前鼻腔狭窄手术干预的数值模拟研究*

汪涛 王珮华 陈东 邓见

鼻腔作为上气道的门户，对吸入的空气有清洁、加湿和加温作用，前鼻腔部位的狭窄则直接关系到维护人体生理平衡的鼻腔通气功能，同时又影响到到鼻外观，前鼻腔狭窄部位可发生于鼻前庭、和内鼻孔，多由于外伤、感染或者手术治疗等引起，还可继发于特异性感染所致的溃烂、烧伤，或者肿瘤切除术后、放疗后等。鼻前庭衬里及局部软骨的缺损形成瘢痕性收缩是前庭部位狭窄的常见原因，也是前鼻腔狭窄发生最多的部位，瘢痕往往累及前庭底部外侧角或鼻翼缘，瘢痕的收缩和增生造成鼻腔前部的环形狭窄。手术方法的选择需根据狭窄部位、局部隆起的厚度而定，但原则上在切除瘢痕的基础上，通过“Z”改形充分松解环形瘢痕，术后放置管型扩张管维持鼻孔外形，防止继发狭窄。

对于前鼻腔狭窄的临床资料统计和手术技术的研究文献报道较多，而关于狭窄后对鼻腔气流场的影响及其与临床之间关系的研究因为鼻腔结构复杂、实验难以实施而报道较少。近年来对数值模拟分析方法的探索研究，有学者将数值模拟运用到鼻腔生理学功能研究中，分析鼻腔结构对鼻腔气流场、温度场、湿度场等的影响[1-3]，显示该方法既能够反应鼻腔生理功能的基本特征，而且也可用于分析鼻腔局部结构变化对功能的影响，能够从气流动力学角度阐述鼻腔疾病的生物力学机理，研究鼻腔结构的改变或异常对气流的影响，有助于临床鼻面部功能性疾病的诊断、个性化干预以及手术方案的设计、评估均有着积极意义[4，5]。

前期我们的研究已通过对Crouzon综合征患者鼻腔结构及部分术后的鼻腔结构CFD（Computational Fluid Dyuamics,CFD)数值模拟分析，验证了计算流体力学用于鼻腔气流场分析的准确性和可靠性。本研究拟对前鼻腔狭窄的鼻腔气流进行数值模拟，并且在通过手术干预恢复正常鼻腔形态结构后，对比术前术后气流的改变情况，评估手术对鼻腔通气功能的影响及手术疗效。

资料与方法

1 临床对象

研究对象为2015年6月～2017年5月临床上诊断为前鼻腔狭窄的患者（26名），年龄32～56岁，男18例、女8例，均为外伤性，病程4～8个月，无急期性鼻部疾病史，其中1例女性患者为双侧前鼻腔狭窄，所有患者均入院行鼻前庭瘢痕切除和局部皮瓣转移术，术后带前鼻腔扩张管并随访3月。

2 方法

2.1 数据采集

采用GE公司64排螺旋CT Light Speed Ultra进行扫描。扫描前患者清除鼻腔内分泌物,室温安静情况下仰卧位，平静吸气末屏气扫描，扫描范围颈部及全头颅。扫描参数：120mA，120kV，螺距1.375mm，床速27.5mm/s，三维重建参数：分辨率512×512像素，层厚为0.625mm，窗宽2000，窗位200。

2.2 鼻腔三维模型重建和有限元网格划分

每例患者CT薄层扫描后获得鼻腔的DICOM数据，在 Mimics Research 19.0(Materialise’s Interactive Medical Image Control System)中进行鼻腔通气道三维重建，重建后三维模型导入到3-matic Research 10.0后处理软件中完成网格划分和优化，三角网格数约为200～230万个，获得鼻腔CFD网格模型。

2.3 计算流体力学分析

采用流体力学分析软件Fluent 6.3.26进行计算，整个鼻腔通气道均视为刚性体，流体为空气(ρ=1.225kg/m3，动力黏性系数 μ=1.7894×10-5kg/(m.s))，设为不可压缩定常流动，模拟过程中忽略温度场变化及重力影响，鼻腔壁处设为无滑移边界，即鼻腔气流无逸散（u=v=0），计算区域鼻前庭至后鼻孔鼻咽部。在平静呼吸状态下,设前鼻腔处压力为1个标准大气压 ,取双侧前鼻腔为压力入口，设置为默认值0Pa，后鼻孔鼻咽部为速度出口，设置为400ml/s恒定流量，数值模拟的控制方程为不可压缩黏性体的Navier-Stokes方程和连续方程，采用层流模式计算稳态吸气气流状况[6，7]，以此作为初始边界条件计算得到平静吸气时整个鼻腔的气流流场数据，并对计算结果进行后处理，得到压强云图、速度矢量云图等。

