第四章 以有限元素法分析耳道塌陷對外耳道內聲場之影響
4.2 有限元素分析流程
4.3 結果
本研究利用高解析度電腦斷層掃描頭部顳骨區塊影像，由醫學軟體進行影像處 理之灰階值調整突顯出耳道及耳膜，並進行活人體耳道三維影像重建，再經由介面 系統轉換的方式，建立外耳道聲學有限元素模組，進行活人體外耳道聲壓分析。
圖 4-5 所示為硬骨部吸收率 0.1，軟骨部吸收率 0.5，在外耳道內 2.0 cm 處，FEM 分析和 REM 增益量之頻率響應圖，其最大增益量，如表 4-3 所示，2 kHz 到 8 kHz 時的最大增益量依序為 5.06 dB、12.19 dB、14.49 dB、17.21 dB、21.87 dB、25.98 dB、
29.1 dB，和 REM 相比，接近耳膜位置於耳道內 2.0cm 處，在 2 kHz 時 REM 增益量 為 12 dB，相差 6.94 dB，在 4 kHz 時，耳道內之增益量為 16 dB，相差 1.51 dB，如 圖 4-4 所示。
在分析過程中，考慮耳道塌陷程度對耳道增益量之影響，其結果如表 4-3 所示。
當頻率 1k Hz 以下，耳道塌陷和正常耳道相比，其差異性在 20 %以下。當頻率在 2 kHz 到 4 kHz 之間時，耳道塌陷和正常耳道相比，其差異性在 20 %以上，尤其在頻率 2 kHz 時，差異性為最大。當頻率 4 kHz 以上時，耳道塌陷和正常耳道相比，其差異性則 在 14 %以下。以增益量大小來看，耳道塌陷 1 mm 後和正常耳道相比，平均各頻率 相差 3 dB 以下，而耳膜溝磨平 1 mm 到 3 mm，平均各頻率相差不到 1 dB，而在差 異性最大 67 %，為頻率 2 kHz，耳道塌陷 3 mm 時，與正常耳道相比，其增益量下 降 3.4 dB。整體來看，耳道塌陷 3 mm 時，平均各頻率和正常耳道相比，增益量下 降約 4 dB，如圖 4-7 所示。
4.4 討論
由本章以頭部顳骨高解析度電腦斷層掃描進行活人體耳道三維影像重建，並進 行幾何外型量測，成功控制耳道影像網格簡化及平滑化處理，以得到較真實耳道三 維立體影像；由結果可得到有限元素法模擬對於耳道內聲音傳遞的方向特性，並可 藉由本研究清楚的顯示出聲壓之向量性，如圖 4-8 到圖 4-10 聲壓分佈圖，由於軟骨 部與顳骨的物理特性，當聲音經由外耳道傳入耳膜時，因為聲音的頻率特性產生駐 波，而導致其頻率及振幅特性改變。
由有限元素法模擬正常耳道結果之增益量大小和真耳測試互相比較可得知，其 趨勢是相當符合。在頻率 1 kHz 以下時，耳道塌陷對耳道內聲場無明顯影響，其差 異性在 20 %左右，耳道塌陷 1 mm 和正常耳道相比，增益量大小則相差不到 2 dB，
耳道塌陷 1 mm 到 3 mm 之間，增益量相差不到 1 dB 的大小。而在頻率 2 kHz 到 4 kHz 之間，耳道塌陷和正常耳道相比，差異性到達 47 %到 67 %之間，明顯可知耳道塌 陷對聲場的影響，尤其在 2 kHz 最為明顯，3 kHz 次之，4 kHz 較少。耳道塌陷 1 mm 增益量和正常耳道增益量相比，相差約 3 dB 左右，但耳道塌陷 1 mm 到 3 mm 之間，
增益量則相差一樣不到 1 dB。當頻率 4 kHz 以上，耳道塌陷對正常耳道影響下降，
其差異性在 14 %，耳道塌陷 1 mm 增益量和正常耳道增益量相比，大小則相差不到 3 dB，差異減小，而耳道塌陷 1 mm 到 3 mm 之間，增益量則相差一樣不到 1 dB。
從表 4-3 可知，正常耳道和 3 種不同耳道塌陷厚度之增益量差距都略有不同，
但其趨勢是相同的，如圖 4-6 所示。本研究在 FEM 中使用一般空氣流體之材料參數，
而真實活人體耳道內空氣材料參數尚未得知是否有變異，可能是產生以上變數原因。
本研究將正常耳道利用真耳測試和有限元素法進行比較，結果顯示 FEM 和 REM 趨勢一樣，增益量大小也相近，如圖 4-5 所示，之後再將 FEM 正常耳道和三 種不同耳道塌陷程度進行比較，結果顯示在頻率 2 kHz 到 4 kHz 對聲壓較有明顯差 異，其於頻率則差異不明顯。耳道塌陷的程度越大，代表耳道容積越小，依結果來 看，塌陷程度越大，耳道內增益量則逐漸遞減，對聽力的影響越大。
圖 4- 4 右耳道不同位置增益
-80 -60 -40 -20 0 20 40
Gain ( d B)
2.0 cm
Temporal bone_0.1 Cartage part_0.5 Real ear measurement
0 2000 4000 6000 8000
Frequence (Hz)
圖 4- 5 FEM 分析耳道內 2.0 cm 處硬骨部吸收率(0.1)軟骨部吸收率(0.5) 之增益量和 REM 之增益量
0 2000 4000 6000 8000
Frequence (Hz)
-80 -60 -40 -20 0 20 40
Ga in ( d B )
Ear_canal_collapse 0 mm 1 mm 2 mm 3 mm
圖 4- 6 頻率 1 kHz 到 8 kHz 之耳膜溝磨平各厚度增益量
-80 -60 -40 -20 0 20 40
Ga in ( d B )
Ear_canal_collapse 0 mm 3 mm
0 2000 4000 6000 8000
Frequence (Hz)
圖 4- 7 頻率 1 kHz 到 8 kHz 之耳膜溝磨平 3 mm 和正常耳道之增益量
1
MN
MX
-.376E-08 -.288E-08
-.199E-08 -.111E-08
-.231E-09 .651E-09
.153E-08 .241E-08
.330E-08 .418E-08 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =8 FREQ=1000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0 DMX =.125E-10 SMN =-.376E-08 SMX =.418E-08
1
MN
MX
-.281E-07 -.219E-07
-.158E-07 -.964E-08
-.350E-08 .265E-08
.879E-08 .149E-07
