人类听小骨的振动研究-生物力学关节表征
人类的中耳将由声波所引起的鼓膜振动通过听小骨传输至内耳。在接近听觉阈值时，鼓膜所产生的三维振动位移仅有几个纳米，因此，研究人员需要使用非常精准的非接触检测设备来测试这类振动。
除了处理声致振动外，人的中耳还需要处理大量的准静态压力波动，比如由环境气压变化所引起的振动。这些压力变化可能比疼痛阈的声压大出很多倍。不光是周围环境压力的变化，其它一些日常事件如打喷嚏、车窗开启时的空气流动或姿势改变也可能导致准静态压力波动。
为了应对庞大的激励带宽，人的中耳就像一台智能机械滤波器，将大的准静态激励隔断，只传递较小的动态激励 (图1)。
它的特性主要受锤砧关节（Incudo-Malleolar Joint IMJ)的影响，锤砧关节将两个听小骨(锤骨和砧骨)连接在一起。本项目旨在研究IMJ如何运转以给出不同建议及确定该关节的数学模型。
试验搭建
为参数化表征锤砧关节，我们测量孤立的锤砧联合体，以最小化其它（中耳）结构如韧带和鼓膜所带来的影响。
锤砧联合体结构非常小(约7 × 4 × 9mm)，重量很轻(约55mg)，包括由柔软的生物组织连接起来的两个听小骨。
激光多普勒测振仪(LDV) 采用非接触式测量方法，系统具有超高分辨率，是研究这种结构振动特性的理想工具。
Polytec的MSA-3D显微式激光测振仪和OFV单点式激光测振仪光学头在此处用于测试空间速度和位移(图2)。将LDV单元和被测对象进行定位，可以采用手动或电动方式来确定测点位置。
由于测量总是需要耗费一定时间，在这过程中生物软组织会发生干燥现象，而这会导致样本的材料性质发生变化。对此，我们可以通过一系列手段将干燥的影响降到最低，如预先确定测量网格、采用电动定位缩短半自动化测量时间以及增加环境湿度等。
采用电动激振器为样本提供动态激励（图2），使用连接到测力传感器的探针提供准静态激励（图3）。由内置于LDV光学头的摄像机来监控整个测量过程（图4）。在激励保持不变的情况下，测量听小骨不同位置下的振动特性。所有测试完毕后，通过数据后处理重建两个听小骨的三维运动。
除了单独测量锤砧复合体外，我们还在人类颞骨上进行了测试。在不损伤鼓膜、中耳和内耳带的情况下分离听小骨。使用扬声器为鼓膜提供激励，然后使用Polytec公司的CLV-3D紧凑式激光测振系统测量锤砧复合体的几个点的三维速度（图5）。
测量点位置的监测是由耦合在激光测振仪测量光路上的摄像机来完成，利用光圈减弱激光束强度以避免眩光。
结果及结论
这些点的测试可用来重建锤砧复合体在准静态及动态激励下的振动。采用准静态激励时，锤砧接合处的鞍形结构引起IMJ复合体振动；采用声学激励时，随着频率的增加，听小骨的振动模式愈加复杂，在接合处存在相对位移。
三维激光测振仪可用于测量不同激励模式下的锤砧关节的相对运动，这有助于研究人员更好地理解听骨链的力学功能和确定数学模型参数。
摘要：
使用德国Polytec公司的三维扫描式激光测振仪，测量不同激励模式下的锤砧关节的相对运动，帮助研究人员更好地理解人类听骨链的力学功能和确定数学模型参数
Acknowledgements
The authors thank Prof. Alex M. Huber, Dr. Jae Hoon Sim, Dr. Ivo Dobrev and Rahel Gerig from the University Hospital in Zurich for their cooperation during this project.
Images courtesy: Images courtesy of the authors unless otherwise specified. Cover image: ©istock.com/Bonerok