4 统计方法

数值模拟后所得有关压强、速度等流场信息数据应用专业统计软件（SAS Release 8.01 TS Level 01M0）进行统计分析。狭窄侧鼻腔术前与术后在指定截面上的压强、速度对比用配对样本t检验统计分析，狭窄侧与非狭窄侧鼻腔的压强、速度对比用独立样本T检验统计分析，P＜0.05显示差异有统计学意义。

结果

1 前鼻腔狭窄的鼻腔结构特性

26例前鼻腔狭窄患者，其中1例为双侧前鼻腔狭窄，重建的鼻腔CFD模型显示27侧前鼻腔狭窄鼻腔，狭窄均位于鼻腔最小截面积的鼻瓣区，平均为0.40±0.16cm2，较非狭窄侧鼻腔的鼻瓣区截面积平均值的0.85±0.18cm2明显减小，显示差异有统计学意义（P＜0.01）。手术恢复了正常鼻瓣区结构，截面积增大，平均为0.78±0.18cm2，较术前明显增大，显示差异有统计学意义（P＜0.01），接近于非狭窄侧鼻腔鼻瓣区截面积，见表1。

表1 术前术后鼻瓣区截面积的比较（26例前鼻腔狭窄，其中1例为双侧狭窄）（cm2）

2 吸气相气流压力和速度局部分布

图1 术前（上）和术后（下）双侧鼻腔吸气相压强分布云图

图1和图2分别显示数值模拟压强和速度分布云图，显示稳态吸气状态下鼻腔压强和速度分布状况。术前26例前鼻腔狭窄患者，无论狭窄侧鼻腔还是非狭窄侧鼻腔，压力和速度最大值区域均位于鼻瓣区。

图2 术前（上）和术后（下）双侧鼻腔吸气相速度分布云图

压强分布大部分集中在鼻腔前段，尤其在前鼻腔至下鼻甲前端平面，压降变化明显，在狭窄侧鼻腔下鼻甲前端平面压力占总鼻腔的68.9±16%，同样在术前的非狭窄侧鼻腔，平均下鼻甲前端平面压力只占总鼻腔的22.3±10%（表2）。鼻瓣区为鼻腔最小截面区域，27侧前鼻腔狭窄鼻腔狭窄部位正位于鼻瓣区，故气流通过所产生的压力变化则越为明显，狭窄侧鼻腔在鼻瓣平面压力均值为-39.8±21.6pa，而非狭窄侧鼻腔在鼻瓣平面压力均值为-8.7±3.5pa，统计分析显示有差异性（P＜0.01），见表3。

表2 下鼻甲前端平面压强占总量的百分比（26例前鼻腔狭窄，其中1例为双侧狭窄）

表3 鼻瓣区截面的压强（26例前鼻腔狭窄，其中1例为双侧狭窄）（Pa)

*术前狭窄侧与非狭窄侧比较差异有统计学意义（t=7.11，P＜0.01)**狭窄侧术后比较差异有统计学意义（t=7.83，P＜0.01)

速度分布图显示，最大速度均出现在鼻瓣区，27侧前鼻腔狭窄鼻腔狭窄部位位于鼻瓣区，在更为狭小的鼻瓣区截面积，术前狭窄侧鼻腔最大流速为6.5±2.31m/s，较非狭窄侧的2.61±0.6m/s明显增大，统计分析显示差异有统计学意义（P＜0.01），见表4。

结论显示26例患者狭窄侧鼻腔阻力平均值为0.26±0.136Pa.s/mL，明显高于非狭窄侧鼻阻力的平均值0.093±0.044Pa.s/mL，统计学差异显著（P＜0.01），术后鼻阻力下降为平均值0.116±0.075Pa.s/mL，统计学差异显著（P＜0.01），见表 5。

表4 鼻瓣区截面的速度（26例前鼻腔狭窄，其中1例为双侧狭窄）（m/s）

*术前狭窄侧与非狭窄侧比较差异有统计学意义（t=8.14，P＜0.01)**狭窄侧术后比较差异有统计学意义（t=7.94，P＜0.01)

