航空性中耳炎数值模拟研究及应用

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目的:
  分析航空性中耳炎病例的临床资料并与中耳三维数值模型相结合,探讨飞行过程中高度和速度变化对鼓膜的影响,从生物力学角度定量分析鼓膜在静压力变化下的力学响应特性,为研究航空性中耳炎的发病机制及疾病防治措施提供新的思路和方法。
  方法:
  1.收集2018~2019年就诊于我院的航空性中耳炎患者16例(32耳),行临床资料分析(病史采集、专科检查、临床治疗和预后)。2.收集一例正常成年男性右侧颞骨标本,经显微CT(Micro-CT)扫描后获得DICOM格式的影像学数据。应用Mimics20.0及Geomagic studio12.0软件对听骨链系统行初步的三维重建和光滑处理,获得IGES格式文件。导入计算机辅助工程(Computer Aided Engineering,CAE)软件Hypermesh2017中行网格划分、材料参数赋值、边界条件约束等,生成cdb格式的计算文件。导入ANSYS15.0中行静力学相关计算,最终导入Hyperview2017后处理软件中行鼓膜应力应变分析。
  结果:
  1.航空性中耳炎患者临床资料分析:16例临床诊断为航空性中耳炎患者中68.75%发病诱因为上呼吸道感染,75%继发于鼻腔及鼻咽部病变,81.25%耳气压伤发生于飞机下降阶段。28.12%出现耳痛甚至鼓室积液,耳内镜检查鼓膜内陷31耳,鼓膜充血12耳,鼓室积液10耳,其中66.67%鼓膜为Ⅰ°充血。保守治疗者平均病程为7.53天,1例行双耳鼓膜置管治疗者,术后反复乘飞机未再出现航空性中耳炎。
  2.中耳听骨链系统数值模型测量和验证:鼓膜长径为9.3mm,短径为7.9mm,厚0.1mm,锤骨长8mm,锤骨柄长5mm。hypermesh中赋鼓膜厚度为0.05mm[1](其他参数不变),在0.632Pa(90dB)压强差下鼓膜最大应力为749Pa,最大应力区位于鼓膜紧张部下方靠近鼓膜环处,鼓膜脐部应力也较大。赋鼓膜厚度为0.08mm,在0.2Pa[2](80dB)和0.632Pa[3]压强差下鼓膜最大应变分别为0.034μm和0.056μm。
  3.飞行高度和速度与鼓膜静力学行为特性分析:随飞行高度差的增加,咽鼓管功能障碍者鼓膜内外压强差增大,最大压强差为26.085KPa,此时鼓膜应力应变均最大。无论是飞机上升或下降过程中,随飞行速度的增加,单位时间内鼓膜最大应力、应变均增加。应变最大区域为鼓膜前下象限,其次是后下象限,松弛部应变也较大;应力集中于紧张部下方靠近鼓膜环处及脐部,在松弛部锤骨柄附着处应力也较大。
  4.航空性中耳炎患者临床症状与鼓膜静力学行为特性分析:飞机下降过程中出现耳闷、耳鸣、听力下降,耳痛,耳部放射痛,剧烈耳痛、鼓室积液等临床症状时,相对应的鼓膜最大应变分别为0.2512mm、0.5023mm、0.6698mm、0.8372mm,最大应力分别为2.366MPa、4.731MPa、6.308MPa、7.885MPa。
  结论:
  1.基于正常男性颞骨标本所建立的中耳听骨链系统数值模型,具有较好的精确度及准确性,能客观的反映中耳解剖和几何特性。应用该模型观察鼓膜最大应力、应变部位与临床观察鼓膜充血部位相吻合,通过对不同压强差下鼓膜的静力学行为特性分析,从生物力学的角度为航空性中耳炎的防治提供新的思路和方法。
  2.大多数航空性中耳炎可经保守治疗好转,对于反复发作航空性中耳炎且经保守治疗3个月无好转者,可行鼓膜置管治疗,该方法可直接平衡鼓膜内外压强差,微创且安全,在未来航空性中耳炎的防治措施中也将占领一席之地。
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