据世界卫生组织(World Health Organization, WHO)统计显示，全世界人口的5%，即3.6亿人，患有残疾性听力损失，其中儿童患者约为3 200万^[1]。自20世纪50年代开始，人工电子耳蜗的发展和完善为大量重度感音性聋患者重新恢复了听力。据美国国家卫生研究院(National Institutes of Health)估计，全球约有324 000患者植入了人工电子耳蜗^[2]。然而，由于电流特性的限制，刺激电流在听觉神经组织中具有扩散性，会激发较大区域内的神经组织，降低频率选择性；电刺激人工耳蜗中相邻电极间电场产生相互干扰，这些因素极大地限制了可植入电极的数目，降低了耳蜗植入患者的语音感知效果^[3-4]。随着激光研究的深入，人们逐步发现将光刺激作为一种新型的刺激方式，具有方向性好、刺激位置精确，不会在组织中扩散、不与组织直接接触、对组织损害小等优点，可以尝试用光刺激代替电刺激研制出一种新型的人工耳蜗。从2006年开始，美国西北大学的Izzo等^[5]率先在豚鼠上尝试研究了人工激光耳蜗的可行性，用光纤取代电极、用激光取代电流来触发耳蜗内的听觉神经纤维，结果表明激光的确成功地触发了听觉神经。之后，他们又探究了激光脉冲的不同刺激参数对听神经复合动作电位产生的影响，包括刺激位置^[6-7]、刺激速率^[8-9]、刺激脉宽^[10-11]、辐射强度^[12-13]等。此外，该课题组还探究了光刺激听神经时的声音现象^[14]。德国Hannover医科大学的研究小组则是选用纳秒脉冲的绿光作为刺激源，验证了光声效应也可以成功诱发出听神经脑干反应^[15]。国内山东大学、重庆大学2个研究组分别用808和980 nm激光刺激听神经研究了光刺激的可行性^[16-17]。

虽然多个研究小组用激光成功诱发出了听神经、复合动作电位或者听神经脑干反应，但是其内在的刺激机理一直还没有结论，目前公认比较可能的解释主要有光热效应和光声效应假说。其中西北大学课题组比较偏向光热效应假说，Hannover课题组则比较偏向光声效应假说。

本文首先从仿真角度构建了三维模型，其次结合活体豚鼠实验研究分析了光刺激听神经的机理。仿真结果显示：光刺激听神经不仅产生了温升也引发了光声效应；活体动物实验则成功诱发出复合听神经动作电位。分析结果表明，光刺激耳蜗更可能是光声效应和光热效应共同叠加的结果。

1 光刺激三维仿真实验

本文采用的脉冲激光为980 nm，耳蜗内主要充满淋巴液，可以用水代替。组织中不同物质对不同波长的激光有相应的吸收系数，其系数的倒数为穿透深度。对于980 nm激光而言，在耳蜗中其主要的被吸收物质为水。仿真模型为脉冲激光通过圆窗膜射入充满水的耳蜗中，如图 1所示，其中点A为耳蜗中心。

其中，圆窗膜的杨氏模量为10⁷Pa，Possion比为0.3。激光光纤直径为150 nm、圆窗膜厚度为0.1 mm, 参考豚鼠耳蜗将耳蜗简化为底面半径为1 mm、高为3 mm的圆柱，其他物理参数如表 1所示。

有限元分割采用正四面体。在控制方程中，该模型共有3个物理场：固体传热模块、应力应变模块和声压模块。对于传热模块，热传导过程如下：

$ \rho {{C}_{p}}\frac{\partial T}{\partial t}-\nabla \left( k\nabla T \right)=L\left( t \right)\frac{\left( 1-R \right)}{\delta }\exp \left(-\frac{z}{\delta } \right)t. $

(1)

其中: ρ、C_p、k、T、R、δ分别为材料密度、热容、导热系数、温度、反射率和光穿透深度；z为图 1中的坐标方向；L(t)是光纤末端的激光功率密度，为Gauss光束，

$ L\left( t \right)=\frac{{{E}_{1}}}{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }{{r}^{2}}{{\tau }_{\text{p}}}}\exp \left(-\frac{4{{\left( t-{{\tau }_{\text{p}}} \right)}^{2}}}{{{\tau }_{\text{p}}}} \right). $

(2)

其中：E_l为激光脉冲能量，本实验中E_l=1 mJ；r为光纤半径；τ_p为激光脉冲宽度。应力应变模块和声压模块则分别由下式控制:

$ n\left( \frac{1}{{{\rho }_{0}}}\left( \nabla p \right) \right)={{a}_{n}}, $

(3)

$ \frac{1}{{{\rho }_{0}}V_{\text{s}}^{2}}\frac{{{\partial }^{2}}p}{\partial {{t}^{2}}}-\nabla \left( \frac{1}{{{\rho }_{0}}}\left( \nabla p \right) \right)=0. $

(4)

