計(jì)算流體力學(xué)分析在鼻腔通氣功能評(píng)估中的應(yīng)用進(jìn)展*

邱繼寬 綜述 劉俊秀 審校

(北京大學(xué)第三醫(yī)院耳鼻咽喉科,北京 100191)

鼻腔的形態(tài)和結(jié)構(gòu)影響其通氣功能之優(yōu)劣。鼻閾所產(chǎn)生的鼻腔阻力,可以占鼻腔整體空氣阻力的50%以上[1],甚至可以達(dá)到52.6%～78.3%[2]。鼻腔測(cè)壓是測(cè)量鼻氣道阻力的金標(biāo)準(zhǔn),但需要一定的前置準(zhǔn)備,包括鼻腔清理、傳導(dǎo)管置入、前鼻孔封閉、佩戴透明面罩等,即使是以最準(zhǔn)確的儀器或手法測(cè)量總鼻阻力,由于其整體特性,信息價(jià)值有限[3],且不能應(yīng)用于鼻中隔穿孔及鼻腔完全堵塞的患者[4]。另外,鼻腔測(cè)壓儀器的傳導(dǎo)管必須置入鼻腔進(jìn)行分析,部分患者因此感覺不適、配合困難。

計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)是流體力學(xué)的分支之一,可通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬獲得指定條件下流體的參數(shù),并通過(guò)圖像結(jié)果對(duì)流體的運(yùn)動(dòng)、熱傳導(dǎo)等進(jìn)行系統(tǒng)分析。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,特別是鼻腔氣流動(dòng)力學(xué)的研究中,CFD因其無(wú)創(chuàng)、便捷性、可視化等特點(diǎn)已廣泛應(yīng)用,主要聚焦在評(píng)估手術(shù)效果、鼻腔通氣生理研究和鼻塞癥狀的關(guān)系等方面。本文對(duì)于近年應(yīng)用CFD分析,以無(wú)創(chuàng)方式評(píng)估鼻腔通氣功能的研究進(jìn)行綜述。

1 CFD分析的步驟

一般CFD分析可分為三大部分。①前處理:拍攝鼻腔CT后,將其導(dǎo)出并使用軟件進(jìn)行三維重建,獲取三維模型后進(jìn)行網(wǎng)格(mesh)劃分。②求解器:網(wǎng)格劃分完成后導(dǎo)入CFD分析軟件,完善鼻腔的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)及計(jì)算方程等設(shè)定,并對(duì)管道壁設(shè)定合適的物理模型,對(duì)管道的出入口設(shè)定符合鼻腔通氣的壓力、初始流速及溫度等邊界條件,各部分設(shè)定完成后交由軟件進(jìn)行計(jì)算求解。③后處理:得到計(jì)算結(jié)果后,將數(shù)值導(dǎo)出進(jìn)行各項(xiàng)流體力學(xué)參數(shù)的數(shù)據(jù)分析,并可使用流線(streamline)、流體力學(xué)參數(shù)等高線圖(contour mapping)等,將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。

2 CFD分析常用計(jì)算方程

求解器的相關(guān)參數(shù)及方程式設(shè)定是影響CFD分析結(jié)果最關(guān)鍵的部分,目前大部分CFD分析軟件,在初始設(shè)定中提供多種數(shù)值近似方法,包括非定常大渦模擬(unsteady large eddy simulation)、使用兩方程湍流模型的雷諾平均納維-斯托克斯方程(Reynolds-Averaged Navier-Stokes with two-equation turbulence models)、單方程的SA模型(one-equation Spalart-Allmaras model)等。Mylavarapu等[5]建立實(shí)際的鼻腔物理模型,比較實(shí)際模型和CFD分析之間在速度和壓力結(jié)果上的誤差,結(jié)果顯示使用標(biāo)準(zhǔn)k-ω湍流模型的雷諾平均納維-斯托克斯方程計(jì)算出的流體力學(xué)結(jié)果和鼻腔物理模型最相符。

