前鼻腔狹窄手術(shù)干預(yù)的數(shù)值模擬研究*

汪濤 王珮華 陳東 鄧見

鼻腔作為上氣道的門戶，對吸入的空氣有清潔、加濕和加溫作用，前鼻腔部位的狹窄則直接關(guān)系到維護人體生理平衡的鼻腔通氣功能，同時又影響到到鼻外觀，前鼻腔狹窄部位可發(fā)生于鼻前庭、和內(nèi)鼻孔，多由于外傷、感染或者手術(shù)治療等引起，還可繼發(fā)于特異性感染所致的潰爛、燒傷，或者腫瘤切除術(shù)后、放療后等。鼻前庭襯里及局部軟骨的缺損形成瘢痕性收縮是前庭部位狹窄的常見原因，也是前鼻腔狹窄發(fā)生最多的部位，瘢痕往往累及前庭底部外側(cè)角或鼻翼緣，瘢痕的收縮和增生造成鼻腔前部的環(huán)形狹窄。手術(shù)方法的選擇需根據(jù)狹窄部位、局部隆起的厚度而定，但原則上在切除瘢痕的基礎(chǔ)上，通過“Z”改形充分松解環(huán)形瘢痕，術(shù)后放置管型擴張管維持鼻孔外形，防止繼發(fā)狹窄。

對于前鼻腔狹窄的臨床資料統(tǒng)計和手術(shù)技術(shù)的研究文獻報道較多，而關(guān)于狹窄后對鼻腔氣流場的影響及其與臨床之間關(guān)系的研究因為鼻腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實驗難以實施而報道較少。近年來對數(shù)值模擬分析方法的探索研究，有學(xué)者將數(shù)值模擬運用到鼻腔生理學(xué)功能研究中，分析鼻腔結(jié)構(gòu)對鼻腔氣流場、溫度場、濕度場等的影響[1-3]，顯示該方法既能夠反應(yīng)鼻腔生理功能的基本特征，而且也可用于分析鼻腔局部結(jié)構(gòu)變化對功能的影響，能夠從氣流動力學(xué)角度闡述鼻腔疾病的生物力學(xué)機理，研究鼻腔結(jié)構(gòu)的改變或異常對氣流的影響，有助于臨床鼻面部功能性疾病的診斷、個性化干預(yù)以及手術(shù)方案的設(shè)計、評估均有著積極意義[4，5]。

前期我們的研究已通過對Crouzon綜合征患者鼻腔結(jié)構(gòu)及部分術(shù)后的鼻腔結(jié)構(gòu)CFD（Computational Fluid Dyuamics,CFD)數(shù)值模擬分析，驗證了計算流體力學(xué)用于鼻腔氣流場分析的準(zhǔn)確性和可靠性。本研究擬對前鼻腔狹窄的鼻腔氣流進行數(shù)值模擬，并且在通過手術(shù)干預(yù)恢復(fù)正常鼻腔形態(tài)結(jié)構(gòu)后，對比術(shù)前術(shù)后氣流的改變情況，評估手術(shù)對鼻腔通氣功能的影響及手術(shù)療效。

資料與方法

1 臨床對象

研究對象為2015年6月～2017年5月臨床上診斷為前鼻腔狹窄的患者（26名），年齡32～56歲，男18例、女8例，均為外傷性，病程4～8個月，無急期性鼻部疾病史，其中1例女性患者為雙側(cè)前鼻腔狹窄，所有患者均入院行鼻前庭瘢痕切除和局部皮瓣轉(zhuǎn)移術(shù)，術(shù)后帶前鼻腔擴張管并隨訪3月。

2 方法

2.1 數(shù)據(jù)采集

采用GE公司64排螺旋CT Light Speed Ultra進行掃描。掃描前患者清除鼻腔內(nèi)分泌物,室溫安靜情況下仰臥位，平靜吸氣末屏氣掃描，掃描范圍頸部及全頭顱。掃描參數(shù)：120mA，120kV，螺距1.375mm，床速27.5mm/s，三維重建參數(shù)：分辨率512×512像素，層厚為0.625mm，窗寬2000，窗位200。

2.2 鼻腔三維模型重建和有限元網(wǎng)格劃分

每例患者CT薄層掃描后獲得鼻腔的DICOM數(shù)據(jù)，在 Mimics Research 19.0(Materialise’s Interactive Medical Image Control System)中進行鼻腔通氣道三維重建，重建后三維模型導(dǎo)入到3-matic Research 10.0后處理軟件中完成網(wǎng)格劃分和優(yōu)化，三角網(wǎng)格數(shù)約為200～230萬個，獲得鼻腔CFD網(wǎng)格模型。

