鼻中隔穿孔對(duì)鼻腔氣流場(chǎng)影響的數(shù)值模擬研究

蘇英鋒，劉迎曦，孫秀珍，于 申，王吉喆，郭 燕

(1.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工程力學(xué)系，遼寧大連 116024;2.大連醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院耳鼻喉科，遼寧大連 116027)

鼻中隔穿孔對(duì)鼻腔氣流場(chǎng)影響的數(shù)值模擬研究

蘇英鋒1，2，劉迎曦1，2，孫秀珍1，2，于 申1，王吉喆2，郭 燕2

(1.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工程力學(xué)系，遼寧大連 116024;2.大連醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院耳鼻喉科，遼寧大連 116027)

目的 探討鼻中隔穿孔對(duì)鼻腔氣流場(chǎng)的影響。方法 對(duì)1例健康國(guó)人行鼻CT掃描，進(jìn)一步完成鼻腔氣道結(jié)構(gòu)表面三維重建，分別在模型的鼻瓣區(qū)、鼻甲前區(qū)、鼻腔中部對(duì)應(yīng)鼻中隔部位建立直徑10 mm的圓形穿孔，分別設(shè)定邊界條件并求解黏性流體運(yùn)動(dòng)方程和Navier-Stokes方程，分析通氣量為12 L/min時(shí)的氣流場(chǎng)。結(jié)果 穿孔前鼻腔氣流場(chǎng)符合正常國(guó)人特征;穿孔后吸氣和呼氣相鼻中隔穿孔區(qū)域氣流形式紊亂，形成大小、數(shù)量不等的漩渦，雙側(cè)鼻腔存在10～20 mL/s的氣流分流現(xiàn)象，但鼻腔中部對(duì)應(yīng)穿孔區(qū)域呼吸兩相氣流形式不同。結(jié)論 鼻中隔穿孔后穿孔區(qū)域形式紊亂，主要表現(xiàn)為大小、數(shù)量不等的漩渦，對(duì)毗鄰氣流影響程度不同;鼻腔雙側(cè)存在少量氣流分流現(xiàn)象。

穿孔;鼻中隔;氣流動(dòng)力學(xué);鼻腔

鼻中隔穿孔系由于各種原因?qū)е卤侵懈舻娜魏尾课恍纬纱笮〔坏鹊挠谰眯源┛?，使兩?cè)鼻腔相通。其病因多為外傷、理化因素、感染、腫瘤及惡性肉芽腫、其他如鼻石等［1］。臨床癥狀主要表現(xiàn)為:(1)鼻腔功能障礙:呼吸哨笛音、鼻腔干燥、易于結(jié)痂，鼻塞、反復(fù)鼻出血等;(2)全身表現(xiàn):頭痛、頭暈、失眠等。少數(shù)患者甚至有不同程度的精神障礙，特別是醫(yī)源性病因所致鼻中隔穿孔患者。

對(duì)于鼻中隔穿孔臨床資料統(tǒng)計(jì)和手術(shù)修補(bǔ)技術(shù)的研究文獻(xiàn)報(bào)道較多，而關(guān)于穿孔對(duì)鼻腔氣流場(chǎng)的影響及其與臨床癥狀之間關(guān)系的研究因?yàn)楸乔唤Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)難以實(shí)施而報(bào)道較少。

近年來(lái)，得益于相關(guān)臨床檢測(cè)設(shè)備和生物數(shù)值模擬研究方法的進(jìn)步，不斷有學(xué)者采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的研究方法對(duì)鼻腔氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)等進(jìn)行研究，顯示該方法既能夠反應(yīng)鼻腔生理功能的基本特征，而且也可用于分析鼻腔局部結(jié)構(gòu)變化對(duì)功能的影響，能夠進(jìn)一步闡述鼻腔疾病的發(fā)病機(jī)理。因此，本研究擬應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法(computational fluid dynamics，CFD)對(duì)鼻中隔穿孔患者鼻腔呼吸兩相氣流場(chǎng)進(jìn)行研究，以期解釋其發(fā)病機(jī)理，并為臨床診治策略提供指導(dǎo)。

