人耳鼓膜置管数值分析

鼓膜置管是治疗分泌性中耳炎改善听力的有效方法. 置管后听力系统的生物 力学特性并没有很全面的研究. 建立了包括外耳道、鼓膜、鼓膜置管、听骨链、中耳韧 带/肌肉以及内耳液体在内的有限元模型，真实完整地再现了其复杂结构及边界约束. 利用人 耳有限元数值模型研究了鼓膜置管对鼓膜及镫骨底板振动的影响，分析了置管自身振动情况. 用数值方法解释了鼓膜置管对传声的影响，为中耳炎治疗及鼓膜置管设计提供了力学参考.     

人耳鼓膜穿孔对中耳传声影响的数值模拟

鼓膜穿孔是一种非常普遍的中耳疾病,其对人中耳传声的影响并没有得到很全面的研究。本文根据健康志愿者(右耳)完整的CT数据,建立了包括外耳道、鼓膜、听骨链、中耳韧带/肌肉、中耳腔以及内耳液体在内的有限元模型,真实完整地再现了其复杂结构及边界约束。利用模型进行了外耳、中耳和内耳的声固耦合分析,研究了鼓膜穿孔位置和穿孔大小对中耳传声的影响。研究结果表明了本文建立的三维有限元模型对研究鼓膜穿孔对中耳系统传声的影响是可行的。     

基于应力影响系数法的高边坡临界滑动面研究

为研究悬浮式中耳植入式助听装置中悬浮振子对中耳声传播特性的一些影响，建立了 包括绑定悬浮振子的中耳有限元模型. 该模型基于一无任何听力损伤病史的成年志愿者的 左耳，利用CT扫描和逆向成型技术建成. 模型的可靠性通过鼓膜及镫骨底板的位移计算结果 与国外文献实验测得数据进行对比加以验证. 研究结果表明:悬浮振子的绑定会显著恶化中耳 的高频传输特性；振子输出8.9\times10^5N的激振力才能激起100dB声压所 对应的激振效果；振子在砧骨长突上的绑定位置离砧镫关节越近，高频段激振效果越好.     

悬浮振子对中耳声传播特性影响的数值研究

为研究悬浮式中耳植入式助听装置中悬浮振子对中耳声传播特性的一些影响,建立了包括绑定悬浮振子的中耳有限元模型.该模型基于一无任何听力损伤病史的成年志愿者的左耳,利用CT扫描和逆向成型技术建成.模型的可靠性通过鼓膜及镫骨底板的位移计算结果与国外文献实验测得数据进行对比加以验证.研究结果表明:悬浮振子的绑定会显著恶化中耳的高频传输特性;振子输出8.9×10~5N的激振力才能激起100dB声压所对应的激振效果;振子在砧骨长突上的绑定位置离砧镫关节越近,高频段激振效果越好.     

蜗窗激励评价的有限元计算模型研究

蜗窗驱动是实现中耳听力装置与耳蜗耦合的新途径. 利用外耳道、中耳和耳蜗集成有限元模型, 分别模拟外耳道声激励经听骨链、前庭窗传入内耳的正向传递过程和蜗窗机械激励在耳中逆向传递过程, 计算获得中耳和耳蜗的传递函数. 比较蜗窗激励和外耳道激励下耳蜗基底膜的振动, 提出了以基底膜最佳反应部位位移相等为准则的蜗窗等效激励力计算方法. 理论计算获得的蜗窗等效激励力与相关文献根据实验数据预测结果一致. 计算结果还表明耳蜗窗正、逆向激励时, 基底膜上最佳反应部位无变化, 但在蜗窗逆向激励耳蜗时, 低频下驱动基底膜运动的效率比高频时低. 所获得的理论结果可为蜗窗驱动的听力装置设计和现有装置的应用提供参考.     

