急性呼吸窘迫綜合征患者下呼吸道重力依賴區(qū)氣道關(guān)閉數(shù)值模擬

劉麗娟，索文超

(1.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京電力醫(yī)院呼吸科，北京 100073；2.中國人民解放軍陸軍航空兵學(xué)院航空機械工程系，北京 101123)

計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics， CFD)是以計算機模擬手段為基礎(chǔ)，對包含有流體流動和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)進(jìn)行分析。由于人體下呼吸道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其病理過程難以人工監(jiān)測，故利用CFD技術(shù)對人體下呼吸道內(nèi)的氣流特性進(jìn)行分析從而指導(dǎo)臨床治療的研究越來越多[1]：如研究霧化或吸入藥物在肺內(nèi)的沉積情況、吸入裝置的療效判定，以及疾病狀態(tài)下對顆粒沉積的影響[2-6]；模擬哮喘[2,7]和慢性阻塞性肺疾病[8-11]患者氣道空氣流動特性，從而揭示疾病的發(fā)病機制；對高頻機械通氣時人體呼吸道內(nèi)部的壓力場和流速場進(jìn)行數(shù)值模擬研究，以提高通氣效率[12-13]等。

急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome， ARDS)是指由各種肺內(nèi)和肺外致病因素導(dǎo)致的急性彌漫性肺損傷及急性呼吸衰竭。ARDS的CT表現(xiàn)為肺內(nèi)的肺水腫和肺不張呈“不均一”分布，即在重力依賴區(qū)(仰臥位時靠近背部的肺區(qū))以肺水腫和肺不張為主，通氣功能極差，而在非重力依賴區(qū)(仰臥位時靠近前胸壁的肺區(qū))肺泡通氣功能基本正常。從前胸到背部的肺區(qū)在形態(tài)學(xué)上可分為相對正常、陷閉和實變3部分，所占比例分別為30%、20%～30%、40%～50%。這種病變的不均一性將會導(dǎo)致呼吸力學(xué)的改變。因此，應(yīng)用CFD技術(shù)模擬ARDS患者下呼吸道重力依賴區(qū)的病理改變，研究氣道內(nèi)空氣流速、表面壓力、壁面剪切應(yīng)力等力學(xué)參數(shù)變化，可以進(jìn)一步了解ARDS患者氣道內(nèi)情況，并深入理解ARDS發(fā)生發(fā)展的病理生理變化，從而為ARDS的監(jiān)測與治療奠定理論基礎(chǔ)。

1 模型建立

利用三維重建技術(shù)對患者的正常肺CT影像進(jìn)行分割提取，建立包含段支氣管出口的下呼吸道三維模型共23個，其中左肺9個，右肺14個，見圖1。

圖1 下呼吸道三維模型及出口編號

基于三維直角坐標(biāo)建立計算模型，假設(shè)下呼吸道入口處空氣速度均勻分布，空氣不可壓縮，物性參數(shù)為常數(shù)；下呼吸道壁面為剛性壁面，且材質(zhì)均勻、各部分物理性質(zhì)相同，忽略下呼吸道壁面的彈性變形以及下呼吸道內(nèi)軟骨環(huán)和黏液對氣體流動的影響。基于空氣流動的連續(xù)性方程、動量方程及標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型建立控制方程。壁面區(qū)域采用壁面函數(shù)法處理。采用速度入口邊界條件和壓力出口邊界條件，出口相對壓力設(shè)為0；下呼吸道壁面采用無滑移壁面邊界條件。采用基于壓力耦合式算法求解，控制方程的離散為二階迎風(fēng)格式。

采用瞬態(tài)模型模擬一個呼吸周期下呼吸道內(nèi)的氣體流動。假設(shè)吸氣階段與呼氣階段時間比為1:1，下呼吸道入口速度(v)隨時間(t)呈正弦曲線變化，見圖2。

圖2 入口速度隨時間的變化曲線

2 計算分析

2.1 對比方案 根據(jù)仰臥時下呼吸道支氣管的分布情況，人為關(guān)閉靠近背部肺區(qū)的部分氣道以模擬ARDS的病理生理改變。模型共關(guān)閉氣道11個，其中左肺4個，分別為編號2、5、8、9的段支氣管；右肺7個，分別為編號4、5、8、9、11、13、14的段支氣管(圖3)。

圖3 重力依賴區(qū)氣道關(guān)閉示意圖 圓圈為關(guān)閉的氣道及對應(yīng)編號，L和R分別為左肺和右肺各出口

圖4 下呼吸道表面壓力分布圖 A、B.T1時刻；C、D.T2時刻

圖5 對比點位置、編號及表面壓力 A.對比點位置及編號; B.氣管和左肺支氣管對比點表面壓力; C.右肺支氣管對比點表面壓力; D.未關(guān)閉支氣管對應(yīng)點表面壓力增幅

