鼻腔结构异常者有限元数值模型建立及气流场特征分析

唐媛媛，苏英锋，关庆捷，刘迎曦2，孙秀珍

（1.大连医科大学附属第二医院耳鼻咽喉头颈外科，辽宁 大连 116027；2.大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连116021）

鼻腔结构异常者有限元数值模型建立及气流场特征分析

唐媛媛1，苏英锋1，关庆捷1，刘迎曦2，孙秀珍1

（1.大连医科大学附属第二医院耳鼻咽喉头颈外科，辽宁 大连 116027；2.大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连116021）

目的通过对健康人和鼻腔结构异常（鼻中隔偏曲）者鼻腔气道的三维重建，计算机建立有限元数值模型，分析2者鼻腔气道气流场分布特征，进而从生物力学角度探讨鼻腔结构与功能的关系。方法根据鼻中隔偏曲者及健康北方人（各20例）的鼻腔CT薄层扫描结果，应用表面重建有限元剖分的方法对其进行三维重建，数值模拟流经鼻腔气道的气流特征。结果鼻中隔偏曲者双侧鼻腔气流流量分布以气道宽敞侧为主，且最大气流量集中在宽敞侧总鼻道中部；鼻腔气道压强在偏曲最为明显处下降最快，占气道总压强差的79.65%。健康人双侧鼻腔气流量受鼻周期影响，以一侧鼻腔为主，最大气流量分布在总鼻道中部和下部；鼻腔气道压强于鼻阈处下降最快，约占气道总压强差的58.78%。结论用计算机模拟的方法建立鼻腔结构的数值模型，分析其解剖结构异常与气流场特征之间的关系，是一种新的研究鼻腔结构、功能与疾病相关性的可行的科学手段，可以为以优化气流路径、改变气流分布为目的的手术治疗方案及手术前后的个性化评估提供参考。

鼻中隔偏曲；三维重建；数值模型；鼻腔结构异常

鼻腔最重要的功能即为呼吸，呼吸气流主要受到鼻腔结构的影响［1～3］。鼻腔气流的研究是了解鼻腔结构和功能之间关系的纽带。鼻腔结构复杂，目前常用的鼻腔功能检查手段（如鼻声反射和鼻阻力测定）不足以反映鼻腔通气功能的分区段变化［4］，随着相关临床检测设备和生物数值模拟研究方法的进步，已有很多学者采用计算流体动力学的研究方法对鼻腔气流场及温、湿度场等进行研究。研究显示计算流体力学在反应鼻腔生理功能基本特征的同时，也可用于分析鼻腔结构变化对功能的影响，因此，本研究应用计算流体动力学方法（computational fluid dynamics，CFD）对鼻中隔偏曲患者及健康人的鼻腔气流流场进行研究，探讨鼻腔气流与鼻腔解剖结构和疾病之间的相互影响，为进一步阐述鼻腔疾病的发病机制提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

鼻中隔偏曲组（实验组）：选择鼻中隔偏曲伴有不同程度鼻塞、头痛、鼻出血等症状的患者20例，年龄20～60岁，其中男14例，女6例，均为北方人，病史10～20年，平均16.7年。经前鼻镜及鼻内镜检查鼻中隔呈“C”形偏曲（可包含一侧或双侧鼻甲代偿性改变），并除外鼻息肉及其他鼻腔疾病者。健康人组（对照组）：选择20～60岁的20名健康北方人为对照组，男12例，女8例。经详细询问病史，证明既往无慢性上呼吸道疾病病史，无鼻部外伤及手术史，近3～6个月无上呼吸道急性病史，应用前鼻镜及鼻内镜检查无鼻科疾病体征或无明显解剖异常。

1.2 方法

1.2.1 多层螺旋CT扫描：对受试者应用螺旋CT（德国西门子公司，型号：Somatom Emotion16）进行鼻部连续扫描（图1、图2），范围自鼻尖至鼻咽后壁，层厚为3 mm，软组织窗（窗宽2 000，窗位400）。应用CT机自带的软件将获得的DICOM影像学数据转化为BMP格式图像。

