耳听力系统生物力学研究进展

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.

高压对耳蜗的影响

目的研究高压环境对人耳蜗的影响,弥补试验手段不足导致的耳蜗在高压环境下听力行为特征研究的缺失,为今后对耳蜗进行针对性研究提供新的思路。方法基于健康人耳蜗CT扫描图像,结合自编程序,利用PATRAN软件建立三维螺旋耳蜗有限元模型。应用NASTRAN软件进行流固耦合频率响应分析和瞬态响应分析,通过数值模拟方法研究高压对耳蜗的影响。结果基底膜12 mm处与镫骨底板中心(卵圆窗的中心)处位移比值模拟结果与已报道的试验结果相吻合,验证了所建模型的正确性。高压环境下,耳蜗中基底膜特征频率点的幅值随着压强的增大而不断减小。结论高压环境最终导致人耳听力的降低。研究结果为临床上研制防治高压的缓冲装置提供理论支撑。

基于螺旋型耳蜗的数值分析

利用Patran建立包括前庭阶、鼓阶、基底膜、圆窗、卵圆窗在内的三维空间螺旋耳蜗模型。结合Nastran对基底膜进行频率响应分析,得到基底膜位移响应与耳蜗内压力(包括前庭阶与鼓阶处的压力),计算结果与相关实验吻合,验证了模型的正确性。基于空间螺旋模型研究了流体黏度对于耳蜗阻抗的影响以及正向、逆向激励对于基底膜12 mm处沿横向位移幅值的影响。结果表明,由于流体黏度的存在增大了耳蜗的阻抗。同时,当频率较高时,在正,逆不同激励作用下,相对于简化的直腔耳蜗模型,螺旋基底膜的曲率对基底膜沿横向的幅值影响较大,从侧面反应出螺旋耳蜗结构本身的曲率对基底膜感音域的扩大作用。

基于CIVIL 3D的疏浚工程量计算分析

本文采用CIVIL 3D分别建立了某内河A、某内河B和某内河C的部分地形模型,并用曲面放坡和距离放坡建立了疏浚模型,计算了航道的疏浚工程量。所得数据传统软件所得数据相差较小,验证了模型的正确型。通过不同航道和不同建模方式的对比分析发现,与传统软件所得数据相比,航道弯曲段的差异较航道直段的大。曲面放坡所得数据比距离放坡大,由于其对应于不同的实际工况,因此需要设计负责人择优选取。但本文研究成果为设计负责人在今后采用BIM设计时提供一些实验数据。

BIM在维护疏浚工程中的运用

基于Autodesk平台中的CIVIL 3D建立了符合实际的地形和设计模型,同时前期设计时利用CIVIL 3D进行了航道中心线的拟定,此外为了满足疏浚项目工程的需求,对于CIVIL 3D相应模块进行了二次改进,得到了满足疏浚项目工程需求的出图,大幅提高了工作效率。

细菌生物膜厚度和面积对人耳听力的影响

依据临床健康志愿者右耳的CT扫描结果,将CT扫描数据数值化导入PATRAN软件进行人耳三维有限元模型的重建,并用NASTRAN软件对该模型进行频率响应分析。通过对正常人耳结构进行频率响应分析得出数据与实验数据吻合,验证了模型的正确性。结合临床中耳炎病症实际情况,研究细菌生物膜的成长阶段对人耳听力的影响。结果表明：在不同声压相同的频率段,细菌生物膜的厚度变化对人耳听力的影响是相同的。在相同声压不同频率段,细菌生物膜的厚度增加会引起镫骨振幅和速度降低,在较低频率段镫骨振幅和速度下降幅度较大,下降的最大值为1.64 d B;在较高频率段镫骨振幅和速度下降幅度较小,下降的最大值为1.04 d B。在不同声压作用下,在相同的频率段细菌生物膜的面积增加会引起镫骨振幅和速度降低。在100-1 000 Hz频率段镫骨振幅和速度的下降幅度较小,下降的最大值为0.18 d B。在1000-10 000 Hz频率段镫骨振幅和速度的下降幅度较大,下降的最大值为2.26 d B。细菌生物膜厚度或面积增加都会使人耳听力下降,厚度增加在低频时比高频时下降更多,而面积增加则刚好相反。

常压和高压环境下噪声对耳蜗的影响

目的探讨常压和高压环境下噪声对耳蜗的影响,用数值模拟方法弥补试验手段不足导致的噪声对耳蜗听力行为特征研究的缺失。方法基于健康人耳蜗CT扫描图像,结合自编程序,利用PATRAN软件建立三维螺旋耳蜗有限元模型。应用NASTRAN软件进行流固耦合频率响应分析和瞬态响应分析,通过数值模拟方法模拟常压和高压环境中噪声对耳蜗的影响。结果模型计算结果与文献中已报道的试验结果相吻合,验证了模型的正确性。当频率小于5 kHz时,常压和高压环境中噪声激励下基底膜位移基本一致;当频率大于5 kHz时,常压环境中噪声激励下基底膜位移逐渐减小,而高压环境中噪声激励下基底膜位移却持续增加。结论高压环境中噪声对基底膜高频影响更加明显。数值模拟结果弥补了试验手段不足导致的噪声对人耳蜗听力行为特征研究的缺失,为今后对耳蜗进行针对性试验研究提供了新的思路和理论支撑。

