张文伟 刘稳 刘后广 赵禹
鼓膜穿孔十分常见，主要由中耳感染、外伤或医源性原因引起；
不同部位、大小的鼓膜穿孔可能对不同频率的听力产生不同程度的影响[1]，穿孔也可能导致细菌入侵，引起中耳炎症反复发作和中耳结构破坏。临床上外伤导致的鼓膜穿孔在保持外耳道相对干净无菌的状态下大多数可以在1～2个月内愈合[2,3]，但较大的外伤性穿孔以及反复炎症造成的穿孔无法自行愈合，尤其是当穿孔边缘涉及锤骨柄两侧或鼓膜边缘等存在上皮细胞生发中心的部位[4,5]。鼓膜成形术也称作鼓膜修补术，是用移植材料修复穿孔的鼓膜，目前常用的移植材料包括颞肌筋膜、耳屏软骨(包含或不包含软骨膜)、耳甲腔软骨以及人工合成材料等，其中最常见的是颞肌筋膜和耳屏软骨，但究竟哪种更有利于术后听力恢复并无统一意见。故本研究采用有限元分析的方法，分别模拟不同面积中央性鼓膜穿孔，并用不同厚度的耳屏软骨或颞肌筋膜修补鼓膜，通过比较镫骨底板位移的频率-幅度曲线，评估不同厚度耳屏软骨和颞肌筋膜对术后听力恢复的影响。
1.1正常中耳的有限元模型的建立 从安特卫普大学网站下载安特卫普大学生物物理和生物医学物理实验室(BIMEF)分享的正常人中耳有限元高分辨率表面模型 (https://www.uantwerpen.be/en/rg/bimef/downloads/)，并将模型文件导入到Hypermesh系统(Altair公司，美国)，进行布尔运算和3D网格划分，最后将建好的人体中耳模型导入Abaqus系统(达索公司，法国)进行中耳有限元模拟。为了使模型更加准确，鼓膜的建模采用两层实体结构，分别用外侧30 μm厚度和内侧20 μm厚度的实体网格来模拟正常人耳鼓膜外侧的放射状纤维层和内侧的环状纤维层[6]，鼓膜外侧的上皮细胞层和内侧的粘膜细胞层忽略(其对听力的传导作用很微弱)。
本研究的人耳有限元模型中，各个部分简化成均匀且各向同性的材料，各部分材料的泊松比都假设为0.3[7,8]。动态分析过程中，采用两个不同的能量损耗形式来体现，鼓膜紧张部(内外两层)、鼓膜松弛部、鼓膜环韧带以及镫骨环韧带采用粘弹性材料模型，动态能耗通过粘性部分表达，其松弛模量E(t)可表达成公式(1)：
(1)
其中，E0、E1、τ是粘弹性参数，主要参考文献报道[8～10]，其数据见表1。
表1 鼓室各部件组织材料粘弹性参数
除上述人耳软组织外，其余各部分能量损耗均采用瑞利阻尼的形式，阻尼系数设为α=0 s-1，β=0.75×10-4s[8]。中耳组织材料属性主要参考文献报道[7,11～13]，并结合模型优化而确定，具体数值见表2。
表2 中耳各部件组织材料杨氏模量和密度
本研究的人耳有限元模型中，中耳各肌腱端部、韧带端部、鼓膜环韧带边缘与镫骨环韧带边缘均固定处理。
1.2不同面积中央性鼓膜穿孔有限元模型的建立 在本研究的人耳有限元模型中，主要模拟圆形或类圆形中央性鼓膜穿孔(即锤骨柄两侧细胞生发中心破坏，穿孔中央仅残留锤骨柄)(图1)，穿孔面积分别为3.10、10.66、22.25、42.0 mm2，即以半径约1 mm递增的形式模拟鼓膜穿孔，穿孔面积分别占鼓膜总面积的4.2%、13.9%、30.1%、58.0%。
1.3不同材料修补鼓膜穿孔有限元模型的建立
1.3.1鼓膜穿孔移植修补材料 鼓膜穿孔移植修复材料选择耳屏软骨和颞肌筋膜，材料属性主要参考已发表的文献报道(表3)。人体耳屏软骨的厚度约为1 mm[14]，术中将其削薄一半，本研究分别建立0.25、0.5和1 mm厚的实体几何来模拟临床手术常见软骨片；
颞肌筋膜的厚度约0.8 mm[15]，考虑到完整的颞肌筋膜包含多层结构(主要包括颞浅筋膜、颞深筋膜及其中间的脂肪和血管夹层)，本研究分别建立0.4 mm和0.8 mm厚度的实体几何来模拟手术中常见厚度的颞肌筋膜。
表3 鼓膜修补材料耳屏软骨、颞肌筋膜的属性