检验人工听骨力学性质的解析方法

传导性耳聋多由鼓膜或听骨链病变所致，人工中耳已在临床上广泛应用于传导性耳聋治疗. 根据人工中耳结构试验和力学假设，用变分原理建立在任意时刻$t$点，人工鼓膜受迫振动位 移与激发声压的关系，推导控制方程. 采用分离变量法及贝塞尔函数对方程求解，得到鼓膜 和听骨位移的解析解. 通过与文献试验数据比较，感觉曲线形状与走势基本一致，证明了该方程 是正确的，能够反映声音的传导机制. 利用方程计算得到:质量小的材料传音效果 好于质量大的; 顶盘面积一定时，质量为某一特定值时传音效果更佳; 该结果与相关文献的试验结果相 符合. 研究表明: 该方程对于人工中耳数据的获得非常方便，并且能够优化人工听 骨材料，特别是对质量的控制能达到科学的效果，避免测量因素及其他因素的干扰. 该方法为耳生物力学的研究及应用提供了新的视点.     

人内耳前庭系统膜迷路流固耦合数值模拟

基于健康志愿者右侧颞骨完整的组织切片数据,将人内耳前庭系统膜迷路内内淋巴液描述成不可压缩牛顿流体,将位于膜迷路壶腹端的平衡感受器壶腹嵴视为大变形线弹性材料,数值模拟人在立位转身、回顾时膜迷路内复杂的流固耦合作用,建立了内耳前庭系统膜迷路的三维有限元生物力学模型,分别得到不同旋转速度激励内淋巴液的压强场和壶腹嵴的位移场.研究结果有助于从生物力学的角度定量分析人在旋转时前庭膜迷路内内淋巴液和壶腹嵴相互作用的力学特性.     

液罐车罐体内液体横向晃动研究

为研究液体晃动对液罐车行驶稳定性的影响，针对罐体内液体的横向晃动问题，运用势流理论建立了液体晃动的控制方程，并采用Galerkin方法进行了求解；根据等效原则建立了罐体内液体晃动的弹簧-质量-阻尼等效力学模型，通过与试验数据的比较，验证了文中的求解过程及建立等效模型方法的正确性。运用建立的等效模型，通过具体算例分析了液体晃动特征频率和等效模型参数随充液比的变化关系、车辆的侧向加速度和充液比对罐体的横向作用力和力矩的影响。结果表明：在液体晃动中，第一阶晃动质量起主导作用，在精度要求不高的情况下，可以考虑只建立一阶等效系统；液体晃动第一阶特征频率随充液比的增加而增加，第二、第三阶特征频率随充液比的增加先减小再增加；罐车转向运动时，充液比在λ为0.8~1.0时液体晃动最剧烈，并且液体对罐体的作用力和力矩均随侧向加速度的增加而增加。     

豚鼠内耳前庭-半规管生物力学模型研究

人体维持平衡主要依靠前庭、视觉及本体感觉3个系统的相互协调来完成,其中前庭系统最为重要.因其结构细微且位置深在,传统方法难以满足现代前庭医学定位、定性、定量的研究需要,而生物数值模拟研究方法在现代耳科学研究中优势显著.建立精准的生物数值模型是其重点之一.本研究通过连续组织切片技术获取豚鼠内耳膜性结构的二维解剖数据,进一步建立同时包括前庭和3个半规管的宏观三维生物数值模型,其空间结构特征及尺寸与解剖学观察一致;数值模拟临床医学冷热实验,量化描述了不同环境温度激励下半规管内壶腹嵴顶位移、速度和压强等参数随时间变化的生物力学特征,其与临床观察到的眼震结果一致.总之,通过连续组织切片技术获取内耳膜性结构二维解剖数据并据此建立内耳三维生物数值模型的研究方法可行,所建立的生物模型可满足前庭-半规管平衡功能定位、定性、定量的研究需要.     

充液航天器液体晃动和液固耦合动力学的研究与应用

随着火箭运载能力、卫星工作寿命和深空探测器任务复杂度的不断提高, 液体推进剂占航天器总质量的比重也不断增加. 液体推进剂的晃动影响着航天器的运动稳定性和姿轨控系统的可靠性, 是航天器动力学中一个备受关注的问题. 充液航天器中晃动的液体是一个分布参数系统, 理论上是无穷维的, 而工程上希望建立的数学模型是简单、低维的, 因此对液体晃动等效力学模型的研究经久不衰. 另外, 液体推进剂对航天器的结构动特性有着重要的影响, 在建立充液航天器的结构动力学模型时需要考虑液体推进剂与贮箱等结构的耦合效应. 本文首先结合液体晃动动力学理论和航天工程实际, 从理论研究、数值研究和实验研究等三个方面综述了国内外在充液航天器液体晃动动力学领域的研究现状, 并以此为基础介绍了航天工程中液体晃动等效力学模型的应用进展情况; 然后, 以液体运载火箭为例概述了国内外在充液航天器液固耦合建模方面的成果,介绍了求解液固耦合问题的数值方法和应用软件; 最后, 根据航天器工程的发展需求, 对充液航天器液体晃动和液固耦合动力学的进一步研究方向提出了一些建议.     