表5 鼻阻力（26例前鼻腔狭窄，其中1例为双侧狭窄）（Pa·s/ml）

3 吸气相气流压力和速度的梯度分布

鼻腔模型的三维坐标系中X轴表示鼻底向鼻顶方向，Y轴表示前鼻腔平行于鼻底向后鼻孔方向，Z轴表示鼻中隔向鼻外侧壁方向，以便更直观的呈现压强在鼻腔内的梯度分布状况，以垂直Y轴方向来截取鼻腔截面，以鼻前庭顶前端开始至鼻中隔后缘，均匀截取7个平面（见图3），分别标识为P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7，以下针对代表性截面的平均压强进行分析。随着距前鼻腔距离的增加，鼻腔内压强逐渐下降，特别在狭窄侧鼻腔，在截面P3处（相当于狭窄的鼻瓣区）出现明显陡降，说明局部压降较大，与局部的狭窄有关。

图3 鼻腔内从前鼻孔至后鼻孔在代表性冠状截面上压强和速度的分布云图（图示中红色渐变到蓝色代表压强或速度的数值逐渐递减，从鼻前庭顶前端至鼻中隔后缘均匀截取7个代表性冠状位截面，分别以P1、P2…P7表示）

4 术后吸气相气流压强和速度的变化

手术前后对比发现，狭窄侧鼻腔前鼻腔入口到鼻咽部流出口的压强差在术后明显减小，统计学显示有差异性（P＜0.01），可以判断在手术恢复鼻腔结构后，需要维持一定流量的气流所需的进出口压强差变小，即手术后的狭窄侧鼻腔鼻腔阻力变小，和非狭窄侧鼻腔进出口压强差相比较，差异显示无统计学意义（P＞0.05）。下鼻甲前端平面压强占总鼻腔术后明显下降，术前平均值的68.9±16%下降为27.1±13%，统计学显示有差异性（P＜0.01），见表 2。手术后，在鼻瓣区速度分布显示较术前有明显下降，术前后均值分别为6.5±2.31m/s和2.92±0.86m/s，统计学差异显著（P＜0.01），见表 4。

5 气流流速和鼻阻力与鼻瓣区截面积相关分析

图4和图5分别显示术前术后局部气流流速和鼻阻力与鼻瓣区截面积的相关关系，局部速度与横截面积成反比，相关性较高（R2=0.772）；手术恢复了双侧鼻瓣区的对称性，随着鼻瓣区横截面积增大，鼻阻力下降，鼻腔阻力与鼻瓣区截面积有相关性（R2=0.478）。

图4 手术前后狭窄侧鼻腔内鼻瓣区截面面积与局部平均速度的相关性示意图

图5 手术前后狭窄侧鼻腔内鼻瓣区截面面积与鼻阻力的相关性示意图

6 术前术后双侧鼻腔压强梯度分布的比较

压强梯度分布显示，术前在狭窄侧鼻腔，狭窄区域出现压强陡降现象，而术后气流压强的下降趋势与非狭窄侧的压强梯度分布近似，见图6。

图6 术前后狭窄侧和非狭窄侧鼻腔在代表性冠状截面上平均压强的梯度示意图

讨论

本研究所选择的前鼻腔狭窄患者均由于外伤后所造成，其狭窄部位均位于下鼻甲前端之前的鼻腔，尤其在鼻瓣区，探讨鼻腔结构如何对鼻腔功能的影响是目前在鼻功能研究方面的的一个热门，利用计算流体力学分析研究鼻腔气流流场已是很成熟的技术，有研究[8-10]利用CFD技术对鼻内镜手术前后的鼻腔气流进行了分析，评估功能性鼻内窥镜手术对鼻腔气流和鼻窦气流的影响。计算流体力学分析的准确性与分析模型的精度相关，本实验在建模过程中没有对鼻腔模型的大体结构进行简化，各鼻窦在正常呼吸运动中和鼻腔的气流交通甚微，精简鼻窦后的鼻腔通气道能够准确体现鼻腔的气流流动状态[11]；实验所用的鼻腔数据均由64排高分辨率螺旋CT扫描获得数据，避免因分辨率不足而导致的误差；研究模型设为刚性体，忽略呼吸中软组织形变的影响，这涉及流固耦合的问题，目前报道的考虑流固耦合影响的模型，一般都对模型进行简化[7]；Kumar H 等[2，3]临床上正常生理鼻腔有一定加温、加湿作用，但通过Grashof数和Prandtl数的检验和传热传质的分析，指出在正常呼吸条件下，温度和湿度对其内部流动无显著影响，故该研究边界条件设置时忽略温度的变化也是可行的；在本实验计算过程中，将鼻气道内部流动视为稳态，文献中在平静呼吸(7.5～12L/min)时，大部分的鼻腔内的流动处于层流，一小部分处于轻微的湍流，并且有学者[14]通过比较连续时间内记录的数据发现，在平静呼吸下的流动是稳态的，且系统的斯特劳哈尔数(Strohal number)ωL/U≈0.18，说明该研究数值模拟中，将鼻腔内部流动视为稳态的的这种简化是合理可行。实验证明该研究有关鼻腔压强、速度的分布数据与目前相关文献报道的结论相一致[12-14]。前鼻腔狭窄鼻腔结构及流场的探讨