1.3.2鼓膜穿孔修补模型 基于上面建立的中央性鼓膜穿孔的有限元模型，分别建立不同厚度和移植材料的鼓膜修补术后有限元模型。临床医师在进行鼓膜修补术的过程中为了使移植物能更好地与鼓膜贴合在一起，往往会在穿孔的边缘创造1～2 mm的移植床[21]，导致移植材料面积比实际鼓膜穿孔面积大。本模型中为了更准确的模拟实际状态下修补术后的鼓膜，移植材料模型的半径比实际鼓膜穿孔半径大1～1.2 mm，即3.10 mm2中央性穿孔移植材料截面积10.66 mm2，10.66 mm2中央性穿孔移植材料截面积22.25 mm2，22.25 mm2中央性穿孔移植材料截面积42.0 mm2，42.0 mm2中央性穿孔移植材料截面积66.50 mm2，在模型中采用节点绑定的形式模拟术后移植材料与移植床的贴合。
1.4各模型镫骨底板位移频率-幅度曲线的获得及分析 分别于正常中耳有限元模型、不同面积鼓膜穿孔有限元模型以及不同材料鼓膜穿孔修补术后有限元模型的鼓膜外侧施加90 dB SPL声压，进行谐响应分析，得出从0.25～8 kHz的镫骨底板位移频率-幅度曲线(分别在镫骨底板前后上下和中间各取1点，并计算平均数值)，将正常中耳有限元模型的结果作为基准曲线，将其余模型的结果与之对比，评估不同面积穿孔和不同移植材料修补鼓膜穿孔对听力的影响。
2.1正常中耳有限元模型验证 有限元模型获得的镫管底板位移频率-幅度曲线与Gan等[22]实验结果均值进行对比，如图2所示，本模型计算结果的幅值和趋势与Gan等的实验数据较好的吻合。再通过反映中耳传递特性的镫骨底板速度传递函数对所建模型做进一步验证，在模型鼓膜处施加90 dB SPL声压激励进行谐响应分析，获得镫骨底板位移速度响应值，按表达公式(2)进行计算，得到镫骨底板速度传递函数：
(2)
公式中：STF为镫骨底板速度传递函数，VFP为镫骨足底板速度，PTM为鼓膜外表面声压；
并将仿真值与 Aibara 等[23]对12例颞骨样本测量所得的实验结果进行对比，结果如图 3 所示，模型计算的数值在Aibara 等实验测得平均值±标准差的范围区间内,说明本研究模型对镫骨底板位移、镫骨底板速度模拟的计算结果皆与既往实验测量结果具有良好的一致性，能够对人耳传声的力学特性进行模拟研究。
2.2不同面积中央性鼓膜穿孔对镫骨底板位移的影响 基于所建不同面积鼓膜穿孔有限元模型，计算90 dB SPL声压激振下蹬骨底板位移，并与无穿孔状态下计算的结果(基准曲线)进行对比，结果如图4所示，可见随着穿孔面积增大，总体镫骨位移呈现下降趋势，其中，低频区域(0.25～1 kHz)镫骨位移阶梯性下降趋势明显。从图5中可见，随穿孔面积增大平均镫骨位移下降明显，人耳听力明显降低；
中高频区域镫骨底板位移总体呈下降趋势，但位移曲线变得不规则(考虑与穿孔后穿孔边缘活动度变大有关)，不同面积鼓膜穿孔镫骨足底板位移曲线共振频率稍不同。
2.3不同材料修补鼓膜穿孔对镫骨底板位移的影响 图6示，在中央性鼓膜穿孔面积3.10 mm2状态下，无论是耳屏软骨还是颞肌筋膜，不同厚度的移植材料获得的镫骨底板位移曲线虽然不能与正常鼓膜的镫骨底板位移曲线(基准曲线)完全吻合，但均能基本贴近，即鼓膜修补后患者可以基本恢复正常听力。图7示，在中央性鼓膜穿孔面积10.66 mm2状态下，以不同厚度的耳屏软骨或颞肌筋膜做移植材料获得的镫骨底板位移曲线也基本贴近于基准曲线，但0.25、0.5 mm厚度耳屏软骨作为移植材料的位移曲线更符合基准曲线。图8示，中央性鼓膜穿孔面积22.25 mm2状态下，在低频区域(0.25～1 kHz频段)，耳屏软骨比颞肌筋膜获得的镫骨位移曲线与基准曲线的差异小；
在高频区域(1.5～8 kHz频段)，0.25、0.5 mm厚度耳屏软骨和0.4 mm厚度颞肌筋膜能获得更贴近基准曲线的镫骨底板位移曲线。图9示，42.0 mm2的中央性鼓膜穿孔面积修补材料面积几乎接近整个鼓膜紧张部面积，有限元模型分析结果显示使用颞肌筋膜和1 mm耳屏软骨进行鼓膜修补术后获得镫骨底板位移曲线与基准曲线的差异较大，而0.25 mm或0.5 mm厚度的耳屏软骨获得的曲线差异较小，且0.25 mm厚度耳屏软骨的镫骨底板位移要优于0.5 mm厚度耳屏软骨。
