鼻腔結(jié)構(gòu)異常者有限元數(shù)值模型建立及氣流場(chǎng)特征分析

唐媛媛，蘇英鋒，關(guān)慶捷，劉迎曦2，孫秀珍

（1.大連醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科，遼寧 大連 116027；2.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，遼寧 大連116021）

鼻腔結(jié)構(gòu)異常者有限元數(shù)值模型建立及氣流場(chǎng)特征分析

唐媛媛1，蘇英鋒1，關(guān)慶捷1，劉迎曦2，孫秀珍1

（1.大連醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科，遼寧 大連 116027；2.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，遼寧 大連116021）

目的通過(guò)對(duì)健康人和鼻腔結(jié)構(gòu)異常（鼻中隔偏曲）者鼻腔氣道的三維重建，計(jì)算機(jī)建立有限元數(shù)值模型，分析2者鼻腔氣道氣流場(chǎng)分布特征，進(jìn)而從生物力學(xué)角度探討鼻腔結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。方法根據(jù)鼻中隔偏曲者及健康北方人（各20例）的鼻腔CT薄層掃描結(jié)果，應(yīng)用表面重建有限元剖分的方法對(duì)其進(jìn)行三維重建，數(shù)值模擬流經(jīng)鼻腔氣道的氣流特征。結(jié)果鼻中隔偏曲者雙側(cè)鼻腔氣流流量分布以氣道寬敞側(cè)為主，且最大氣流量集中在寬敞側(cè)總鼻道中部；鼻腔氣道壓強(qiáng)在偏曲最為明顯處下降最快，占?xì)獾揽倝簭?qiáng)差的79.65%。健康人雙側(cè)鼻腔氣流量受鼻周期影響，以一側(cè)鼻腔為主，最大氣流量分布在總鼻道中部和下部；鼻腔氣道壓強(qiáng)于鼻閾處下降最快，約占?xì)獾揽倝簭?qiáng)差的58.78%。結(jié)論用計(jì)算機(jī)模擬的方法建立鼻腔結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，分析其解剖結(jié)構(gòu)異常與氣流場(chǎng)特征之間的關(guān)系，是一種新的研究鼻腔結(jié)構(gòu)、功能與疾病相關(guān)性的可行的科學(xué)手段，可以為以優(yōu)化氣流路徑、改變氣流分布為目的的手術(shù)治療方案及手術(shù)前后的個(gè)性化評(píng)估提供參考。

鼻中隔偏曲；三維重建；數(shù)值模型；鼻腔結(jié)構(gòu)異常

鼻腔最重要的功能即為呼吸，呼吸氣流主要受到鼻腔結(jié)構(gòu)的影響［1～3］。鼻腔氣流的研究是了解鼻腔結(jié)構(gòu)和功能之間關(guān)系的紐帶。鼻腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前常用的鼻腔功能檢查手段（如鼻聲反射和鼻阻力測(cè)定）不足以反映鼻腔通氣功能的分區(qū)段變化［4］，隨著相關(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，已有很多學(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)及溫、濕度場(chǎng)等進(jìn)行研究。研究顯示計(jì)算流體力學(xué)在反應(yīng)鼻腔生理功能基本特征的同時(shí)，也可用于分析鼻腔結(jié)構(gòu)變化對(duì)功能的影響，因此，本研究應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法（computational fluid dynamics，CFD）對(duì)鼻中隔偏曲患者及健康人的鼻腔氣流流場(chǎng)進(jìn)行研究，探討鼻腔氣流與鼻腔解剖結(jié)構(gòu)和疾病之間的相互影響，為進(jìn)一步闡述鼻腔疾病的發(fā)病機(jī)制提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

鼻中隔偏曲組（實(shí)驗(yàn)組）：選擇鼻中隔偏曲伴有不同程度鼻塞、頭痛、鼻出血等癥狀的患者20例，年齡20～60歲，其中男14例，女6例，均為北方人，病史10～20年，平均16.7年。經(jīng)前鼻鏡及鼻內(nèi)鏡檢查鼻中隔呈“C”形偏曲（可包含一側(cè)或雙側(cè)鼻甲代償性改變），并除外鼻息肉及其他鼻腔疾病者。健康人組（對(duì)照組）：選擇20～60歲的20名健康北方人為對(duì)照組，男12例，女8例。經(jīng)詳細(xì)詢問(wèn)病史，證明既往無(wú)慢性上呼吸道疾病病史，無(wú)鼻部外傷及手術(shù)史，近3～6個(gè)月無(wú)上呼吸道急性病史，應(yīng)用前鼻鏡及鼻內(nèi)鏡檢查無(wú)鼻科疾病體征或無(wú)明顯解剖異常。