3 CFD常用參數(shù)

鼻腔CFD分析常用指標(biāo)包括壓力(pressure,單位Pa)、流阻(flow resistance,單位Pa·ml-1·s)、壁面切應(yīng)力(wall shear stress,單位Pa)、速度(velocity,單位m/s)、溫度(temperature,單位℃或K)、熱流(heat flux,單位W/m2)、流率(flow rate,單位ml/s或L/min)等。

壓力,一般指總壓,為靜壓力加速度壓力。一般而言,整體鼻腔壓力分布越均勻,最大、最小壓力相差越小,鼻腔通氣越優(yōu)。Lim等[6]在層流條件(流率設(shè)定125 ml/s)和湍流條件(流率設(shè)定400 ml/s)下分析3組鼻腔三維重建模型的壓力分布等高線圖,結(jié)果顯示湍流條件下壓力下降變化更顯著,使用100～425 ml/s流率條件對(duì)同樣的三維模型進(jìn)行CFD分析,結(jié)果顯示鼻腔通氣入口處的壓力隨流率的增加而顯著增加,鼻腔出口處的壓力則沒(méi)有明顯變化,鼻腔入口至出口處的壓力下降顯著增加。Chen等[7]以三維軟件人為擴(kuò)大鼻腔三維重建模型中的下鼻甲,生成健康、中度鼻塞和重度鼻塞的鼻腔三維模型,分析三者的三維構(gòu)型和CFD參數(shù)之間的關(guān)系,結(jié)果顯示吸入流率設(shè)定為17.4 L/min時(shí),中度鼻塞(17.79 Pa)和重度鼻塞(30.12 Pa)的鼻腔壓力下降值遠(yuǎn)高于健康鼻腔(9.57 Pa),流率增加時(shí),這種差異會(huì)成比例地增加。Ramanathan等[8]選擇12例單側(cè)完全性唇腭裂,觀察鼻中隔矯正術(shù)前及術(shù)后的鼻腔流體力學(xué)變化,包括鼻腔體積、流速、壓力、壁面切應(yīng)力、鼻阻力參數(shù),術(shù)后壓力(中位數(shù)116.10 Pa下降至43.39 Pa,P=0.004)以及最大壁面切應(yīng)力(中位數(shù)6.15 Pa下降至2.51 Pa,P=0.002)下降顯著。

鼻腔整體壓力變化的趨勢(shì),由前鼻孔至鼻咽部呈現(xiàn)下降趨勢(shì),下降程度越小,鼻腔通氣越好,因而衍生出流阻的概念,計(jì)算方式為整體鼻腔通氣道前后的壓力差(Pa)除以流率(ml/s),配合鼻聲反射以及鼻阻力,在鼻腔CFD分析中應(yīng)用較廣泛。汪濤等[9]選擇38例單側(cè)外傷性鼻前庭區(qū)狹窄患者使用3D打印技術(shù)制造鼻前庭支撐器,整個(gè)狹窄側(cè)鼻腔鼻阻力由手術(shù)前的(0.036±0.024) Pa·ml-1·s降低到治療后的(0.022±0.008)Pa·ml-1·s(P<0.01),總鼻腔鼻阻力從術(shù)前的(0.033±0.020)Pa·ml-1·s降低到治療后的(0.021±0.007)Pa·ml-1·s(P<0.01)。Li等[10]納入20例單純鼻中隔偏曲以及20例鼻中隔偏曲伴泡狀中鼻甲(concha bullosa)患者,分析2組CFD參數(shù)的差異,結(jié)果顯示,單純鼻中隔偏曲者鼻阻力堵塞側(cè)明顯大于非堵塞側(cè)[(0.26±0.05) vs.(0.10±0.03)kPa·L-1·s,P=0.000],而伴泡狀中鼻甲者雙側(cè)差異無(wú)顯著性[(0.23±0.12) vs.(0.22±0.11)kPa·L-1·s,P=0.71],伴泡狀中鼻甲者總鼻氣道阻力[(0.22±0.13)kPa·L-1·s]顯著高于單純鼻中隔偏曲者[(0.19±0.10)kPa·L-1·s,P=0.000]。