假設(shè)潮氣量為500 ml，呼吸頻率為15次/分，針對重力依賴區(qū)氣道關(guān)閉前后兩種情況分別進(jìn)行模擬。選取吸氣階段T1和呼氣階段T2兩個峰值時刻進(jìn)行對比(圖2)。

2.2 表面壓力分析 圖4為部分氣道關(guān)閉前后，T1和T2時刻下呼吸道表面壓力分布圖，可見部分氣道關(guān)閉后，無論吸氣階段還是呼氣階段，下呼吸道表面壓力均有增加，且隨著呼吸強度的增大壓力升高也越大，尤其是氣管、左右支氣管以及關(guān)閉的各段支氣管表面壓力上升明顯。

在氣管選取3個點(M1、M2、M3)，左肺各支氣管選取16個點(1～16號)，右肺各支氣管選取24個點(1～24號)作為對比點。其中在23個段支氣管出口壁面上選取的對比點編號與段支氣管出口編號一致。

此外，部分氣道關(guān)閉后，無論吸氣階段還是呼氣階段，對比點壓力整體上升，局部上升顯著，且吸氣階段氣道關(guān)閉引發(fā)的壓力增幅高于呼氣階段。整個下呼吸道表面平均壓力在吸氣階段增幅為312.39%，呼氣階段為119.79%。因此，吸氣階段氣道關(guān)閉對氣道表面壓力的整體影響更大。

由圖5A各點的位置關(guān)系以及圖5B和圖5C中各對比點的表面壓力變化可以看出，無論是左肺還是右肺，在氣道關(guān)閉之后，關(guān)閉氣道上對比點的壓力均顯著上升，且在吸氣階段更為明顯。與關(guān)閉氣道相鄰的未關(guān)閉氣道上對比點的壓力在呼氣階段較大，而關(guān)閉氣道的上級氣道上對比點的壓力則在吸氣階段較大。

圖5D示，對于末端的未關(guān)閉段支氣管，其吸氣階段的表面壓力曲線相對平穩(wěn)，而呼氣階段則變化明顯，左肺的6、7號點和右肺的10號點在呼氣階段的表面壓力增幅最為顯著。3個點分別對應(yīng)于左肺下葉的6號、7號和右肺下葉的10號段支氣管。

圖6 未關(guān)閉段支氣管出口截面空氣速度 圖7 1個吸(呼)氣周期內(nèi)，氣道關(guān)閉前后左肺和右肺及其各葉支氣管空氣流量比

圖8 壁面剪切應(yīng)力對比 A.氣管和左肺支氣管對比點; B.右肺支氣管對比點

因此，在吸氣階段氣道關(guān)閉，對于關(guān)閉的氣道及其上級氣道壓力的影響更大，而在呼氣階段對于關(guān)閉氣道相鄰的未關(guān)閉氣道壓力的影響更大，尤其是對于左肺下葉6號、7號和右肺下葉10號段支氣管表面壓力的影響最大。

2.3 空氣流速與流量分析 圖6可見部分氣道關(guān)閉后未關(guān)閉氣道內(nèi)空氣速度無論在吸氣階段還是呼氣階段均明顯增大，且隨著呼吸強度的增強而增大。無論T1時刻還是T2時刻，部分氣道關(guān)閉后，未關(guān)閉氣道出口處速度均有較大幅度上升。此外，無論左肺還是右肺，吸氣階段未關(guān)閉氣道出口處空氣速度變化曲線相對平緩，而呼氣階段變化曲線則相對較陡。氣道關(guān)閉后，未關(guān)閉氣道出口處的最大速度全部出現(xiàn)在呼氣階段，分別為左肺和右肺的1號出口處。

圖7示1個吸(呼)氣周期內(nèi)，氣道關(guān)閉前后左肺和右肺的流量占比變化不大，因此，部分氣道關(guān)閉對左肺或者右肺的流量變化影響不大。對于左肺各葉來說，無論是吸氣階段還是呼氣階段，其上葉在部分氣道關(guān)閉后流量占比上升，而下葉下降，此外，吸氣階段氣道關(guān)閉所引起的流量占比變化幅度大于呼氣階段；對于右肺來說，無論是吸氣階段還是呼氣階段，其上葉變化不大，下葉流量占比下降，而中葉流量占比明顯上升，同樣，吸氣階段氣道關(guān)閉所引起的流量占比變化幅度大于呼氣階段。因此，部分氣道關(guān)閉對于各肺葉流量的分配比例會產(chǎn)生一定影響，且在吸氣階段產(chǎn)生的影響更大。

2.4 壁面剪切應(yīng)力分析 圖8示無論吸氣階段還是呼氣階段，氣道關(guān)閉對于氣管壁面剪切應(yīng)力變化的影響均不大。左肺和右肺關(guān)閉的氣道由于內(nèi)部氣體基本停滯，其壁面剪切應(yīng)力基本降至為零。