1.2 方法

1.2.1 多層螺旋CT掃描：對(duì)受試者應(yīng)用螺旋CT（德國(guó)西門子公司，型號(hào)：Somatom Emotion16）進(jìn)行鼻部連續(xù)掃描（圖1、圖2），范圍自鼻尖至鼻咽后壁，層厚為3 mm，軟組織窗（窗寬2 000，窗位400）。應(yīng)用CT機(jī)自帶的軟件將獲得的DICOM影像學(xué)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為BMP格式圖像。

圖1 鼻中隔偏曲者鼻腔冠狀位連續(xù)CT圖像Fig.1 The continuous coronal CT image of nasal septum deviation

圖2 健康人鼻腔冠狀位連續(xù)CT圖像Fig.2 The continuous coronal CT image of healthy nasal cavity

1.2.2 三維重建：應(yīng)用Matlab軟件將上述獲得的BMP格式圖像數(shù)字化，用自編譯的程序識(shí)別鼻腔氣道的邊界，并將其導(dǎo)入Ansys10.0軟件中，借助該軟件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)行有限元剖對(duì)鼻腔氣流通道進(jìn)行表面三維重建。

1.2.3 計(jì)算氣流場(chǎng)：應(yīng)用Ansys10.0后處理功能結(jié)合黏性流體運(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1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（P=101 325 Pa）；（3）鼻咽部氣流速度（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500 mL，即通氣量為10 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，再通過(guò)測(cè)量1次呼吸量，計(jì)算得到鼻咽部氣流平均速度。

根據(jù)三維重建模型，得出鼻咽部的橫截面積、鼻腔前后部的壓差和鼻咽部的氣流流量，根據(jù)計(jì)算公式［5］：鼻阻力＝鼻腔前后的壓差/氣體流速，計(jì)算鼻阻力值。同時(shí)我們利用鼻阻力計(jì)對(duì)上述受試者進(jìn)行鼻阻力檢測(cè)。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 12.0對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組鼻腔氣道不同部位的氣流分布情況分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用x±s表示，雙側(cè)對(duì)應(yīng)部位均采用兩樣本t檢驗(yàn)。P＜0.05認(rèn)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 氣流流速及氣道面積分布情況

鼻中隔偏曲者鼻腔氣流速度分布云圖見(jiàn)圖3。氣道寬敞側(cè)的氣流流速較氣道狹窄側(cè)快；鼻腔氣道寬敞側(cè)截面積較大。2者均于總鼻道中部最為明顯，見(jiàn)表1。

健康人雙側(cè)鼻腔氣流速度分布云圖見(jiàn)圖4。受鼻周期影響，20例受試者中有16例（80%）以一側(cè)鼻腔通氣為主。雙側(cè)鼻腔氣流流速主要通氣側(cè)較非主要通氣側(cè)快，尤以總鼻道中部及下部為明顯。鼻腔氣道截面積雙側(cè)差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。見(jiàn)表2。

圖3 鼻中隔偏曲者鼻腔氣流分布云圖Fig.3 The airflow distribution in patients with nasal septum deviation

表1 實(shí)驗(yàn)組雙側(cè)氣道對(duì)應(yīng)部位氣流量、氣流速度、氣道面積對(duì)比Tab.1 The comparison of fluence，airflow rate，area of airway of two airways in the experiment group

圖4 健康人鼻腔氣流分布云圖Fig.4 The airflow distribution of healthy nasal cavity

2.2 鼻腔氣道壓強(qiáng)分布情況

2組受試者鼻腔氣道壓強(qiáng)均從前鼻孔到鼻咽部逐漸下降。實(shí)驗(yàn)組中于氣道狹窄側(cè)鼻中隔偏曲最為明顯處（即鼻腔氣道最狹窄處）氣壓下降最明顯（圖5），約占?xì)獾揽倝簭?qiáng)差值的79.65%，從前鼻孔到鼻咽部氣道壓強(qiáng)差值的變化范圍為（248±12）Pa。對(duì)照組中鼻閾附近氣壓下降最快（圖6），約占?xì)獾揽倝簭?qiáng)差值的58.78%，從前鼻孔到鼻咽部的氣道壓強(qiáng)差值變化范圍為（131±91）Pa。

