鼻腔-鼻竇間一氧化氮擴(kuò)散狀況的數(shù)值模擬研究

王 露，蘇英峰，郭 燕，王吉喆，劉迎曦，孫秀珍

(1.大連醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院 耳鼻咽喉科，遼寧 大連116027;2.大連理工大學(xué) 工程力學(xué)系，遼寧 大連116024)

研究發(fā)現(xiàn)一氧化氮(NO)能夠促進(jìn)鼻腔腺體分泌，調(diào)節(jié)血管張力和黏膜纖毛活性，抗病毒及細(xì)菌的作用，對(duì)維持鼻腔-鼻竇的正常生理功能具有重要作用。其中鼻腔-鼻竇內(nèi)的NO 主要產(chǎn)生于鼻竇，通過呼吸氣流循環(huán)進(jìn)入鼻腔，從而發(fā)揮上述生理功能。有文獻(xiàn)報(bào)道真菌性鼻竇炎(FRS)患者呼出氣流中的NO 濃度明顯降低［1］，即相應(yīng)竇腔內(nèi)發(fā)生真菌感染性病變，從而導(dǎo)致鼻竇合成NO 及交換異常，最終導(dǎo)致進(jìn)入鼻腔的NO 濃度發(fā)生異常改變。可見鼻腔-鼻竇中NO 分布異常參與鼻腔-鼻竇疾病的發(fā)生、發(fā)展過程。鑒于鼻腔-鼻竇結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得對(duì)鼻腔-鼻竇中NO 分布進(jìn)行直接檢測(cè)受到限制，限制了NO 對(duì)鼻腔-鼻竇疾病影響的深入研究。

運(yùn)用生物力學(xué)研究方法可以突破上述局限。近年來，隨著醫(yī)學(xué)與力學(xué)等多學(xué)科的深入交叉，有很多學(xué)者通過生物數(shù)值模擬的研究方法對(duì)人體器官結(jié)構(gòu)-功能的交互關(guān)系進(jìn)行了大量研究。其中在鼻科學(xué)方面，有學(xué)者對(duì)正常人的鼻腔氣流場(chǎng)進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究［2-3］，在此基礎(chǔ)之上，有文獻(xiàn)報(bào)道了鼻腔結(jié)構(gòu)改變?nèi)绫侵懈舸┛?、鼻甲部分切除手術(shù)對(duì)鼻腔氣流場(chǎng)的影響，論述了氣流場(chǎng)的變化與鼻腔-鼻竇疾病之間的關(guān)系［4-6］。此外，仍然有學(xué)者進(jìn)一步對(duì)鼻腔的加溫、加濕功能進(jìn)行了研究，系統(tǒng)分析了鼻腔氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)三者之間的關(guān)系，有助于系統(tǒng)研究鼻腔-鼻竇疾病的發(fā)病機(jī)制并分析治療方案特別是手術(shù)的有效性。

NO 分布異常與鼻腔-鼻竇疾病密切相關(guān)，而相關(guān)生物數(shù)值模擬研究報(bào)道則較少，多是通過測(cè)量前鼻孔處的NO 濃度來推測(cè)鼻腔-鼻竇內(nèi)的NO 分布情況。本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)1 例單側(cè)真菌性鼻竇炎患者的氣流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)一步建立簡(jiǎn)化鼻腔氣道數(shù)值模型，分析呼氣相鼻腔-鼻竇間NO 的分布及擴(kuò)散情況，希望有助于NO 與鼻腔-鼻竇病變之間關(guān)系的研究。

1 資料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

1 例女性患者，45 歲，主要表現(xiàn)為“左側(cè)鼻塞5年”，伴鼻涕倒流、頭痛和嗅覺減退。鼻內(nèi)鏡檢查:鼻中隔大致居中，左側(cè)下鼻甲和中鼻甲后端輕度肥厚，未見鼻腔積膿和新生物，右側(cè)未見異常，CT 診斷為左側(cè)真菌性上頜竇炎并于術(shù)后病理得以證實(shí)。

1.2 方 法

患者進(jìn)行鼻部冠狀位CT 掃描，選擇軟組織窗，層厚為2 mm，獲取DICOM 格式二維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

1.2.1 鼻腔-鼻竇氣道三維重建:將DICOM 格式圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入mimics10.01 醫(yī)學(xué)圖像處理軟件中，識(shí)別并處理鼻腔氣道影像，其中鼻竇結(jié)構(gòu)僅保留上頜竇，省略篩竇、額竇和蝶竇等，得到STL 格式的模型;應(yīng)用geomagic studio12.0 軟件生成光滑曲面;運(yùn)用ICEM CFD 軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終獲得msh 類型文件。

