完壁与开放式乳突根治术后空气传导的有限元模型分析△

万瑾 刘稳 赵禹 刘后广 厉媛

1 徐州市第三人民医院(徐州 221005)； 2 徐州医科大学附属医院耳鼻咽喉科; 3 中国矿业大学机电工程学院； 4 徐州医科大学附属医院影像科

慢性化脓性中耳炎和中耳胆脂瘤是中耳、乳突常见的慢性炎症性疾病，大多数患者伴有不同程度的传导性听力下降。乳突根治鼓室成形术是治疗此类中耳炎的常用方法，目前最常用的术式包括开放式乳突根治术和完壁式乳突根治术，以及为缩小术腔进行的各种改良，如:使用骨粉、筋膜等自体组织对开放式乳突根治术腔进行填塞[1]。对于完壁和开放术式对术后听力的影响，目前发表的文献结论不一，有临床分析认为完壁式乳突根治术后患者听力较开放式提高明显[2]，也有的研究认为二者并无差异[3]。在临床实际工作中，术式的选择取决于病变范围、程度以及乳突发育的程度[4, 5]，因此单纯根据临床数据难以得出可靠的结论；另外，文献中通常仅对术后平均听阈和气骨导差进行测试，未具体比较不同频率的听力特点[6]；因此，有必要通过不同的方法来准确评估不同手术方式对患者术后听力的影响。随着计算机技术的发展，有限元仿真技术可以较真实的模拟人耳的传声过程[4, 7，8]，本课题组前期研究建立的中耳有限元模型与Liu等和Gan等[9,10]的实验结果具有较好的一致性，可以较好的模拟中耳的传声特性。在此基础上，本研究采用有限元分析的方法，模拟完壁式乳突根治术、开放式乳突根治术及开放式乳突根治术并骨粉填塞术术后的中耳空气传导，在不考虑中耳病变的前提下，通过比较镫骨底板位移响应频率和幅度，评估上述三种不同手术方式对中耳空气传导的影响。

1 资料和方法

1.1实验材料 选用新鲜成年男性冰冻尸头进行手术方式模拟；电钻动力系统为瑞士BIEN-AIR，型号为OSSEODOC；显微镜为德国ZEISS，其型号为OPMI Vario / S88；CT设备型号为西门子Somatom Force CT，采用仰卧位螺旋扫描，以听眦线为基线，扫描范围上缘至岩锥弓上隆起，下缘达乳突尖，层厚为0.625 mm，层间距为0.3 mm，并通过PACS软件保存影像学图像；医学影像三维重建软件为MIMICS(Materialise公司，比利时)，所得数据导入逆向成型软件Geomagic Studio (Geomagic公司，美国)，将实体模型保存导入到Hypermesh系统(Altair公司，美国)，进行布尔运算和网格划分。

1.2乳突根治术模型的建立

1.2.1完壁式乳突根治模型的建立 尸头解冻后在耳内镜下清理外耳道，检查外耳道通畅、鼓膜完整。对其左侧耳模拟完壁式乳突根治术：耳后切口，剥离骨膜，做PALVA瓣；电钻开放乳突，留骨粉；轮廓化乳突、鼓窦；开放鼓窦入口、上鼓室，暴露砧骨短突、砧骨体、锤砧关节、锤骨头，保留并磨薄外耳道后壁，轮廓化面神经垂直段和鼓索神经，开放面神经隐窝，去除后拱柱，暴露完整砧骨、砧镫关节、圆窗龛；冲洗术腔，缝合骨膜、皮肤。再次耳内镜检查见外耳道、鼓膜完整。术后立即行颞骨薄层CT轴位扫描。

1.2.2开放式乳突根治模型的建立 在上述完壁式乳突根治术的基础上施行开放式乳突根治术，步骤：翻开耳后皮瓣和PALVA瓣，取颞肌筋膜；在鼓环外矩形切开外耳道后上壁皮肤，制作蒂在鼓部的矩形外耳道皮瓣；逐渐磨低外耳道后壁和顶壁骨质，磨去前拱柱，彻底暴露锤骨；磨平已经开放的面神经隐窝下方的外耳道骨壁，使外耳道扩大和圆滑；颞肌筋膜内置于鼓膜边缘并覆盖上鼓室，外耳道后上壁皮瓣铺入术腔覆盖颞肌筋膜；去除少许耳甲腔软骨和外耳道软骨部底壁软骨，行两瓣法耳甲腔成形术，耳后PALVA瓣填塞术腔，缝合切口。耳内镜下观察术腔，术腔不规则处取少许颞肌填充，用生物胶固定，尽量使术腔圆滑接近正常术后改变。术后立即行颞骨薄层CT轴位扫描。

1.2.3开放式乳突根治骨粉填塞术式模型的建立 在开放式乳突根治术腔基础上，掀开铺好的颞肌筋膜，取预留的骨粉填充乳突、鼓窦以缩小术腔，并用筋膜覆盖，用生物胶固定，模拟术后改变，耳内镜下观察术腔圆滑。术后立即行颞骨薄层CT轴位扫描。

