基于CT影像有限元模型在中耳手术前后的应用研究

发布时间：2018-02-09 08:46

本文关键词： 中耳病变听骨链有限元模型 X线计算机体层摄影术手术　出处：《暨南大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：研究背景中耳疾病主要包括慢性中耳炎、中耳畸形及颞骨骨折等,是一类对听力有较大影响的疾病。目前中耳疾病主要通过手术清除病灶、鼓膜修补和听骨链重建来恢复患者的听力。由于手术医生无法模拟中耳解剖结构和复杂的传音机制,其主要依靠经验,缺乏理论指导,所以手术虽然取得了一定的疗效,但未能达到生理状态,术后大部分患者只能恢复部分听力,而且听力提高的幅度也不一致,有些患者甚至出现术后听力下降,难以取得理想的听力。因此术前如何对中耳病变进行全面系统的评估,为临床确定术式以及如何对术后疗效进行客观的评估,一直是耳科医生不断研究及希望解决的临床难题。然而,随着力学及结构工程的研究逐步进入生命科学领域,临床医学中的难题促使力学与生物医学的结合及不断发展,力学在耳科学的应用成为新的交叉学科,应用力学研究中耳构造及传音机制已成为研究热点。Aibara R等利用12具新鲜尸体,探讨了不同的声压与镫骨底板传递速度之间的关系,Wiet GJ等通过8.0T MR和Micro C T等获取超高分辨率数据,模拟显示颞骨解剖结构,或是基于C T扫描建立中耳有限元模型,讨论了声音传导、听骨、肌腱、韧带等材料参数问题,这些研究基本上是处于理论阶段,没有根据研究结果直接指导手术方案的制定,也没有将材料参数应用于制造个体化的人工听骨(目前,临床上使用的钛合金听骨没有根据患者个体情况定制)。目的:1、以中耳CT为基础,建立正常中耳有限元模型,并验证其有效性。2、建立中耳手术前后有限元模型,其有关的生物力学参数与手术方式、听力恢复情况综合比较分析,探讨基于CT影像的有限元模型评估手术的有效性,为个体化人工听骨的制造做方法上的准备3、通过中耳手术后CT检查,将其手术类型、临床表现和CT表现进行对比分析,探讨中耳CT对术后的评估价值。材料和方法:1、研究对象正常组:选取10耳临床听力无异常且CT表现正常者建立正常中耳有限元模型,他们均因对侧耳疾患而行CT检查。病变组:收集本院因慢性中耳炎、中耳畸形及颞骨骨折行手术治疗患者20例(20耳)建立中耳疾病手术前后有限元模型,其中18耳手术前、后均行中耳CT扫描,手术前、后CT检查5天内进行纯音电测听检查;1耳仅行术前CT检查,1耳仅行术后CT检查。收集其中有术后中耳CT患者19例,结合临床资料,探讨中耳术后CT的诊断价值。2、研究方法(1)采用美国GE公司生产的Hi-Speed NX/I螺旋CT扫描机或日本东芝公司生产的320排640层CT扫描仪(Aquilion One),行双侧乳突轴面CT螺旋扫描,扫描基线为上眶线,范围从外耳道下缘至岩骨上缘。扫描参数:140 KV,170~250 m A,螺距1.0或0.625,层厚0.5mm或0.2mm,骨算法,扫描野:small,显示野:150mm。重建参数:层厚0.5mm,重建间隔0.2mm,Fov 80mm,分别进行中耳结构重建。进行冠状面、镫骨斜轴面、斜冠面和面神经管曲面重建成像,以及虚拟耳镜成像。虚拟耳镜观察阈值上限选择默认值-600,听骨重建时选+200。仿真内镜从4个方位观察听骨链全貌,从外耳道向鼓室方向;从鼓室底向上部,从鼓室内侧缘往外下方,从乳突窦向下。(2)原始CT扫描数据以DICOM格式以贮存,并导入到Mimics 10.01软件中,重建中耳听骨链的三维模型轮廓;其次使用GEOMAGIC逆向工程软件将模型进行细化、平滑、修补等操作生成光滑的三维听小骨模型及鼓膜面模型;进一步探测模型曲率、编辑和修复曲率线、自动拟合曲面、编辑和修理曲面、构造格栅、生成NURBS曲面、导出IGES实体模型;再将听小骨及鼓膜面IGES模型导入到ANSYS Workbench中进行网格划分,建立正常中耳有限元模型并进行有限元分析,并将计算结果和文献结果进行对比,验证中耳有限元模型的有效性。