前期研究發(fā)現(xiàn)鼻腔前端在鼻腔氣流分流、加溫、加濕等生理功能方面起主要作用［2-5］。同時(shí)鑒于鼻中隔穿孔位置多位于鼻腔前端，包括鼻內(nèi)孔-中鼻甲前端部位，位于鼻腔中、后部者較少［1，6-7］。本研究擬在鼻腔前端氣道分別選擇鼻瓣區(qū)、中鼻甲前端兩個(gè)位置模擬穿孔，以期更加詳細(xì)地觀察氣道前段鼻中隔穿孔對(duì)鼻腔氣流場(chǎng)的影響，同時(shí)選擇在中鼻甲前后1/2交界處對(duì)應(yīng)中隔模擬穿孔，以比較不同位置穿孔對(duì)氣流場(chǎng)的影響。

1 材料和方法

1.1 研究對(duì)象

1例健康國(guó)人志愿者，女，35歲，既往無(wú)慢性呼吸道疾病史，CT掃描前3個(gè)月無(wú)急性呼吸道疾病史，鼻內(nèi)鏡檢查未發(fā)現(xiàn)解剖變異或鼻科疾病體征。

1.2 研究方法

(1)獲取解剖數(shù)據(jù):對(duì)上氣道進(jìn)行螺旋CT(德國(guó)西門子公司，型號(hào):Somatom Emotion16)掃描，其中鼻腔采用冠狀位掃描，咽部氣道采用軸位掃描，層厚均為 3 mm，選擇軟組織窗(窗寬 2 000，窗位400)。

(2)應(yīng)用Matlab軟件將BMP格式的圖像數(shù)字化，用自編譯程序識(shí)別鼻腔氣道邊界，將其導(dǎo)入Ansys13.0軟件進(jìn)行表面三維重建。

(3)應(yīng)用Ansys13.0的前處理功能人工選取每一層面能夠反映氣道結(jié)構(gòu)特征的關(guān)鍵點(diǎn)連成線，進(jìn)一步構(gòu)建面、體，選用四面體單元對(duì)體進(jìn)行有限元剖分，完成表面三維重建。

(4)計(jì)算氣流場(chǎng):應(yīng)用Ansys13.0后處理功能結(jié)合粘性流體運(yùn)動(dòng)方程N(yùn)avier-Stockes方程對(duì)鼻腔氣流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。邊界條件設(shè)定:①鼻腔氣道壁無(wú)滑移邊界條件，即Vs=0 m/s;②前鼻孔為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(P=101 325Pa);③鼻咽部氣流速度V(m/s)，根據(jù)國(guó)人生理狀態(tài)下呼吸頻率和潮氣量數(shù)值范圍，選擇呼吸周期T=3 s，潮氣量為600 mL，即通氣量為12 L/min，假設(shè)呼吸時(shí)間相同，呼吸過(guò)程模擬為正弦變化模式，由模型計(jì)算得到鼻咽部氣道面積，計(jì)算得到鼻咽部氣流速度V。

(5)鼻中隔穿孔模型的建立及其氣流場(chǎng)計(jì)算:根據(jù)臨床常見(jiàn)鼻中隔穿孔部位，在鼻瓣區(qū)、鼻甲前區(qū)(中鼻甲前部)、鼻腔中部(中鼻甲前后1/2交界處)對(duì)應(yīng)鼻中隔部位分別建立圓形穿孔，直徑均為10 mm，分別對(duì)所建模型進(jìn)行有限元剖分，所施加載荷和邊界條件同步驟4，計(jì)算不同鼻中隔穿孔模型的氣流場(chǎng)。

2 結(jié) 果

該鼻腔氣道模型包含了鼻中隔、中鼻甲、下鼻甲、鼻內(nèi)孔、中鼻道、下鼻道、總鼻道等鼻腔氣道結(jié)構(gòu)，反映了鼻腔氣道結(jié)構(gòu)的解剖特征，其中上鼻甲和上鼻道因生理意義有限而予以簡(jiǎn)化。所建模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為106 217，單元數(shù)為550 178。

2.1 穿孔前鼻腔氣流場(chǎng)

