OSAHS上氣道氣流場(chǎng)數(shù)值模型的建立與阻塞平面的分析

郭 燕 孫秀珍 呂 萍 陳 力

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

阻塞性睡眠呼吸暫停-低通氣綜合征（obstructive sleep apnea-hypopnea syndrome，OSAHS）屬于耳鼻咽喉科臨床常見(jiàn)病、多發(fā)病之一，對(duì)于成年患者，其上氣道結(jié)構(gòu)與功能方面的研究報(bào)道較多，病因相對(duì)比較復(fù)雜，但對(duì)于兒童患者，其發(fā)病原因主要為腺樣體和（或）扁桃體肥大導(dǎo)致上氣道狹窄所致，上氣道是否狹窄及狹窄程度多通過(guò)X線片、鼻內(nèi)窺鏡檢查評(píng)估，多有臨床醫(yī)師確定，具有較大主觀性，同時(shí)對(duì)于研究其發(fā)病機(jī)制仍顯不足。而上氣道的核心內(nèi)容為其中的氣流場(chǎng)，與氣道結(jié)構(gòu)及其功能狀態(tài)密切相關(guān)，本研究擬通過(guò)建立患兒上氣道有限元模型，對(duì)其中上氣道生物力學(xué)特征進(jìn)行研究，進(jìn)一步有臨床醫(yī)師通過(guò)模擬手術(shù)切除肥大扁桃體及腺樣體并分析其氣流場(chǎng)，通過(guò)對(duì)術(shù)前、術(shù)后上氣道流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，期望發(fā)現(xiàn)兒童OSAHS患者氣道結(jié)構(gòu)對(duì)氣流場(chǎng)的影響，從生物力學(xué)角度分析其發(fā)病機(jī)制，并為臨床個(gè)性化診治方案提供一定的指導(dǎo)作用。

1 對(duì)象與方法

1.1 對(duì)象

選擇2004年12月～2006年12月于我院耳鼻咽喉頭頸外科患兒（3～14歲）9例，根據(jù)癥狀、鼻咽側(cè)位片及睡眠呼吸監(jiān)測(cè)結(jié)果診斷為OSAHS，且腺樣體肥大，均無(wú)鼻腔鼻竇炎癥及其他上呼吸道疾病史。

1.2 多層螺旋CT掃描

符合條件的受試者在室溫環(huán)境下安靜30 min，清理鼻腔分泌物后，進(jìn)行鼻、鼻咽部水平位連續(xù)掃描，窗位選擇骨窗，層厚3 mm，層間距3 mm。將獲得的DICOM影像學(xué)數(shù)據(jù)通過(guò)西門子多層螺旋CT機(jī)自帶軟件轉(zhuǎn)化為BMP格式圖像。

1.3 確定邊界條件

鼻腔前鼻孔處為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（P=101 325 Pa）。鼻腔氣道壁為無(wú)滑移條件（Vs=0 m/s）。鼻咽部：氣流流速（m/s）。女性兒童潮氣量預(yù)計(jì)方程式為Q=0.106+2.614×10-4×身高×年齡-8.844×10-8×e年齡，男性兒童潮氣量預(yù)計(jì)方程式為Q=-5.065+2.599×log身高[1]，呼吸頻率設(shè)定根據(jù)年齡段分別設(shè)為：3～5歲設(shè)定為25次/min，大于5歲設(shè)定為0次/min，一次完整的呼吸過(guò)程為3 s，吸氣相與呼氣相時(shí)間比例為1∶1。根據(jù)重建模型可以得到鼻咽部氣道的橫截面積（m2），得出鼻咽部氣流的平均速度。

1.4 三維重建及數(shù)值模擬

將上述獲得的BMP格式圖像通過(guò)Matlab軟件數(shù)字化，以自編譯的程序識(shí)別上氣道邊界，將其導(dǎo)入Ansys 10.0軟件中，三維重建患兒上氣道氣流通道，再應(yīng)用Ansys 10.0有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算分析。

1.5 選取受試者的CT影像

選擇前后界為鼻中隔后端到咽后壁，上下界為鼻咽頂壁到會(huì)厭上緣，將選定的氣道區(qū)域?qū)隤hotoshop CS軟件，由耳鼻咽喉科醫(yī)師與生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)研究人員共同確定鼻咽氣道腺樣體位置，并模擬手術(shù)切除肥大的腺樣體，重塑氣道結(jié)構(gòu)，將模擬手術(shù)后的圖像替換原圖像。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 12.0醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)病態(tài)和模擬手術(shù)后鼻咽腔和鼻腔氣流情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)量資料數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用方差分析，兩兩比較采用LSD-t檢驗(yàn)。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 鼻咽部氣流形態(tài)變化

