付一凡 汲婧

生物力学与力生物学教育部重点实验室，北京市生物医学工程高精尖创新中心，北京航空航天大学生物与医学工程学院（北京 100083）

咽鼓管(Eustachian Tube,ET)位于侧颅底，在解剖学上属中耳的一个重要组成部分，其连接中耳鼓室与鼻咽部，是中耳与外界交通的唯一管道。ET管腔由鼓室向前、向下、向内走行，开口于鼻咽侧壁部的咽口[1]。成年人ET长约35～37mm，由外侧1/3的骨部与内侧2/3的软骨部构成，中间由峡部相连。咽口肌群主要包括腭帆张肌、腭帆提肌、咽鼓管咽肌等。ET开放主要通过吞咽等动作使腭帆张肌收缩，从而保持鼓室内外气压平衡。ET结构复杂、位于头颅深处，难以直接观察。

咽鼓管功能障碍(Eustachian Tube Dysfunction,ETD)是咽鼓管功能障碍相关症状和体征的集合，也是中耳疾病的发病原因之一[2,3]，主要表现为耳闷、听力下降、自听过响等症状[4]。根据病程，ETD可分为急性(病程少于3个月)和慢性(病程大于3个月)，后者又分为延迟开放型、气压型以及ET异常开放。延迟开放型是临床上最常见的ETD类型[3]，ET异常扩张和气压型ETD曾被视作罕见病，目前相关研究仍不完善，一般认为与ET咽口形状、直径、脂肪垫萎缩等有关[5,6]。

目前针对ETD的检测评估包括功能检查、影像学检查、问卷调查等。功能检查主要有：纯音测听、声导抗等。近年来，咽鼓管测压(Tubomanometry,TMM)逐渐被用于咽鼓管功能的检测。TMM是一种无创半客观的检查方法，实现了对ET功能的部分定量检测[7,8]。影像检查多采用CT[9]，也有使用MRI、低速鼻内窥镜观察ET黏膜和扩张情况的报道，由于ET多数时间处于关闭状态、动作频率较高，受患者体位、设备扫描时机影响，难以完整地拍摄到ET的影像。McCoul等[10]设计问卷进行ETD的量化诊断，即ETDQ-7，取得了较好的效果[7,11,12]。但调查问卷依赖患者主观感受，缺乏必要检查结果支持。

因此建立ETD模型对研究ET结构功能、探究诊断金标准乃至寻找ETD病因至关重要。目前ETD疾病模型应用较多的是动物模型或尸头模型。近年，得益于计算机性能的提高和仿真建模理论的完善，通过CT图像构建数值模型并进行有限元分析被广泛应用于牙齿和脊柱等部位的治疗方案评估，而这一技术也成为ETD研究的有力工具。

1 咽鼓管模型研究

迄今，研究者提出了许多建立ETD模型的方法，大致可以分为动物模型、尸头模型、数值模型等，对各种模型的比较见表1。

表1 ET研究模型的比较Table 1 Comparison of ET models

1.1 动物模型

目前针对ETD建立的动物模型主要集中在鼠[13,25,26]和兔[15]等小型实验动物，也有使用羊[27,28]和小型猪[17,18]模型的报道。

1.1.1 鼠模型

Varsak等[13]，Yang等[26]分别使用小鼠和SD大鼠提出了构建ETD模型的方法。Varsak等[13]将填充物通过健康小鼠的鼓膜孔置入并堵塞ET，以构建ET堵塞模型。观察发现全部实验侧均产生了由于ETD引发的鼓膜薄厚不均、鼓膜透明度变化及中耳积液等现象。Yang等[26]则通过卵清蛋白诱发SD大鼠产生过敏反应，导致ET上皮肿胀增厚、软骨部纤毛密度降低，排液功能受损，构建由ETD导致的嗜酸性中耳炎模型。

鼠模型具有取材简单、与人ET结构及应激反应相似[25]等优点。然而，现有对鼠的ET研究多由颈部切口后进行手术操作，临床可行性较低。此外鼠囿于体积限制，ET结构微小，在观察和手术操作上都增加了难度。

1.1.2 兔模型

Guan等[16]描述了新西兰兔ET的解剖结构；Wang等[15]在低压舱内模拟快速垂降，建立了中耳气压伤动力学模型，并对ETD进行了分型研究。

兔耳外耳道较宽，更易于观察，对解剖学与形态学研究有重要意义[16]。但兔的鼓膜菲薄，鼓室有分隔，兔ET开口于下方的听泡[29]，对于研究人ET生理和病理特点指导意义相对较弱。

1.1.3 猪模型

安丰伟等[17]选择小型猪进行猪ET的深入研究。通过组织学分析表明小型猪与人的ET结构基本相同，且小型猪的黏膜皱襞、淋巴组织杯状细胞腺体和Ostmann脂肪垫等均与人体相近。Kim等[30]使用家猪作为研究对象，构建了球囊咽鼓管成形术后的阻塞难治性ETD模型，并尝试依据这一模型检验治疗方案的可行性。

猪是一种较为适合进行临床手术研究的动物模型，但仍与人体实际情况有着一定的差异。小型猪具有相对较大的ET管腔体积，有利于气压的平衡。

1.2 尸头模型

与动物模型做间接研究相比，直接对人体进行的研究对临床诊疗的指导意义更强。由于在活体状态下无法直接观测ET，大多数学者选择使用尸头进行研究。

Komune等[6]通过鼻内窥镜研究尸头，将ET作为颅底定位的重要标志，并明确了人ET及其周围结构之间的位置关系。McCoul等[19]提出可以利用尸头进行咽鼓管球囊扩张术的训练，统计结果表明这种训练有助于外科医生手术技能的提升。

