Análise, validação e aplicação de modelo da orelha média humana utilizando o método dos elementos finitos

Abstract

A orelha média humana é a parte do sistema periférico de audição que transmite a energia acústica à orelha interna na forma de vibração mecânica. Modelos numéricos da orelha média, como os que utilizam o Método dos Elementos Finitos (FEM), são estudados desde o início dos anos 90. Porém,diferente de estruturas tipicamente estudadas em engenharia, a orelha média é uma estrutura biológica de pequenas dimensões. Consequentemente, o acesso a dados sobre suas propriedades mecânicas é, ainda hoje, escassos e dispersos. A fim de se obter um modelo numérico confiável utilizando FEM, este trabalho foi divido 3 partes: (I) larga revisão sobre a morfologia, propriedades mecânicas, modelagem FEM, bem como sobre a caracterização dinâmica da orelha média humana; (II) procedimento experimental para medição da função resposta em frequência velocidade de vibração da platina a uma excitação de pressão sonora na membrana timpânica , com o objetivo de obter dados de referência para validação do modelo numérico; (III) detalhamento, análise e validação do modelo numérico. Uma vez validado, foram apresentadas potenciais aplicações do modelo, como para prever a influência de patologias sobre a dinâmica da orelha média. Os resultados mostraram que o modelo pode ser uma ferramenta prática para fins de uso clínico e para pesquisas otológicas.

Abstract : The human middle ear is part of auditory system which its function is to transmit the acoustical energy to inner ear by means of mechanical vibrations. Numerical models of the middle ear, such as models based on the Finite Element Method, are studied since the early 90 s. However, differently from structures usually studied in engineering, the middle ear is a very small biological structure. Therefore, the availability of mechanical properties data is still sparse and scattered. In order to get a reliable model of the human middle ear, this work is divided in three parts: (I) a review on the morphology, mechanical properties, FE modeling and dynamic characterization of the human middle ear; (II) experimental procedure to measure frequency response stapes footplate velocity caused by acoustical excitation on the tympanic membrane , in order to obtain reference data for model validation; (III) presentation of the numerical model and its validation. After model validation, some applications are shown in order to forecast the effects of some pathologies on the middle ear dynamics. Results showthat the model can be a powerfull tool for clinical applications and research in otology.