图1 鼻中隔偏曲者鼻腔冠状位连续CT图像Fig.1 The continuous coronal CT image of nasal septum deviation

图2 健康人鼻腔冠状位连续CT图像Fig.2 The continuous coronal CT image of healthy nasal cavity

1.2.2 三维重建：应用Matlab软件将上述获得的BMP格式图像数字化，用自编译的程序识别鼻腔气道的边界，并将其导入Ansys10.0软件中，借助该软件的前处理功能人工选取每一层面能够反映气道结构特征的关键点连成线，进一步构建面、体，选用四面体单元对体进行有限元剖对鼻腔气流通道进行表面三维重建。

1.2.3 计算气流场：应用Ansys10.0后处理功能结合黏性流体运动方程Navier-Stockes方程对鼻腔气流场进行计算。边界条件设定：（1）鼻腔气道壁无滑移边界条件，即Vs=0 m/s；（2）前鼻孔为1个标准大气压（P=101 325 Pa）；（3）鼻咽部气流速度（m/s）根据国人生理状态下呼吸频率和潮气量数值范围，选择呼吸周期（T）=3 s，潮气量为500 mL，即通气量为10 L/min，假设呼吸时间相同，呼吸过程模拟为正弦变化模式，由模型计算得到鼻咽部气道面积，再通过测量1次呼吸量，计算得到鼻咽部气流平均速度。

根据三维重建模型，得出鼻咽部的横截面积、鼻腔前后部的压差和鼻咽部的气流流量，根据计算公式［5］：鼻阻力＝鼻腔前后的压差/气体流速，计算鼻阻力值。同时我们利用鼻阻力计对上述受试者进行鼻阻力检测。

1.3 统计学处理

应用统计分析软件SPSS 12.0对实验组和对照组鼻腔气道不同部位的气流分布情况分别进行统计分析，实验数据用x±s表示，双侧对应部位均采用两样本t检验。P＜0.05认为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 气流流速及气道面积分布情况

鼻中隔偏曲者鼻腔气流速度分布云图见图3。气道宽敞侧的气流流速较气道狭窄侧快；鼻腔气道宽敞侧截面积较大。2者均于总鼻道中部最为明显，见表1。

健康人双侧鼻腔气流速度分布云图见图4。受鼻周期影响，20例受试者中有16例（80%）以一侧鼻腔通气为主。双侧鼻腔气流流速主要通气侧较非主要通气侧快，尤以总鼻道中部及下部为明显。鼻腔气道截面积双侧差异无统计学意义（P＞0.05）。见表2。

图3 鼻中隔偏曲者鼻腔气流分布云图Fig.3 The airflow distribution in patients with nasal septum deviation

表1 实验组双侧气道对应部位气流量、气流速度、气道面积对比Tab.1 The comparison of fluence，airflow rate，area of airway of two airways in the experiment group

图4 健康人鼻腔气流分布云图Fig.4 The airflow distribution of healthy nasal cavity

2.2 鼻腔气道压强分布情况

2组受试者鼻腔气道压强均从前鼻孔到鼻咽部逐渐下降。实验组中于气道狭窄侧鼻中隔偏曲最为明显处（即鼻腔气道最狭窄处）气压下降最明显（图5），约占气道总压强差值的79.65%，从前鼻孔到鼻咽部气道压强差值的变化范围为（248±12）Pa。对照组中鼻阈附近气压下降最快（图6），约占气道总压强差值的58.78%，从前鼻孔到鼻咽部的气道压强差值变化范围为（131±91）Pa。

图5 鼻中隔偏曲者鼻腔压强分布云图Fig.5 The nasal cavity pressure of nasal septum deviation

表2 对照组双侧气道对应部位气流量、气流速度、面积对比Tab.2 The comparison of fluence，airflow rate，area of airway of two air passage in the control group

2.3 鼻阻力检测

据重建模型计算数据，实验组鼻腔气道阻力为（0.488±0.27）kPa/（L·s），对照组为（0.164±0.03）kPa/（L·s），两组差异有统计学意义（t=2.382，P＜0.05）。通过鼻阻力计测量，得出实验组鼻腔气道阻力为（0.479±0.09）kPa/（L·s），对照组为（0.175± 0.11）kPa/（L·s），二者差异有统计学意义（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

