基于3D打印技術的小兒上氣道內流場特性分析

蔡惠坤 薛豪洋 徐暢 郭宇峰 高興強

(1.廈門大學 航空航天學院，福建 廈門 361102；2.廈門市兒童醫(yī)院，福建 廈門 361006)

阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合癥(OSAHS)是指睡眠過程中上氣道部分或完全阻塞，引起人體通氣不足或呼吸暫停的病癥[1]，且可能引起肺心病、心律失常、充血性心力衰竭、呼吸衰竭等多種并發(fā)癥，嚴重者可導致嬰幼兒直接猝死。近年來，小兒OSAHS發(fā)病率極高，12歲以下兒童發(fā)病率超過四分之一，約為成人的8倍[2]。開展小兒OSAHS的病理認知和發(fā)病機制研究將具有重要的意義。

上氣道復雜的解剖結構及通氣生理阻礙了人們對該病的認識及治療。電子計算機斷層掃描(CT)技術與計算流體動力學(CFD)技術的結合[3-4]雖然能夠詳細捕獲氣流流場特性，成本低，易于操作，但仍然需要實驗方法來驗證。早期的尸源法和動物法研究人體鼻腔氣流取得了一定的實驗成果[5-7]，但尸源性模型和動物類似模型與真實人體模型的差別較大，只能作為定性分析，且實驗操作麻煩。體外的鼻阻力實驗雖然可以獲得壓力、流量等流場特性，但難以獲取完整的上氣道流場信息，也缺乏對內部流場分布規(guī)律的觀測。一種直觀簡便、準確可靠的實驗方法將促進對小兒OSAHS的病理、病癥和手術的深刻認知和醫(yī)學發(fā)展。

三維(3D)打印是20世紀90年代才發(fā)展起來的新技術，最初應用于制造行業(yè)以及航空模型設計中。隨著3D打印材料和控制技術的不斷進步，3D打印技術在牙科整形[8]、血管支架[9]、骨骼支架[10]及其他生物醫(yī)學領域[11-12]獲得了廣泛的應用和良好的效果，已經(jīng)成為目前國內外醫(yī)療領域應用研究的熱點之一。在兒科領域，Petzold等[13]將3D 打印技術應用于兒童顱縫早閉及其他顱頜面畸形患者的術前手術計劃，手術都達到了預期效果。Sanghera等[14]研究了3D打印技術在骨科及顱頜面外科的應用后，認為該技術在疾病診斷及手術方案制定方面非常有價值。近年來隨著3D打印技術的成熟，有少數(shù)研究開始利用3D打印制作上氣道實物模型進行體外實驗驗證。張其標等[15]驗證了利用數(shù)字醫(yī)學與3D打印技術設計、制作鼻咽癌粒子植入個體化導板的可行性，為實現(xiàn)鼻咽癌的粒子植入放射療法的“精準治療”提供參考。王建霞等[16]利用3D打印技術制作了健康男性的上氣道實物模型并進行體外實驗。王浩等[17]研究結果表明，3D打印技術能為先天性氣管狹窄術前診斷和手術方案的設計、術中決策和操作提供很好的指導，提高氣管狹窄手術治療的成功率。李福生等[18]利用粒子圖像測速與光敏樹脂3D打印技術相結合的方法進行研究，發(fā)現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)呼吸模式下，實驗裝置測得的氣流在口腔上部有渦結構的形成，口腔下部貼近舌苔上部及口腔中部的氣流速度較高，其他部位的氣流速度較低，與數(shù)值仿真結果較為一致。

從文獻分析可知，基于3D打印技術開展上氣道的內流場特性研究剛剛起步，實驗方法、檢測技術和模型構建等都還比較欠缺，而且僅有的少數(shù)研究也基本上集中于對成人OSAHS的分析，對小兒OSAHS的關注不夠。因此，本文開展了基于3D打印的小兒上氣道內流場特性的實驗研究，并將實驗結果與實際的體外鼻阻力實驗結果進行了對比分析，以驗證基于3D打印的實驗方法的準確性和可靠性。同時，將此方法用于小兒上氣道的CFD分析的對比性實驗中，研究不同程度的扁桃體肥大對小兒OSAHS的影響，以期為探索小兒上氣道結構特征和流場特性，開展OSAHS的病理分析和發(fā)病機制研究提供重要的參考。

1 基于3D打印的小兒上氣道內流場模型的實驗研究

由于小兒上氣道的真實尺寸較小，為了方便實驗測試和數(shù)據(jù)采集，3D打印的實驗模型將采用2∶1的比例放大模型。基于相似性原理[3,19]，在模型與原型保持幾何相似的基礎上，還應保持動力相似，即模型與原型在對應瞬時、對應點上受相同性質的力，且力的方向相同，大小成比例。當作用在流體上的力主要是黏性力時，實際模型和實驗模型保持動力相似的條件為雷諾數(shù)相等。

