的输入阻抗,以取得更好的传音效果。同时,应适当增加振子的体积,一方面可以产生更加有效的基底膜振动,另一方面,可以增强振子的电磁感应,提高振动强度,有效改善振子的频率响应。本文通过使用自制的圆窗振子线圈驱动系统,在豚鼠耳蜗上成功实现逆向驱动,并利用激光多普勒技术,首次实际测量耳蜗逆向驱动下的基底膜振动。其结果有助于阐明耳蜗逆向驱动的机制,并为评估其传音效率提供有效的方法,为临床圆窗途径人工中耳植入的改进提供依据。
【作者】陈永正；
【导师】张天宇；RongZ.Gan；
【作者基本信息】复旦大学，耳鼻咽喉科学，2013，博士
【关键词】人工中耳；耳蜗逆向驱动；基底膜；激光多普勒测振；耳蜗增益；耳蜗输入阻抗；

【参考文献】
[1]高翔.马鞍山示范园区民生工程调查报告[D].安徽大学,社会工作,2013,硕士.
[2]彭会兵.外部成本内部化条件下能源项目投资价值研究[D].兰州理工大学,会计学,2014,硕士.
[3]彭家勇.联想中小企业信息化IT1FOR1业务研究[D].四川大学,2003.
[4]何钊.葡萄籽中原花青素提取研究[D].浙江大学,生物化工,2004,硕士.
[5]曹六俊.新型二维层状纳米材料及其三维网络结构的制备与电化学储能的研究[D].重庆大学,2014.
[6]周兰娟.分级聚类算法在科研网络社团划分中的应用[D].山东师范大学,计算机软件与理论,2013,硕士.
[7]丁晓春.有序介孔碳的改性及其负载性能研究[D].南京航空航天大学,2011.
[8]杨迅.下胸段食管鳞癌二野淋巴清扫的临床研究[D].浙江大学,外科学,2013,硕士.
[9]马骞,杨以涵,郭金智.基于本体的调度决策支持软件系统的设计[J].电力系统自动化,2004,20:57-62.
[10]王运峰,张蕾,韩纪富,黄勇.数据库中关联规则的并行挖掘算法[J].计算机工程与应用,2001,16:99-100.
[11]李建兴.三峡库区不同护坡草本植物根系的固土抗蚀效应研究[D].西南大学,水土保持与荒漠化防治,2013,硕士.
[12]徐驰.基于电磁波的液位测量信号处理及实现方法研究[D].沈阳航空航天大学,信号与信息处理,2013,硕士.
[13]李峰.数字图书馆虚拟参考咨询平台的关键技术及实现[D].西安建筑科技大学,计算机应用技术,2004,硕士.
[14]李引.红壤中花生根际促生菌的筛选鉴定及其应用[D].南京农业大学,生态学,2012,硕士.
[15]林文耀.我国造纸工业近10年来工艺技术及装备新成果新成就(下)[J].造纸信息.2007(04)
[16]丰川.高山峡谷水库蓄水对淹没区地下水环境影响分析研究[D].西南交通大学,环境工程,2014,硕士.
[17]刘超然.“万维网之父”蒂姆·伯纳斯·李的科学家精神[D].重庆大学,科技哲学,2014,硕士.
[18]项喜.人民币汇率变化与中国国际直接投资的相关性分析[D].浙江工业大学,2005.
[19]刘钊汝.宗《伤寒论》“厥阴风木”失常，论甲状腺功能亢进症病机[D].广州中医药大学,中医学（专业学位）,2013,硕士.
[20]余莉萍.我国基金会体育慈善取向研究[D].北京体育大学,体育人文社会学,2013,硕士.
[21]记者王怡.碳硅烯狄拉克锥成因获解[N].科技日报,2015-04-20001.
[22]覃祖旭,张洪钺,陈一虹.变焦遗传算法及其并行实现研究[J].自动化学报,1997,06:79-83.