左肺未關(guān)閉的1號與關(guān)閉的2號段支氣管相鄰，未關(guān)閉的6、7號與關(guān)閉的8、9號段支氣管相鄰，未關(guān)閉氣道對應(yīng)的1、6、7號氣道壁面剪切應(yīng)力上升顯著。10、12、14、15號點所在氣道的下級氣道均有關(guān)閉，故其壁面剪切應(yīng)力值均略有下降。而11、13號點所在氣道的下級氣道均未關(guān)閉，其壁面剪切應(yīng)力均上升顯著。同樣，右肺未關(guān)閉氣道對應(yīng)的1、2、3、6、7、10、12號點壁面剪切應(yīng)力上升顯著，15、17、18、22號點所在氣道的下級氣道均有關(guān)閉，故其壁面剪切應(yīng)力值均有所下降。而19、21號點所在氣道的下級氣道均未關(guān)閉，其壁面剪切應(yīng)力均上升顯著(圖8)。

因此，本級氣道關(guān)閉，其壁面剪切應(yīng)力趨于零，其相鄰未關(guān)閉氣道壁面剪切應(yīng)力上升顯著，其上級氣道壁面剪切應(yīng)力略有下降。

3 結(jié)論

機械通氣是救治ARDS的重要手段，而指導(dǎo)機械通氣策略的基本原則是符合ARDS的呼吸生理學(xué)特點，并盡可能避免機械通氣相關(guān)肺損傷，從而改善組織供氧以達(dá)到治療的目的。應(yīng)用CFD技術(shù)對ARDS患者下呼吸道重力依賴區(qū)氣道關(guān)閉前后的氣流組織形式進(jìn)行模擬仿真研究，為ARDS的監(jiān)測和治療奠定了理論基礎(chǔ)，并對臨床工作具有重要的指導(dǎo)作用。

(1)重力依賴區(qū)氣道的關(guān)閉使得其相鄰未關(guān)閉氣道呼氣階段表面壓力增幅更大，尤其是左肺下葉6、7號和右肺下葉10號段支氣管表面壓力增幅最大。在呼氣階段，相對正常的肺組織容易發(fā)生肺泡陷閉，在吸氣階段又再次擴張，最終造成萎陷傷。因此，在機械通氣時給予最佳的呼氣末正壓(positive end-expiratory pressure， PEEP)十分重要。

(2)重力依賴區(qū)氣道關(guān)閉后，關(guān)閉氣道的相鄰未關(guān)閉氣道表面壓力在呼氣階段受到的影響更大，而關(guān)閉的氣道及其上級氣道表面壓力在吸氣階段受到的影響更大。這種吸氣和呼氣階段對氣道表面壓力變化影響的不同，使得氣道擴張和回縮的幅度不同，易形成較高的剪切應(yīng)力，導(dǎo)致病情的發(fā)展和加重。因此，在對患者進(jìn)行機械通氣時，應(yīng)將氣道平臺壓限制在30 cmH2O以下，以減輕對氣道的影響。

(3)重力依賴區(qū)氣道關(guān)閉后，未關(guān)閉氣道內(nèi)空氣速度無論在吸氣階段和呼氣階段均明顯增大，且隨著吸氣強度的增強而增大，由此可知ARDS患者自主呼吸過強會導(dǎo)致正常氣道的流速明顯增加，而剪切應(yīng)力的大小與單位時間的速度變化成正比[14]，若空氣流量明顯加速或減速將產(chǎn)生高的剪切應(yīng)力。在機械通氣時為滿足合適的呼吸頻率需要使用一定劑量的鎮(zhèn)靜劑和肌松劑，且與方形流量波相比，遞減波對減少肺損傷更具有優(yōu)勢。

(4)重力依賴區(qū)氣道的關(guān)閉類似于ARDS病變時的“嬰兒肺”，其肺容積和功能殘氣量明顯減少。本研究發(fā)現(xiàn)部分氣道關(guān)閉前支氣管內(nèi)的空氣流占比以雙肺下葉較高，與Luo等[15]的模擬結(jié)果接近。而氣道關(guān)閉后左肺上葉和右肺中葉流量占比增加，尤其右肺中葉流量占比增幅顯著，因此，在對患者進(jìn)行機械通氣時，此部分氣道易出現(xiàn)過度充氣的危險，需嚴(yán)格限制潮氣量，避免容積傷的發(fā)生。

(5)重力依賴區(qū)氣道關(guān)閉后，相鄰未關(guān)閉氣道的壁面剪切應(yīng)力上升明顯，且隨著呼吸強度增大而增大。因此，對于ARDS患者，病變周圍相對正常的肺區(qū)，發(fā)生氣胸、肺大皰的概率較高。