图6 健康人鼻腔鼻腔压强分布云图Fig.6 The nasal cavity pressure of healthy nasal cavity

3 讨论

上气道的诸结构均与功能有密切的相关性，鼻腔的主要功能就是对吸入的气流进行加温、加湿、过滤灰尘以及嗅觉等。鼻腔结构异常主要表现在鼻中隔和下鼻甲，鼻中隔偏曲的程度和下鼻甲的大小决定鼻腔有效气流通路的截面积，研究人鼻腔鼻窦的生物力学数值模型，是从生物力学角度来研究上气道解剖结构与相关疾病的关系，从而服务于临床。为了验证计算机数值模型的可靠性，在实验过程中，我们对所有受试者根据数值模型计算出的鼻阻力数据，应用鼻阻力计进行鼻阻力测量进行验证，两种方法均得出实验组鼻阻力较对照组增大，而2组经两种方法测得的鼻阻力差异无统计学意义（P＞0.05）。因此，可以认为本研究建立的数值模型基本反映出鼻腔结构异常者和健康人的鼻腔气道特征。

本实验数值模拟的健康人上气道鼻腔气流流场与孙秀珍等［6］研究的正常国人鼻腔气流场特征相符，同时研究发现，鼻中隔偏曲者和健康人呼吸时同样会受到鼻周期的影响，而与鼻周期相比，鼻腔解剖结构异常对流经鼻腔的气流分布影响更为明显。鼻中隔偏曲者双侧鼻腔容积不对称，呼吸时通过气道狭窄侧鼻腔的气流流量明显减少，尤其以该侧总鼻道中部减少更为明显。随着气流量减少，气流流速也随之减慢，使该侧中鼻道的鼻窦口正常引流功能受到影响，从而导致该侧鼻窦炎的发生。为增加其气流量，该侧下鼻甲多有不同程度的萎缩变小，表现为黏膜变薄、骨质吸收并伴随有向外侧移位等，从而减少该侧鼻腔气道阻力，我们认为这是人体鼻腔的一种自适应性变化［7］。对于气道宽敞侧，由于较大的气流长期慢性冲击，该侧鼻腔组织代偿性增生，中鼻道黏膜病变的程度和累及范围甚至超过对侧，同样导致该侧鼻窦炎发病率增高。而且研究中我们发现，鼻中隔高位偏曲者较低位偏曲者在偏曲最为明显处的总鼻道中部双侧鼻腔气流流量及流速差异更大，这一点可能是此前学者［8］提到的高位偏曲者鼻窦炎发病率较高的原因之一。

鼻腔气流场特征研究同样可以应用于患者嗅觉改变的病因分析。鼻中隔偏曲者气道狭窄侧气流流量减少、流速减慢，且气流由于狭窄气道的分流作用导致局部湍流增多［9］，同时因嗅裂区本身的解剖特点，使得进入该区的气流减少更为明显。根据Zhang等［10，11］研究上气道模型中微小粒子在气道中的传送和沉积作用，以及曾敏捷等［12］通过气体动力学模型研究微颗粒在人体上呼吸道中的运动沉积，探讨颗粒沉积率与气流流速和颗粒惯性大小的关系等研究结果，我们有理由认为随着进入该侧嗅裂区的气流分布情况变化，使得进入并沉积于嗅区的引起嗅觉的颗粒物质明显减少甚至缺失，从而导致嗅觉的减退甚至丧失。

因此，我们认为对病态上气道结构进行数值模拟，分析其解剖结构异常与气流场特征之间的关系，可用于评估上气道结构—功能—疾病之间互为因果的发生机制，进而为以优化气流路径、改变气流分布为目的手术治疗提供参考。

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（编辑武玉欣）

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

国家自然科学基金（10672036；11072055；10902022；11472074）

唐媛媛（1980-），女，主治医师，硕士.

孙秀珍，E-mail：sunxiuzhen001@163.com

2014-11-13

网络出版时间：