Computer-integrated finite element modeling of human middle ear

Sun, Qunli; Gan, Rong Z.; Chang, Kuang-Hua; Dormer, Kenneth J.

doi:10.1007/s10237-002-0014-z

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“…Some authors have used orthotropic models for the pars tensa and assigned different Young's moduli in the radial and circumferential directions (e.g., Sun et al 2002). Some studies have used hyperelastic (e.g., Aernouts et al 2010) or visco-hyperelastic (Motallebzadeh et al 2013) constitutive equations for the pars tensa.…”

Section: Baseline Materials Propertiesmentioning

confidence: 99%

Finite-Element Modelling of the Response of the Gerbil Middle Ear to Sound

Maftoon

Funnell

Daniel

et al. 2015

JARO

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We present a finite-element model of the gerbil middle ear that, using a set of baseline parameters based primarily on a priori estimates from the literature, generates responses that are comparable with responses we measured in vivo using multi-point vibrometry and with those measured by other groups. We investigated the similarity of numerous features (umbo, pars-flaccida and pars-tensa displacement magnitudes, the resonance frequency and break-up frequency, etc.) in the experimental responses with corresponding ones in the model responses, as opposed to simply computing frequency-by-frequency differences between experimental and model responses. The umbo response of the model is within the range of variability seen in the experimental data in terms of the low-frequency (i.e., well below the middle-ear resonance) magnitude and phase, the main resonance frequency and magnitude, and the roll-off slope and irregularities in the response above the resonance frequency, but is somewhat high for frequencies above the resonance frequency. At low frequencies, the ossicular axis of rotation of the model appears to correspond to the anatomical axis but the behaviour is more complex at high frequencies (i.e., above the pars-tensa break-up). The behaviour of the pars tensa in the model is similar to what is observed experimentally in terms of magnitudes, phases, the break-up frequency of the spatial vibration pattern, and the bandwidths of the high-frequency response features. A sensitivity analysis showed that the parameters that have the strongest effects on the model results are the Young's modulus, thickness and density of the pars tensa; the Young's modulus of the stapedial annular ligament; and the Young's modulus and density of the malleus. Displacements of the tympanic membrane and manubrium and the lowfrequency displacement of the stapes did not show large changes when the material properties of the incus, stapes, incudomallear joint, incudostapedial joint, and posterior incudal ligament were changed by ±10 % from their values in the baseline parameter set.

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Section: Baseline Materials Propertiesmentioning

confidence: 99%

Finite-Element Modelling of the Response of the Gerbil Middle Ear to Sound

Maftoon

Funnell

Daniel

et al. 2015

JARO

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“…Sound-induced TM vibration has been measured at the umbo using laser Doppler vibrometry (LDV) (Goode 1994;Whittemore et al 2004;Gan et al 2004a;2006b;Dai et al 2007Dai et al , 2008Rosowski et al 2003Rosowski et al , 2008 and analyzed using finite element (FE) models of the ear (Funnell et al 1987;Puria and Allen 1998;Koike et al 2002;Sun et al 2002;Gan et al 2004bWang et al 2007;Zhang and Gan 2011). However, single-point measurements cannot provide information about complex TM surface motion and the properties of sound wave propagation across the TM.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Experimental and Modeling Study of Human Tympanic Membrane Motion in the Presence of Middle Ear Liquid

Zhang

Guan

Nakmali

et al. 2014

JARO

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Vibration of the tympanic membrane (TM) has been measured at the umbo using laser Doppler vibrometry and analyzed with finite element (FE) models of the human ear. Recently, full-field TM surface motion has been reported using scanning laser Doppler vibrometry, holographic interferometry, and optical coherence tomography. Technologies for imaging human TM motion have the potential to lead to using a dedicated clinical diagnosis tool for identification of middle ear diseases. However, the effect of middle ear fluid (liquid) on TM surface motion is still not clear. In this study, a scanning laser Doppler vibrometer was used to measure the full-field surface motion of the TM from four human temporal bones. TM displacements were measured under normal and diseasemimicking conditions with different middle ear liquid levels over frequencies ranging from 0.2 to 8 kHz. An FE model of the human ear, including the ear canal, middle ear, and spiral cochlea was used to simulate the motion of the TM in normal and diseasemimicking conditions. The results from both experiments and FE model show that a simple deflection shape with one or two major displacement peak regions of the TM in normal ear was observed at low frequencies (1 kHz and below) while complicated ring-like pattern of the deflection shapes appeared at higher frequencies (4 kHz and above). The liquid in middle ear mainly affected TM deflection shapes at the frequencies higher than 1 kHz.