其中：p为水中的声压，ρ₀为水的密度，V_s为声在水中传播的速度，求解时间长度为0.5 ms。

2 光刺激豚鼠实验

选取5只200~300 g的豚鼠进行实验，豚鼠性别随机。实验前首先称重豚鼠的体重，用质量分数为20%的氨基甲酸乙酯按6 mL/kg的比例进行腹腔注射，并置于加热垫上以保证豚鼠体温，实验过程中每隔30 min用力捏豚鼠的前脚掌，若有明显反应要给豚鼠的腹腔补注射氨基甲酸乙酯。豚鼠麻醉后，对其进行颞骨乳突暴露手术，之后在颞骨乳突旁钻孔并用镊子打开鼓室，以便暴露耳蜗。将豚鼠移至静音室用生理信号采集仪(RM6240, 成都仪器厂)测量豚鼠声致复合听神经动作电位(compound action potentials, CAPs)，信号、参考、测量等电极安放位置及光纤的照射位置参照文[18]中的常用方法。测完之后，对豚鼠进一步手术操作，移除鼓膜和听骨链，向耳蜗注射2.5%的硫酸链霉素10 μL, 1 h后继续进行声刺激和光刺激实验。980 nm激光(LSR980H-4W, 宁波远明激光技术有限公司)脉冲宽度为1 000 μs~15 ms，输出功率为1 W，光纤直径为150 nm。为减少因单次测量带来的随机误差，动物实验中的测量数据为20次测量叠加的平均。

3 实验结果 3.1 三维仿真结果

如图 2a所示，t=50 μs，圆窗膜分布温度由300.11 K上升到最高303.98 K，最大温差为3.87 K。图 2b在鼓膜与水的交界处出现了较大的压力梯度，并向四周扩散。

图 3研究了耳蜗中心A随着时间的推移而产生的声压变化。当脉冲宽度为50 μs时，声压曲线先出现一个波谷再出现一个波峰，此曲线称为双极性脉冲波形，两峰之间的差值约为400 Pa，平稳后的值与初始值的差值约为500 Pa。脉冲宽度为300 μs时，趋势与50 μs一致。当脉冲宽度上升到500 μs，声压曲线先出现一个波峰再出现一个波谷，二者的差值陡升为6 000 Pa左右，之后逐渐振荡至平稳，仍然与初始值相差约为500 Pa。

3.2 豚鼠实验结果

如图 4所示，在药物致聋前声致复合听神经动作电位幅值约为200 μV，而致聋之后则几乎看不到明显的信号，这说明药物有效致聋了豚鼠。

豚鼠被药物致聋之后，当用脉冲激光开始刺激时(图 5中虚线为开始刺激时刻)，发现980 nm脉冲激光在致聋后的豚鼠中诱发了光致复合神经动作电位(optical compound action potentials, oCAPs)。从图 5可以看出，随着脉冲宽度不断增大，oCAPs的幅值(曲线中第一个波谷与随后第一波峰的差值绝对值)不断增大。在曲线的后半部分，还可以观测到出现另外一个波谷，由于1个听神经动作电位中N1、N2波的时间间隔在2 ms内，所以这2个波谷显然应该为2个听神经复合动作电位各自的N1波。这个波谷出现的时间与第一个波谷出现时间的差值大约为脉冲宽度。

4 讨论和分析

实验结果表明：

1) 脉冲激光引起了温度上升变化，也引发了光声效应，产生双极性脉冲声波。

2) 980 nm脉冲激光刺激豚鼠诱发了2个听神经复合动作电位，前者的幅值大于后者。

从仿真实验结果来看，由脉冲激光产生了双极性脉冲信号。这与戚诒让等^[19]在液体中研究脉冲激光产生的超声结果比较接近，按照他们的分类，980 nm脉冲激光将会引发柱形光声源，属于光声效应的热膨胀机制，在理论上将产生幅值相同的双极性脉冲声波，如图 6所示，两极值点的幅值相同。若仅仅是光声效应，在豚鼠动物实验中将会出现前后2个幅值相同的CAPs信号，这与实验结果不尽相同。本文实验中确实出现了2个CAPs信号，然而后一个CAPs的幅值却比较小。由此看来，单方面用光声效应并不能很好地解释，比较可能的是光声效应和光热效应的叠加。西北大学课题组认为激光刺激听神经的原理更可能是光热效应，他们推测听神经热量的瞬间积聚有可能改变了离子通道的导电性或者诱发了热敏感的离子通道^[5]。本文的仿真实验也证实了有温度上升。在动物实验中，可以看到随着脉冲宽度的增大，脉冲的辐射能量增大，第一个CAPs的幅值逐渐增加，这与光热效应的解释比较一致。综上可知，光声效应产生的双极性峰诱发了2个CAPs, 同时，光热效应也引发了一个CAPs, 并且与光声效应产生的第一个CAPs叠加在一起，使其幅值更大。

5 结论

本文通过仿真实验和豚鼠活体实验得到了以下结论:

1) 脉冲激光引起了温度上升变化，也引发了光声效应，产生双极性脉冲声波；

2) 980 nm脉冲激光刺激豚鼠诱发了2个听神经复合动作电位，前者的幅值大于后者；

3) 仿真结果和动物实验结果显示，光刺激听神经可能是光声效应和光热效应的叠加结果。

本文结合了仿真和动物实验，但是在未来的研究中，希望能够用更精确的方式同步测量动物实验和激光诱发的诸多效应。