.211E-07 .272E-07 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =16 FREQ=2000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0 DMX =.250E-10 SMN =-.281E-07 SMX =.272E-07
1 kHz 2 kHz
1
MN
MX
-.157E-06 -.131E-06
-.105E-06 -.797E-07
-.540E-07 -.282E-07
-.250E-08 .232E-07
.490E-07 .747E-07 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =32 FREQ=4000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0 DMX =.500E-10 SMN =-.157E-06 SMX =.747E-07 1
MN
MX
-.817E-07 -.663E-07
-.509E-07 -.355E-07
-.201E-07 -.466E-08
.107E-07 .261E-07
.415E-07 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =24 FREQ=3000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0 DMX =.375E-10 SMN =-.817E-07 SMX =.569E-07
.569E-07
3 kHz 4 kHz
1
MN
MX
-.249E-06 -.208E-06
-.168E-06 -.127E-06
-.861E-07 -.454E-07
-.464E-08 .361E-07
.768E-07 .118E-06 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =40 FREQ=5000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0 DMX =.625E-10 SMN =-.249E-06 SMX =.118E-06
1
MN
MX
-.361E-06 -.298E-06
-.236E-06 -.173E-06
-.111E-06 -.483E-07
.141E-07 .766E-07
.139E-06 .201E-06 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =48 FREQ=6000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0 DMX =.750E-10 SMN =-.361E-06 SMX =.201E-06
5 kHz 6 kHz
1
MN
MX
-.489E-06 -.400E-06
-.312E-06 -.223E-06
-.135E-06 -.462E-07
.424E-07 .131E-06
.220E-06 .308E-06 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =56 FREQ=7000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0 DMX =.875E-10 SMN =-.489E-06 SMX =.308E-06
1
MN MX
-.639E-06 -.521E-06
-.403E-06 -.285E-06
-.167E-06 -.489E-07
.690E-07 .187E-06
.305E-06 .423E-06 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =64 FREQ=8000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0 DMX =.100E-09 SMN =-.639E-06 SMX =.423E-06
7 kHz 8 kHz
圖 4- 8 硬骨部吸收率為 0.1 及軟骨部吸收率為 0.5，刺激頻率為 1 kHz 到 8 kHz 時，
1
MN MX
-.347E-08 -.265E-08
-.182E-08 -.100E-08
-.179E-09 .643E-09
.147E-08 .229E-08
.311E-08 .393E-08 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =8 FREQ=1000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0 DMX =.125E-10 SMN =-.347E-08 SMX =.393E-08
1
MN MX
-.261E-07 -.204E-07
-.147E-07 -.902E-08
-.332E-08 .239E-08
.809E-08 .138E-07
.195E-07 .252E-07 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =16 FREQ=2000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0 DMX =.250E-10 SMN =-.261E-07 SMX =.252E-07
1 kHz 2 kHz
1
MN
MX
-.152E-06 -.127E-06
-.103E-06 -.786E-07
-.543E-07 -.299E-07
-.555E-08 .188E-07
.432E-07 .675E-07 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =32 FREQ=4000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0 DMX =.500E-10 SMN =-.152E-06 SMX =.675E-07 1
MN
MX
-.771E-07 -.628E-07
-.485E-07 -.342E-07
-.199E-07 -.563E-08
.868E-08 .230E-07
