鼻腔結構異常者有限元數值模型建立及氣流場特征分析

唐媛媛，蘇英鋒，關慶捷，劉迎曦2，孫秀珍

（1.大連醫科大學附屬第二醫院耳鼻咽喉頭頸外科，遼寧 大連 116027；2.大連理工大學工業裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連116021）

鼻腔結構異常者有限元數值模型建立及氣流場特征分析

唐媛媛1，蘇英鋒1，關慶捷1，劉迎曦2，孫秀珍1

（1.大連醫科大學附屬第二醫院耳鼻咽喉頭頸外科，遼寧 大連 116027；2.大連理工大學工業裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連116021）

目的通過對健康人和鼻腔結構異常（鼻中隔偏曲）者鼻腔氣道的三維重建，計算機建立有限元數值模型，分析2者鼻腔氣道氣流場分布特征，進而從生物力學角度探討鼻腔結構與功能的關系。方法根據鼻中隔偏曲者及健康北方人（各20例）的鼻腔CT薄層掃描結果，應用表面重建有限元剖分的方法對其進行三維重建，數值模擬流經鼻腔氣道的氣流特征。結果鼻中隔偏曲者雙側鼻腔氣流流量分布以氣道寬敞側為主，且最大氣流量集中在寬敞側總鼻道中部；鼻腔氣道壓強在偏曲最為明顯處下降最快，占氣道總壓強差的79.65%。健康人雙側鼻腔氣流量受鼻周期影響，以一側鼻腔為主，最大氣流量分布在總鼻道中部和下部；鼻腔氣道壓強于鼻閾處下降最快，約占氣道總壓強差的58.78%。結論用計算機模擬的方法建立鼻腔結構的數值模型，分析其解剖結構異常與氣流場特征之間的關系，是一種新的研究鼻腔結構、功能與疾病相關性的可行的科學手段，可以為以優化氣流路徑、改變氣流分布為目的的手術治療方案及手術前后的個性化評估提供參考。

鼻中隔偏曲；三維重建；數值模型；鼻腔結構異常

鼻腔最重要的功能即為呼吸，呼吸氣流主要受到鼻腔結構的影響［1～3］。鼻腔氣流的研究是了解鼻腔結構和功能之間關系的紐帶。鼻腔結構復雜，目前常用的鼻腔功能檢查手段（如鼻聲反射和鼻阻力測定）不足以反映鼻腔通氣功能的分區段變化［4］，隨著相關臨床檢測設備和生物數值模擬研究方法的進步，已有很多學者采用計算流體動力學的研究方法對鼻腔氣流場及溫、濕度場等進行研究。研究顯示計算流體力學在反應鼻腔生理功能基本特征的同時，也可用于分析鼻腔結構變化對功能的影響，因此，本研究應用計算流體動力學方法（computational fluid dynamics，CFD）對鼻中隔偏曲患者及健康人的鼻腔氣流流場進行研究，探討鼻腔氣流與鼻腔解剖結構和疾病之間的相互影響，為進一步闡述鼻腔疾病的發病機制提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

鼻中隔偏曲組（實驗組）：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。經前鼻鏡及鼻內鏡檢查鼻中隔呈“C”形偏曲（可包含一側或雙側鼻甲代償性改變），并除外鼻息肉及其他鼻腔疾病者。健康人組（對照組）：選擇20～60歲的20名健康北方人為對照組，男12例，女8例。經詳細詢問病史，證明既往無慢性上呼吸道疾病病史，無鼻部外傷及手術史，近3～6個月無上呼吸道急性病史，應用前鼻鏡及鼻內鏡檢查無鼻科疾病體征或無明顯解剖異常。

1.2 方法

1.2.1 多層螺旋CT掃描：對受試者應用螺旋CT（德國西門子公司，型號：Somatom Emotion16）進行鼻部連續掃描（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）。應用CT機自帶的軟件將獲得的DICOM影像學數據轉化為BMP格式圖像。

圖1 鼻中隔偏曲者鼻腔冠狀位連續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CT圖像Fig.2 The continuous coronal CT image of healthy nasal cavity

1.2.2 三維重建：應用Matlab軟件將上述獲得的BMP格式圖像數字化，用自編譯的程序識別鼻腔氣道的邊界，并將其導入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構特征的關鍵點連成線，進一步構建面、體，選用四面體單元對體進行有限元剖對鼻腔氣流通道進行表面三維重建。

1.2.3 計算氣流場：應用Ansys10.0后處理功能結合黏性流體運動方程Navier-Stockes方程對鼻腔氣流場進行計算。邊界條件設定：（1）鼻腔氣道壁無滑移邊界條件，即Vs=0 m/s；（2）前鼻孔為1個標準大氣壓（P=101 325 Pa）；（3）鼻咽部氣流速度（m/s）根據國人生理狀態下呼吸頻率和潮氣量數值范圍，選擇呼吸周期（T）=3 s，潮氣量為500 mL，即通氣量為10 L/min，假設呼吸時間相同，呼吸過程模擬為正弦變化模式，由模型計算得到鼻咽部氣道面積，再通過測量1次呼吸量，計算得到鼻咽部氣流平均速度。

根據三維重建模型，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，根據計算公式［5］：鼻阻力＝鼻腔前后的壓差/氣體流速，計算鼻阻力值。同時我們利用鼻阻力計對上述受試者進行鼻阻力檢測。