颞肌筋膜和耳屏软骨是目前最常用的鼓膜穿孔修补材料，临床研究发现，颞肌筋膜作为鼓膜穿孔修补材料，术后1年鼓膜穿孔愈合率为90%～95%，3～10年鼓膜再穿孔率为10%～15%[24]。相比较而言，软骨的刚度更好，可以有效减少移植材料回缩和抵抗中耳腔内的负压，使鼓膜成形术后发生耳漏、胆脂瘤以及再穿孔等并发症的概率比颞肌筋膜明显降低[25]，因此，越来越多的医师指出使用软骨作为移植材料术后形态学结果更好。但是耳屏软骨的厚度和刚度是否会影响修复后鼓膜和听骨链的振动尚存在争议，因此，两者术后听力改善效果尚无完全一致的结论。另外，对于以耳屏软骨作为移植材料进行鼓膜成形术，已发表的文献大多数建议采用0.5 mm厚度[16,26]，未考虑鼓膜穿孔面积的影响。故本研究采用计算机有限元方法进行动态模拟，在不考虑其它中耳病变的情况下，对不同面积中央性鼓膜穿孔修补术后听力变化进行研究，探讨不同厚度的材料修补鼓膜穿孔术后的听力效果。
Gan等[27]实验中相同声压分别作用于不同人耳，固定频率下的镫骨底板位移幅度略有差异，但镫骨位移曲线的形状明显相似，实验者取结果数据的均值；
De Greef等[28]针对不同人耳的有限元模型分析也获得类似结果。而对于单个个体，Guinan等[29]动物实验中声压(最高到130 dB SPL)引起的镫骨运动主要呈活塞样式，镫骨位移幅度与施加的声压级呈线性关系。另外，Gan等[22]实验表明鼓膜穿孔可导致镫骨底板位移幅度降低，穿孔越大位移降低也越明显，且相应的有限元模型计算值与实验数值有明显的一致性(低频略不同，考虑是噪音干扰导致)。本研究中有限元模型是基于单个人耳颞骨构建，模型分析得到的镫骨底板位移曲线虽无法与不同个体的人耳镫骨位移曲线完全吻合，但位移曲线的总体趋势适用于不同的人耳，可通过将鼓膜穿孔以及不同材料修补后的锉骨底板位移曲线与基准曲线进行比较评估人耳的听力情况。
文献报导，鼓膜穿孔面积百分比与听力损失成正比[30,31]，本研究有限元模型也证实，随着穿孔面积的增大，总体镫骨底板位移幅度呈下降趋势。对于不同面积鼓膜穿孔的修复材料，文中结果显示，在半径<2 mm的较小鼓膜中央性穿孔(穿孔面积3.10、10.66 mm2)状态下，不同厚度的耳屏软骨和颞肌筋膜作为移植材料术后镫骨底板位移没有显著差异，均可以较好的恢复患者听力；
但对于半径>2 mm的中大型穿孔(穿孔面积22.25、42.0 mm2)，耳屏软骨作为移植材料的模型中镫骨底板位移曲线比以颞肌筋膜作为移植材料更贴近基准曲线，尤其是在低频(0.25～1 kHz)频段的优势更加明显，如果软骨片厚度修剪至0.25 mm，术后听力效果更好。
中耳的主要功能是通过声阻抗匹配作用将空气中的声能高效地传入内耳淋巴液中，鼓膜的振动在气体到液体的声能转换中起到了关键性作用[32]，鼓膜自身弹性(主要指杨氏模量)、厚度、质量等物理特性是影响鼓膜振动的关键因素。颞肌筋膜和软骨的杨氏模量均较正常鼓膜低，结合Gan等[7]实验结果，较低的杨氏模量不利于声能传导，尤其是在高频状态下，镫骨底板位移明显降低。颞肌筋膜较松弛柔软，用其修补鼓膜后耳道内声波无法引起有效的鼓膜振动，并且术后容易导致内陷粘连或前缘钝角愈合；
而软骨片对声压的接收和传导能力优于颞肌筋膜，但软骨厚度往往比鼓膜自身厚度(65±7 μm)[6,33]厚很多，修补术后鼓膜质量明显增大，相同外耳道声压下，较厚的鼓膜振动幅度较小。随着鼓膜穿孔面积变大，修补材料面积相应变大，这种差异对于声波传递的影响更明显。因此，使用耳屏软骨和颞肌筋膜作为移植材料修补中央性较小穿孔后镫骨底板位移没有显著差异；
随着穿孔面积增大，以较薄的耳屏软骨作为移植材料得到的镫骨底板位移曲线与基准曲线差异更小。
尽管有限元模型可以很好的理解人耳生物力学，但与真实的人耳和中耳疾病的病理生理变化相比，仍有一定局限性，该模型没有将中耳粘膜皱襞、中耳腔以及中耳组织不均匀且各向异性的特性考虑在内，导致模型并不能与实际的人体中耳结构完全匹配；
鼓膜穿孔往往伴随咽鼓管功能障碍、中耳炎症、胆脂瘤、听骨链破坏或中耳粘连等其它中耳病变，使得绝大多数中耳鼓室成形术更为复杂；
移植材料成活后的再塑形以及个体术后恢复的差异化，使术后听力情况不能进行标准化预测；
模型是一种理想化的设计，实际手术操作中很难精确做到；
但利用有限元模型研究结果与临床研究结合，仍能为临床实际提供一定的指导。