圖5 鼻中隔偏曲者鼻腔壓強(qiáng)分布云圖Fig.5 The nasal cavity pressure of nasal septum deviation

表2 對(duì)照組雙側(cè)氣道對(duì)應(yīng)部位氣流量、氣流速度、面積對(duì)比Tab.2 The comparison of fluence，airflow rate，area of airway of two air passage in the control group

2.3 鼻阻力檢測(cè)

據(jù)重建模型計(jì)算數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)組鼻腔氣道阻力為（0.488±0.27）kPa/（L·s），對(duì)照組為（0.164±0.03）kPa/（L·s），兩組差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=2.382，P＜0.05）。通過(guò)鼻阻力計(jì)測(cè)量，得出實(shí)驗(yàn)組鼻腔氣道阻力為（0.479±0.09）kPa/（L·s），對(duì)照組為（0.175± 0.11）kPa/（L·s），二者差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=2.327，P＜0.05）。101 194 101 210 101 226 101 242 101 258 101 275 101 291 101 303 101 323 101 339

圖6 健康人鼻腔鼻腔壓強(qiáng)分布云圖Fig.6 The nasal cavity pressure of healthy nasal cavity

3 討論

上氣道的諸結(jié)構(gòu)均與功能有密切的相關(guān)性，鼻腔的主要功能就是對(duì)吸入的氣流進(jìn)行加溫、加濕、過(guò)濾灰塵以及嗅覺(jué)等。鼻腔結(jié)構(gòu)異常主要表現(xiàn)在鼻中隔和下鼻甲，鼻中隔偏曲的程度和下鼻甲的大小決定鼻腔有效氣流通路的截面積，研究人鼻腔鼻竇的生物力學(xué)數(shù)值模型，是從生物力學(xué)角度來(lái)研究上氣道解剖結(jié)構(gòu)與相關(guān)疾病的關(guān)系，從而服務(wù)于臨床。為了驗(yàn)證計(jì)算機(jī)數(shù)值模型的可靠性，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們對(duì)所有受試者根據(jù)數(shù)值模型計(jì)算出的鼻阻力數(shù)據(jù)，應(yīng)用鼻阻力計(jì)進(jìn)行鼻阻力測(cè)量進(jìn)行驗(yàn)證，兩種方法均得出實(shí)驗(yàn)組鼻阻力較對(duì)照組增大，而2組經(jīng)兩種方法測(cè)得的鼻阻力差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。因此，可以認(rèn)為本研究建立的數(shù)值模型基本反映出鼻腔結(jié)構(gòu)異常者和健康人的鼻腔氣道特征。

本實(shí)驗(yàn)數(shù)值模擬的健康人上氣道鼻腔氣流流場(chǎng)與孫秀珍等［6］研究的正常國(guó)人鼻腔氣流場(chǎng)特征相符，同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，鼻中隔偏曲者和健康人呼吸時(shí)同樣會(huì)受到鼻周期的影響，而與鼻周期相比，鼻腔解剖結(jié)構(gòu)異常對(duì)流經(jīng)鼻腔的氣流分布影響更為明顯。鼻中隔偏曲者雙側(cè)鼻腔容積不對(duì)稱，呼吸時(shí)通過(guò)氣道狹窄側(cè)鼻腔的氣流流量明顯減少，尤其以該側(cè)總鼻道中部減少更為明顯。隨著氣流量減少，氣流流速也隨之減慢，使該側(cè)中鼻道的鼻竇口正常引流功能受到影響，從而導(dǎo)致該側(cè)鼻竇炎的發(fā)生。為增加其氣流量，該側(cè)下鼻甲多有不同程度的萎縮變小，表現(xiàn)為黏膜變薄、骨質(zhì)吸收并伴隨有向外側(cè)移位等，從而減少該側(cè)鼻腔氣道阻力，我們認(rèn)為這是人體鼻腔的一種自適應(yīng)性變化［7］。對(duì)于氣道寬敞側(cè)，由于較大的氣流長(zhǎng)期慢性沖擊，該側(cè)鼻腔組織代償性增生，中鼻道黏膜病變的程度和累及范圍甚至超過(guò)對(duì)側(cè)，同樣導(dǎo)致該側(cè)鼻竇炎發(fā)病率增高。而且研究中我們發(fā)現(xiàn)，鼻中隔高位偏曲者較低位偏曲者在偏曲最為明顯處的總鼻道中部雙側(cè)鼻腔氣流流量及流速差異更大，這一點(diǎn)可能是此前學(xué)者［8］提到的高位偏曲者鼻竇炎發(fā)病率較高的原因之一。