2.3 計算流體力學(xué)分析

采用流體力學(xué)分析軟件Fluent 6.3.26進行計算，整個鼻腔通氣道均視為剛性體，流體為空氣(ρ=1.225kg/m3，動力黏性系數(shù) μ=1.7894×10-5kg/(m.s))，設(shè)為不可壓縮定常流動，模擬過程中忽略溫度場變化及重力影響，鼻腔壁處設(shè)為無滑移邊界，即鼻腔氣流無逸散（u=v=0），計算區(qū)域鼻前庭至后鼻孔鼻咽部。在平靜呼吸狀態(tài)下,設(shè)前鼻腔處壓力為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 ,取雙側(cè)前鼻腔為壓力入口，設(shè)置為默認(rèn)值0Pa，后鼻孔鼻咽部為速度出口，設(shè)置為400ml/s恒定流量，數(shù)值模擬的控制方程為不可壓縮黏性體的Navier-Stokes方程和連續(xù)方程，采用層流模式計算穩(wěn)態(tài)吸氣氣流狀況[6，7]，以此作為初始邊界條件計算得到平靜吸氣時整個鼻腔的氣流流場數(shù)據(jù)，并對計算結(jié)果進行后處理，得到壓強云圖、速度矢量云圖等。

4 統(tǒng)計方法

數(shù)值模擬后所得有關(guān)壓強、速度等流場信息數(shù)據(jù)應(yīng)用專業(yè)統(tǒng)計軟件（SAS Release 8.01 TS Level 01M0）進行統(tǒng)計分析。狹窄側(cè)鼻腔術(shù)前與術(shù)后在指定截面上的壓強、速度對比用配對樣本t檢驗統(tǒng)計分析，狹窄側(cè)與非狹窄側(cè)鼻腔的壓強、速度對比用獨立樣本T檢驗統(tǒng)計分析，P＜0.05顯示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

結(jié)果

1 前鼻腔狹窄的鼻腔結(jié)構(gòu)特性

26例前鼻腔狹窄患者，其中1例為雙側(cè)前鼻腔狹窄，重建的鼻腔CFD模型顯示27側(cè)前鼻腔狹窄鼻腔，狹窄均位于鼻腔最小截面積的鼻瓣區(qū)，平均為0.40±0.16cm2，較非狹窄側(cè)鼻腔的鼻瓣區(qū)截面積平均值的0.85±0.18cm2明顯減小，顯示差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.01）。手術(shù)恢復(fù)了正常鼻瓣區(qū)結(jié)構(gòu)，截面積增大，平均為0.78±0.18cm2，較術(shù)前明顯增大，顯示差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.01），接近于非狹窄側(cè)鼻腔鼻瓣區(qū)截面積，見表1。

表1 術(shù)前術(shù)后鼻瓣區(qū)截面積的比較（26例前鼻腔狹窄，其中1例為雙側(cè)狹窄）（cm2）

2 吸氣相氣流壓力和速度局部分布

圖1 術(shù)前（上）和術(shù)后（下）雙側(cè)鼻腔吸氣相壓強分布云圖

圖1和圖2分別顯示數(shù)值模擬壓強和速度分布云圖，顯示穩(wěn)態(tài)吸氣狀態(tài)下鼻腔壓強和速度分布狀況。術(shù)前26例前鼻腔狹窄患者，無論狹窄側(cè)鼻腔還是非狹窄側(cè)鼻腔，壓力和速度最大值區(qū)域均位于鼻瓣區(qū)。

圖2 術(shù)前（上）和術(shù)后（下）雙側(cè)鼻腔吸氣相速度分布云圖

壓強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，壓降變化明顯，在狹窄側(cè)鼻腔下鼻甲前端平面壓力占總鼻腔的68.9±16%，同樣在術(shù)前的非狹窄側(cè)鼻腔，平均下鼻甲前端平面壓力只占總鼻腔的22.3±10%（表2）。鼻瓣區(qū)為鼻腔最小截面區(qū)域，27側(cè)前鼻腔狹窄鼻腔狹窄部位正位于鼻瓣區(qū)，故氣流通過所產(chǎn)生的壓力變化則越為明顯，狹窄側(cè)鼻腔在鼻瓣平面壓力均值為-39.8±21.6pa，而非狹窄側(cè)鼻腔在鼻瓣平面壓力均值為-8.7±3.5pa，統(tǒng)計分析顯示有差異性（P＜0.01），見表3。

