蔡惠坤 薛豪洋 徐暢 郭宇峰 高興強(qiáng)
(1.廈門大學(xué) 航空航天學(xué)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(yán)重者可導(dǎo)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(rèn)知和發(fā)病機(jī)制研究將具有重要的意義。
上氣道復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)及通氣生理阻礙了人們對(duì)該病的認(rèn)識(shí)及治療。電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)技術(shù)與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)的結(jié)合[3-4]雖然能夠詳細(xì)捕獲氣流流場(chǎng)特性,成本低,易于操作,但仍然需要實(shí)驗(yàn)方法來驗(yàn)證。早期的尸源法和動(dòng)物法研究人體鼻腔氣流取得了一定的實(shí)驗(yàn)成果[5-7],但尸源性模型和動(dòng)物類似模型與真實(shí)人體模型的差別較大,只能作為定性分析,且實(shí)驗(yàn)操作麻煩。體外的鼻阻力實(shí)驗(yàn)雖然可以獲得壓力、流量等流場(chǎng)特性,但難以獲取完整的上氣道流場(chǎng)信息,也缺乏對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)分布規(guī)律的觀測(cè)。一種直觀簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確可靠的實(shí)驗(yàn)方法將促進(jìn)對(duì)小兒OSAHS的病理、病癥和手術(shù)的深刻認(rèn)知和醫(yī)學(xué)發(fā)展。
三維(3D)打印是20世紀(jì)90年代才發(fā)展起來的新技術(shù),最初應(yīng)用于制造行業(yè)以及航空模型設(shè)計(jì)中。隨著3D打印材料和控制技術(shù)的不斷進(jìn)步,3D打印技術(shù)在牙科整形[8]、血管支架[9]、骨骼支架[10]及其他生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[11-12]獲得了廣泛的應(yīng)用和良好的效果,已經(jīng)成為目前國(guó)內(nèi)外醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用研究的熱點(diǎn)之一。在兒科領(lǐng)域,Petzold等[13]將3D 打印技術(shù)應(yīng)用于兒童顱縫早閉及其他顱頜面畸形患者的術(shù)前手術(shù)計(jì)劃,手術(shù)都達(dá)到了預(yù)期效果。Sanghera等[14]研究了3D打印技術(shù)在骨科及顱頜面外科的應(yīng)用后,認(rèn)為該技術(shù)在疾病診斷及手術(shù)方案制定方面非常有價(jià)值。近年來隨著3D打印技術(shù)的成熟,有少數(shù)研究開始利用3D打印制作上氣道實(shí)物模型進(jìn)行體外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。張其標(biāo)等[15]驗(yàn)證了利用數(shù)字醫(yī)學(xué)與3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)、制作鼻咽癌粒子植入個(gè)體化導(dǎo)板的可行性,為實(shí)現(xiàn)鼻咽癌的粒子植入放射療法的“精準(zhǔn)治療”提供參考。王建霞等[16]利用3D打印技術(shù)制作了健康男性的上氣道實(shí)物模型并進(jìn)行體外實(shí)驗(yàn)。王浩等[17]研究結(jié)果表明,3D打印技術(shù)能為先天性氣管狹窄術(shù)前診斷和手術(shù)方案的設(shè)計(jì)、術(shù)中決策和操作提供很好的指導(dǎo),提高氣管狹窄手術(shù)治療的成功率。李福生等[18]利用粒子圖像測(cè)速與光敏樹脂3D打印技術(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)呼吸模式下,實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)得的氣流在口腔上部有渦結(jié)構(gòu)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(jié)果較為一致。
從文獻(xiàn)分析可知,基于3D打印技術(shù)開展上氣道的內(nèi)流場(chǎng)特性研究剛剛起步,實(shí)驗(yàn)方法、檢測(cè)技術(shù)和模型構(gòu)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(duì)成人OSAHS的分析,對(duì)小兒OSAHS的關(guān)注不夠。因此,本文開展了基于3D打印的小兒上氣道內(nèi)流場(chǎng)特性的實(shí)驗(yàn)研究,并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際的體外鼻阻力實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,以驗(yàn)證基于3D打印的實(shí)驗(yàn)方法的準(zhǔn)確性和可靠性。同時(shí),將此方法用于小兒上氣道的CFD分析的對(duì)比性實(shí)驗(yàn)中,研究不同程度的扁桃體肥大對(duì)小兒OSAHS的影響,以期為探索小兒上氣道結(jié)構(gòu)特征和流場(chǎng)特性,開展OSAHS的病理分析和發(fā)病機(jī)制研究提供重要的參考。
