耳鸣(tinnitus)一词起源于拉丁语(tinnere),最初意为耳部响铃样的声音。过去的40余年里曾有4个国家分别进行了37次大规模耳鸣流行病学调查,结果显示成人耳鸣的患病率为10.1%～14.5%,如果将偶尔耳鸣也包括在内的话,患病率将提高到22%～32%^[1]。长时间的耳鸣会导致失眠、焦虑和烦躁等症状并因此严重影响人们的日常生活,40%的耳鸣患者还会产生严重的心理疾病甚至引起抑郁或自杀^[2]。

人们对于耳鸣这种疾病的研究从古埃及时代就已开始,相关记录一直延续到文艺复兴期间,在我国历史上早在《黄帝内经》上就有关于耳鸣的论述,此后历代医家不断完善^[3]。清朝时期许克昌和毕法也曾合撰《外科证治全书》,对耳鸣的临床症状进行了详细地总结^[4]。这说明在人类历史上耳鸣早已引起了人们的重视,并且人们一直在进行不懈地探索。搏动性耳鸣,指患者感受到的耳鸣声音的频率与心跳或脉搏频率一致或相近^[5],因其声音为血管搏动声,亦称为血管性耳鸣^[6]。虽然血管性耳鸣的发生率只有4%,但相对于庞大的发病群体来说,已对人类的健康和生活质量造成了极大的负面影响^[7]。

迄今为止,文献中对于血管性耳鸣的发生机制尚不能完全解释清楚。许多耳科医生和学者对血管性耳鸣患者的临床病例进行了充分地总结和研究。他们发现乙状窦解剖结构或乙状窦内血液流速异常^{[8, 9]}、乙状窦旁骨板缺损^{[5, 10]}和颞骨蜂房气化^[11]可能是导致血管性耳鸣的主要病因。从人体生理结构分析,颞骨蜂房位于耳鸣声音传导通路的必经之路上。文献[12]在对一名71岁的男性耳鸣患者的研究中发现患者左侧颈内动脉和耳蜗间的颞骨蜂房存在着广泛气化,而通过对患者的听力图观察发现其患有双侧高频听力损失,但搏动性耳鸣仅发生在气化侧^[12]。在文献[11]的研究中也发现一位42岁的男性血管性耳鸣患者左侧颞骨蜂房气化程度较大,而其他的生理检查没有发现任何异常^[11]。他们推测颞骨蜂房中过度气化的空气在声音的传播中起到了重大的作用,增加了声音的共振,因此应该将颞骨蜂房的气化视为血管性耳鸣的发生条件。

但学者们并未证明颞骨蜂房气化程度与血管性耳鸣之间的生物力学影响机制。因此在本文中期望通过建立颞骨蜂房模型的方法来阐述二者间的力学关系。在实验中,选取了一名典型的血管性耳鸣患者的CT数据进行计算。这个实验的结果证明了在相同条件下颞骨蜂房气化程度与血管性耳鸣确实存在着生物力学关系,当患者颞骨蜂房气化程度越低时患者感受到的耳鸣声音越明显。

通过在患者的耳部改变颞骨蜂房的气化程度来进行实验研究无疑是非常困难的,因此需要借助于计算机建立模型并分析计算。有限元分析方法在生物力学分析中得到了广泛的重视,已成为解决复杂力学问题的有效途径。因此可通过建立三维有限元模型并进行数值计算的方法来解决实验问题。在本实验之前,田山等^[13]通过生物力学计算获得了在血管性耳鸣病人骨板完全缺损情况下的血管壁振动速度。由于这个振动速度是直接作用于颞骨蜂房内的气体上,如图 1所示,所以在计算时将这个速度作为统一的边界条件加载到需要计算的模型上。

图 1 血管性耳鸣患者CT断层图像Fig. 1 CT tomographic image of vascular pulsatile tinnitus patient

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为了使实验的结果能更加客观准确,在典型患者CT图像的选取中选择了与田山等^[13]的实验中同一位患者(女,37岁)的数据源。

基于这位患者的CT图像,利用灰度值的差异分别建立了2个颞骨蜂房模型。设立第1个模型为基础模型,第2个模型为气化模型。实验中以可见颞骨蜂房内的松质骨时的灰度值阈值为标准建立基础模型(Ⅰ),即模拟患者真实颞骨蜂房,如图 2(a)所示。同时以不可见颞骨蜂房内的松质骨时的灰度值阈值为标准建立气化模型(Ⅱ),如图 2(b)所示。明显可以发现模型Ⅱ的气化程度大于模型Ⅰ。基于SimpleWare软件的良好性能,选择其作为建模软件,图 3为模型Ⅰ的三维几何模型。为方便后期实体模型的实验,部分外耳道被保留。

图 2 同一CT断层面的2种气化程度的颞骨蜂房三维模型建模蒙板图Fig. 2 Different 3D model building masks depending on two degrees of pneumatization of temporal bone air cell at same CT layer

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图 3 模型Ⅰ的三维几何模型Fig. 3 3D geometric model of model Ⅰ

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然后将模型Ⅰ和模型Ⅱ的三维几何模型分别导入Hypermesh软件中并以四面体单元进行网格划分,生成可计算的三维有限元模型。