1.1 3D打印模型制作

目前光敏樹脂在制造醫(yī)學模型方面應用廣泛，且在成人上氣道仿真分析的驗證中已獲得應用，因此本文也采用光敏樹脂作為3D打印模型的材料。與之相配的3D打印技術為光固化成型技術，打印機精度為0.1 mm，表面粗糙度小于流場內邊界層厚度，模型可滿足實驗要求。根據(jù)CT重建的三維流場模型制作上氣道壁面模型，導入Materialise Magics軟件中，調整其放置位置，進行切片處理，設計掃描路徑；通過紫外光掃描液態(tài)光敏樹脂材料使其固化，層層疊加，形成所需的上氣道模型；將模型取出后放入超聲波清洗機中清洗，去除其內部支撐材料。最終的3D打印模型如圖1(c)所示。

圖1 小兒上氣道示意圖Fig.1 Illustration of children upper airway

1.2 實驗臺搭建

人吸氣時，肺內氣壓低于大氣壓，使氣體從鼻孔流經(jīng)過上氣道進入肺內，因此實驗中采取真空泵模擬肺內的負壓環(huán)境，采用流量閥控制流量，呼吸流量Q的計算公式為[20]

Q=1 000(0.019a+0.014)

(1)

式中，a為兒童的年齡。

使用流量計測量上氣道通氣量，使用壓力傳感器測量上氣道壁面壓力，使用流速計測量選取點的流速，如圖2(a)所示。采用的壓力傳感器為硅擴散壓力變送器，量程為-100～100 Pa，精度為1%FS；采用的流速計為熱球式風速儀，量程為0～10 m/s，精度為±(0.03 m/s+5%FS)；采用的流量計為壓縮空氣流量計，量程為0～25 L/min，精度為±(2.0 L/min+0.5%FS)。各儀器均采用12 V直流電源供電。

上氣道口咽部與鼻咽部相連，在上氣道鼻咽部取一點(圖2(a)中測點1)測量壓強，可將之視為口咽部起始端。不同扁桃體大小模型的壓強與流速在口咽部的差異較大，因此選擇在口咽部中端(圖2(a)測點2)與口咽部末端(圖2(a)測點3)取點測量其壓強，同時在口咽部中段位置另取一點(圖2(a)測點4)測量其流速。將實驗模型通過綁帶固定在實驗臺的中下方，通過引壓管將模型壁面處各測點與模型上方的壓力傳感器相接，使壓力傳感器測量值為模型壁面處的靜壓。在流速測點處鉆直徑為2 mm的孔并將流速計探頭伸入，測量截面中心點處的風速，如圖2(b)所示。

圖2 實驗系統(tǒng)原理圖和實物圖Fig.2 Schematic diagram and picture of system testing bench

1.3 實驗結果分析

邀請一正常兒童志愿者開展鼻阻力實驗。本文使用GM公司NR6Executive型鼻阻力計進行主動前鼻測壓，受試對象行CT掃描后，端坐位靜坐10 min，將合適型號的鼻管輕放于其左側鼻孔下端，20 min內反復測試4次，得到壓強-流量曲線。由式(1)可知，4～10歲兒童的呼吸流量在90～204 mL/s范圍內，因此測量100、150和200 mL/s流量的平均壓強并繪制流量-壓強曲線，將3D打印模型的實驗結果與臨床鼻阻力的實驗結果進行對比，如表1所示，二者的壓強變化趨勢基本相同，壓強的最大誤差為11.1%，而實驗室前期的另一個實驗[21]與臨床鼻阻力實驗結果的最大誤差為13.6%，這表明了基于3D打印技術的實驗研究方法的準確性和可靠性。產(chǎn)生誤差的原因主要有：①模型是利用CT圖所建，建模時可能在空氣與黏膜交界處識別不清，造成鼻腔面積增大；②在實際呼吸過程中，周圍軟組織可能會對氣流造成影響。

表1 3D打印模型與臨床鼻阻力的實驗結果對比Table 1 Comparison of experimental results between 3D prin-ting model and clinical nasal resistance test

2 不同狹窄度的OSAHS數(shù)值模擬

目前已能夠確定的OSAHS直接發(fā)病機制為上氣道塌陷。導致上氣道塌陷的因素較多，包括腺樣體肥大、扁桃體肥大及軟腭過長等，其中扁桃體在兒童出生10個月后開始發(fā)育，在1歲至10歲期間顯著增長，因此扁桃體肥大多見于兒童時期，是小兒上氣道塌陷的主要誘因。由于病人隱私的關系，實際的病例較難收集，因此，本文對不同扁桃體肥大的OSAHS分析主要以CFD仿真和3D打印實驗為主。