鼻腔- 鼻竇氣流場(chǎng)有限元分析:運(yùn)用Ansys 13.0集成軟件庫(kù)中的Fluent 13.0，選用SIMPLEC 算法計(jì)算，求解連續(xù)性方程和N-S 方程:

式中ux、uy、uz分別為氣流在不同方向的速度;ρ為空氣密度;p 為空氣壓強(qiáng);f 為體積力;v 為運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。

邊界條件和載荷:氣流為不可壓縮流體;鼻腔氣道壁設(shè)定為無(wú)滑移邊界，即Vs=0 m/s;前鼻孔處設(shè)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;鼻咽部為氣流出口，設(shè)定潮氣量為600 mL，呼吸頻率為20 次/min，呼吸周期為3 s，呼吸相均為1.5 s，計(jì)算得到鼻咽部氣流速度V(m/s)。

1.2.2 鼻腔-鼻竇間NO 擴(kuò)散的數(shù)值模擬:鼻腔-鼻竇NO 分布與擴(kuò)散是氣體流動(dòng)與NO 擴(kuò)散耦合力學(xué)行為，因鼻腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本實(shí)驗(yàn)在鼻腔-鼻竇氣流場(chǎng)分析的基礎(chǔ)之上，建立結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的鼻腔-鼻竇模型進(jìn)行NO 擴(kuò)散數(shù)值分析，本文以NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)比來評(píng)估擴(kuò)散情況，NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)比=前鼻孔NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/上頜竇口處NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)。同時(shí)因?yàn)轭~竇、篩竇和蝶竇結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜且變化較大，本實(shí)驗(yàn)予以忽略，簡(jiǎn)化模型中主要選擇上頜竇作為NO 產(chǎn)生源，其中后鼻孔作為呼氣相氣流入口，前鼻孔作為氣流出口。

簡(jiǎn)化鼻腔-鼻竇氣道模型的建立:相對(duì)于額竇、篩竇、蝶竇，上頜竇腔黏膜面積最大，釋放NO 的能力最強(qiáng);同時(shí)上頜竇腔變異最小，本實(shí)驗(yàn)所建簡(jiǎn)化鼻腔-鼻竇NO 擴(kuò)散模型僅包括上頜竇。

應(yīng)用Gambit 軟件按一定比例制作鼻腔-鼻竇三維模式圖，對(duì)模型進(jìn)行出入口面如前鼻孔、上頜竇口和鼻咽部邊界條件的設(shè)定，最終完成模型制作。

NO 分布及擴(kuò)散的有限元分析:將上述模型導(dǎo)入Fluent 13.0 軟件中，對(duì)鼻腔-鼻竇NO 分布擴(kuò)散過程進(jìn)行數(shù)值模擬，用雷諾平均應(yīng)力模型模擬湍流流動(dòng)，用組分輸運(yùn)模型模擬氣體的擴(kuò)散過程，選用SIMPLEC 算法計(jì)算。

力學(xué)控制方程如下:

式中ρ 為混合氣體的密度(kg/m3)，μj為(x、y、z)3 個(gè)方向上的速度(m/s)，μ 是流體的動(dòng)力粘度(Pa·s)，p 是絕對(duì)壓力(Pa)，F(xiàn)j是體積力，Sj是離散相及用戶定義的源項(xiàng)導(dǎo)致的額外產(chǎn)生速率，Dj是該組分的擴(kuò)散系數(shù)(m2/s)，ω 是組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2 結(jié) 果

2.1 鼻腔氣流場(chǎng)特征

氣流量健側(cè)和患側(cè)分別為390 mL 和210 mL;鼻腔氣道(前鼻孔-鼻咽部)吸氣相和呼氣相壓強(qiáng)差均為150 Pa;吸氣相和呼氣相雙側(cè)氣流分布特征基本相同:鼻腔氣流主要分布在總鼻道，而中鼻道、下鼻道和嗅裂區(qū)分布較少;吸氣相不同氣道部位氣流速度見表1所示。

表1 吸氣相鼻腔氣道不同部位氣流速度Tab 1 Inspiratory phase the air-flow velocity of nasal cavity in different parts (m/s)