.373E-07 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =24 FREQ=3000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0 DMX =.375E-10 SMN =-.771E-07 SMX =.516E-07
.516E-07
3 kHz 4 kHz
1
MN
MX
-.247E-06 -.208E-06
-.168E-06 -.129E-06
-.891E-07 -.496E-07
-.100E-07 .295E-07
.690E-07 .109E-06 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =40 FREQ=5000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0 DMX =.625E-10 SMN =-.247E-06 SMX =.109E-06
1
MN MX
-.368E-06 -.306E-06
-.244E-06 -.182E-06
-.120E-06 -.583E-07
.375E-08 .658E-07
.128E-06 .190E-06 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =48 FREQ=6000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0 DMX =.750E-10 SMN =-.368E-06 SMX =.190E-06
5 kHz 6 kHz
1
MN MX
-.515E-06 -.425E-06
-.336E-06 -.246E-06
-.156E-06 -.669E-07
.227E-07 .112E-06
.202E-06 .291E-06 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =56 FREQ=7000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0 DMX =.875E-10 SMN =-.515E-06 SMX =.291E-06
1
MN MX
-.676E-06 -.556E-06
-.437E-06 -.317E-06
-.198E-06 -.780E-07
.416E-07 .161E-06
.281E-06 .400E-06 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =64 FREQ=8000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0 DMX =.100E-09 SMN =-.676E-06 SMX =.400E-06
7 kHz 8 kHz
圖 4- 9 硬骨部吸收率為 0.1 及軟骨部吸收率為 0.5，刺激頻率為 1 kHz 到 8 kHz 時，
1
MN MX
-.386E-08 -.299E-08
-.211E-08 -.124E-08
-.361E-09 .514E-09
.139E-08 .226E-08
.314E-08 .401E-08 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =8 FREQ=1000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0 DMX =.125E-10 SMN =-.386E-08 SMX =.401E-08
1
MN MX
-.283E-07 -.224E-07
-.166E-07 -.108E-07
-.494E-08 .890E-09
.672E-08 .126E-07
.184E-07 .242E-07 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =16 FREQ=2000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0 DMX =.250E-10 SMN =-.283E-07 SMX =.242E-07
1 kHz 2 kHz
1
MN MX
-.156E-06 -.132E-06
-.108E-06 -.836E-07
-.595E-07 -.354E-07
-.114E-07 .127E-07
.367E-07 .608E-07 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =32 FREQ=4000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0 DMX =.500E-10 SMN =-.156E-06 SMX =.608E-07 1
MN
MX
-.806E-07 -.666E-07
-.526E-07 -.385E-07
-.245E-07 -.104E-07
.360E-08 .176E-07
.317E-07 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =24 FREQ=3000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0 DMX =.375E-10 SMN =-.806E-07 SMX =.457E-07
.457E-07
3 kHz 4 kHz
1
MN MX
-.253E-06 -.213E-06
-.172E-06 -.132E-06
-.915E-07 -.512E-07
-.108E-07 .295E-07
.698E-07 .110E-06 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =40 FREQ=5000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0 DMX =.625E-10 SMN =-.253E-06 SMX =.110E-06
1
MN MX
-.375E-06 -.312E-06
-.249E-06 -.186E-06
-.123E-06 -.605E-07
.240E-08 .653E-07
