人耳耳蜗感音机制的研究是人类一个重大的医学难题。基底膜是感音系统中支撑耳蜗其他生物组织的基础结构,迄今为止,对耳蜗关键的宏观结构——基底膜的振动模式,人类科学家们尚未达成共识,而基底膜的振动模式是诠释耳蜗感音机理的首要关键性科学问题。自从诺贝尔获奖者Bekesy通过新鲜颞骨测试基底膜的运动,提出了著名的行波理论以来,之后许多科学家发现很多试验中基底膜振动现象无法通过行波理论得到解释(详见国内外研究现状)。此外,通过试验获得人活体中低频下基底膜与蜗腔内的淋巴液相互作用的运动过程是非常困难的,特别是耳蜗顶端空间的狭窄和组织结构的复杂,试验需要截开基底膜上的其他组织才能测得耳蜗顶端基底膜的振动,这就会完全破坏整个耳蜗腔体内的生理环境,导致无法获得耳蜗内感音结构基底膜低频下真实的振动行为。而且Bekesy的实验中也缺乏基底膜在低频下的测试数据。由于对内耳耳蜗主体(支撑)结构基底膜振动模式存在质疑,导致耳蜗的感音机理尚未完全清楚。对感音神经性耳聋的治疗仅限于助听器和人工耳蜗植入,其只能部分改善听力,而并非真正意义上的自主听觉功能恢复。同时电子耳蜗植入存在适应症以及耳蜗神经元会进一步变性最终导致一部分患者重新走回无声世界。人耳耳蜗感音系统是在声波激励下集流体和固体耦合为一体,且在多物理场环境下相互作用的相当精细且复杂的非线性运动动力系统,对于这样一个复杂的生物结构动力系统,本文基于多学科交叉的优势,引入力学、结构分析和电学的原理、分析思路和方法,建立了耳蜗系统生物力学模型,包括理论的解析分析模型和数值仿真模型,并进行了频域计算分析和计算时域分析,从宏观到微观,反映耳蜗感音过程中的流-固-电耦合联合运动的力学行为,不仅全面的重现了耳蜗主体结构基底膜的运动,并得到了一些新的发现和结论。本文主要创新和研究工作如下:1、为了揭示基底膜振动频率和结构尺寸以及物理性质之间的组构关系及物理规律,引入螺旋坐标系,建立了螺旋耳蜗内淋巴液与基底膜耦合振动频散方程,描述了基底膜的行波振动频率与耳蜗尺寸和基底膜力学性质的本征关系,同时发现:(1)基底膜的频散特性在行波传播不同区域下受到的主要影响因素不同。长波区域下基底膜的振动频率与其刚度和耳蜗腔体高度相关,且随着刚度和耳蜗腔体高度的增大而呈非线性增大趋势,此区域下基底膜的刚度与耳蜗腔体高度对声波频率有协同调制作用,且基底膜刚度对频散作用的影响较耳蜗腔体高度的影响更大。(2)短波区域下基底膜的振动频率与其刚度和阻尼相关,且随着刚度的增加而呈非线性增大趋势,随阻尼的增加而呈非线性降低趋势,此区域下基底膜刚度与阻尼对声波频率有相互抑制调制作用,且基底膜刚度对频散作用的影响较阻尼的影响更大。(3)截止区域下基底膜本身的物理特性对声波频率不再具有调制作用,这是由于淋巴液和基底膜之间的流固耦合作用非常弱,当淋巴液密度、耳蜗腔体高度以及基底膜的质量确定时,波数为一常数,且波数与频率不再相关。2、为了揭示耳蜗内淋巴液流场与和耳蜗结构尺寸之间的组构关系及物理规律,采用分离变量法和保角变换推导了耳蜗中各阶流体运动的速度势函数和基底膜上压力场分布公式,并发现耳蜗的螺旋形状和基底膜宽度对耳蜗内相对压强分布都有显著地影响,这种影响使得基底膜上压力沿径向分布不再相同,而是对应不同阶呈现不同的分布形式,在靠近蜗孔处(低频敏感区),第一阶压力分布形式起主导作用。