Numerical analysis of ossicular chain lesion of human ear

Abstract Lesion of ossicular chain is a common ear disease impairing the sense of hearing. A comprehensive numerical model of human ear can provide better understanding of sound transmission. In this study, we propose a three-dimensional finite element model of human ear that incorporates the canal, tympanic membrane, ossicular bones, middle ear suspensory ligaments/muscles, middle ear cavity and inner ear fluid. Numerical analysis is conducted and employed to predict the effects of middle ear cavity, malleus handle defect, hypoplasia of the long process of incus, and stapedial crus defect on sound transmission. The present finite element model is shown to be reasonable in predicting the ossicular mechanics of human ear.     

Static analysis of tympanic membrane in aero-otitis media by three-dimensional model of the middle ear

The three-dimensional (3D) model of the middle ear is of great significance to the research of middle ear related diseases. The particular focus of this work is to simulate the impact of aircraft altitude and speed changes on the tympanic membrane (TM) during the descent phase, so as to analyze the pathogenesis of aero-otitis media and the mechanical response characteristics of TM under static pressure. The simulations showed that the stress and strain of TM increase as the altitude difference and speed of the aircraft increase, and the maximum stress and strain areas are consistent with the clinical observation of TM hyperemia. Therefore, among many prevention and treatment measures of aero-otitis media, it is a therapeutic method to directly balance the pressure difference between the inner and outer TM.     

Numerical simulation based on three-dimensional model of inner stereocilia

A three-dimensional inner stereocilium model is established by PATRAN.According to the relevant data, the corresponding pressure is applied to one side of the inner stereocilia. The top displacement of the inner stereocilia along the cross section of the basilar membrane(the x-displacement) is similar to the available data in the literature, which verifies the correctness of the model. Based on Castigliano's theorem,the displacement of a single stereocilium is achieved under the inverted triangle force.The results are in good agreement with the data obtained from the finite element(FE)model, which confirms the validity of the formula. With the FE model, the effects of the movement of the hair cells and fluid in the cochlear duct on the x-displacements of the inner stereocilia are studied. The results show that the movement of the hair cells affects the x-displacements of the inner stereocilia, especially for the shortest stereocilium, and the fluid in the cochlear duct affects the x-displacements of the inner stereocilia, especially for the middle stereocilium. Moreover, compared with the effects of the hair cells on the stereocilia, the effect of the cochlear duct fluid is greater.     

ADVANCE IN BIOMECHANICS OF HUMAN EAR AS HEARING SYSTEM

耳是人体重要的听觉器官. 人耳是一个典型的在声波激励下的传导振动，继而将振动转变成听神经纤维的脉冲发放结构. 建立完整有效的人耳结构生物力学模型，研究它的生物动力学行为，有助于我们认识和分析人耳的传音及感音机理，研究人耳病理状态下和手术后的传声及感音机制的变化，进一步为研究相关临床疾病的生物力学机制提供理论依据. 本文总结了人耳听力系统生物力学模型及临床应用的研究进展，并展望了今后的研究工作.     

大型复杂圆柱壳中高频振动噪声仿真计算方法研究

建立大型复杂圆柱壳中高频振动噪声仿真计算方法,对于解决船舶和飞机等大型复杂结构的辐射噪声预报问题具有重要意义。介绍了完美匹配层流固耦合计算方法,并成功应用于大型复杂双层圆柱壳的水下辐射噪声预报,相对于传统的声学流固耦合有限元和边界元计算方法,使外部流场域模型至少缩小了11/15。探讨了环频率和阻尼对圆柱壳结构振动传递的影响,提出了求解中高频声学问题时大型圆柱壳复杂结构仿真建模处理方法。数值算例表明,发展的PML方法和模型简化方法是合理的,可应用工程问题研究。