由于小兒上氣道的真實(shí)尺寸較小,為了方便實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)據(jù)采集,3D打印的實(shí)驗(yàn)?zāi)P蛯⒉捎?∶1的比例放大模型?;谙嗨菩栽韀3,19],在模型與原型保持幾何相似的基礎(chǔ)上,還應(yīng)保持動(dòng)力相似,即模型與原型在對(duì)應(yīng)瞬時(shí)、對(duì)應(yīng)點(diǎn)上受相同性質(zhì)的力,且力的方向相同,大小成比例。當(dāng)作用在流體上的力主要是黏性力時(shí),實(shí)際模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)P捅3謩?dòng)力相似的條件為雷諾數(shù)相等。
目前光敏樹脂在制造醫(yī)學(xué)模型方面應(yīng)用廣泛,且在成人上氣道仿真分析的驗(yàn)證中已獲得應(yīng)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(shù)為光固化成型技術(shù),打印機(jī)精度為0.1 mm,表面粗糙度小于流場(chǎng)內(nèi)邊界層厚度,模型可滿足實(shí)驗(yàn)要求。根據(jù)CT重建的三維流場(chǎng)模型制作上氣道壁面模型,導(dǎo)入Materialise Magics軟件中,調(diào)整其放置位置,進(jìn)行切片處理,設(shè)計(jì)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(jī)中清洗,去除其內(nèi)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
人吸氣時(shí),肺內(nèi)氣壓低于大氣壓,使氣體從鼻孔流經(jīng)過上氣道進(jìn)入肺內(nèi),因此實(shí)驗(yàn)中采取真空泵模擬肺內(nèi)的負(fù)壓環(huán)境,采用流量閥控制流量,呼吸流量Q的計(jì)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(jì)測(cè)量上氣道通氣量,使用壓力傳感器測(cè)量上氣道壁面壓力,使用流速計(jì)測(cè)量選取點(diǎn)的流速,如圖2(a)所示。采用的壓力傳感器為硅擴(kuò)散壓力變送器,量程為-100~100 Pa,精度為1%FS;采用的流速計(jì)為熱球式風(fēng)速儀,量程為0~10 m/s,精度為±(0.03 m/s+5%FS);采用的流量計(jì)為壓縮空氣流量計(jì),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(diǎn)(圖2(a)中測(cè)點(diǎn)1)測(cè)量壓強(qiáng),可將之視為口咽部起始端。不同扁桃體大小模型的壓強(qiáng)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(cè)點(diǎn)2)與口咽部末端(圖2(a)測(cè)點(diǎn)3)取點(diǎn)測(cè)量其壓強(qiáng),同時(shí)在口咽部中段位置另取一點(diǎn)(圖2(a)測(cè)點(diǎn)4)測(cè)量其流速。將實(shí)驗(yàn)?zāi)P屯ㄟ^綁帶固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的中下方,通過引壓管將模型壁面處各測(cè)點(diǎn)與模型上方的壓力傳感器相接,使壓力傳感器測(cè)量值為模型壁面處的靜壓。在流速測(cè)點(diǎn)處鉆直徑為2 mm的孔并將流速計(jì)探頭伸入,測(cè)量截面中心點(diǎn)處的風(fēng)速,如圖2(b)所示。
圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖和實(shí)物圖Fig.2 Schematic diagram and picture of system testing bench
邀請(qǐng)一正常兒童志愿者開展鼻阻力實(shí)驗(yàn)。本文使用GM公司NR6Executive型鼻阻力計(jì)進(jìn)行主動(dòng)前鼻測(cè)壓,受試對(duì)象行CT掃描后,端坐位靜坐10 min,將合適型號(hào)的鼻管輕放于其左側(cè)鼻孔下端,20 min內(nèi)反復(fù)測(cè)試4次,得到壓強(qiáng)-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(nèi),因此測(cè)量100、150和200 mL/s流量的平均壓強(qiáng)并繪制流量-壓強(qiáng)曲線,將3D打印模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與臨床鼻阻力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如表1所示,二者的壓強(qiáng)變化趨勢(shì)基本相同,壓強(qiáng)的最大誤差為11.1%,而實(shí)驗(yàn)室前期的另一個(gè)實(shí)驗(yàn)[21]與臨床鼻阻力實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最大誤差為13.6%,這表明了基于3D打印技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究方法的準(zhǔn)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(shí)可能在空氣與黏膜交界處識(shí)別不清,造成鼻腔面積增大;②在實(shí)際呼吸過程中,周圍軟組織可能會(huì)對(duì)氣流造成影響。
表1 3D打印模型與臨床鼻阻力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison of experimental results between 3D prin-ting model and clinical nasal resistance test
目前已能夠確定的OSAHS直接發(fā)病機(jī)制為上氣道塌陷。導(dǎo)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(zhǎng)等,其中扁桃體在兒童出生10個(gè)月后開始發(fā)育,在1歲至10歲期間顯著增長(zhǎng),因此扁桃體肥大多見于兒童時(shí)期,是小兒上氣道塌陷的主要誘因。由于病人隱私的關(guān)系,實(shí)際的病例較難收集,因此,本文對(duì)不同扁桃體肥大的OSAHS分析主要以CFD仿真和3D打印實(shí)驗(yàn)為主。
