高分辨率耳廓模型数据集：个性化耳廓相关传递函数(PRTF)建模的关键突破

本研究针对个性化声学建模中耳廓形态与声学特性关联的难题，开发了基于150例高分辨率(0.1mm)激光扫描耳廓模型的PRTF数据集。天津大学团队采用边界元法(BEM)模拟获得双侧耳廓传递函数，结合20项耳廓形态参数测量，显著提升了PRTF建模精度。该数据集填补了现有SONICOM(0.5mm)和WiDESPREaD(单侧)数据缺陷，为空间听觉研究和个性化助听设备开发提供关键基础。

　　

在人类听觉系统中，耳廓如同一个精密的声学滤波器，其独特的螺旋状结构能够通过反射、衍射和共振效应，在声音频谱上形成特定的峰谷特征——这就是耳廓相关传递函数(PRTF, Pinna-Related Transfer Function)。这些微妙的频谱变化如同声学指纹，为大脑提供了判断声源三维位置的关键线索。然而，现有PRTF研究面临两大瓶颈：一是传统测量方法依赖复杂实验设备且耗时费力；二是现有模拟数据集如SONICOM分辨率仅0.5mm，WiDESPREaD仅包含单侧数据，难以满足个性化声学建模需求。

针对这些挑战，天津大学医工院团队在《Scientific Data》发表了突破性研究。研究人员采用高精度3D激光扫描技术(0.1mm分辨率)获取75名受试者的150例双侧耳廓模型，通过边界元法(BEM, Boundary Element Method)系统模拟了200Hz-20kHz频段的PRTF特征。研究创新性地将耳廓形态参数测量与声学仿真相结合，建立了目前分辨率最高、样本最具代表性的PRTF数据集。

关键技术方法包括：1)使用HSCAN-S激光扫描仪获取0.1mm精度耳廓模型；2)通过Magics软件完成模型修复和20项形态参数测量；3)采用COMSOL Multiphysics实施BEM模拟，网格尺寸根据频率动态调整(1-10mm)；4)通过消声室实测验证仿真结果，RMSE误差控制在3-5dB。

【模型获取】
研究团队招募24±5岁的75名健康受试者(男40/女35)，采用标准化扫描流程获取耳廓三维点云数据。扫描后通过桥接、三角面填补等操作修复模型缺陷，最终获得平均6,930个三角面的优化模型，较既往研究减少85%面数但保留更精确的几何特征。

【计算处理】
创新性地定义了20项耳廓形态参数，包括耳廓总长(TEL)、耳轮宽度(UHW)等线性尺寸及耳旋转角(ERA)等角度参数。测量显示所有参数符合正态分布，软件测量误差<1.5%。

【声学仿真】
建立包含耳廓及部分头部区域的BEM模型，设置1Pa声压级的点声源，在近场(3cm)和远场(1m)条件下计算PRTF。关键发现包括：1)PRTF频谱呈现P1-N1-P2-N2-P3-N3-P4特征峰谷模式；2)性别间PRTF幅度差异<1dB；3)高频段(>8kHz)需1mm网格才能准确捕捉声波细节。

【技术验证】
通过5例受试者的消声室实测验证显示，仿真与实测PRTF的波形高度吻合(图11)，对数谱距离(LSD)维持在0.05-0.75。模型修复过程使三角面数从初始236,730锐减至6,930，但保留了更自然的边缘曲率(图6)。

这项研究建立了首个整合高精度形态学与声学特性的PRTF数据集，其科学价值体现在三方面：首先，0.1mm分辨率模型为探究耳廓微结构-声学特性关联提供全新工具；其次，双侧平衡数据集支持双耳听觉机制研究；最后，BEM优化方案(动态网格+快速多极子法)将高频模拟效率提升6倍。未来通过融合耳道医学影像，该数据集有望推动个性化HRTF(Head-Related Transfer Function)生成技术的临床转化，为AR/VR听觉渲染和助听设备开发奠定基础。

研究也存在若干局限：1)未建模耳道几何结构，依赖COMSOL内置阻抗近似；2)仅验证±90°声源方向；3)闭场条件(如耳机应用)需进一步验证。团队计划通过3D打印人工耳进行更精确的模型验证，并扩展多方向声源研究以完善空间听觉数据库。