尸头可以完整真实的反映ET及相关结构在人体内的解剖学形态，但无法直接研究ET的生理活动。因此使用尸头模型进行ETD研究进展缓慢。此外，样本量十分有限也是限制尸头模型发展的一个重要原因。

1.3 数值模型

1.3.1 数字重建技术

数字重建技术为医学的发展提供了有效的辅助研究手段。自1991年首次提出使用计算机处理组织图像生成重建的ET模型后，数字重建技术逐渐受到重视。

目前ET重建方法主要是采用影像学数据与后处理技术。Kourtidis等[3]通过CT图像重建了ET的三维模型，同时测量了ET截面积、长度、倾角等形态学参数，并将测量结果与样本临床指征进行了对比和相关性分析。Shallik等[31]使用螺旋CT扫描数据生成ET管腔内部图像，模拟对ET的内窥镜检查。该方法能够观察ET管腔内部和周围乳突窦、咽鼓管峡部等结构。

1.3.2 基于有限元分析的模型

有限元分析(Finite Element Ansys,FEA)可以利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟，近年来被广泛应用于生物力学如骨骼、牙齿等器官的研究。随着技术成熟，也有学者使用FEA进行中耳力学研究[24,32,33]。FEA的完整分析流程通常包括数据获取与前处理、模型三维重建与优化、力学环境模拟与参数设置、测量部位的设定与计算等步骤。目前有两种获得FEA分析的模型方法，其一为CT直接扫描志愿者或尸头获得图像数据，另一种为制作组织切片并逐层扫描还原生成三维模型。

Ghadiali等[20]对健康人的ET软骨中部进行扫描，得到了平面有限元模型。通过施加肌肉拉力模拟ET扩张，以确定ET开放程度与肌肉拉力和软组织弹性的关联性。模拟计算表明，ET扩张与肌肉拉力显著相关，而与Ostmann脂肪垫等软组织弹性关联性较低。

Sheer等[21,23]与 Malik[22,34]和 Jin[24]等，使用尸头等样本进行切片和染色观察及CT成像，经过扫描后得到三维重建的ET模型。研究了腭帆张肌等肌肉拉力、ET管腔内粘附力、组织材料特性等参数对气流流动情况的影响，模拟ET开放和软组织变形。模拟结果表明某些幼儿ETD患者对肌肉拉力变化不敏感，而对黏膜组织弹性、粘附力等参数敏感，为治疗婴幼儿ETD提供了一种思路。Jin重建了中耳数值模型，综合中耳整体的计算发现单次ET开放周期内，中耳压力有周期性波动，同时验证了乳突在中耳通气时有缓冲作用。通过比较疾病模型和正常模型，提出咽鼓管峡部的变化会导致更为剧烈的ET内压力变化。

基于FEA的数值模型相较于前述各类模型具有更好的还原度、信度，特别是可以准确控制单一变量，研究难以直接在人体内验证的问题，对于ETD诊断和分型的研究都有十分重要的推动作用。此外，数值模型可视化的特点有助于临床医师掌握ET的物理变化，增强对ETD病因及诊疗方式的理解。

然而，目前将FEA用于ET研究仍然有较大局限。尽管FEA是一种仅依赖于图像数据与力学参数的、完全可重复的模型，可靠性较高，但在用于ET研究时，仍然存在着许多困难与不确定性：（1）在数据获取与前处理过程中，由于ET体积较小，临床使用的CT设备分辨率难以满足使ET清晰成像的要求，延长扫描时间或减小扫描层厚则会引起辐射总剂量增加等问题，使用组织切片的方式又难以在生理条件下实现。而ET频繁开闭也导致影像学检查难以把握时机，获得的图像数据中组织边界不清晰从而影响模型结果；（2）在ET模型三维重建与优化过程中，受图像噪点影响，重建的模型表面较粗糙，需要对模型进行平滑处理，这势必会丢失部分特征，降低其还原度。而组织切片的方法在还原成三维结构时，其不同片层间堆叠误差和扫描误差，对模型也有较大影响[20]；（3）在力学环境模拟与参数设置时，也面临着肌肉与软骨及粘膜等组织在人体内的力学性能难以测量，构建模型时往往将ET过度简化为刚体[24]，未考虑软组织的形变等诸多问题；（4）在测量部位的设定与计算过程中，FEA需要使用高性能计算平台进行运算，对硬件要求较高、耗时较长[24,33]，不利于临床医生的学习与研究。总之，为了解决上述问题，仍需广泛的临床观测和实验数据积累。

2 总结与展望

ET是沟通中耳与外界的重要通道，对于耳部各项生理功能有重要作用。由于其位置深在、周围结构复杂，邻近重要血管、神经，从而难以探查，对于ET的研究无法深入开展。动物模型的研究一定程度上揭示了ET的结构与病理特征，但其与人ET的实际情况仍有区别。尸头模型的研究有助于了解ET的形态学特点，但无法研究功能的变化。

随着技术的发展，通过构造ET数值模型来模拟ET结构功能及病理状态的优势日益突显。未来在CT、MRI重构ET三维模型的基础上，将不同生理及病理状态下的ET模型进行对比，并将结果与病人实际情况相互验证，是进一步探索并建立ETD诊断“金标准”的有力途径。