鼻腔氣流形式主要表現(xiàn)為層流，在雙側(cè)鼻腔總鼻道中、下部及與中鼻道和下鼻道毗鄰的部位氣流流線主要表現(xiàn)為類似直線的形式，而在總鼻道上部、嗅裂區(qū)、中鼻道及下鼻道氣流流線則表現(xiàn)為類似拋物線的形式;此外，吸氣相鼻前庭內(nèi)側(cè)面，下鼻甲和中鼻甲后方等處可見小的反向流動(dòng)或漩渦形成(圖1)，而在呼氣相下鼻甲和中鼻甲后方及鼻咽部等處可見反向流動(dòng)或者漩渦形成(圖2)。

2.2 上頜竇口局部氣流場(chǎng)和壓強(qiáng)場(chǎng)

吸氣相:健側(cè)上頜竇口與毗鄰中鼻道之間壓強(qiáng)差為6 Pa，而患側(cè)壓強(qiáng)差幾乎為0 Pa(圖3);呼氣相:健側(cè)上頜竇口與毗鄰中鼻道之間壓強(qiáng)差為2 Pa，而患側(cè)壓強(qiáng)差幾乎為0 Pa;呼氣相和吸氣相上頜竇腔內(nèi)氣流速度均近乎為0 m/s(圖4)。

圖1 吸氣流線圖Fig 1 Inspiration motion pattern

2.3 鼻腔-鼻竇間NO 擴(kuò)散的數(shù)值模擬

上頜竇口處NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)、上頜竇口直徑、上頜竇口流速3 個(gè)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，前鼻孔處NO 濃度也會(huì)隨之發(fā)生變化。

圖2 呼氣流線圖Fig 2 Expiration motion pattern

圖3 吸氣壓強(qiáng)、流速Fig 3 Inspiration pressure，velocity

圖4 呼氣壓強(qiáng)、流速Fig 4 Expiration pressure，velocity

(1)上頜竇口處NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響:設(shè)定后鼻孔氣流速度為4 m/s、上頜竇口流速為上頜竇口處0.062 m/s、上頜竇口直徑為8 mm，NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別設(shè)定為1、0.5 時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)比均為22%。

(2)上頜竇直徑的影響:設(shè)定后鼻孔氣流速度為4 m/s、上頜竇口流速為上頜竇口處0.062 m/s、上頜竇口NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1，上頜竇口直徑分別為10 mm、7 mm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)比分別為27.5%，21%。

(3)上頜竇口流速的影響:設(shè)定上頜竇口NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1、上頜竇口直徑為8 mm，上頜竇口流速分別為0. 4 m/s、0. 062 m/s，質(zhì)量分?jǐn)?shù)比分別為52.5%、27.5%。

3 討 論

3.1 鼻腔氣流場(chǎng)特征分析

本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)無(wú)論患側(cè)還是健側(cè)，氣流均主要通過總鼻道中、下部，其流速相對(duì)較快，而嗅裂、中鼻道、下鼻道通過的氣流較少且流速較慢，與文獻(xiàn)報(bào)道［7-9］一致，也符合鼻腔中鼻甲下緣以下稱為呼吸區(qū)，中鼻甲下緣以上稱為嗅區(qū)的功能分區(qū)特點(diǎn)。

在鼻腔的呼吸區(qū)，氣流流線主要表現(xiàn)為直線形式，而在嗅區(qū)則主要表現(xiàn)為拋物線形式，與Kelly JT等［10］和Subramaniam RP 等［11］實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。此外，本實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)吸氣相在鼻前庭和下鼻甲后方有反向氣流或漩渦存在，而呼氣相在下鼻甲后方和鼻咽部有類似氣流形式。鼻腔鑄體模型試驗(yàn)［12］和數(shù)值模擬試驗(yàn)［7，10-11］均觀察到此類現(xiàn)象，如下鼻甲下緣、鼻丘、鼻咽部等部位均會(huì)有漩渦存在，漩渦的數(shù)量、大小和位置均有所不同。其產(chǎn)生原因與局部氣道阻力變化相關(guān)，但能夠促進(jìn)氣流與鼻腔黏膜的充分接觸，從而有助于鼻腔加溫、加濕功能的實(shí)施。