表2 下鼻甲前端平面壓強占總量的百分比（26例前鼻腔狹窄，其中1例為雙側(cè)狹窄）

表3 鼻瓣區(qū)截面的壓強（26例前鼻腔狹窄，其中1例為雙側(cè)狹窄）（Pa)

*術(shù)前狹窄側(cè)與非狹窄側(cè)比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義（t=7.11，P＜0.01)**狹窄側(cè)術(shù)后比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義（t=7.83，P＜0.01)

速度分布圖顯示，最大速度均出現(xiàn)在鼻瓣區(qū)，27側(cè)前鼻腔狹窄鼻腔狹窄部位位于鼻瓣區(qū)，在更為狹小的鼻瓣區(qū)截面積，術(shù)前狹窄側(cè)鼻腔最大流速為6.5±2.31m/s，較非狹窄側(cè)的2.61±0.6m/s明顯增大，統(tǒng)計分析顯示差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.01），見表4。

結(jié)論顯示26例患者狹窄側(cè)鼻腔阻力平均值為0.26±0.136Pa.s/mL，明顯高于非狹窄側(cè)鼻阻力的平均值0.093±0.044Pa.s/mL，統(tǒng)計學(xué)差異顯著（P＜0.01），術(shù)后鼻阻力下降為平均值0.116±0.075Pa.s/mL，統(tǒng)計學(xué)差異顯著（P＜0.01），見表 5。

表4 鼻瓣區(qū)截面的速度（26例前鼻腔狹窄，其中1例為雙側(cè)狹窄）（m/s）

*術(shù)前狹窄側(cè)與非狹窄側(cè)比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義（t=8.14，P＜0.01)**狹窄側(cè)術(shù)后比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義（t=7.94，P＜0.01)

表5 鼻阻力（26例前鼻腔狹窄，其中1例為雙側(cè)狹窄）（Pa·s/ml）

3 吸氣相氣流壓力和速度的梯度分布

鼻腔模型的三維坐標(biāo)系中X軸表示鼻底向鼻頂方向，Y軸表示前鼻腔平行于鼻底向后鼻孔方向，Z軸表示鼻中隔向鼻外側(cè)壁方向，以便更直觀的呈現(xiàn)壓強在鼻腔內(nèi)的梯度分布狀況，以垂直Y軸方向來截取鼻腔截面，以鼻前庭頂前端開始至鼻中隔后緣，均勻截取7個平面（見圖3），分別標(biāo)識為P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7，以下針對代表性截面的平均壓強進行分析。隨著距前鼻腔距離的增加，鼻腔內(nèi)壓強逐漸下降，特別在狹窄側(cè)鼻腔，在截面P3處（相當(dāng)于狹窄的鼻瓣區(qū)）出現(xiàn)明顯陡降，說明局部壓降較大，與局部的狹窄有關(guān)。

圖3 鼻腔內(nèi)從前鼻孔至后鼻孔在代表性冠狀截面上壓強和速度的分布云圖（圖示中紅色漸變到藍色代表壓強或速度的數(shù)值逐漸遞減，從鼻前庭頂前端至鼻中隔后緣均勻截取7個代表性冠狀位截面，分別以P1、P2…P7表示）

4 術(shù)后吸氣相氣流壓強和速度的變化

手術(shù)前后對比發(fā)現(xiàn)，狹窄側(cè)鼻腔前鼻腔入口到鼻咽部流出口的壓強差在術(shù)后明顯減小，統(tǒng)計學(xué)顯示有差異性（P＜0.01），可以判斷在手術(shù)恢復(fù)鼻腔結(jié)構(gòu)后，需要維持一定流量的氣流所需的進出口壓強差變小，即手術(shù)后的狹窄側(cè)鼻腔鼻腔阻力變小，和非狹窄側(cè)鼻腔進出口壓強差相比較，差異顯示無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。下鼻甲前端平面壓強占總鼻腔術(shù)后明顯下降，術(shù)前平均值的68.9±16%下降為27.1±13%，統(tǒng)計學(xué)顯示有差異性（P＜0.01），見表 2。手術(shù)后，在鼻瓣區(qū)速度分布顯示較術(shù)前有明顯下降，術(shù)前后均值分別為6.5±2.31m/s和2.92±0.86m/s，統(tǒng)計學(xué)差異顯著（P＜0.01），見表 4。

