《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：A hyperelastic-plastic damage model for puncture analysis of tympanic membrane using finite-element method
编辑推荐：
侯赛因·穆罕默迪（Hossein Mohammadi）|尼玛·马夫图恩（Nima Maftoon）系统设计工程系，滑铁卢大学，加拿大安大略省滑铁卢市摘要在针刺过程中，鼓膜（TM）的穿孔和损伤行为对于推进听力和平衡障碍的治疗至关重要。本研究提出了一个新颖的3D有限元（FE）模型，用
侯赛因·穆罕默迪（Hossein Mohammadi）|尼玛·马夫图恩（Nima Maftoon）
系统设计工程系，滑铁卢大学，加拿大安大略省滑铁卢市
摘要
在针刺过程中，鼓膜（TM）的穿孔和损伤行为对于推进听力和平衡障碍的治疗至关重要。本研究提出了一个新颖的3D有限元（FE）模型，用于模拟鼓膜穿孔过程，该模型既考虑了针的几何复杂性及中耳的结构，也考虑了鼓膜的非线性材料特性，包括其高应变变形、损伤积累和裂纹扩展。通过校准与损伤相关的机械特性（如断裂应变和屈服应力），该模型能够准确再现实验中的穿孔力（误差为2.6%），并预测穿孔时的最大冯·米塞斯应力为1.0 MPa。此外，该模型还能够分析插入位置、针尖几何形状以及鼓膜厚度对穿孔力的影响，为触觉设备、外科手术机器人和虚拟现实医学培训系统的开发提供了有益的见解。
引言
中耳在哺乳动物的听觉系统中发挥着重要作用，它将外部环境的声音波转化为机械振动并传递到内耳。鼓膜（TM）作为将声能转换为机械能的关键组成部分，在这一过程中起着关键作用。由于其在声音传导中的重要作用及其解剖位置，鼓膜常常成为治疗听力及平衡障碍（如中耳炎）的医疗干预的重点（Jin等人，2019年；Lous等人，2011年；Mandel等人，1989年）。然而，许多传统的治疗中耳疾病的外科手术（如鼓膜切开术和鼓室造口术）具有侵入性，需要切割鼓膜。这些手术不仅带来经济负担，还伴随着感染、鼓膜硬化、持续穿孔等风险，以及与全身麻醉相关的其他耳鼻喉并发症（Mandel等人，1989年；Rosenfeld等人，2022年）。此外，鼓膜还是将药物输送到中耳和内耳的重要通道。鼓室内给药可以直接将治疗剂送入中耳，已被证明对治疗内耳疾病（如感音神经性听力损失和梅尼埃病）特别有效。此外，这种方法还被用于保护听力免受顺铂等耳毒性药物的伤害（El Kechai等人，2015年；Hill等人，2008年；Salt和Plontke，2009年）。
医疗技术的最新进展促进了创新治疗方法的发展，这些方法旨在减少侵入性并提高精确度。特别是对于涉及鼓膜的外科手术，人们对微创医疗设备（如针头、微针和机器人辅助手术）的兴趣日益增加。一些研究探讨了软组织（包括鼓膜）的穿刺过程，并研究了插入速度、针头直径、插入角度和膜厚度等各种参数对针刺过程的影响（Mohammadi等人，2024a, 2024b；Ng等人，2018年）。随着技术的不断发展，基于针头和微针的方法可能为新型微创设备和手术提供基础，有望减少对鼓膜的损伤、加快恢复速度，并提高药物输送的精确度（Ng等人，2019年，2018年；Swartz等人，2023年）。然而，开发此类技术需要全面了解鼓膜损伤的生物力学机制以及针头插入过程中鼓膜与医疗工具之间的机械相互作用。
有限元（FE）方法是分析生物组织（包括鼓膜和其他中耳结构）机械行为的强大工具。它使研究人员能够创建详细的计算机模拟模型，以模拟组织对各种机械力的响应。这种方法提供的见解是单独通过体内或体外实验难以获得的。该技术已被广泛用于研究中耳的力学特性，许多研究聚焦于正常听觉过程中鼓膜和其他中耳结构的声学和振动行为（Ebrahimian等人，2023b；Ladak等人，2006年；Maftoon等人，2015年；O’Connor等人，2017年；Qi等人，2008年；Thompson等人，2023年；Wang等人，2007年）。这些研究采用了线性或非线性力学模型来表征鼓膜对声波的响应，为理解鼓膜与中耳结构之间的相互作用提供了宝贵见解。最近使用的FE模型有助于研究中耳参数对听力的影响（Ebrahimian等人，2023a，2023b），并促进了听力医疗设备的发展（Ebrahimian等人，2025年，2024b）。