(3)根据正常中耳有限元模型的建模方法来建立中耳疾病手术前后的有限元模型,将其有关的生物力学参数与手术方式、听力恢复情况综合比较分析,探讨基于CT影像的有限元模型评估手术的有效性。(4)通过中耳疾病术后的中耳CT影像,结合临床资料,探讨中耳术后CT的诊断价值。结果:1、正常中耳有限元模型的建立及有效性验证应用动力学的传导振动原理,利用表中的材料参数,对正常听小骨模型进行动力数值计算分析,在不考虑外耳道影响下,10耳正常中耳模型的鼓膜处施加90d B声压进行谐响应分析,得到镫骨位移频响曲线。曲线在1000Hz前缓慢上升,大约在700~1000Hz附近达到最大值,然后曲线缓慢下降,与文献报导的大体变化趋势相同,说明本研究的建模方法是可靠的。2、正常耳与病变耳术前镫骨位移的比较本研究10耳正常耳镫骨在500Hz、1000Hz及2000Hz时位移平均值范围为1.16E-05至9.71E-05,经过计算得出正常镫骨平均位移值为3.31E-05。术前19耳病变耳镫骨的位移平均值范围为1.54E-7至4.25E-6,经过计算得出病变镫骨平均位移值为1.41E-06。由此可见,病变耳镫骨位移低于正常耳,从而听力下降。3、手术前后镫骨位移、听力变化与手术方式比较病变组中有手术前后电测听记录者14耳,术后听力提高者10耳,下降3耳,不变1耳。在术后听力提高的10耳中,除1耳术后镫骨位移较术前减小外,其余9耳均术前增大。其中4耳重建听骨链大致与正常听骨链相似,3耳为残存镫骨直接与人工鼓膜相连,1耳听骨链松解手术,1耳人工镫骨置换术,1耳面神经减压听骨链重建术。术后位移较术前减小患者,复习手术前后CT,发现该患者为手术后34天时CT扫描及电测听检查,听骨链周围软组织密度比术前低。术后听力下降3耳,术后镫骨位移均较术前减小,其中1耳重建听骨链大致与正常听骨链相似,1耳残存听骨连接于人工鼓膜与卵圆窗之间,1耳为听骨链松解术。术后听力不变1耳,术后镫骨位移较术前增大,镫骨位移差4.39E-5,为面神经管减压术。正常耳与术前耳经秩和检验P=0.000,有统计学意义,正常耳平均秩24.5大于术前耳平均秩10,说明正常耳比术前耳镫骨位移大。术前与术后镫骨平均位移行秩和检验P=0.002,有统计学意义,术后平均秩25.1大于术前平均秩13.9,说明术后耳比术前耳镫骨位移大。4、术后听力与术后CT表现的关系手术前后电测听记录者14耳,术后听力提高者10耳,其中2耳中耳畸形,1耳人工镫骨置换,1耳听骨链松解;2耳外伤后行听骨链脱位行复位术;6耳中耳炎术后听骨链重建,术后中耳CT检查听骨链位置较好。术后听力下降者3耳,其中1耳中耳畸形听骨链松解术后CT发现听骨链移位,1耳中耳炎听骨链重建术后CT发现听骨链移位,1耳中耳炎术后CT发现胆脂瘤复发,听骨链破坏。1耳听力不变为面神经减压术后。结论:1、通过正常中耳原始CT数据,可建立正常中耳有限元模型,所建立的正常中耳有限元模型与相关文献有较好的一致性,为进一步研究中耳疾病的生物力学分析奠定了基础。2、人体中耳有限元模型能有效地提供中耳几何模型及力学传导数据,可较为客观的反映手术的效果,对术前治疗方案的指导及术后评估有重要意义。3、中耳术后CT检查可以评估中耳手术效果,手术前后CT表现分析与临床表现及手术类型相关,并且能为二次手术提供依据。
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【学位授予单位】：暨南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R764.9

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