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“…Igualmente la dimensión y el peso de estos comparados entre fetos, adultos y niños que ha mostrado una sutil variación por crecimiento después del nacimiento (Olsewski, 1990). Los patrones de transmisión de fuerzas y su mecánica han sido también estudiados con modelos matemáticos que reconstruyen las formas particulares de los huesecillos para su posterior procesamiento a través de estudios de elemento finito (Tonndorf & Khanna, 1972;Aycan et al, 1990;Sun et al, 2002, Morris et al, 2004. Parece haber un interés común en la morfología y morfometría de la cadena de oscículos del oído medio en humanos, con fines quirúrgicos, pero también en el diseño y la reconstrucción de implantes electromagnéticos, usando medidas precisas que logran reproducir la transmisión de la energía sonora.…”

Section: Discussionunclassified

Antropometría del Martillo en Humanos: Un Estudio Anatómico Directo

Ramirez

Ballesteros

2013

Int. J. Morphol.

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RESUMEN:El conocimiento morfométrico de las estructuras del oído medio, incluidos cada uno de los oscículos, es importante para la comprensión de su complejidad biomecánica. Las características estructurales y dimensionales del martillo son registradas en 23 martillos de población mestiza adulta Colombiana. Las medidas registradas involucran el área de la cabeza, el cuello, el manubrio, el proceso anterior y lateral y el área de la articulación incudo-maleolar. Tres de los diecinueve registros tomados en este estudio pudieron ser comparados concienzudamente con otros estudios que mostraron similitudes. El largo total del martillo fue de 8,18 mm DE 0,24, la longitud del manubrio fue de 4,91 mm DE 0,25 y la proporción del largo del manubrio y el largo total fue de 60,11 % DE 3,47. Conforme a la población estudiada no se logro encontrar variación individual o pareada en la anatomía del martillo lo que lo hace un hueso morfométricamente uniforme y estable.PALABRAS CLAVE: Oscículos; Martillo; Manubrio; Antropometría; Anatomía. INTRODUCCIÓNLos oscículos (martillo, yunque y parcialmente el estribo) se forman por osificación endocondral de la parte dorsal del primer arco branquial (cartílago de Meckel) (Whyte et al., 2003). El segundo arco branquial (cartílago de Reichert) finaliza lo iniciado por el primer arco branquial en el estribo. Adicionalmente al proceso de osificación endocondral en el martillo, el proceso anterior de éste se forma de células mesenquimales (os goniale), a través de una osificación intramembranosa (Rodriguez-Vazquez et al., 1993). La formación del martillo igualmente está influenciada por la presencia del meato acústico externo (Ishimoto et al., 2004).La cadena oscicular esta unida a través de articulaciones sinoviales. El martillo se une al yunque y éste a su vez al estribo a través de estas articulaciones sinoviales incudo-maleolar e incudo-estapedial, respectivamente. Estos huesecillos logran romper y ajustar la impedancia acús-tica que se genera en la energía sonora transmitida de un medio aéreo a uno líquido y en el que sin su presencia, esta energía rebotaría en su gran mayoría. Si la cadena oscicular no estuviera presente más del 90 % de la energía sonora no se transmitiría. De esta forma la mecánica oscicular en la que el martillo inicia su movilidad al reproducir los movimientos timpánicos, convirtiendo el movimiento aéreo de baja densidad en movimientos análogos de mayor densidad en el líquido coclear (Olsewski, 1990).Es entonces el martillo el que se encarga de recibir de primera mano la energía sonora y a través de su morfología asimétrica, iniciando el apalancamiento oscicular que el sonido origina. La asimetría del martillo se nota al describirlo morfológicamente: tiene una cabeza grande y ovoide en su parte superior, un cuello delgado que contiene dos procesos dispuestos en ángulo recto, uno anterior y uno lateral, para luego y de manera descendente hasta su ápice, el mango o manubrio que esta adherido a la membrana timpánica (formando su ombligo) y una zona flácida (pars flácida)...

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Computer-integrated finite element modeling of human middle ear

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Finite-Element Modelling of the Response of the Gerbil Middle Ear to Sound

Finite-Element Modelling of the Response of the Gerbil Middle Ear to Sound

Experimental and Modeling Study of Human Tympanic Membrane Motion in the Presence of Middle Ear Liquid

Antropometría del Martillo en Humanos: Un Estudio Anatómico Directo

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