.128E-06 .191E-06 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =48 FREQ=6000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0 DMX =.750E-10 SMN =-.375E-06 SMX =.191E-06
5 kHz 6 kHz
1
MN MX
-.521E-06 -.431E-06
-.341E-06 -.251E-06
-.161E-06 -.710E-07
.190E-07 .109E-06
.199E-06 .289E-06 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =56 FREQ=7000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0 DMX =.875E-10 SMN =-.521E-06 SMX =.289E-06
1
MN MX
-.679E-06 -.560E-06
-.442E-06 -.323E-06
-.204E-06 -.849E-07
.340E-07 .153E-06
.272E-06 .391E-06 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =64 FREQ=8000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0 DMX =.100E-09 SMN =-.679E-06 SMX =.391E-06
7 kHz 8 kHz
圖 4- 10 硬骨部吸收率為 0.1 及軟骨部吸收率為 0.5，刺激頻率為 1 kHz 到 8 kHz 時，
表 4- 3 硬骨部吸收率 0.1，軟骨部吸收率 0.5 塌陷後和正常耳道增益量比較
正常耳道 耳道塌陷
1 mm
耳道塌陷
2 mm
耳道塌陷
3 mm
頻率 增益量dB
增益量 dB
差異率
%
增益量 dB
差異率
%
增益量 dB
差異率
%
125 Hz
-65.6 -67.34 2.65 -67.83 3.39 -67.49 2.88250 Hz
-47.55 -49.31 3.70 -49.79 4.71 -49.46 4.02500 Hz
-29.53 -31.32 6.06 -31.82 7.75 -31.52 6.74750 Hz
-19.05 -20.92 9.82 -21.41 12.39 -21.16 11.081 kHz
-11.7 -13.6 16.24 -14.13 20.77 -13.96 19.322 kHz
5.06 2.67 47.23 2.01 60.28 1.66 67.193 kHz
12.19 9.08 25.51 8.23 32.49 7.18 41.094 kHz
14.49 11.45 20.98 10.57 27.05 9.66 33.335 kHz
17.21 15.42 10.40 14.73 14.41 14.81 13.956 kHz
21.87 20.04 8.37 19.55 10.61 19.6 10.387 kHz
25.98 23.75 8.58 23.26 10.47 23.19 10.748 kHz
29.1 26.51 8.90 26.02 10.58 25.82 11.27第五章 結論
本研究透過高解析度電腦斷層掃描取得人類頭顱CT影像，並利用影像處理方法 建立活體耳道空氣之三維立體影像，並且將模型簡化，匯入分析軟體ANSYS
®
中，用 以進行調合外力分析。有限元素分析分為三大部分，第一部份為探討外耳道硬骨部及 軟骨部組織的吸收率對聲場增益量的影響，第二部份為探討耳膜溝磨平程度對外耳道 內增益量的影響，第三部份為探討耳道塌陷程度對外耳道內增益量的影響。第二章研究主要是為了克服真耳測試之缺點及檢測時環境限制，建立有限元素模 型，用以分析耳道內之聲場及其耳道增益量，並改變耳道壁組織的吸收率，探討耳道 壁組織的吸收率對耳道內聲場之影響。由本研究所發展之有限元素模型得知，聲音在 低於 1 kHz 時，耳道聲場皆可由真耳測試和有限元素法得知無明顯增益量之變化，而 在 2 kHz 時，皆可由真耳測試和有限元素法得知之增益量，但可經由有限元素法的分 析，獲知聲壓的方向性，及聲場中的 3D 聲壓分佈，是真耳測試無法辦到的。
此外，軟硬骨部吸收率變化，會影響增益量的改變，其中，當耳道組織變硬，會 增加耳道增益量；而組織變軟，會降低增益量。因此，在臨床上，有需要進行耳道重 建的疾病，如小耳症，當耳道重建完成後，耳道組織特性會被改變，並可由本研究得 知，組織的軟硬程度會對耳道共振造成影響。
第三章研究主要是為了探討耳膜溝磨平程度對耳道增益量之影響，建立有限元素 模型，用以分析耳道內之聲場及其耳道增益量。研究中所發展之有限元素模型得知，
聲音在低於 1 kHz 和高於 4 kHz 時，耳膜溝磨平後的耳道內聲場可由有限元素分析得 知無明顯增益量之變化，而在 2 kHz 時，可由有限元素分析得知之耳膜溝磨平後增益
聲場中的 3D 聲壓分佈。
在臨床耳道手術中，針對耳膜溝的處理，本研究可以提供臨床醫師在耳道重建術 前，對於耳道幾何外形的術前依據及術後追蹤，並可有效的評估耳道內各刺激聲強及 音頻之聲壓分佈，並不受環境限制下可進行模擬耳道內聲壓分佈。
第四章研究主要是為了探討耳道塌陷程度對耳道增益量之影響，建立有限元素模 型，用以分析耳道內之聲場及其耳道增益量。研究中所發展之有限元素模型得知，聲 音在頻率低於 1 kHz 時，耳道塌陷後的耳道內聲場可由有限元素分析得知無明顯增益 量之變化。而在頻率 2 kHz 到 4 kHz 時，可由有限元素分析得知之耳道塌陷後增益量 之變化，對聲場影響為最大，尤其以 2 kHz 最明顯。當頻率高於 4 kHz 時，耳道塌陷 後的耳道內聲場影響漸小。經由有限元素法的分析，可獲知聲壓的方向性，及聲場中 的 3D 聲壓分佈。
針對耳道塌陷的處理，本研究可以提供臨床醫師在對於耳道塌陷患者進行手術 前，對於耳道內聲場的術前依據及術後追蹤，並可有效的評估耳道內各刺激聲強及音 頻之聲壓分佈，並不受環境限制下可進行模擬耳道內聲壓分佈。
參考文獻
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