研究数据显示鼻腔最小截面积均出现在鼻瓣区，而狭窄侧鼻腔狭窄部位均在鼻瓣区范围，则造成该区域截面积更为狭小，数值模拟当单侧前鼻腔流量恒定时（200ml/s），要保证鼻腔气道狭窄区域通过固定流量，势必需要增加两端的压差，局部压差越大则体现出局部的鼻阻力越大，所以鼻阻力主要取决于鼻腔的狭窄区；从我们的研究数据也可以看出压强分布大部分集中在鼻腔前段，尤其在狭窄的鼻瓣区；通过鼻腔内部速度分布数据分析，证实鼻瓣区为最大流速，狭窄侧鼻腔比非狭窄侧鼻腔流速更为偏大，局部速度与横截面积成反比（相关系数R2=0.772图4），这同样也解释了气流流经鼻腔时，相对宽阔的总鼻道与下鼻道和中鼻道交界处会流经大部分的气流。

术后变化的鼻腔结构对气流场影响

26例患者均行瘢痕切除和局部皮瓣转移修复，放置前鼻腔硅胶扩张管3月后复查CT，扫描后进行鼻腔CFD数值模拟显示鼻前庭区域有明显增大，手术使得鼻瓣区截面积有不同程度增大，恢复了术前狭窄的鼻瓣区，双侧鼻腔鼻瓣区结构趋于平衡，对称的鼻瓣区结构对于鼻腔的正常生理功能至关重要，所有导致鼻腔结构不对称的因素均会影响到鼻腔内气流的压强、速度分布和气流的分配[6]。客观评价鼻腔通气体现在鼻阻力的大小，鼻阻力是指在一定时间内把一定体积的空气推到一定距离所需的压力，即Rn=Pn/Vn[15](Rn为鼻阻力，Pn为鼻腔前后的压差,Vn为气体流量)。数据显示26例患者狭窄侧鼻腔阻力术后显著下降（P＜0.01）（表5）。手术恢复了双侧鼻瓣区的对称性，鼻瓣区横截面积增大，使得鼻阻力下降，数据显示单侧鼻腔阻力与鼻瓣区截面积相关（相关系数R2=0.478图5），故从临床治疗的角度考虑术后要达到满意的通气效果，解除下鼻甲之前的鼻腔部分尤其是鼻瓣区的狭窄至关重要；从压强的梯度分布分析来看（图6），术前狭窄侧鼻腔在狭窄区域出现陡降现象，术后气流压强的下降梯度趋于平缓，和非狭窄侧的梯度分布近似，实验数据证实手术恢复了对称的鼻瓣区解剖结构的同时，获得较为对称的鼻腔气流分布，达到平衡的双侧鼻腔通气功能。

结论

研究证实数值模拟可客观直接地反映鼻腔气流特征，术后鼻腔气流分布规律并没有因为手术改变鼻瓣区的结构而发生改变，鼻瓣区对鼻腔气流影响较大；对于前鼻腔狭窄的鼻腔，手术解除鼻瓣区的狭窄对于恢复到正常平衡的鼻腔通气功能相当重要，也是决定手术疗效的关键；数值模拟分析可用于鼻功能的评估和手术疗效的客观判断。本实验还需大样本继续进行研究，来期望得到更全面的数据，为临床患者个性化手术方式的选择提供依据。