5 氣流流速和鼻阻力與鼻瓣區(qū)截面積相關(guān)分析

圖4和圖5分別顯示術(shù)前術(shù)后局部氣流流速和鼻阻力與鼻瓣區(qū)截面積的相關(guān)關(guān)系，局部速度與橫截面積成反比，相關(guān)性較高（R2=0.772）；手術(shù)恢復(fù)了雙側(cè)鼻瓣區(qū)的對稱性，隨著鼻瓣區(qū)橫截面積增大，鼻阻力下降，鼻腔阻力與鼻瓣區(qū)截面積有相關(guān)性（R2=0.478）。

圖4 手術(shù)前后狹窄側(cè)鼻腔內(nèi)鼻瓣區(qū)截面面積與局部平均速度的相關(guān)性示意圖

圖5 手術(shù)前后狹窄側(cè)鼻腔內(nèi)鼻瓣區(qū)截面面積與鼻阻力的相關(guān)性示意圖

6 術(shù)前術(shù)后雙側(cè)鼻腔壓強梯度分布的比較

壓強梯度分布顯示，術(shù)前在狹窄側(cè)鼻腔，狹窄區(qū)域出現(xiàn)壓強陡降現(xiàn)象，而術(shù)后氣流壓強的下降趨勢與非狹窄側(cè)的壓強梯度分布近似，見圖6。

圖6 術(shù)前后狹窄側(cè)和非狹窄側(cè)鼻腔在代表性冠狀截面上平均壓強的梯度示意圖

討論

本研究所選擇的前鼻腔狹窄患者均由于外傷后所造成，其狹窄部位均位于下鼻甲前端之前的鼻腔，尤其在鼻瓣區(qū)，探討鼻腔結(jié)構(gòu)如何對鼻腔功能的影響是目前在鼻功能研究方面的的一個熱門，利用計算流體力學(xué)分析研究鼻腔氣流流場已是很成熟的技術(shù)，有研究[8-10]利用CFD技術(shù)對鼻內(nèi)鏡手術(shù)前后的鼻腔氣流進行了分析，評估功能性鼻內(nèi)窺鏡手術(shù)對鼻腔氣流和鼻竇氣流的影響。計算流體力學(xué)分析的準(zhǔn)確性與分析模型的精度相關(guān)，本實驗在建模過程中沒有對鼻腔模型的大體結(jié)構(gòu)進行簡化，各鼻竇在正常呼吸運動中和鼻腔的氣流交通甚微，精簡鼻竇后的鼻腔通氣道能夠準(zhǔn)確體現(xiàn)鼻腔的氣流流動狀態(tài)[11]；實驗所用的鼻腔數(shù)據(jù)均由64排高分辨率螺旋CT掃描獲得數(shù)據(jù)，避免因分辨率不足而導(dǎo)致的誤差；研究模型設(shè)為剛性體，忽略呼吸中軟組織形變的影響，這涉及流固耦合的問題，目前報道的考慮流固耦合影響的模型，一般都對模型進行簡化[7]；Kumar H 等[2，3]臨床上正常生理鼻腔有一定加溫、加濕作用，但通過Grashof數(shù)和Prandtl數(shù)的檢驗和傳熱傳質(zhì)的分析，指出在正常呼吸條件下，溫度和濕度對其內(nèi)部流動無顯著影響，故該研究邊界條件設(shè)置時忽略溫度的變化也是可行的；在本實驗計算過程中，將鼻氣道內(nèi)部流動視為穩(wěn)態(tài)，文獻中在平靜呼吸(7.5～12L/min)時，大部分的鼻腔內(nèi)的流動處于層流，一小部分處于輕微的湍流，并且有學(xué)者[14]通過比較連續(xù)時間內(nèi)記錄的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在平靜呼吸下的流動是穩(wěn)態(tài)的，且系統(tǒng)的斯特勞哈爾數(shù)(Strohal number)ωL/U≈0.18，說明該研究數(shù)值模擬中，將鼻腔內(nèi)部流動視為穩(wěn)態(tài)的的這種簡化是合理可行。實驗證明該研究有關(guān)鼻腔壓強、速度的分布數(shù)據(jù)與目前相關(guān)文獻報道的結(jié)論相一致[12-14]。前鼻腔狹窄鼻腔結(jié)構(gòu)及流場的探討