然而，这些模型的应用主要限于没有鼓膜损伤且变形较小的情况，例如正常听觉过程中发生的那种情况。因此，这些模型不适合模拟针刺等过程中发生的复杂相互作用，在这些过程中鼓膜必须被穿刺，且涉及的力可能影响整个中耳系统。一些其他FE研究探讨了针头插入生物组织的过程，并在模型中加入了损伤机制，如元素失效或删除（Chen等人，2012年；Kong等人，2011年）、粘聚区方法（Mohammadi等人，2021年；Mohammadi和Maftoon，2021年；Oldfield等人，2013年；Terzano等人，2020年）、任意拉格朗日-欧拉方法（Gao等人，2020年；Konh和Hutapea，2015年；Yamaguchi等人，2014年）以及耦合欧拉-拉格朗日方法（Jushiddi等人，2021年，2019年；Li等人，2020年）。关于针头与组织相互作用的FE模型的综合综述可见于（Mohammadi等人，2023年）。
到目前为止，尚缺乏能够全面模拟针头插入鼓膜的FE模型。在我们之前的一项研究中，我们使用沙鼠样本在体外实验分析了鼓膜穿孔现象，并确定了鼓膜的断裂韧性（Mohammadi等人，2024a）。随后，我们将这些数据整合到一个FE框架中，结合了一个2D粘聚区模型来模拟针头插入鼓膜有限区域的过程，以及一个3D模型来模拟整个鼓膜和其他中耳结构，使用的压痕力等同于观察到的穿孔力（Mohammadi等人，2024c）。尽管该研究为鼓膜穿孔和中耳的变形行为提供了有价值的见解，但它没有完整地模拟针头在三维空间中的插入过程。因此，该模型无法分析针尖几何形状和加载条件（例如插入角度）对鼓膜穿孔和中耳变形的影响，也无法完全确定作用在针头上的反作用力的各个分量。
在这项研究中，我们引入了一个3D FE模型来模拟针头插入鼓膜的过程，并在同一模型中包含了其他中耳结构。这种方法使我们能够准确分析鼓膜的三维穿孔情况，以及整个中耳在针刺过程中的应力分布和变形情况。所提出的模型采用了Ogden材料模型来捕捉鼓膜在大应变下的非线性行为，并包含了塑性延性损伤模型来模拟针刺引起的损伤效应。我们利用这个FE模型研究了在不同插入位置、倾斜角度、针尖几何形状和鼓膜厚度分布条件下的鼓膜和中耳响应。
章节摘录
材料与方法
我们开发了一个3D模型，用于模拟针头插入沙鼠中耳的过程，以研究鼓膜穿孔现象。我们采用了一个能够考虑鼓膜在大变形下的非线性行为的材料模型，并纳入了损伤机制来模拟穿刺点和针头完全穿透鼓膜的过程。我们将穿孔力与实验数据进行了拟合，以校准与损伤相关的机械特性。为了保证论文的一致性，穿孔力...
结果
在本节中，我们首先证明了我们的数值结果不受质量缩放因子的影响，并展示了校准后的模型与实验数据之间的良好一致性。随后，我们展示了针头插入过程中中耳的响应，以及插入位置、针头倾斜角度、针头几何形状和鼓膜厚度对穿孔力的影响。
讨论
我们提出了一个用于模拟针头插入鼓膜的损伤模型。该损伤模型仅使用两个参数（即断裂应变和屈服应力）进行校准，选择这些参数是为了简化计算过程并提高参数估计的效率。虽然这种方法便于实际应用并降低了校准过程的复杂性，但更先进的损伤模型如果能引入更多参数，可能会更好地捕捉鼓膜损伤的完整范围...
结论
在本研究中，我们开发了一个3D FE模型，用于模拟针头插入沙鼠鼓膜的过程，其中包含了超弹塑性损伤模型。我们采用了trust-constr优化算法来确定鼓膜的断裂应变和屈服应力，分别为1.01 μm/μm和0.92 MPa。我们使用了质量缩放技术，该技术在保持准确性的同时显著降低了计算成本，这一点通过能量和力分析得到了验证。我们的发现...
侯赛因·穆罕默迪（Hossein Mohammadi）：撰写 – 原始草稿、验证、方法论、研究、正式分析、数据整理。尼玛·马夫图恩（Nima Maftoon）：撰写 – 审查与编辑、监督、方法论、研究、资金获取、概念构思
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的利益冲突或个人关系。
数据可用性
在本研究期间生成和/或分析的数据可根据合理请求从相应作者处获取。
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的利益冲突或个人关系。
8. 致谢
本研究得到了加拿大自然科学与工程研究委员会（RGPIN2020–05522）、加拿大创新基金会和安大略省研究基金（38964），以及新Frontiers研究基金（NFRFE-2022-00351）的支持。我们衷心感谢麦吉尔大学的Robert Funnell教授允许我们使用他在实验室开发的沙鼠中耳3D模型。
