生物力学关节的特性分析
人体的中耳将声波引起的鼓膜振动通过听小骨传递至内耳。在接近听阈的范围内，由此产生的三维振动模式的位移仅在几纳米范围内。要检测这些振动，需要采用高精度且非侵入式的测量系统。
除了声传振动外，人类的中耳还必须应对巨大的准静态压力波动，例如由环境气压变化引起的波动。这些压力波动可能比疼痛阈值处的声压大许多倍。它们不仅由环境气压变化引起，还由日常活动引起，例如打喷嚏、敞开的车窗吹来的气流或体位变化。
为了处理这种巨大的激励带宽，人类中耳像一个机械滤波器一样工作，它将大的准静态激励隔离出来，同时传递小的动态激励（图1）。
这种行为主要受锤骨-砧骨关节（Incudo-Malleolar Joint，简称IMJ）的影响，该关节将两块听小骨（锤骨和砧骨）连接在一起。本研究项目的目标是探究IMJ在不同刺激条件下的工作原理，并建立该关节的数学模型。
实验装置
为了表征 IMJ，需要对分离出的 IM 复合体进行测量，以最大限度地减少其他（中耳）结构（如韧带和鼓膜）的影响。
IM复合体是一种非常小（约7 x 4 x 9毫米）且轻便（55毫克）的结构，由两个通过柔软生物组织连接的听小骨组成。 激光多普勒振动计（LDV）是研究该结构的理想工具，因为它能够对此类微型物体进行非侵入式的高分辨率测量。此处使用Polytec 的MSAMicro System Analyzer 和单点激光振动计探头来检测空间速度和位移（图2）。可以通过手动和电子定位来对齐LDV装置和被测物体，并确定测量点的位置。
在检测过程中，生物软组织的干燥会导致试样的材料性能随测量时间的增加而发生变化。可以通过预先设定测量点、采用电子定位并缩短半自动测量时间，以及提高湿度，来最大限度地减少干燥的影响。
试样通过电动力振动台进行动态激励（图2），并通过连接到称重传感器的测针进行准静态激励（图3）。测量过程由集成在LDV测头中的摄像头进行监测（图4）。在激励条件保持恒定的情况下，对听小骨的不同位置进行测量。 通过后处理，可以基于这些单独的测量数据重建两块听小骨的三维运动轨迹。
除了对分离的IM复合体进行研究外，还对人类颞骨进行了测量。在解剖听小骨时，确保不损伤鼓膜、中耳及内耳韧带。通过扬声器对鼓膜进行声学激励，并使用Polytec 公司的紧凑型激光振动计系统，在锤骨和砧骨的多个点上测量三维速度（图5）。
通过将摄像头接入激光振动计的光路中来监测测量点的位置，并利用光阑将激光束的强度降至最低，以避免眩光。
结果与结论
无论是准静态激励还是动态激励，均可利用单点测量数据来重建锤骨和砧骨的运动。对于准静态激励，由于关节面的鞍形结构，IM复合体会发生运动。在声学激励的情况下，随着频率的增加，IM关节中会出现相对的空间运动，同时听小骨的振动模式也会变得越来越复杂。
可利用三维激光振动计，对不同激励模式下IM关节中的这种相对运动进行可视化观察。这有助于加深对该关节机械功能的理解，并为数学模型的参数确定提供依据。
致谢
作者感谢苏黎世大学医院的亚历克斯·M·胡贝尔教授、Jae Hoon Sim 博士、Ivo Dobrev 博士以及 Rahel Gerig，感谢他们在该项目期间给予的合作。