在病態(tài)模型中，鼻咽部氣流形態(tài)主要以湍流為主（圖1），而模擬手術(shù)后模型中，鼻咽部主要以層流為主（圖2）。

圖1 術(shù)前鼻咽部速度矢量圖

圖2 術(shù)后鼻咽部速度矢量圖

2.2 鼻、鼻咽腔氣道壓強(qiáng)

術(shù)后模型較術(shù)前模型在吸氣及呼氣時(shí)的總體壓強(qiáng)降均減小（表1）。數(shù)據(jù)經(jīng)SPSS軟件分析，t值分別為6.068和4.567，P值均小于0.05。

表1 術(shù)前及術(shù)后模型總體壓強(qiáng)降變化（Pa）

2.3 腺樣體肥大患兒上氣道氣流場(chǎng)特征

鼻腔內(nèi)鼻閾、中鼻道氣流速度較高，流速分別見(jiàn)圖4；鼻咽部氣道狹窄部位氣流速度亦較高，流速見(jiàn)圖4；手術(shù)模擬切除腺樣體后氣流場(chǎng)變化特點(diǎn)為鼻咽部氣流速度明顯減慢，流速見(jiàn)圖4。

圖4 腺樣體肥大患兒上氣道氣流場(chǎng)特征

3 討論

目前兒童OSAHS的病因、臨床表現(xiàn)、診斷及治療等均與成人有較大差異，是一個(gè)獨(dú)立的臨床綜合征，確切病因尚不完全清楚[2]。有研究認(rèn)為兒童OSAHS的主要病因是腺樣體肥大和咽扁桃體肥大[3]。筆者建立腺樣體肥大患兒的術(shù)前術(shù)后上氣道三維立體生物力學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行分析應(yīng)用，旨在進(jìn)一步明確兒童OSAHS的致病因素和阻塞平面，為兒童OSAHS的防治工作提供客觀理論參考依據(jù)。

筆者通過(guò)對(duì)9例腺樣體肥大患兒的病態(tài)模型進(jìn)和數(shù)值模擬手術(shù)模型分析，7例患兒在模擬切除腺樣體后，鼻咽部壓強(qiáng)降明顯減小或消失，上氣道的氣流形態(tài)與正常兒童基本相同，2例腺樣體肥大合并扁桃體肥大患兒模擬腺樣體手術(shù)后，壓強(qiáng)降區(qū)域從鼻咽部下降至軟腭平面至?xí)捝暇夐g區(qū)域，上氣道氣流形態(tài)無(wú)明顯改善，考慮可能因咽扁桃體肥大阻塞口咽氣道，這也說(shuō)明兒童OSAHS的主要阻塞平面不僅位于腺樣體，而且有的也位于咽扁桃體區(qū)[4]。因此不僅腺樣體肥大為阻塞上氣道主要因素，咽扁桃體肥大也是兒童OSAHS的重要發(fā)病因素。所以部分兒童OSAHS不能單純行腺樣體或咽扁桃體切除術(shù)，應(yīng)聯(lián)合切除。

成人OSAHS的主要病因是由于懸雍垂、軟腭肥大和松弛致上氣道阻塞，阻塞平面以舌咽平面為主[5]。而從本試驗(yàn)結(jié)果觀察，兒童OSAHS患者的阻塞平面與成人有所不同，以腺樣體及扁桃體區(qū)為主?？紤]這是由于兒童咽部組織富有彈性和張性，而且口咽腔大部為扁桃體所占據(jù)，呼吸時(shí)懸雍垂及軟腭所受牽拉力和被動(dòng)吸引力要小得多所致。

綜上所述，腺樣體肥大患兒的鼻腔及鼻咽腔氣流通道三維重建能夠真實(shí)地顯示解剖結(jié)構(gòu)的立體形態(tài)及氣流場(chǎng)的變化，彌補(bǔ)二維圖像缺乏空間整體的不足。建立OSAHS患兒的術(shù)前及模擬手術(shù)后上氣道三維立體生物力學(xué)模型，可應(yīng)用于臨床分析及決斷。并且可以通過(guò)分析這些模型，從三維立體角度考慮，能夠更好更準(zhǔn)確地分析阻塞平面和阻塞因素，為患者的臨床個(gè)體化診斷提供新的客觀方法和理論依據(jù)。

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