2.1 上氣道模型構建

扁桃體位于上氣道的口咽部，扁桃體肥大將擠壓內流道的橫截面積。扁桃體肥大程度越高，上氣道內流道的橫截面積越小，因此一般以上氣道口咽部的橫截面積反映扁桃體的肥大程度。根據(jù)臨床醫(yī)學分度，定義狹窄度R用于區(qū)分扁桃體肥大的程度：

R=(1-s/s0)×100%

(2)

式中，s為待計算模型的橫截面積，s0為正常上氣道模型的橫截面積。

通過CT圖進行三維模型重建，共制作了5個上氣道模型，包括1個正常上氣道模型(R=0)和4個不同肥大程度的扁桃體模型(R=26%,56%,66%,83%)，如圖3所示，扁桃體模型特征如表2所示。

圖3 不同程度扁桃體肥大的三維模型Fig.3 3D models of different levels hypertrophy of tonsils

表2 不同程度的扁桃體肥大3D打印模型特征Table 2 Characteristics of 3D printing models of different levels hypertrophy of tonsils

2.2 仿真結果分析

數(shù)值模擬采用的是ANSYS Workbench中的Fluent模塊。流體流動遵循N-S控制方程，求解器選擇隱式格式、SIMPLE算法、二階迎風進行耦合分析，設置最大迭代步數(shù)為500，認為殘差值小于10-5時達到收斂標準。前期研究發(fā)現(xiàn)，當上氣道的流量在100 mL/s以下時，上氣道內的雷諾數(shù)不超過600，即為層流狀態(tài)，因此在CFD計算中采用Laminar層流模型。經(jīng)過網(wǎng)格獨立性驗證后，選擇網(wǎng)格尺寸為0.5 mm的模型進行求解。進出口邊界條件為大氣壓進口，-20 Pa壓強出口。仿真結果如圖4所示。

從圖4(a)可知：由于口咽部狹窄程度不同，上氣道的壓強分布也明顯不同，在進出口壓差保持為20 Pa時，壓強分布整體呈現(xiàn)從鼻咽到氣管逐漸減小，當狹窄程度低于26%時，下降程度較均勻；當口咽部狹窄度增大，該處的壓強顯著減小，呈現(xiàn)較大的逆壓強梯度，特別是當扁桃體肥大達到Ⅲ度(狹窄度為83%)時，口咽部的壓強將急劇降低，出現(xiàn)較大的負壓，由正常條件下的-7.69 Pa降低到了-13.68 Pa。過大的內外壓差將使得扁桃體向內塌陷，而此處不具備骨性支撐結構，嚴重時將堵塞氣道，導致呼吸暫停。

從圖4(b)可知：各模型鼻咽部的流速分布大致相同，最大的區(qū)別在于口咽部，狹窄度在26%以下時，口鼻氣道氣流平穩(wěn)，在出口處的喉咽流速最大；當口咽部狹窄度為56%以上時，口咽部氣流流速隨狹窄度升高而急劇升高；當扁桃體肥大達到Ⅲ度時，氣流沿著咽后壁流動形成一股高速射流，在最狹窄的口咽部流速達到最大值，對氣道壁產(chǎn)生較強的沖擊性；流速的增大將降低該處壓強，使得負壓增大，進一步增大了咽壁內外壓差。

圖4 不同程度扁桃體肥大上氣道的壓強分布和速度分布Fig.4 Pressure and velocity distributions in upper airway of different levels hypertrophy of tonsils

3 不同狹窄度的OSAHS實驗研究

在臨床鼻阻力實驗驗證的基礎上，本文在3D打印的實驗臺上開展了不同狹窄度的OSAHS實驗研究。

基于3D打印技術的不同程度扁桃體肥大的實驗結果如表3所示。正常條件下，口咽部的壓強從測點1 的-4.6 Pa降到測點2的-8.4 Pa和測點3的-12.8 Pa，整個口咽段壓降較為均勻，占整個上氣道總壓降的41%；當扁桃體狹窄度為26%時，口咽部的壓強變化與正常條件比較類似，在口咽部末端的壓降略有增大；當扁桃體狹窄度達到56%時，口咽部的壓降迅速上升，從測點1的-4.0 Pa降到測點2的-10.0 Pa和測點3的-15.2 Pa，口咽部的總壓降占整個上氣道總壓降的比例上升到56%；當扁桃體狹窄度達到83%時，口咽部的壓強變化急劇增大，總壓降已經(jīng)達到整個上氣道總壓降的81%。口咽部壓降的增大，意味著口咽部的流阻也是增大的，也意味著吸氣阻力的增大，這從測點1處的壓強隨著狹窄度的增加而減小也可以看出來。同時，隨著狹窄度的增大，整個上氣道的壓強分布變得不均勻，口咽部與上氣道入口形成較大的逆壓強梯度，且進氣量減小，造成呼吸困難，與圖4的仿真結果基本一致。