吸氣相:氣流主要流經(jīng)左側(cè)鼻腔，其中氣流量:左側(cè)為330 mL/s，右側(cè)為270 mL/s。氣道前段(前鼻孔-中鼻甲前端)氣流變化劇烈且氣流速度快，中鼻甲前端之后，氣流形式穩(wěn)定，氣流主要經(jīng)過(guò)總鼻道中、下部和中鼻道，左側(cè)鼻丘部位有大的漩渦形成。呼氣相:氣流仍然主要流經(jīng)左側(cè)鼻腔，氣流仍然主要流經(jīng)總鼻道中、下部和中鼻道。

2.2 穿孔后鼻腔氣流場(chǎng)

穿孔后主要表現(xiàn)為吸氣相與呼氣相鼻中隔穿孔區(qū)域氣流形式紊亂，雙側(cè)鼻腔均存在氣流分流現(xiàn)象，分流量為10～20 mL/s。

吸氣相:雙側(cè)鼻腔氣流仍然主要表現(xiàn)為自前向后流向。穿孔區(qū)域氣流形式紊亂，其中在鼻瓣區(qū)、鼻甲前區(qū)和鼻腔中部3個(gè)穿孔區(qū)域均有氣流貼近穿孔后上緣自右側(cè)流向左側(cè)，但穿孔區(qū)域主要觀察到氣流紊亂，可見(jiàn)數(shù)量不一的漩渦，在鼻腔中部穿孔區(qū)域則形成一個(gè)較大的漩渦，毗鄰總鼻道中部氣流影響明顯，圖1所示為穿孔直徑最大位置冠狀位截面氣流矢量云圖。

呼氣相:雙側(cè)鼻腔氣流仍然主要表現(xiàn)為自后向前流向。穿孔區(qū)域氣流形式則顯得紊亂，在上述3個(gè)穿孔區(qū)域均有少量氣流貼近穿孔前下緣自左側(cè)流向右側(cè)，穿孔區(qū)域主要觀察到氣流紊亂，其中在鼻瓣區(qū)、鼻甲前區(qū)穿孔區(qū)域形成數(shù)量和大小不等的漩渦，而在鼻腔中部穿孔區(qū)域則為形成類似于吸氣相的大的漩渦，圖2所示為穿孔直徑最大位置冠狀位截面氣流矢量云圖。

圖1 吸氣相鼻中隔穿孔模型氣流矢量云圖Fig 1 vector plot of nasal septal perforation in inspiratory phase

圖2 呼氣相鼻中隔穿孔模型氣流矢量云圖Fig 2 vector plot of nasal septal perforation in expiratory phase

3 討 論

該研究對(duì)象沒(méi)有鼻腔解剖結(jié)構(gòu)異常，CT采集上氣道二維結(jié)構(gòu)信息前3個(gè)月無(wú)呼吸道疾病史，數(shù)值模擬氣流場(chǎng)特征符合正常中國(guó)人鼻腔氣流場(chǎng)特征［2］，該研究對(duì)象以左側(cè)鼻腔通氣為主，考慮與鼻周期相關(guān)。