本實(shí)驗(yàn)鼻腔-鼻竇解剖數(shù)據(jù)采集于1 例左側(cè)真菌性上頜竇炎的病例CT 資料，術(shù)后病理也予以證實(shí)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)患側(cè)和健側(cè)氣流量和不同部位的氣流速度均具有差別，但是結(jié)合2007年本課題組的研究報(bào)道［2］，本實(shí)驗(yàn)健側(cè)的氣流量和氣流速度位于“主要通氣側(cè)”的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，患側(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)與“非主要通氣側(cè)”一致，因此，尚不能認(rèn)為該研究對(duì)象健側(cè)與患側(cè)的數(shù)據(jù)差異是真菌性鼻竇炎所致，仍然需要積累病例資料來進(jìn)一步研究。

3.2 中鼻道-上頜竇氣流場(chǎng)特征

正常生理狀態(tài)下，鼻竇是產(chǎn)生NO 的主要部位［13］，竇腔內(nèi)的NO 進(jìn)入鼻腔的量和速度取決于竇腔內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)方式和速度，并與鼻腔氣流直接相關(guān)。

上頜竇開口于中鼻道，不論健側(cè)還是患側(cè)，竇腔內(nèi)氣流速度近乎為0 m/s，說明竇腔內(nèi)氣體以自由擴(kuò)散方式為主，這與文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果一致;竇腔內(nèi)與中鼻道之間的壓強(qiáng)差決定了中鼻道和上頜竇腔之間的氣體交換頻率，本實(shí)驗(yàn)對(duì)象中患側(cè)竇腔內(nèi)與中鼻道之間沒有壓強(qiáng)差，而即使在健側(cè)，兩者之間的壓強(qiáng)差也僅僅為6 Pa(吸氣相)和2 Pa(呼氣相)，說明上頜竇腔與鼻腔之間的氣流交換量較小，這樣能夠防止竇腔內(nèi)NO 的過度釋放，也維持了竇腔內(nèi)NO 濃度的穩(wěn)定，NO 具有抗菌、抗病毒、擴(kuò)張血管、調(diào)節(jié)黏膜纖毛活性等作用［14-15］，可以認(rèn)為竇腔內(nèi)合理的NO濃度有助于維持竇腔內(nèi)正常的生理環(huán)境，也限制了竇腔內(nèi)感染性疾病的發(fā)生與發(fā)展，具有重要的生理和病理意義。

3.3 鼻腔-鼻竇間NO 交換的影響因素

鼻腔內(nèi)NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)決定于鼻竇黏膜產(chǎn)生NO的量，同時(shí)取決于鼻竇引流口的大小。Lundberg［13］和Dabholkar YG 等［16］檢測(cè)到慢性鼻竇炎患者鼻腔內(nèi)NO 濃度下降，提示炎癥刺激會(huì)導(dǎo)致鼻竇黏膜合成NO 的能力下降，同時(shí)鼻腔-鼻竇黏膜病變將改變鼻腔氣道結(jié)構(gòu)，從而影響鼻腔氣流場(chǎng)，最終影響NO 在鼻腔-鼻竇之間的交換，其參與了鼻腔-鼻竇病變的演變和發(fā)展過程。目前的研究?jī)H限于對(duì)前鼻孔NO 濃度的直接檢測(cè)［17］，不足以真實(shí)反映NO在鼻腔-鼻竇內(nèi)的分布和擴(kuò)散情況，也限制了NO在鼻腔-鼻竇疾病中所起作用的研究。

基于前期研究，本課題組凝煉出3 個(gè)主要相關(guān)參數(shù):上頜竇口NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)、上頜竇口尺寸、中鼻道流速。其中上頜竇口NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要反映鼻竇黏膜釋放NO 的能力，上頜竇口尺寸、中鼻道流速反映鼻腔氣流場(chǎng)對(duì)NO 擴(kuò)散的能力。

在數(shù)值模擬鼻腔-鼻竇氣流場(chǎng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立的簡(jiǎn)化鼻腔-鼻竇NO 擴(kuò)散模型直接顯示了3 個(gè)參數(shù)變化對(duì)NO 擴(kuò)散的影響:上頜竇口NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高、上頜竇口越大、上頜竇口流速越快，呼氣相前鼻孔所得NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，反之則越低，質(zhì)量分?jǐn)?shù)比能夠準(zhǔn)確反映三者對(duì)前鼻孔NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，其呈正相關(guān)關(guān)系，但均非線性相關(guān)。