研究數(shù)據(jù)顯示鼻腔最小截面積均出現(xiàn)在鼻瓣區(qū)，而狹窄側(cè)鼻腔狹窄部位均在鼻瓣區(qū)范圍，則造成該區(qū)域截面積更為狹小，數(shù)值模擬當(dāng)單側(cè)前鼻腔流量恒定時（200ml/s），要保證鼻腔氣道狹窄區(qū)域通過固定流量，勢必需要增加兩端的壓差，局部壓差越大則體現(xiàn)出局部的鼻阻力越大，所以鼻阻力主要取決于鼻腔的狹窄區(qū)；從我們的研究數(shù)據(jù)也可以看出壓強分布大部分集中在鼻腔前段，尤其在狹窄的鼻瓣區(qū)；通過鼻腔內(nèi)部速度分布數(shù)據(jù)分析，證實鼻瓣區(qū)為最大流速，狹窄側(cè)鼻腔比非狹窄側(cè)鼻腔流速更為偏大，局部速度與橫截面積成反比（相關(guān)系數(shù)R2=0.772圖4），這同樣也解釋了氣流流經(jīng)鼻腔時，相對寬闊的總鼻道與下鼻道和中鼻道交界處會流經(jīng)大部分的氣流。

術(shù)后變化的鼻腔結(jié)構(gòu)對氣流場影響

26例患者均行瘢痕切除和局部皮瓣轉(zhuǎn)移修復(fù)，放置前鼻腔硅膠擴張管3月后復(fù)查CT，掃描后進行鼻腔CFD數(shù)值模擬顯示鼻前庭區(qū)域有明顯增大，手術(shù)使得鼻瓣區(qū)截面積有不同程度增大，恢復(fù)了術(shù)前狹窄的鼻瓣區(qū)，雙側(cè)鼻腔鼻瓣區(qū)結(jié)構(gòu)趨于平衡，對稱的鼻瓣區(qū)結(jié)構(gòu)對于鼻腔的正常生理功能至關(guān)重要，所有導(dǎo)致鼻腔結(jié)構(gòu)不對稱的因素均會影響到鼻腔內(nèi)氣流的壓強、速度分布和氣流的分配[6]。客觀評價鼻腔通氣體現(xiàn)在鼻阻力的大小，鼻阻力是指在一定時間內(nèi)把一定體積的空氣推到一定距離所需的壓力，即Rn=Pn/Vn[15](Rn為鼻阻力，Pn為鼻腔前后的壓差,Vn為氣體流量)。數(shù)據(jù)顯示26例患者狹窄側(cè)鼻腔阻力術(shù)后顯著下降（P＜0.01）（表5）。手術(shù)恢復(fù)了雙側(cè)鼻瓣區(qū)的對稱性，鼻瓣區(qū)橫截面積增大，使得鼻阻力下降，數(shù)據(jù)顯示單側(cè)鼻腔阻力與鼻瓣區(qū)截面積相關(guān)（相關(guān)系數(shù)R2=0.478圖5），故從臨床治療的角度考慮術(shù)后要達到滿意的通氣效果，解除下鼻甲之前的鼻腔部分尤其是鼻瓣區(qū)的狹窄至關(guān)重要；從壓強的梯度分布分析來看（圖6），術(shù)前狹窄側(cè)鼻腔在狹窄區(qū)域出現(xiàn)陡降現(xiàn)象，術(shù)后氣流壓強的下降梯度趨于平緩，和非狹窄側(cè)的梯度分布近似，實驗數(shù)據(jù)證實手術(shù)恢復(fù)了對稱的鼻瓣區(qū)解剖結(jié)構(gòu)的同時，獲得較為對稱的鼻腔氣流分布，達到平衡的雙側(cè)鼻腔通氣功能。

結(jié)論

研究證實數(shù)值模擬可客觀直接地反映鼻腔氣流特征，術(shù)后鼻腔氣流分布規(guī)律并沒有因為手術(shù)改變鼻瓣區(qū)的結(jié)構(gòu)而發(fā)生改變，鼻瓣區(qū)對鼻腔氣流影響較大；對于前鼻腔狹窄的鼻腔，手術(shù)解除鼻瓣區(qū)的狹窄對于恢復(fù)到正常平衡的鼻腔通氣功能相當(dāng)重要，也是決定手術(shù)療效的關(guān)鍵；數(shù)值模擬分析可用于鼻功能的評估和手術(shù)療效的客觀判斷。本實驗還需大樣本繼續(xù)進行研究，來期望得到更全面的數(shù)據(jù)，為臨床患者個性化手術(shù)方式的選擇提供依據(jù)。