扁桃體位于上氣道的口咽部,扁桃體肥大將擠壓內(nèi)流道的橫截面積。扁桃體肥大程度越高,上氣道內(nèi)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(xué)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(jì)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(jìn)行三維模型重建,共制作了5個(gè)上氣道模型,包括1個(gè)正常上氣道模型(R=0)和4個(gè)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
數(shù)值模擬采用的是ANSYS Workbench中的Fluent模塊。流體流動(dòng)遵循N-S控制方程,求解器選擇隱式格式、SIMPLE算法、二階迎風(fēng)進(jìn)行耦合分析,設(shè)置最大迭代步數(shù)為500,認(rèn)為殘差值小于10-5時(shí)達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)。前期研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)上氣道的流量在100 mL/s以下時(shí),上氣道內(nèi)的雷諾數(shù)不超過600,即為層流狀態(tài),因此在CFD計(jì)算中采用Laminar層流模型。經(jīng)過網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證后,選擇網(wǎng)格尺寸為0.5 mm的模型進(jìn)行求解。進(jìn)出口邊界條件為大氣壓進(jìn)口,-20 Pa壓強(qiáng)出口。仿真結(jié)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(qiáng)分布也明顯不同,在進(jìn)出口壓差保持為20 Pa時(shí),壓強(qiáng)分布整體呈現(xiàn)從鼻咽到氣管逐漸減小,當(dāng)狹窄程度低于26%時(shí),下降程度較均勻;當(dāng)口咽部狹窄度增大,該處的壓強(qiáng)顯著減小,呈現(xiàn)較大的逆壓強(qiáng)梯度,特別是當(dāng)扁桃體肥大達(dá)到Ⅲ度(狹窄度為83%)時(shí),口咽部的壓強(qiáng)將急劇降低,出現(xiàn)較大的負(fù)壓,由正常條件下的-7.69 Pa降低到了-13.68 Pa。過大的內(nèi)外壓差將使得扁桃體向內(nèi)塌陷,而此處不具備骨性支撐結(jié)構(gòu),嚴(yán)重時(shí)將堵塞氣道,導(dǎo)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(shí),口鼻氣道氣流平穩(wěn),在出口處的喉咽流速最大;當(dāng)口咽部狹窄度為56%以上時(shí),口咽部氣流流速隨狹窄度升高而急劇升高;當(dāng)扁桃體肥大達(dá)到Ⅲ度時(shí),氣流沿著咽后壁流動(dòng)形成一股高速射流,在最狹窄的口咽部流速達(dá)到最大值,對(duì)氣道壁產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊性;流速的增大將降低該處壓強(qiáng),使得負(fù)壓增大,進(jìn)一步增大了咽壁內(nèi)外壓差。
圖4 不同程度扁桃體肥大上氣道的壓強(qiáng)分布和速度分布Fig.4 Pressure and velocity distributions in upper airway of different levels hypertrophy of tonsils
在臨床鼻阻力實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,本文在3D打印的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上開展了不同狹窄度的OSAHS實(shí)驗(yàn)研究。
基于3D打印技術(shù)的不同程度扁桃體肥大的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。正常條件下,口咽部的壓強(qiáng)從測(cè)點(diǎn)1 的-4.6 Pa降到測(cè)點(diǎn)2的-8.4 Pa和測(cè)點(diǎn)3的-12.8 Pa,整個(gè)口咽段壓降較為均勻,占整個(gè)上氣道總壓降的41%;當(dāng)扁桃體狹窄度為26%時(shí),口咽部的壓強(qiáng)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(dāng)扁桃體狹窄度達(dá)到56%時(shí),口咽部的壓降迅速上升,從測(cè)點(diǎn)1的-4.0 Pa降到測(cè)點(diǎn)2的-10.0 Pa和測(cè)點(diǎn)3的-15.2 Pa,口咽部的總壓降占整個(gè)上氣道總壓降的比例上升到56%;當(dāng)扁桃體狹窄度達(dá)到83%時(shí),口咽部的壓強(qiáng)變化急劇增大,總壓降已經(jīng)達(dá)到整個(gè)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(cè)點(diǎn)1處的壓強(qiáng)隨著狹窄度的增加而減小也可以看出來。同時(shí),隨著狹窄度的增大,整個(gè)上氣道的壓強(qiáng)分布變得不均勻,口咽部與上氣道入口形成較大的逆壓強(qiáng)梯度,且進(jìn)氣量減小,造成呼吸困難,與圖4的仿真結(jié)果基本一致。