鼻中隔穿孔后，通過(guò)氣流矢量云圖觀察到雙側(cè)鼻腔在穿孔區(qū)域存在氣流分流現(xiàn)象，圖1顯示吸氣相氣流主要貼近穿孔后上緣自右側(cè)流向左側(cè)，圖2顯示呼氣相貼近穿孔前下緣自左側(cè)流向右側(cè)。Crützenmacher S等［6］應(yīng)用實(shí)體鼻中隔穿孔模型進(jìn)行研究也觀察到吸氣相有氣流通過(guò)穿孔后上緣流向?qū)?cè)。Lee HP等［7］通過(guò)MRI獲取1例亞裔研究對(duì)象鼻腔解剖數(shù)據(jù)，采用數(shù)值模擬研究了鼻甲前區(qū)5 mm、10 mm、15 mm鼻中隔穿孔氣流場(chǎng)，觀察到有氣流自高速側(cè)鼻腔流向低速側(cè)鼻腔，而且隨穿孔增大，氣流分流量亦增大，但未計(jì)算氣流流量值。本研究通過(guò)計(jì)算得到穿孔后吸氣相和呼氣相雙側(cè)氣流分流量均較少，為10～20 mL/s。鑒于實(shí)驗(yàn)個(gè)體不同，施加邊界條件和載荷亦有所區(qū)別，雙側(cè)鼻腔氣流分流量可以不同。此外，本研究認(rèn)為雙側(cè)氣流分流與否及其分流量與雙側(cè)鼻腔氣道阻力差異相關(guān)，鼻阻力差值大，則分流量大，反之則小。對(duì)于正常人，鼻阻力差異取決于鼻周期，因?yàn)楸侵芷诒憩F(xiàn)為鼻腔黏膜海綿竇樣結(jié)構(gòu)交替性舒縮，鼻腔氣道面積和對(duì)應(yīng)氣道阻力亦隨之發(fā)生相應(yīng)變化［1］。該例研究對(duì)象在鼻中隔穿孔前以左側(cè)鼻腔通氣為主，穿孔后有少量氣流自右側(cè)流向左側(cè)，其原因在于右側(cè)鼻阻力較大，而左側(cè)鼻阻力較小，氣流沿氣道阻力減小的方向進(jìn)行流動(dòng)，即右側(cè)鼻腔有部分氣體分流進(jìn)入左側(cè)鼻腔，與Lee HP［7］觀察到的現(xiàn)象一致。另外，本研究認(rèn)為隨著鼻黏膜交替性舒縮趨勢(shì)及程度的變化，氣道面積和阻力也會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變，氣流分流方向和分流量也會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，并非固定不變。

值得關(guān)注的是穿孔區(qū)域大部分空間氣流形式紊亂，主要表現(xiàn)為大小和數(shù)量不等的漩渦。吸氣相和呼氣相均可見(jiàn)鼻瓣區(qū)和鼻甲前區(qū)鼻中隔穿孔區(qū)域所形成數(shù)量不等的小漩渦，對(duì)穿孔區(qū)域以外的氣流干擾較小;然而吸氣相可見(jiàn)鼻腔中部穿孔形成一個(gè)較大的漩渦，毗鄰總鼻道中部氣流受影響較明顯，與前兩處穿孔有所不同，呼氣相則未觀察到類似于吸氣相的大漩渦。但是3個(gè)穿孔部位呼吸兩相氣流分流量數(shù)值則基本一致。Crützenmacher 等［6］、Lee HP等［7］、Pless等［8］均觀察到鼻中隔穿孔區(qū)域存在漩渦等紊亂氣流形式，但未觀察到本例研究對(duì)象鼻腔中部穿孔所觀察到的大漩渦。Crützenmacher等［6］認(rèn)為鼻中隔穿孔位置對(duì)氣流場(chǎng)的影響沒(méi)有差別，本研究計(jì)算所得鼻中隔穿孔后雙側(cè)鼻腔氣流分流量基本相同，與之觀點(diǎn)相符，但鼻腔中部穿孔區(qū)域形成的與氣道前部?jī)蓚€(gè)穿孔區(qū)域不同的大漩渦則不支持這一觀點(diǎn)。本研究考慮原因?yàn)?(1)上述實(shí)驗(yàn)對(duì)象為1例且具有個(gè)體差異;(2)鼻腔模型試驗(yàn)［6］與數(shù)值模擬研究［7-8］所施加邊界條件和載荷不同，研究結(jié)果可能有差異。因此，本研究認(rèn)為尚不能斷定鼻中隔穿孔位置對(duì)氣流場(chǎng)的影響沒(méi)有差別，仍然需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)測(cè)量和增大樣本量進(jìn)行研究。

鼻中隔穿孔患者的一個(gè)重要癥狀是鼻塞，氣流場(chǎng)分析顯示鼻腔雙側(cè)存在氣流分流，似乎增強(qiáng)了呼吸功能，但更為顯著的是穿孔區(qū)域氣流形式紊亂，與之毗鄰的鼻腔氣流也受到不同程度的影響，從而增加了氣道阻力和能量消耗;此外，穿孔區(qū)域的漩渦減少了鼻腔有效通氣功能，從而導(dǎo)致了鼻塞這一臨床癥狀。