1.3有限元模型的建立及测量

1.3.1建立三种术式的有限元模型 以上述建立的三种术式尸头术腔模型经薄层CT扫描后，将PACS图像输入计算机，使用医学影像三维重建软件MIMICS对CT图像进行手动分割，根据图像顺序和图层间的距离转化为三维几何模型，使用逆向成型软件Geomagic Studio对模型进行修饰。将术腔模型与已建立的中耳模型进行布尔运算，使用有限元前处理软件Hypermesh对术腔实体模型进行网格划分，最终建立术后术腔的有限元模型。由于本实验主要研究术腔容积对术后中耳空气传导的影响，中耳腔内的气体所产生的阻抗微小，与中耳内的其它组织结构相比，其对中耳内的动态特性影响甚微，因此，本模型将中耳腔隙忽略；建立了包含鼓膜、听骨链、韧带、肌腱的三种术腔的有限元模型。

1.3.2测量三种术式鼓膜脐部和镫骨底板位移频响曲线 基于所建的三种模型，在鼓膜处施加90 dB SPL声压，得到鼓膜脐部和镫骨底板的位移曲线，将之作为基准值，测量0.5、1、2和4 kHz的振幅(d0)。为模拟正常人耳空气传导的声音激励机制及外耳道术腔扩大后的影响，在耳道入口施加90 dB SPL声压，进行谐波响应分析，得到0.25～8 kHz鼓膜脐部位移和镫骨底板位移幅值，分别生成三种术式的鼓膜脐部和镫骨底板的位移频响曲线，测量其最大振幅所在频率、最大振幅以及0.5、1、2和4 kHz的振幅和平均振幅(d)。

2 结果

2.1依据完壁式乳突要治术式建立的有限元模型上、中、下鼓室三种不同层面的CT图像见图1，可见乳突腔基本轮廓化，外耳道后上壁保留，面神经隐窝开放，听小骨结构存在，鼓膜完整，外耳道保留原有形状。将图像引入计算机，将完壁术式的外耳道划分为声学四面体单元AC3D4，单元总数为140 822，最终得到完壁式有限元模型(图2)。

图1 完壁术式CT轴位扫描截图 a. 上鼓室层面; b. 中鼓室层面; c. 下鼓室层面

图2 完壁术式的有限元模型(绿色网格为外耳道)

2.2依据开放式乳突根治术式建立的有限元模型 上、中、下鼓室三种不同层面的CT图像见图3，可见乳突腔基本轮廓化，外耳道后上壁切除，外耳道、上鼓室、鼓窦、乳突融合为一个大腔，听小骨结构存在，鼓膜完整。将图像引入计算机，将开放式外耳道模型划分为声学四面体单元AC3D4，单元总数为620 310，最终得到开放式术腔的有限元模型(图3)。

图3 开放术式的轴位CT图 a. 上鼓室层面; b. 中鼓室层面; c. 下鼓室层面

图4 开放术式的术腔有限元模型(绿色网格区域为术后扩大的术腔)

2.3依据开放性乳突根治骨粉填塞术式建立的有限元模型 上、中、下鼓室三种不同层面的CT图像见图5，可见乳突、鼓窦有骨粉充填，外耳道、上鼓室、鼓窦、乳突融合为一个略微缩小的空腔，听小骨结构存在，鼓膜完整。将图像引入计算机，将开放并骨粉填塞术腔模型划分为声学四面体单元AC3D4，单元总数为457 568，最终得到开放并骨粉填塞的有限元模型(图6)。

图6 填入部分骨粉的开放式乳突根治术腔模型(绿色网格区域为填塞骨粉后的术腔)

图5 开放式乳突根治骨粉填塞术CT图 红色区域为填塞的骨粉; a. 上鼓室层面; b. 中鼓室层面; c. 下鼓室层面

2.4三种术式的镫骨底板及鼓膜脐部位移振幅和等效声压级差值 镫骨底板位移频响曲线显示，完壁式、开放式、开放并骨粉填塞术式在1 kHz以下中低频段的镫骨底板位移振幅的差别较小；在1～3 kHz频段，不同容积的术腔其最大振幅所在的频段发生改变，最大振幅和最大等效声压级差也不同，完壁术式最大振幅所在频率为3 kHz左右，最大振幅为1.17×10-5mm，其最大等效声压级差为15 dB；开放术式最大振幅所在频率为1.8 kHz左右，最大振幅为1.27×10-4mm，最大等效声压级差为22 dB；开放术式填塞骨粉后开放术式最大振幅所在频率介于二者之间，为2～3 kHz，最大振幅为1.04×10-5mm，最大等效声压级差为24 dB；鼓膜脐部位移频响曲线显示同样的趋势(图7、8)。