[23]臧军超.TDM-WDM混合10G EPON关键技术的研究[D].南京邮电大学,光学工程,2013,硕士.
[24]魏婉玲.基于反向世代视角的网络购物意向及调节因素研究[D].厦门大学,市场营销学,2014,硕士.
[25]李莉.论语篇为翻译的基本单位[D].江西师范大学,英语语言文学,2004,硕士.
[26]刘姮希.论集体土地征收中农民知情权的法律保护[D].重庆大学,法律（专业学位）,2014,硕士.
[27]韩宝玉.注意祝融留下的“脚印”——谈火场中的低位燃烧痕迹[J].安徽消防.1994(03)
[28]伊承贵,周长义.东北铁路冻土区路基病害整治的试验研究[J].中国铁路.2005(10)
[29]陈霞.我国城市人防工程的开发策略研究[D].北京交通大学,2014.
[30]于志亮.基于动态窗口的WSN安全路由算法的研究[D].东北大学,计算机系统结构,2010,硕士.
[31]袁娟,卫娜,徐勇,寇秀颖.白豆中提取的a-淀粉酶抑制剂调节高脂血症的研究[J].食品工业科技.
[32]蒋福霞.不同后顾生计来源农户耕地经营行为意愿及博弈关系研究[D].西南大学,人文地理学,2013,硕士.
[33]张亮亮,贾元华,牛忠海,于帅.引入变化趋势参数的短时交通流预测研究[J].长安大学学报(自然科学版),2015,S1:170-173+183.
[34]蔡刺猬.成年监护制度研究[D].苏州大学,民商法学,2014,硕士.
[35]汝珊珊.思茅盆地大平掌铜多金属矿床成矿模式研究[D].昆明理工大学,矿产普查与勘探,2014,博士.
[36]李海燕.公司股利分配研究[D].吉林大学,法律,2013,硕士.
[37]李群珍.二十二碳六烯酸联合5氟尿嘧啶对人肝癌细胞株HepG2增殖的抑制作用及其机制探讨[D].南方医科大学,营养与食品卫生学,2012,硕士.
[38]许士才.石墨烯的制备、表征及光电性质应用研究[D].山东师范大学,2014.
[39]王鹄,沈宇鹏.化学注浆技术在佛岭隧道突水治理中的应用[J].铁道建筑,2014,07:70-72.
[40]嵇利亚.miRNA-145对SHR动脉VSMC的表型调控作用及其机制研究[D].中南大学,临床医学,2013,博士.
[41]许可.古村落与历史文化名城保护的关系研究[D].西安建筑科技大学,艺术设计,2013,硕士.
[42]赵浚屹.物联网技术在温室大棚环境中的应用研究[D].吉林大学,软件工程,2014,硕士.
[43]邱巨龙.西北—华南地区家庭碳排放人口影响因素对比研究[D].兰州大学,自然地理学,2013,硕士.
[44]门奕娇.高血压病患者脉压、动态脉压与左房内径的相关性分析[D].河北医科大学,内科学,2013,硕士.
[45]周少华.片上RF互连关键技术研究[D].国防科学技术大学,微电子学与固体电子学,2012,硕士.
[46]李双双.政策执行中的乡村政治[D].华中师范大学,中外政治制度,2014,硕士.
[47]马灵伟,顾汉明,赵迎月,陈殿远,赵小鹏.应用随机介质正演模拟刻画深水区台缘礁碳酸盐岩储层[J].石油地球物理勘探,2013,04:583-590+676+502.
[48]许峰.政府引入CRM的初步研究[D].天津工业大学,2005.
[49]乔辉.北京T交通科技有限公司发展战略研究[D].北京交通大学,2014.
[50]张莹莹.浅层气浮+A/O工艺+絮凝沉淀+曝气生物滤池处理甲醇废水的特性研究[D].郑州大学,环境工程,2013,硕士.