3、为了揭示耳蜗内结构尺寸、物理性质与淋巴液之间的组构关系及物理规律,对耳蜗螺旋中心曲线的曲率和挠率进行了参数化建模,推导建立三维螺旋耳蜗流-固耦合力学模型,并采用WKB方法求解了耳蜗内淋巴液压强的空间分布以及基底膜振动随频率变化关系,分析了曲率和挠率对流场压强以及基底膜振动行为的影响,从而发现耳蜗的螺旋形状能减少流体运动的惯性阻尼,在顶端处,阻尼降低最显著,耳蜗的螺旋形状使得流场压强沿径向呈现偏态非对称分布的特征,靠近耳蜗顶端,偏态分布特征越显著。此外,耳蜗的螺旋形状对基底膜低频下的振动影响显著,且沿着耳蜗曲率和挠率增加的方向,影响逐渐增大。4、基于真实人耳右耳耳蜗的新鲜颞骨标本,通过CT扫描并结合上海第三代中能同步光源成像技术得到DICOM数据,将其导入MIMICS进行图像的分割和处理,随后导入Geomagics软件进行细分、降噪、曲面拟合和光顺化处理,形成实体模型,并最终导入COMSOL中进行多物理场的仿真,构建了一个符合人耳耳蜗真实空间形态(螺旋形体)、生物材料活性(基底膜各向异性、圆窗粘弹性)和生理环境(淋巴液可压缩、粘性)下的三维耳蜗数值仿真模型(目前为止,国内外尚未见此类值仿真模型的报道)。5、基于建立的真实空间形态、生物材料活性和吻合实际生理环境的三维耳蜗数值仿真模型,进行了频域计算分析,模拟了不同感知频率下耳蜗内外淋巴液流场的压强变化规律和基底膜的沿空间变化的振动规律,不仅重现了诺贝尔获奖者Bekesy提出的基底膜行波振动行为,而且得到一个惊喜的新发现:在低频下,基底膜产生了驻波的振动模式,这一发现到目前为止尚未见报道,这刚好弥补了以往试验所缺乏的基底膜低频振动数据,同时回答了多年来科学家们通过实验提出对行波的种种质疑的问题(详见4.4.3小节)。6、基于已建立的耳蜗数值仿真模型,进一步开展了时域计算分析,模拟了耳蜗感受纯音激励过程中基底膜和骨质螺旋板的位移、速度和应力,以及外淋巴液的压强和速度的动态变化规律,刻画了耳蜗感音系统的动态响应过程。此外,分析了耳蜗在感知常见声音信号时基底膜的时域振动特性,并发现:(1)如果以速度作为耳蜗感音敏感行为的分析指标,骨质螺旋板可以代替基底膜来研究耳蜗的被动力学特性。由于骨质螺旋板承担了耳蜗内大量流体的质量和压强作用,使得骨质螺旋板产生的应力非常大,随着感音过程的进行,骨质螺旋板的应力逐渐由底端向顶端进行传递,在达到顶端时,由于无法及时消散,此时骨质螺旋板上的应力分布从顶部和底部向基底膜扩展,基底膜跨中位置出现较大的应力集中,基底膜会产生较大的变形,因此,可以预测基底膜的顶端区域和底端区域最容易发生破坏,人耳最容易丧失掉最低和最高的声音感知频率。(2)耳蜗对敲击音的感知会引发基底膜底端和顶端区域发生先后共同的振动行为,而这种振动行为可能使得我们的耳朵对所听到的敲击音过后有短暂的回顾记忆功能,而这可能解释了婴儿学习发声的基础是依赖于耳蜗对声音有短暂的回顾记忆功能。(3)耳蜗对马路环境噪音的感知会引起基底膜多个不同位置同时发生不规则的振动,而这种振动行为易造成人耳不愉快的听觉感受,因此,可以预见如果长时间暴露在噪音环境中,一方面易对基底膜造成疲劳受损,另一方面会给人们带来精神上的伤害。(4)耳蜗对优美乐曲的感知会引起基底膜多个位置同时发生规则的振动,而这种振动行为易引发声音的共鸣感知,给人的听觉带来愉快的感受,尽管如此,但是如果长时间暴露在乐曲声音环境中,同样会对基底膜造成疲劳受损,从而给人带来听觉疲劳。