4 仿真結果與實驗結果的對比分析

為驗證OSAHS數(shù)值模擬的準確性與可靠性，本文對扁桃體肥大的CFD仿真結果與實驗結果進行了對比，如圖5所示。從圖中可以看出：3個測點的壓強變化和測點4的速度變化趨勢基本一致；狹窄度為83%時測點2處的壓強誤差最大，為10.32%；狹窄度為83%時的速度誤差最大，為8.99%。

總體來看，壓強和速度的最大誤差均在10%左右。誤差主要來源于兩方面：①在3D打印過程中，模型內部會存在支撐材料，雖然實驗前進行了清理，但其粗糙度肯定大于實際的上氣道模型和三維仿真模型，從而導致3D打印模型的上氣道內部阻力增大，進而產(chǎn)生誤差；②隨著扁桃體狹窄度的增大，內流道橫截面積發(fā)生較大的變化，導致口咽部的流速急劇增加，加之上氣道的內部組織結構復雜多變，在某些局部區(qū)域流線不再光順平滑，甚至產(chǎn)生微小湍流，與仿真時層流模型的偏差逐漸增大。

由前面研究分析發(fā)現(xiàn)，隨著扁桃體肥大程度的增加，上氣道內流道橫截面積有所減小，而氣體流阻有所增大，從而導致了上氣道的通氣量不足。為維持正常呼吸，口氣道開放，是OSAHS患者進行口呼吸的重要原因之一。同時，重度扁桃體肥大患者的上氣道流場壓強分布不均勻，口咽部與上氣道入口形成較大的逆壓強梯度及內外壓差，從而可能引起扁桃體向內塌陷，嚴重時將堵塞氣道，導致呼吸暫停。此外，上氣道內部氣體流速隨狹窄度的增加而增加，沿著咽后壁流動形成一股高速射流，對氣道壁產(chǎn)生較強的沖擊性，使周圍軟組織高頻撲動，是OSAHS患者形成鼾聲的重要原因之一。因此，OSAHS患者的臨床癥狀大部分都可以從仿真分析和實驗研究中發(fā)現(xiàn)，這表明，基于CFD技術的仿真分析和3D打印技術的實驗研究，可以為臨床醫(yī)生進一步認識扁桃體在兒童OSAHS的病理分析和發(fā)病機制研究提供直觀的理論依據(jù)。

其次，扁桃體肥大對上氣道吸氣氣流的影響主要發(fā)生在口咽部，尤其是扁桃體中段。當口咽部狹窄度為26%，扁桃體肥大在Ⅱ度以內時，上氣道吸氣氣流特性與正常氣道的差別較小。當口咽部狹窄度為56%，扁桃體肥大在Ⅲ度以上時，上氣道吸氣氣流特性發(fā)生了急劇變化。口咽部狹窄度越高，上氣道吸氣氣流特性變化越明顯，已經(jīng)嚴重影響了兒童的正常呼吸，與臨床醫(yī)學上的通識“扁桃體Ⅲ度以上的OSAHS患兒必須進行扁桃體摘除術”相符合，可以為臨床醫(yī)生對扁桃體手術適應癥的把握和術后恢復方案的制定提供重要的參考。

5 結論

本文基于3D打印技術構建了小兒上氣道的內流場特性分析的實驗平臺，并將其實驗結果與臨床鼻阻力實驗結果進行了對比，二者的壓強最大誤差為11.1%，該結果表明了3D打印可以為小兒上氣道內流場特性的理論分析提供了一種直觀簡便、準確可靠的實驗方法。隨后開展了不同程度的扁桃體肥大對內流場特性的影響分析，仿真結果和實驗結果的對比研究表明：當上氣道口咽部狹窄度在26%以下時，上氣道吸氣氣流特性與正常氣道的差別較小；當狹窄度達到56%以上時，上氣道吸氣氣流特性發(fā)生了明顯的變化，流速和流阻增大，通氣量下降，內流道出現(xiàn)較大的逆壓強梯度及內外壓差；當狹窄度達到83%時，口咽部的壓強變化急劇增大，壓降已經(jīng)達到整個上氣道總壓降的81%；CFD仿真結果與3D打印實驗結果的壓強和速度的最大誤差均在10%左右。本文的研究為患兒夜眠憋氣、呼吸暫停、打鼾等癥狀的出現(xiàn)提供了直觀的理論依據(jù)，也為臨床醫(yī)生進行扁桃體手術干預和術后恢復方案的制定提供了重要的參考。但本研究主要集中于上氣道的內流場特性分析，更多關注的是流道結構、流動參數(shù)等因素對內流場特性的影響，后續(xù)將進一步開展上氣道的流固耦合分析，材料的差異性將變?yōu)橹饕挠绊憛?shù)，未來將對相關方面開展深入的研究和分析。