鼻中隔穿孔區(qū)域大小、數(shù)量不等的漩渦能夠使得氣流與黏膜更好的接觸并延長(zhǎng)接觸時(shí)間，雖然有利于黏膜對(duì)氣體進(jìn)行充分的加溫、加濕等［9］，但鼻中隔穿孔后黏膜面積減少，熱量、水分供應(yīng)減少［10］，一定程度上增加了局部黏膜組織的“負(fù)荷”，導(dǎo)致穿孔局部黏膜熱量、水分的“過(guò)度”丟失，成為損傷因素;此外，紊亂的氣流特別是漩渦也增加了空氣中病原體、理化顆粒等在穿孔區(qū)域的沉積，增加了黏膜損傷的幾率。熱量、水分的過(guò)度丟失和對(duì)黏膜的損傷與鼻腔干燥、結(jié)痂、出血以及疼痛等癥狀相關(guān)。另外，因?yàn)楸乔磺岸螝獾涝诒乔患訙?、加濕功能中起主要作用，鼻瓣區(qū)和鼻甲前區(qū)穿孔的黏膜負(fù)荷和損傷趨勢(shì)更為明顯，也可以解釋前端穿孔不易愈合甚至有進(jìn)一步擴(kuò)大趨勢(shì)的原因。

綜上所述，鼻中隔穿孔后穿孔區(qū)域及毗鄰氣流形式紊亂，穿孔區(qū)域內(nèi)氣流形成大小、數(shù)量不等的漩渦;鼻腔雙側(cè)存在少量氣流分流現(xiàn)象;鼻中隔穿孔位置對(duì)氣流場(chǎng)的影響仍需要進(jìn)一步研究。

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Effect of nasal septal perforation on the nasal airflow field

SU Ying - feng1，2，LIU Ying - xi1，2，SUN Xiu - zhen1，2，YU Shen1，WANG Ji- zhe2，GUO yan2
(1.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment，Department of Engineering Mechanicals，Dalian University of Technology，Dalian116024，China;2.ENT Department，the Second Affiliated Hospital of Dalian Medical University，Dalian116027，China)

［Abstract］ObjectiveTo explore the effect of nasal septal perforation at different locations on the nasal airflow field.MethodsA three dimensional model throughout human nasal cavity was established based on spiral CT scan data.Furthermore，nasal septal perforations were created in the model at different locations of nasal valve，anterior turbinates and middle nasal cavity in the cylindrical shape with the same diameter of 10 mm.Given three preconditions，the nasal airflow fields were described by the Navier-Stokes and continuity equations at the ventilation volume of 12 L/min，respectively.The whole airflow patterns were obtained，and then comparing the airflow filed between before and after septal perforations.ResultsThe characteristics of nasal airflow field before septal perforation were in accordance with the healthy Chinese.After septal perforations，the nasal airflow were in disorder in the airway of septal perforations with the mainly airflow pattern of reversals and there were flow exchange via the septal perforations with the velocity of 10-20 mL/s in both inspiratory and expiratory phases.But，the airflow patterns in septal perforation at the location of middle nasal cavity were different between inspiratory and expiratory phases.ConclusionThe airflow pattern was in disorder in the airway of septal perforations with the mainly manifestation of reversals，affecting the neighboring airflow to certain extent.And there were small amount of flow exchanges via septal perforations between both sides.

［Key words］perforation;nasal septum;airflow fields;nasal cavity

R765.3+4

A

1671-7295(2013)02-0112-04

蘇英鋒，劉迎曦，孫秀珍，等.鼻中隔穿孔對(duì)鼻腔氣流場(chǎng)影響的數(shù)值模擬研究［J］.大連醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35(2):112 -115.

10.11724/jdmu.2013.02.03

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(10902022，11072055，11032008);遼寧省教育廳資助項(xiàng)目(L2012323)

蘇英鋒(1977-)，男，山西運(yùn)城人，主治醫(yī)師，碩士。E-mail:suyingfeng2616@163.com

劉迎曦，教授。E -mail:yxliu@dlut.edu.cn

2012-12-25;

2013-02-12)