(5)耳蜗对两人在不同频率上的声音进行感知会引起基底膜不同位置发生不等幅值的振动,这种振动行为使得人们可以区分不同频率的声音,从而辨认出不同的发声对象,而当耳蜗对两人在同一频率上的声音进行感知时会引起基底膜同一位置发生大幅值振动,这种振动行为将使得人们难易对不同声音对象进行辨别,从而易造成听觉上的混淆。7、基于已建立的耳蜗被动感音数值仿真模型,引入主动感音机制,建立了反映耳蜗主动感音过程下的“流-固-电”耦合分析模型,分析了耳蜗主动机制的主要影响因素以及耳蜗主动感音下的非线性力学特征,并发现:(1)耳蜗内主动机制的产生受到多个因素的影响。耳蜗内纵向电路环境、静纤毛的最大饱和电导、外毛细胞倾斜投影距离对耳蜗感音的敏感性和感音特征频率影响较为显著;耳蜗内力电耦合系数和外毛细胞刚度对耳蜗感音的敏感性影响较为显著,对感音特征频率影响较小;耳蜗内静纤毛刚度对感音特征频率影响较大,对耳蜗感音敏感性几乎不影响。(2)耳蜗中存在非线性的感音行为。耳蜗对低响度的声音有自主放大功能,使得人耳在聆听微弱声音时也能有较为敏感的感知能力;耳蜗对高响度的声音有自主减弱功能,从而保护人耳不受外界高强度声音的刺激导致感音结构易损伤;耳蜗对对高响度的声音有压缩限制功能,限制感音结构的过快响应,从而使得感音结构能在生理所能承受的响应速度范围内进行声音感知。(3)双音抑制现象存在于人耳对两种同时存在的声音进行感知的行为当中。不同频率的干扰音对人耳感知的探测音响应都有抑制作用,且干扰音的强度越大,这种抑制作用越明显。低频干扰音虽然抑制作用相对较小,但使得响应随着声压级增大的非线性压缩效应不再明显。(4)耳蜗作为一个复杂的非线性系统,谐波失真现象无法避免。谐波的产生使得基底膜发生复杂的振动形式,而这种振动形式使得人耳能感知到失真的声音。当高阶的谐波所带来声音的集聚性和趋同性时,人耳将很难对不同频率的失真声音以及原有主音进行分辨。(5)对于双纯音刺激,人耳可以感知一些失真音调,这些失真音调跟主音密切相关,主要以两主音频率的线性组合形式出现(nf1+mf2,其中n和m为正整数),尤其以2f1-f2频率的失真音调最为显著,两主音频率相差越大,失真音调的频率调谐范围越大。人耳在感受主音的同时,也能听到失真的音调,这使得感受的主音更加饱满且更加入耳。8、基于已建立的耳蜗主动感音数值仿真模型,模拟了感音神经性耳聋多种致病因素引起的基底膜结构性的破坏、圆窗硬化、外毛细胞损坏以及外淋巴瘘现象,分析了耳蜗内这些异常的不同程度的病理状态对感音结构基底膜力学行为的影响,并发现:(1)基底膜发生破裂和结构增厚时不仅使不同频率下的特征位置发生改变,甚至出现多个频率在同一位置达到共振的情况,且尤以顶端区域发生的基底膜速度响应降低较为显著,从而造成人们沟通信息的声音在耳蜗中的延迟感知问题。(2)植入式人工耳蜗固定于圆窗处会使得耳蜗在全频段感音过程中的听力损失在13-25dB范围内,且低频下的听力损失较高频更为严重。当组织纤维化和骨质增生问题较为严重时,特征频率下的听力损失可达到50dB,这将会严重影响耳蜗听觉的感知。(3)外毛细胞功能性丧失、结构受损以及完全缺失,这将对耳蜗的感音过程造成严重的影响,且外毛细胞的完全缺失对耳蜗听力感知的影响最大。不同位置处外毛细胞的损坏对该位置决定的特征频率下的听力损失影响最大。(4)卵圆窗处发生外淋巴瘘现象时使得基底膜特征频率下的位移响应显著降低,而圆窗发生外淋巴液瘘时,基底膜的位移响应不受影响。耳蜗腔体内沿纵向不同位置处发生外淋巴瘘时,只对该区域范围内基底膜特征频率下的位移响应影响较大。