将模型Ⅰ和模型Ⅱ的三维有限元模型分别导入Virtual.Lab Acoustics软件中求解振动速度的声压幅值响应。这个软件可以建立声学有限元模型并具有强大的计算分析能力,还可以和其他CAE软件进行数据交互^[14]。首先将模型定义为声学网格并生成声学包络网格,所有的计算和求解均在包络网格上进行。然后定义2个模型的材料属性均为空气属性(具体数值见表 1)。在骨板完全缺损部位加载振动速度3 μm/s,在前庭处监测声压级幅值响应。在耳鸣声波的作用下产生的声扰动会引起压强的改变,其改变量为声压^[15]。与此同时前庭对压力的变化极为敏感^[16],当监测面积一定时,可视为前庭对声压的变化非常敏感,因此实验中选择在前庭处进行监测。为使结果更为简洁,用对数标度来度量声压即声压级,单位用分贝(dB)表示。因此,分别计算在加载同样边界条件下的2种气化模型前庭处的声压级幅值结果。

经Virtual.Lab Acoustics软件计算后可获得不同频率下的声压幅值的有效值(RMS)。软件的算法已经考虑了声的反射、衍射和折射等效应^[17]。图 4为模型Ⅰ和Ⅱ在前庭处测得的频域声压幅值(有效值)图。通过对比可以发现,过度气化模型的声压幅值RMS明显小于患者基础模型。

图 4 模型Ⅰ和Ⅱ在前庭监测点声压幅值(有效值)图(参考压强2×10-5 Pa)Fig. 4 Sound intensity amplitude (RMS) of modelⅠ and Ⅱ at vestibule point (reference pressure 2×10-5 Pa)

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为了进一步对比模型气化体积的变化对声压的影响,使用RapidForm分别对模型Ⅰ和Ⅱ的体积进行了测量,结果如表 2所示。通过比较可以发现模型Ⅱ的气化体积比模型Ⅰ约大了9.94 cm³。模型Ⅰ和Ⅱ在频率为250 Hz时声压幅值RMS的差值为3.02 dB。250 Hz是经Fluent计算得到的与乙状窦内血液流动产生的振动等效的简谐波振动频率。依据文献[18],40岁左右的人群对于听觉强度的辨别阈为0.44 dB。因此颞骨蜂房过度气化导致前庭处的声压强度变化可以被血管性耳鸣患者明显感觉到。

在文献[13]的实验结果中骨板缺损处在250 Hz振动频率下的声压为30 dB。本实验中在相同频率下骨板缺损处监测得到声压幅值RMS为30.36 dB,与田山等^[13]的实验结果相近。图 5(a)为模型Ⅰ(即患者模型)在频率为250 Hz时的声压幅值RMS云图,此时在前庭处检测点的声压幅值的有效值为31.68 dB,此频率下声压幅值的峰值为44.8 dB,临床上对此患者的耳鸣匹配检查结果为250 Hz,45 dB,由此验证了该模型的有效性。图 5(b)为模型Ⅱ(即过度气化模型)在频率为250 Hz时的声压幅值RMS云图,在前庭处检测点测得的声压幅值RMS为28.66 dB。因此,可以证明颞骨蜂房气化体积增大会导致耳鸣声音减小且声音强度的变化可以被血管性耳鸣患者感知。

图 5 250 Hz颞骨蜂房声压幅值(RMS)分布云图Fig. 5 Sound intensity amplitude (RMS) contours in temporal bone air cell at 250 Hz

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本文针对颞骨蜂房气化程度与血管性耳鸣之间的生物力学机制进行了研究。由于在人体或动物实验模型上都难以根据需要建立不同的实验条件对血管性耳鸣的发生机制进行研究,必须寻找新的技术手段辅助完成。因此在研究过程中选择了通过三维建模来进行模拟计算的方法。实验中基于同一名患者的CT图像建立了基础模型和气化模型。通过2个模型计算结果的比较得到了颞骨蜂房过度气化可以使血管性耳鸣患者感受到的声音强度减小的结论。

实验结果与之前的文献报道和临床数据进行了对比,实验误差在允许范围内。而且实验过程是采用同一患者的数据进行,客观因素导致的差异也基本可被排除,因此实验结论可以被接受。但是此次实验在一些方面仍存在不足,可以在进一步的研究中加以改进。例如在文献[19, 20]的报告中均介绍了对于颞骨蜂房气化程度的分级方法,如按此方法分级本实验中的患者应属于三度气化(气化程度较大),再增加蜂房气化程度声压幅值变化量可能相对较小。若能与颞骨蜂房为一度气化的血管性耳鸣患者模型进行实验对比将能更好地验证本文的结论。

血管性耳鸣发生机制的研究可以帮助耳科医生更清楚地了解患者的个体化病因。目前手术^{[21, 22]}是临床上治疗血管性耳鸣的主要方法,若可预先针对患者的情况规划个性化手术策略,将非常有利于提高手术疗效,减少术后并发症。因此血管性耳鸣发生机制的研究是十分有意义的。

1) 通过计算机的仿真计算可以发现在同样的生理条件下,颞骨蜂房的体积增加了138.62%时,患者感受到的耳鸣声音强度下降9.53%。

2) 通过仿真结果分析可以得出颞骨蜂房过度气化会导致血管性耳鸣的声音强度减小。这一结论将为临床创新治疗血管性耳鸣提供新的理论依据。