张天宇 王舒琪 任柳杰

耳力学属于生物力学在耳科学的分支，研究领域包括内耳力学和中耳力学两大部分。中耳是听觉系统长期进化所形成的高效力学放大、阻抗匹配系统，中耳力学采用力学原理，通过测量、计算和分析声波激励下鼓膜、听骨链等的振动和形变特征，研究中耳鼓膜-听骨链-韧带-肌肉复合系统实现高效传音的力学机制，以及病理状态、听骨链置换等对中耳功能的影响。

中耳力学研究旨在阐明中耳系统功能实现的力学机制及各类病理条件下的影响，为诊断、修复、重建、替代以及人工助听装置设计和应用提供参考。中耳力学研究不仅对中耳放大传声机制和传导性听觉重建有重要指导作用，同时也对各类先天性中耳畸形和中耳疾病的认识和诊疗都具有积极意义。对中耳和内耳力学的历史发展和研究内容此前已经做过系统综述[1～3]，但近十年来中耳力学在测量技术、理论机制、临床应用等方面不断产生新的进展。本文主要介绍中耳力学领域的新进展，尤其是近五年来的热点问题。

1 中耳力学的研究技术

中耳力学的研究技术包括实验研究和力学计算两类。实验研究以动物模型、颞骨标本在固定激励(如：静压力、声音刺激等)下关键部位振动、压力等力学参数的测量为主要手段，其中激光多普勒测振(laser doppler vibrometry, LDV)技术是中耳力学研究中应用最为广泛的技术，其具有纳米级精度、非接触测量的优势，在耦合显微镜后适用于中耳、内耳微小结构的振动测量。LDV分为单点式和扫描式两种，前者仅能对被测物表面固定点的振动进行测量，后者则通过触发器和光学偏转装置，经自动化的逐点测量还原被测物全表面的振动形态。在中耳力学研究中，常测量的特征位置包括鼓膜脐部、镫骨底板、镫骨头、圆窗等，用以评估中耳的传声特性。例如：将鼓膜接受单位声压激励下镫骨底板的振动速度定义为中耳传递函数(middle ear transfer function, METF)(Puria,2013)；METF具有频率相关性，是中耳各频段传声性能的最重要的量化指标，人类中耳的METF曲线在1 kHz左右呈现明显的峰值(图1)[4,5]。

图1 中耳传递函数与声波频率的关系

近年来一种新型的体积相干光断层扫描测振(volumetric optical coherence tomography vibrometry，VOCTV)技术亦开始应用于中耳力学研究，该技术亦称为Doppler OCT技术或者相敏OCT技术等，是在传统OCT的基础上发展而来，不仅保有OCT原有的高精度成像功能，同时可以进行微振动测量；其优势是可进行无创的穿透式测量，可透过鼓膜测量听骨的振动[6]。此外，超高速摄像机、耳蜗微压测试装置[7,8]等也是中耳力学研究中的常用手段。

力学计算是指使用振动力学、多体动力学、连续介质力学等力学理论对中耳进行系统建模。目前研究中最为常用的建模形式包括集总单元(lump element)模型和有限元(finite element, FE)模型，集总单元模型将中耳相关的各结构(如：外耳道、鼓膜、听骨链、中耳腔等)的力学阻抗进行表征，将中耳系统简化为若干个基本力学单元串联、并联形成的网络系统，在实际研究中还常采用“力—电模拟”将其简化为电路模型进行求解[9]。集总单元模型具有模型小、计算与分析简便的优点，但存在部分力学参数定义不明确，无法准确捕捉中耳功能中的复杂细节等不足。

有限元模型则充分保留了中耳结构的重要形态学特征，基于各结构合适的材料性质(如：密度和杨氏模量)，通过施加恰当的力学边界条件和载荷，并将几何结果离散成上千个乃至更多的单元和节点进行求解；求解结果能够反映激励下每个节点的位移、速度以及每个单元的应力信息(Gan,2004)，因此，该方法具有高仿真、贴近真实的优势，其较高的计算代价随着计算机技术的发展也不再成为技术瓶颈。

2 中耳力学的研究进展

中耳力学研究内容丰富，形成了多个研究热点，近年来相关论文和研究成果呈现稳定增长的态势。由于篇幅限制，本文仅对若干重点热点问题的新进展进行介绍。

2.1中耳的复杂运动模式 中耳放大系统的经典理论指出，面积机制、杠杆机制以及鼓膜弧度是中耳力学机制的核心，但实际上中耳的运动十分复杂。听骨链的运动呈现复杂的三维形式[10]，镫骨也不仅仅是简单的活塞运动，在中高频还存在绕底板长轴和短轴的摆动(Sim,2010)。同样，鼓膜的运动也具有复杂性(de La Rochefoucaluld,2010)，Chen等[11,12]、Rosowski等[13]都发现高频下鼓膜出现了类似“波”的运动。中耳的复杂结构和复杂运动背后的力学机制及其生理意义和临床价值仍待进一步研究，关于鼓膜与听骨链的复杂运动的相关假说包括：①有益于改善高频响应；②有利于在中耳压力变化时仍保持较好传声特性；③在如爆炸声等冲击刺激时具有保护作用。