图7 鼓膜脐部位移曲线及等效声压级差曲线 a. 为鼓膜脐部位移曲线; b. 图为等效声压级差值曲线

图8 镫骨底板位移曲线及等效声压级差曲线 a. 镫骨底板位移曲线; b. 图为等效声压级差值曲线

计算0.5、1、2和4 kHz镫骨底板振幅的平均值，完壁术式平均振幅为6.95×10-5mm，平均等效声压级差为3.28 dB；开放术式平均振幅为6.59×10-5mm，平均等效声压级差为5.54 dB；骨粉填塞术式的最大振幅介于二者之间，平均振幅为9.82×10-5mm，平均等效声压级差为4.52 dB。

3 讨论

手术清除病灶重建听力是慢性化脓性中耳炎和中耳胆脂瘤的主要治疗手段，完壁式乳突根治术式可以保留外耳道壁的完整性，避免了扩大的术腔带来的各种不便，但对技术要求较高，并且受视野局限，病灶复发率较高[2]。开放式乳突根治术将乳突、鼓窦、鼓室合并为一个术腔，可以彻底清理病灶，但术后干耳时间长，术腔上皮缺少自净功能需要定期随访清理痂皮[1, 2]。开放式乳突根治手术中使用自体骨粉、软骨、筋膜、肌肉、皮肤或者异体组织(如：羟基磷灰石等)填塞缩小术腔也是临床上常用的方法[1],但何种术式对术后中耳空气传导更好还存在争议。为研究中耳的传声特性，国内外学者借助计算机有限元模型法进行动态模拟，研究涉及鼓膜、听骨链、内耳的生理和病理，并且与临床研究有一定的契合[4, 7, 10～12]。本研究通过新鲜尸头，建立相应的完壁式、开放式及开放式并骨粉填塞乳突腔和鼓窦的乳突根治术的有限元模型，采用有限元分析的方法来测量相应术式的镫骨底板位移幅度，以期从有限元生物力学的角度来探讨不同术式术后中耳的空气传导差别。本研究结果显示，完壁式、开放式、开放式并骨粉填塞的乳突根治术对患者术后低频段传导的影响差异不大，在1 kHz以下频段镫骨底板的位移振幅较为一致，但是在中高频段，不同容积术腔的共振频段发生改变，完壁术式最大振幅在3 kHz左右，乳突腔及鼓突填塞骨粉后其最大振幅在2～3 kHz之间，开放术式最大振幅在1.8 kHz左右。外耳道不仅传递声音并对声波起共振作用，对3～4 kHz的声波有放大效应[11]，这与本研究中完壁术式在3 kHz左右达到最大位移振幅是一致的。随着外耳道后上壁的切除和耳甲腔成形术扩大外耳道口，外耳道和乳突腔融合为一个大腔，根据赫姆霍兹共鸣腔原理[12]，外耳道容积改变导致共振频率改变，随着耳道增宽，共振频率降低，鼓膜脐部的振动在1～2 kHz之间具有更好的响应，通过听骨链的传递，镫骨底板也产生了相应的反应；而使用骨粉填塞后，外耳道容积介于二者之间，其共振频率也介于二者之间，就产生了上述的结果，其最大振幅所在频率位于2～3 kHz之间。为便于直观理解镫骨底板位移幅度和声压级的关系，本研究根据公式将各个频率的镫骨底板振幅转换为等效声压级差，并计算0.5、1、2和4 kHz的平均值，结果显示三种术式术后镫骨底板处的平均等效声压级差有轻微差异，完壁术式平均等效声压级差为3.28 dB，开放术式平均等效声压级差为5.54 dB，骨粉填塞术式平均等效声压级差为4.52 dB，三者之间差异极为轻微，与吴婷婷等[2]的Meta分析结果不尽相符，该分析认为完壁式手术对听力的改善要优于开放式，但由于病变范围、手术条件的限制，临床研究很难做到随机分组，得出的结论可能存在偏差；而本模型假设的中耳条件是相同的，仅对不同术式术后空气传导的结果进行了研究，结果相对可靠。

尽管有限元模型有助于更好的理解人耳生物力学，但是与真正的人体中耳结构并不能完全匹配，中耳结构细微，高分辨CT(HRCT)受制于测试的精度、方向和位置，建立的模型可能存在不同程度的失真；中耳各结构的材料特性极为复杂，特别是中耳软组织如肌肉、韧带、粘膜皱襞的非线性机械特性在计算机上难以准确体现出来，在决定中耳介质导抗的阻力、惯性、劲度上难以准确模拟；模型无法模拟中耳精细的神经反射机制。另外，本研究建立的模型是以单一的尸头为基础，而真正的中耳病变千差万别，术后空气传导受到病变范围、病变性质、鼓膜听骨链重建方式、咽鼓管功能、术后炎症状态、患者个体情况等多种因素影响，因此，该模型并不能反映真实的病变中耳，对临床的指导意义有限，但无疑为中耳力学的研究提供了一个思路。