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基于有限元方法的中耳听骨链结构运动机理研究

曾新宇 殷亮 陈向东

曾新宇, 殷亮, 陈向东. 基于有限元方法的中耳听骨链结构运动机理研究[J]. 分子影像学杂志, 2017, 40(2): 161-166. doi: 10.3969/j.issn.1674-4500.2017.02.11
引用本文: 曾新宇, 殷亮, 陈向东. 基于有限元方法的中耳听骨链结构运动机理研究[J]. 分子影像学杂志, 2017, 40(2): 161-166. doi: 10.3969/j.issn.1674-4500.2017.02.11
Xinyu ZENG, Liang YIN, Xiangdong CHEN. Structure movement mechanism for auditory ossicle chain of human middle ear based on finite element method[J]. Journal of Molecular Imaging, 2017, 40(2): 161-166. doi: 10.3969/j.issn.1674-4500.2017.02.11
Citation: Xinyu ZENG, Liang YIN, Xiangdong CHEN. Structure movement mechanism for auditory ossicle chain of human middle ear based on finite element method[J]. Journal of Molecular Imaging, 2017, 40(2): 161-166. doi: 10.3969/j.issn.1674-4500.2017.02.11

基于有限元方法的中耳听骨链结构运动机理研究

doi: 10.3969/j.issn.1674-4500.2017.02.11
详细信息
    作者简介:

    曾新宇,本科,副主任医师,E-mail: szzengxinyu@163.com

Structure movement mechanism for auditory ossicle chain of human middle ear based on finite element method

  • 摘要: 目的 运用中耳Micro-CT扫描数据进行三维重建,采用有限元方法对听骨链运动规律及鼓膜振动特性进行生物力学研究。 方法 通过对比鼓膜凸、镫骨足板振幅实验数据验证模型,并进行频率响应分析及模态分析。 结果 在不同频率下听骨链振动与转动均不一样,三块听小骨围绕一定的转动轴进行转动和摇摆运动,接近鼓膜凸处的锤骨柄做同相位转动和平动,镫骨足板做活塞平动。在频率1000 Hz下鼓膜整体弯曲变形局部高达2.32e-006 m,出现在环韧带附近;鼓膜凸最大变形约1.0e-007 m。鼓膜环韧带在声压激励下容易发生扭曲变形。鼓膜凸附近出现应力集中,最大应力约8.33e-004 MPa。 结论 听骨链运动机理研究对人耳生命科学研究和临床手术均有一定的理论指导意义。

     

  • 图  1  颞骨Micro-CT扫描图像

    图  2  CT三维重建听骨链模型

    图  3  听骨链3D模型修复

    图  4  中耳有限元网格模型

    图  5  鼓膜凸振幅数据对比(FEA仿真与Gan2004实验)

    图  6  镫骨足板中心处振幅数据对比(FEA仿真与Gan2004实验)

    图  7  7个不同频率下的听骨链结构振型

    图  8  听骨链运动机理与转动轴的关系

    图  9  鼓膜结构受力运动情况

    表  1  中耳听骨链、各韧带、各肌腱的材料参数

    听小骨结构 弹性模量(MPa) 密度(kg·m-3 软组织结构 弹性模量(MPa) 密度(kg·m-3
    锤骨 锤骨头 14100 2550 鼓膜紧张部 35 1200
    锤骨颈 14100 4530 鼓膜松弛部 10 1200
    锤骨柄 14100 3700 鼓膜环韧带 0.6 1200
    砧骨 砧骨体 14100 2360 锤骨上悬韧带 4.9 2500
    砧骨短突 14100 2260 锤骨侧韧带 6.7 2500
    砧骨长突 14100 5080 锤骨前韧带 2.1 2500
    镫骨 14100 2200 砧骨上悬韧带 4.9 2500
    锤-砧关节 14100 3200 砧骨后韧带 6.5 2500
    砧-镫关节 0.6 1200 镫骨环韧带 0.2 1200
    / / / 鼓膜张肌 2.6 2500
    / / / 镫骨肌 5.2 2500
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  • 收稿日期:  2017-01-06
  • 刊出日期:  2017-02-01

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