基于MIDAS的钢结构屈曲分析研究

本文利用MIDAS建立箱形杆件三维模型,梳理了采用MIDAS进行屈曲分析的流程和存在的注意事项,并将MIDAS计算的临界应力与公式理论值进行对比,验证采用MIDAS建模的正确性。同时,结合具体实例进行分析,结果发现,采用MIDAS计算得到的临界荷载大于理论值,且比理论值大3.6%,在工程合理范围内,为今后在工程中采用MIDAS对结构进行屈曲分析提供了依据。

MIKE21在水系综合整治工程中的应用

为指导阳明湖水系综合治理工程,校核防洪水位计和改善水系流场,基于MIKE 21 FM模型构建了阳明湖二维水动力模型,模拟30年一遇降水(风速22 m/s)、30年一遇降水(平均风速1.9 m/s)平水期、枯水期(引水量2.3 m^3/s)和枯水期(引水量4.6 m^3/s) 5种不同工况下水系的水位及流场分布情况。结果表明,在30年一遇降水(风速22 m/s)工况下,最高水位为31.29 m,略超过规划洪水位31.1 m,其余工况下未超过规划洪水位;5种工况下,阳明湖北部湖区水动力均较差,枯水期随着引水量的增加稍有改善;建议优化设计方案,减少死水区及水流较差区域。

基于CIVIL 3D航道疏浚量断面法计算的研究

本文采用CIVIL 3D建立了上海市某两条内河航道的部分地形模型,并用断面法建立了疏浚模型,计算了航道的疏浚工程量。所得数据与传统方法所得数据相差5%以内,符合工程实际,验证了模型的正确型。基于模型研究了断面加密对于工程量的影响,发现不同地形对工程量影响不同。为了定量说明地形的起伏性,引入地形起伏系数,得到地形起伏系数越大,相应的地形起伏性越大,为在今后描述不同地形的起伏性提供了一种新思路和方法。

基于MIKE 21的码头潮流数学模型研究

本文基于MIKE21FM对新建的洋浦神头港区南港区码头工程进行研究,研究了工程海区建设前后潮流场特征以及工程建设后对海区潮流场分布的影响。研究结果表明:模拟计算海区朝波系统的运动特性可用于进一步研究预测工程建设后朝波系统。工程前水流比较平顺,工程后,防波堤口门附近涨、落潮都会因挑流的影响局部流速会变大,其中,一期航道A3~A6受到的影响较为显著。为今后相关项目提供了宝贵的实践经验。

基于CIVIL 3D数据源处理二次开发的研究

在航道疏浚整治项目中,为了解决不同软件导出的地形泥面线存在差异的问题,本文基于visual studio平台,采用.Net语言进行二次开发,将传统测量所得的数据源进行处理,得到统一的数据源,并基于新的数据源对传统方法和CIVIL 3D方法进行分析,所得泥面线完全吻合,所得工程量相差0.4%,满足工程要求。为后期CIVIL3D在疏浚航道整治中的运用提供了可靠的依据。

基于MIKE 21对防撞设施桥墩处紊流宽度的研究

目前,对航道中桥墩处紊流宽度计算一般使用E=KcKsf(v,b,h)公式。但该公式并没有涉及航道地形的参数,也没有考虑到后续防撞设施的影响。为了研究防撞设施的布设对于桥墩处紊流宽度造成的实际影响,本文采用MIKE21软件,结合中运河桥和茹塘大桥实例,建立二维水流数学模型。通过对比数模与公式结果的误差发现,该一般性公式只适用于墩前水流较简单的情况。MIKE数模能更好地还原研究区域水文条件,直观反映紊流宽度,弥补了公式中关于桥墩附近复杂地形的空白,对将来公式修正提供了科学参考依据。

泥沙运动对洋浦神头港区南港区码头的影响分析

本文基于MIKE 21 FM对新建的洋浦神头港区南港区码头项目工程进行研究,研究了沿岸输沙及泥沙淤积对洋浦神头港区南港区码头的影响。研究结果表明:正常天气下,从泥沙回淤角度来看,该海域适宜建设海港。50年一遇大风天气下大风天的回淤量极小,适当备淤就能抵挡极端天气下的回淤问题,且不会对航道正常通航及码头作业产生影响。为今后相关项目提供了宝贵的实践经验。