至今未見關(guān)于不同鼻竇NO 釋放能力的報(bào)道，因此本實(shí)驗(yàn)關(guān)于NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的參數(shù)設(shè)定為相對(duì)數(shù)值;同時(shí)本實(shí)驗(yàn)主要選擇上頜竇建立鼻腔- 鼻竇NO 擴(kuò)散模型，因此，為了進(jìn)一步精確量化分析鼻腔-鼻竇間NO 的擴(kuò)散過程，仍然需要進(jìn)一步研究不同鼻竇產(chǎn)生NO 的能力，完善邊界條件和載荷的設(shè)置，同時(shí)鼻竇分為前、后兩組，其不同開口位置，也需要進(jìn)一步建立更為精準(zhǔn)的模型進(jìn)行研究，也是本課題組下階段的研究?jī)?nèi)容。

［1］ Imada M，Nonaka S，Kobayashi Y，et al. Functional roles of nasal nitric oxide in nasal patency and mucociliary function［J］. Acta Otolaryngol，2002，122(5):513 -519.

［2］ 孫秀珍，劉迎曦，蘇英鋒，等.鼻腔氣道三維重建和氣流流場(chǎng)的數(shù)值模擬與分析［J］. 臨床耳鼻咽喉頭頸外科雜志，2008，21(23):1057 -1059.

［3］ Martonen TB，Zhang Z，Yue G，et al. 3 -D particle transport within the human upper respiratory tract［J］. Aerosol Sci，2002，33(8):1095 -1110.

［4］ 蘇英鋒，劉迎曦，孫秀珍，等.鼻中隔穿孔對(duì)鼻腔氣流場(chǎng)影響的數(shù)值模擬研究［J］. 大連醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35(2):112 -115.

［5］ Lee HP，Garlapati RR，Chong VFH，et al. Effects of septal perforation on nasal airflow:computer simulation study［J］. Laryngol Otol，2010，124(1):48 -54.

［6］ 臧洪瑞，劉迎曦，張羅，等. 鼻腔擴(kuò)容術(shù)對(duì)上氣道流場(chǎng)改變的數(shù)值模擬［J］. 中國(guó)耳鼻咽喉頭頸外科，2014，21(2):85 -88.

［7］ Müller -Wittig W，Mlynsji G，Weinhold I，et al. Nasal airflow diagnosis -comparison of experimental studies and computer simulations［J］. Stud health technol inform，2001，85:311 -317.

［8］ Kook Kim J，Yoon JH，Hoon Kim C，et al. Particle image velocimetry measurements for the study of nasal airflow［J］.Acta Otolaryngol，2006，126(3):282 -287.

［9］ 劉迎曦，于申，孫秀珍，等. 鼻腔結(jié)構(gòu)形態(tài)對(duì)鼻腔氣流的影響［J］. 中華耳鼻咽喉頭頸外科雜志，2005，40(11):846 -849.

［10］ Kelly JT，Prasad AK，Wexler AS. Detailed flow patterns in the nasal cavity［J］. J Appl Physiol，2000，89(1):323 -337.

［11］ Subramaniam RP，Richardson RB，Morgan KT，et al.Computational fluid dynamics simulations of inspiratory airflow in the human nose and nasopharynx［J］. Inhal Toxicol，1998，10(2):91 -120.

［12］ Hornung DE，Leopold DA，Youngentob SL，et al. Airflow patterns in a human nasal model［J］. Arch Otolaryngol Head Neck Surg，1987，113(2):169 -172.

［13］ Lundberg JO，Weitzberg E，Lundberg JM，et al. Nitric oxide in exhaled air［J］. Eur Respir J，1996，9(12):2671 -2680.

［14］ 劉強(qiáng)和，伍偉景. 鼻源性一氧化氮的生理和病理作用［J］. 國(guó)外醫(yī)學(xué):耳鼻咽喉科學(xué)分冊(cè)，2004，28(2):72 -74.

［15］ Imada M，Nonaka S，Kobayashi Y，et al. Functional roles of nasal nitric oxide in nasal patency and mucociliary function［J］. Acta Otolaryngol，2002，122(5):513 -519.

［16］ Dabholkar YG，Saberwal AA，Velankar HK，et al. Correlation of Nasal Nitric Oxide Measurement with Computed Tomography Findings in Chronic Rhinosinusitis［J］. Indian J Otolaryngol Head Neck Surg，2014，66(1):92 -96.

［17］ 尤少華，張靜，籍靈超，等. 健康人和變應(yīng)性鼻炎患者口鼻呼出氣一氧化氮無(wú)創(chuàng)檢測(cè)研究［J］. 中華耳鼻咽喉頭頸外科雜志，2014，49(2):323 -325.