鼻腔氣流場(chǎng)特征研究同樣可以應(yīng)用于患者嗅覺(jué)改變的病因分析。鼻中隔偏曲者氣道狹窄側(cè)氣流流量減少、流速減慢，且氣流由于狹窄氣道的分流作用導(dǎo)致局部湍流增多［9］，同時(shí)因嗅裂區(qū)本身的解剖特點(diǎn)，使得進(jìn)入該區(qū)的氣流減少更為明顯。根據(jù)Zhang等［10，11］研究上氣道模型中微小粒子在氣道中的傳送和沉積作用，以及曾敏捷等［12］通過(guò)氣體動(dòng)力學(xué)模型研究微顆粒在人體上呼吸道中的運(yùn)動(dòng)沉積，探討顆粒沉積率與氣流流速和顆粒慣性大小的關(guān)系等研究結(jié)果，我們有理由認(rèn)為隨著進(jìn)入該側(cè)嗅裂區(qū)的氣流分布情況變化，使得進(jìn)入并沉積于嗅區(qū)的引起嗅覺(jué)的顆粒物質(zhì)明顯減少甚至缺失，從而導(dǎo)致嗅覺(jué)的減退甚至喪失。

因此，我們認(rèn)為對(duì)病態(tài)上氣道結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其解剖結(jié)構(gòu)異常與氣流場(chǎng)特征之間的關(guān)系，可用于評(píng)估上氣道結(jié)構(gòu)—功能—疾病之間互為因果的發(fā)生機(jī)制，進(jìn)而為以優(yōu)化氣流路徑、改變氣流分布為目的手術(shù)治療提供參考。

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（編輯武玉欣）

EstablishmentofFinite Element Modeland Analysisof Airflow Characteristicsin Patientswith NasalStructuralAbnormalities

TANGYuan-yuan1，SUYing-feng1，GUANQing-jie1，LIUYing-xi2，SUNXiu-zhen1
（1.Department of Otolaryngology Head and Neck Surgery，The Second Affiliated Hospital of Dalian Medical University，Dalian 116027，China；2.Department of Engineering Mechanics，Dalian University ofTechnology，Dalian 116023，China）

ObjectiveTo analyze the airflow characteristics and investigate the relationship of the structure and the function of nasal cavity by the three-dimensionalreconstruction ofnasalairway ofpatientswith structuralabnormalities（nasalseptum deviation）and healthy people and the establishmentoffinite elementmodelby computer.MethodsOn the basisofCTimaging ofthe nasalcavity in patients with structuralabnormalities（nasal septum deviation，n=20）and healthy people（n=20），three-dimensional reconstruction of nasal airway was conducted by resurfacing finite element subdivision to simulate the characteristics of airflow in nasal cavity.ResultsThe airflow mainly went through the commodious side of the nose in patients with nasal septum deviation and the maximum fluence appeared in the middle part of meatus nasi communis.The airway pressure decreased most significantly in the most flank-curvature part of nasal septum deviation，accounting approximately 79.65%of the total pressure.In healthy people，the bilateral airflow was affected by nasal cycle and was mainly characterized by one nasal cavity，and the maximum fluence was observed in the middle and the inferior part of meatus nasi communis.The airway pressure decreased most significantly in limen nasi，accounting approximately 58.78%of the total pressure.ConclusionNumerical modeling of nasal cavity can be used to analyze the relationship between the nasal structuralabnormalities and the airflow characteristics，which is a scientific method to analyze the association ofnasalstructure and function with disease and can be used forpre-and post-operative individualevaluation ofoperative therapeutic regimen targeting atoptimizing airway and altering airflow distribution.

nasal septum deviation；three-dimensional reconstruction；numerical model；nasal structural abnormalities

R318.5

A

0258-4646（2015）03-0209-05

國(guó)家自然科學(xué)基金（10672036；11072055；10902022；11472074）

唐媛媛（1980-），女，主治醫(yī)師，碩士.

孫秀珍，E-mail：sunxiuzhen001@163.com

2014-11-13

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：