1.3 統計學處理

應用統計分析軟件SPSS 12.0對實驗組和對照組鼻腔氣道不同部位的氣流分布情況分別進行統計分析，實驗數據用x±s表示，雙側對應部位均采用兩樣本t檢驗。P＜0.05認為差異有統計學意義。

2 結果

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圖3。氣道寬敞側的氣流流速較氣道狹窄側快；鼻腔氣道寬敞側截面積較大。2者均于總鼻道中部最為明顯，見表1。

健康人雙側鼻腔氣流速度分布云圖見圖4。受鼻周期影響，20例受試者中有16例（80%）以一側鼻腔通氣為主。雙側鼻腔氣流流速主要通氣側較非主要通氣側快，尤以總鼻道中部及下部為明顯。鼻腔氣道截面積雙側差異無統計學意義（P＞0.05）。見表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 實驗組雙側氣道對應部位氣流量、氣流速度、氣道面積對比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 鼻腔氣道壓強分布情況

2組受試者鼻腔氣道壓強均從前鼻孔到鼻咽部逐漸下降。實驗組中于氣道狹窄側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），約占氣道總壓強差值的79.65%，從前鼻孔到鼻咽部氣道壓強差值的變化范圍為（248±12）Pa。對照組中鼻閾附近氣壓下降最快（圖6），約占氣道總壓強差值的58.78%，從前鼻孔到鼻咽部的氣道壓強差值變化范圍為（131±91）Pa。

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

表2 對照組雙側氣道對應部位氣流量、氣流速度、面積對比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

據重建模型計算數據，實驗組鼻腔氣道阻力為（0.488±0.27）kPa/（L·s），對照組為（0.164±0.03）kPa/（L·s），兩組差異有統計學意義（t=2.382，P＜0.05）。通過鼻阻力計測量，得出實驗組鼻腔氣道阻力為（0.479±0.09）kPa/（L·s），對照組為（0.175± 0.11）kPa/（L·s），二者差異有統計學意義（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分布云圖Fig.6 The nasal cavity pressure of healthy nasal cavity

3 討論

上氣道的諸結構均與功能有密切的相關性，鼻腔的主要功能就是對吸入的氣流進行加溫、加濕、過濾灰塵以及嗅覺等。鼻腔結構異常主要表現在鼻中隔和下鼻甲，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數值模型，是從生物力學角度來研究上氣道解剖結構與相關疾病的關系，從而服務于臨床。為了驗證計算機數值模型的可靠性，在實驗過程中，我們對所有受試者根據數值模型計算出的鼻阻力數據，應用鼻阻力計進行鼻阻力測量進行驗證，兩種方法均得出實驗組鼻阻力較對照組增大，而2組經兩種方法測得的鼻阻力差異無統計學意義（P＞0.05）。因此，可以認為本研究建立的數值模型基本反映出鼻腔結構異常者和健康人的鼻腔氣道特征。

本實驗數值模擬的健康人上氣道鼻腔氣流流場與孫秀珍等［6］研究的正常國人鼻腔氣流場特征相符，同時研究發現，鼻中隔偏曲者和健康人呼吸時同樣會受到鼻周期的影響，而與鼻周期相比，鼻腔解剖結構異常對流經鼻腔的氣流分布影響更為明顯。鼻中隔偏曲者雙側鼻腔容積不對稱，呼吸時通過氣道狹窄側鼻腔的氣流流量明顯減少，尤其以該側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，使該側中鼻道的鼻竇口正常引流功能受到影響，從而導致該側鼻竇炎的發生。為增加其氣流量，該側下鼻甲多有不同程度的萎縮變小，表現為黏膜變薄、骨質吸收并伴隨有向外側移位等，從而減少該側鼻腔氣道阻力，我們認為這是人體鼻腔的一種自適應性變化［7］。對于氣道寬敞側，由于較大的氣流長期慢性沖擊，該側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對側，同樣導致該側鼻竇炎發病率增高。而且研究中我們發現，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鼻腔氣流流量及流速差異更大，這一點可能是此前學者［8］提到的高位偏曲者鼻竇炎發病率較高的原因之一。

鼻腔氣流場特征研究同樣可以應用于患者嗅覺改變的病因分析。鼻中隔偏曲者氣道狹窄側氣流流量減少、流速減慢，且氣流由于狹窄氣道的分流作用導致局部湍流增多［9］，同時因嗅裂區本身的解剖特點，使得進入該區的氣流減少更為明顯。根據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］通過氣體動力學模型研究微顆粒在人體上呼吸道中的運動沉積，探討顆粒沉積率與氣流流速和顆粒慣性大小的關系等研究結果，我們有理由認為隨著進入該側嗅裂區的氣流分布情況變化，使得進入并沉積于嗅區的引起嗅覺的顆粒物質明顯減少甚至缺失，從而導致嗅覺的減退甚至喪失。

因此，我們認為對病態上氣道結構進行數值模擬，分析其解剖結構異常與氣流場特征之間的關系，可用于評估上氣道結構—功能—疾病之間互為因果的發生機制，進而為以優化氣流路徑、改變氣流分布為目的手術治療提供參考。

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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

國家自然科學基金（10672036；11072055；10902022；11472074）

唐媛媛（1980-），女，主治醫師，碩士.

孫秀珍，E-mail：sunxiuzhen001@163.com

2014-11-13

網絡出版時間：