2.2中耳损伤、修复重建与传声功能 中耳力学的另一研究热点是各类中耳损伤对中耳传声功能影响及临床使用的修复重建手段的客观效果研究，对于了解疾病机制、促进临床诊断和选择治疗策略具有积极意义。Zhang 等[14]使用LDV测量发现镫骨轻度固定时豚鼠镫骨底板低频振动显著降低，和镫骨硬化的听力变化类似;Labato等[15]使用力学模型研究了镫骨不同程度的损坏、断裂等对中耳传声的影响;Cai等[16]使用LDV研究了鼓膜穿孔的影响，并讨论了修复材料厚度的影响;Dong等[17]使用颞骨实验比较了正常、切断砧镫关节、医用胶修复以及使用部分听骨赝复物(PORP)重建后中耳传递函数的变化，发现使用修复或重建手段都能很好地恢复低频听力，但是高频响应恢复不佳，其原因可能是修复和重建过程中砧骨和镫骨/PORP的过度固定。振动声桥(VSB)等人工中耳装置是中耳功能修复的另一重要方面，植入后的工作性能及对残余听力和内耳的影响也可以使用LDV等手段进行评估[18,19]。

2.3鸟式听骨和听骨赝复物 哺乳动物有三根听小骨，而鸟类仅有一根，称为鸟式听骨。经过全听骨赝复物(TORP)重建后，患者的中耳结构和鸟式听骨具有相似性，因此研究鸟式听骨中耳系统的传声特性具有启示意义。但既往对于鸟类中耳系统的研究局限于单个特殊物种研究和测量为主[20～23]，仍缺乏系统研究。Peacock等[24,25]结合比较学和耳力学研究方法，对鸟类听骨的形态和功能做了细致的研究，发现鸟类中耳形态(如鼓膜面积、听小骨长度和底板面积等)与体型具有正相关性，而中耳共振频率亦与听小骨长度有负相关关系。在实际应用中，鸟式听骨系统也为柔性听骨赝复物的设计提供了启示[26,27]。力学与工程设计中的新方法，如：拓扑优化[28]以及特殊粘弹性材料设计，也逐渐应用到听骨赝复物的设计中。

3 中耳力学未来研究方向

3.1新型诊断和评估手段 LDV、VOCTV等中耳力学测量手段可对中耳传声功能进行客观、精确的评估，因而在临床检测中具有潜在应用价值[29]，例如：Wasson等[30]应用LDV测量人工耳蜗植入患者的鼓膜振动，以此验证手术对中耳功能不产生显著影响;MacDougall等[31]应用VOCTV经完整鼓膜成功测量镫骨硬化患者的镫骨振动，为无创中耳功能检测提供了新的可能。

3.2人工听骨和3D打印技术 当前人工听骨(听骨赝复物)采用钛合金制造，受工艺、市场等影响，其结构相对固定，无法做到个性化设计。3D打印技术在医工结合领域具有巨大的潜力，一些研究团队已开始致力于听小骨乃至整个听骨链的3D打印设计;Kuru等[32]设计和制造了完整的3D打印听骨链模型，其传声性能接近正常人类中耳。Hirsch等[33]着力于个体化设计的3D打印听小骨研究，并在颞骨标本上进行测试。

3.3新型人工中耳装置 当前人工中耳面临保留气导听力、减小设计尺寸、增大声能增益、易于手术安装等多种设计要求,设计中需保持装置的输出特性与正常中耳的传声特性相符，以保证植入患者听觉的清晰度和舒适性。因此，基于中耳生物力学的人工中耳新型装置研发是未来的研究方向之一，目前也已经有部分尝试性研究;Rusinek等[34]构建了集中参数模型描述VSB的漂浮质量振子安装砧骨长突上的动力学行为，Mocanu等[35]则采用FEM模型和LDV实测进行分析。Shin等[36]设计了一种新型的人工中耳压电振子，该振子可安装在中耳腔耳蜗骨质表面，研究人员应用有限元和振动力学理论进行振子的性能分析，并行LDV实验验证。Seong等[37]则设计了一种新型麦克风，可安装在鼓膜背面检测鼓膜的振动，检测到的信号可有效激励人工中耳及其它人工听觉装置。

4 结论与展望

综上所述，中耳力学作为实验听力学的重要组成部分，经过几十年的发展，其涵盖内容的深度和广度都大幅增长。一方面，作为人类听觉系统的重要环节，对其传声、放大、保护功能的机制研究虽已深入，但仍待进一步完善；另一方面，中耳相关疾病对中耳传声功能的影响及其修复、重建需求又赋予了中耳力学研究重要的使命。中耳力学作为一门交叉学科，其多学科融合的趋势愈加明显，与生物材料、生物医学工程以及临床医学寻找结合点，发展新型诊断、治疗方法，是中耳力学未来的研究方向。