豚鼠内耳前庭结构三维重建与温度场数值模拟的研究

【摘要】：目的: 1.本实验通过组织石蜡连续切片,结合计算机技术得到豚鼠内耳前庭膜迷路的三维几何模型,可清晰显示内耳前庭器官:膜半规管、椭圆囊及球囊等的形态结构,加深临床医生对内耳前庭宏细观结构的认识和准确量化理解,为建立异常条件下的动物实验模型及应用于人体实验奠定基础。 2.熟练掌握石蜡连续切片技术及计算机三维重建的方法,为内耳前庭各结构参数的精确测量和评价,以及生物力学数值模型的建立提供有效的工具。 3.对豚鼠内耳前庭三维重建模型进行温度场的数值模拟,分析温度刺激下前庭系统膜迷路内的生物力学响应。结合临床双温试验,有助于定量了解前庭系统维持平衡功能的机理,为前庭性疾病的诊疗提供一定的参考依据。 方法:采用新鲜豚鼠颞骨,经过固定、脱钙、脱水、透明、浸蜡、包埋定位、切片机连续切片、染色、封片等,获得了片厚6μm的石蜡连续切片一套,采用数码摄像机进行采集,获取横断面二维图像数字信息,利用计算机技术进行三维重建,建立包含膜半规管、椭圆囊、球囊等细微结构的内耳前庭三维模型。基于三维成像模型进行数据测量,运用有限元方法进行内耳前庭温度场的数值模拟。 结果: 1.获得了一套完整的豚鼠内耳组织连续切片及放大后图像资料。证实了从豚鼠内耳取材至切片、封片的实验步骤均具有可行性。 2.利用石蜡连续切片方法结合计算机技术,建立了豚鼠内耳前庭膜性结构的三维模型,可清楚的显示豚鼠内耳前庭的细微结构及空间特性,并得到了内耳前庭的三维数据。 3.对豚鼠内耳前庭三维成像模型进行温度场的数值模拟,显示了在温度刺激下前庭系统内复杂的力学行为。本文中给出了△T=+1℃、△T=+7℃及△T=-1℃三种温度刺激,观察随着时间的推移引起半规管壶腹嵴嵴顶的位移、速度及压强的变化。温度升高与降低时,位移均逐渐增大,速度均逐渐减小;温度升高,压强逐渐增大,温度降低,压强逐渐减小,以上指标最终均趋于一个稳定值。温差越大,力学响应越大。观察三个半规管同一温度刺激下嵴顶的位移响应得出:外半规管壶腹嵴嵴顶的位移响应最大,两垂直半规管壶腹嵴嵴顶的位移响应相对较小,且后半规管壶腹嵴嵴顶的位移响应是最小的。压强云图上可见压强降主要集中在外半规管。说明温度干预对外半规管影响较大。 结论: 1.利用组织连续切片技术获取二维图像数字信息并进行计算机豚鼠内耳前庭三维重建,既具备了切片的细节性,又能反映其空间特性,而且可以进行三维数据测量,是一种提高颞骨形态学研究水平的方法,为今后的形态学教学及研究奠定了基础。 2.通过对内耳前庭温度场的数值模拟分析,能够定量了解前庭系统维持平衡的机理,为评价半规管及整个前庭系统的功能状态提供了一定的数据参考。 3.采用石蜡连续切片方法结合计算机技术用于内耳前庭宏细观结构三维重建并进行数值模拟的方法具有可行性。