為驗(yàn)證OSAHS數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性與可靠性,本文對(duì)扁桃體肥大的CFD仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,如圖5所示。從圖中可以看出:3個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)變化和測(cè)點(diǎn)4的速度變化趨勢(shì)基本一致;狹窄度為83%時(shí)測(cè)點(diǎn)2處的壓強(qiáng)誤差最大,為10.32%;狹窄度為83%時(shí)的速度誤差最大,為8.99%。
總體來看,壓強(qiáng)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(nèi)部會(huì)存在支撐材料,雖然實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行了清理,但其粗糙度肯定大于實(shí)際的上氣道模型和三維仿真模型,從而導(dǎo)致3D打印模型的上氣道內(nèi)部阻力增大,進(jìn)而產(chǎn)生誤差;②隨著扁桃體狹窄度的增大,內(nèi)流道橫截面積發(fā)生較大的變化,導(dǎo)致口咽部的流速急劇增加,加之上氣道的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)復(fù)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(shí)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(nèi)流道橫截面積有所減小,而氣體流阻有所增大,從而導(dǎo)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(jìn)行口呼吸的重要原因之一。同時(shí),重度扁桃體肥大患者的上氣道流場(chǎng)壓強(qiáng)分布不均勻,口咽部與上氣道入口形成較大的逆壓強(qiáng)梯度及內(nèi)外壓差,從而可能引起扁桃體向內(nèi)塌陷,嚴(yán)重時(shí)將堵塞氣道,導(dǎo)致呼吸暫停。此外,上氣道內(nèi)部氣體流速隨狹窄度的增加而增加,沿著咽后壁流動(dòng)形成一股高速射流,對(duì)氣道壁產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊性,使周圍軟組織高頻撲動(dòng),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(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn),這表明,基于CFD技術(shù)的仿真分析和3D打印技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究,可以為臨床醫(yī)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)扁桃體在兒童OSAHS的病理分析和發(fā)病機(jī)制研究提供直觀的理論依據(jù)。
其次,扁桃體肥大對(duì)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(dāng)口咽部狹窄度為26%,扁桃體肥大在Ⅱ度以內(nèi)時(shí),上氣道吸氣氣流特性與正常氣道的差別較小。當(dāng)口咽部狹窄度為56%,扁桃體肥大在Ⅲ度以上時(shí),上氣道吸氣氣流特性發(fā)生了急劇變化??谘什开M窄度越高,上氣道吸氣氣流特性變化越明顯,已經(jīng)嚴(yán)重影響了兒童的正常呼吸,與臨床醫(yī)學(xué)上的通識(shí)“扁桃體Ⅲ度以上的OSAHS患兒必須進(jìn)行扁桃體摘除術(shù)”相符合,可以為臨床醫(yī)生對(duì)扁桃體手術(shù)適應(yīng)癥的把握和術(shù)后恢復(fù)方案的制定提供重要的參考。
本文基于3D打印技術(shù)構(gòu)建了小兒上氣道的內(nèi)流場(chǎng)特性分析的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并將其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與臨床鼻阻力實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,二者的壓強(qiáng)最大誤差為11.1%,該結(jié)果表明了3D打印可以為小兒上氣道內(nèi)流場(chǎng)特性的理論分析提供了一種直觀簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確可靠的實(shí)驗(yàn)方法。隨后開展了不同程度的扁桃體肥大對(duì)內(nèi)流場(chǎng)特性的影響分析,仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比研究表明:當(dāng)上氣道口咽部狹窄度在26%以下時(shí),上氣道吸氣氣流特性與正常氣道的差別較小;當(dāng)狹窄度達(dá)到56%以上時(shí),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(nèi)流道出現(xiàn)較大的逆壓強(qiáng)梯度及內(nèi)外壓差;當(dāng)狹窄度達(dá)到83%時(shí),口咽部的壓強(qiáng)變化急劇增大,壓降已經(jīng)達(dá)到整個(gè)上氣道總壓降的81%;CFD仿真結(jié)果與3D打印實(shí)驗(yàn)結(jié)果的壓強(qiáng)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(jìn)行扁桃體手術(shù)干預(yù)和術(shù)后恢復(fù)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(nèi)流場(chǎng)特性分析,更多關(guān)注的是流道結(jié)構(gòu)、流動(dòng)參數(shù)等因素對(duì)內(nèi)流場(chǎng)特性的影響,后續(xù)將進(jìn)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(duì)相關(guān)方面開展深入的研究和分析。