壁面切應(yīng)力指流體和管道表面之間的摩擦力,根據(jù)流體力學(xué)中邊界層(boundary layer)和黏滯力(viscous force)的理論,壁面切應(yīng)力可以在一定程度上反映通氣道的阻力。Li等[11]對(duì)6例空鼻癥及14名健康對(duì)照進(jìn)行CFD分析,其中空鼻癥中3例行下鼻甲縮減術(shù),結(jié)果顯示下鼻道的壁面切應(yīng)力在術(shù)后相比術(shù)前減少[(3.4±3.1)×10-2vs.(7.5±4.2)×10-2Pa,P<0.01]。Corda等[12]使用CFD分析對(duì)新生兒、嬰兒和成人的鼻氣道氣流模式進(jìn)行研究,結(jié)果顯示鼻腔前部分的壁面切應(yīng)力最大,平均值分別為0.48、0.25和0.58 Pa,結(jié)合解剖特征比較,認(rèn)為新生兒的下鼻道尚未發(fā)育完全,因而影響通氣功能,尤其以下鼻道區(qū)域?yàn)橹im等[6]分析前庭、鼻瓣、中鼻甲和鼻咽平面的速度等高線圖,并在層流和湍流條件下進(jìn)行CFD參數(shù)分析,結(jié)果顯示鼻腔最大壁面切應(yīng)力位于鼻腔前部。Chen等[7]的研究結(jié)果顯示,與健康鼻相比,嚴(yán)重鼻塞的鼻腔最大壁面切應(yīng)力增加2倍以上。Li等[10]的研究顯示,單純鼻中隔偏曲者最大壁面切應(yīng)力堵塞側(cè)明顯大于非堵塞側(cè)[(0.86±0.63)vs.(0.64±0.48)Pa,P=0.000],而伴泡狀中鼻甲者雙側(cè)差異無(wú)顯著性[(0.80±0.43) vs.(0.75±0.44)Pa,P=0.7],提示泡狀中鼻甲有穩(wěn)定雙側(cè)氣流的功能。Farzal等[13]利用CFD分析前位鼻中隔穿孔的大小和形狀對(duì)鼻腔通氣等功能的影響,等高線圖結(jié)果顯示整體壁面切應(yīng)力隨著穿孔大小的增加而增加,而穿孔區(qū)域后方是壁面切應(yīng)力最大的部分。Hazeri等[14]使用10名健康受試者鼻腔CT進(jìn)行CFD分析,將鼻腔劃分為12個(gè)區(qū)域觀察流率為7.5 L/min和15 L/min時(shí)各個(gè)部位的壁面切應(yīng)力,結(jié)果顯示鼻前庭[15 L/min:(75.1±35)Pa;7.5 L/min:(25.6±15)Pa]和鼻咽部[(74.6±23)Pa;(26.7±10)Pa]的壁面切應(yīng)力最大,中鼻甲[(54.2±14)Pa;(19.8±5.2)Pa]和下鼻甲[(43.6±12)Pa;(17.7±5.1)Pa]高于上鼻甲[(21±7.9)Pa;(7.3±2.8)Pa]。

速度指鼻腔中空氣的流速,包括平均流速、流速分布以及最大流速。根據(jù)流體力學(xué)原理,在壓力、溫度不變的情況下,管道越狹窄,速度越快。在鼻腔通氣生理中,管道狹窄直接導(dǎo)致氣流不暢。另外,根據(jù)流體力學(xué)原理,速度增加也表示流體由層流(laminar flow)向過(guò)渡流(transition flow)、紊流(turbulent flow)轉(zhuǎn)變,紊流的流體能量損耗更大,流體阻力增加。因此,速度提高提示鼻通氣功能下降。流率為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)截面的流體質(zhì)量,在流體力學(xué)原理中與速度有區(qū)別,但在大部分臨床應(yīng)用中被劃歸為相似的概念。汪濤等[10]的研究顯示,支撐擴(kuò)張后,鼻瓣區(qū)氣流平均速度[(2.97±1.73)vs.(1.81±0.68)m/s]、下鼻甲冠狀截面平均速度均較術(shù)前顯著改善(P<0.05)。Lim等[6]分析前庭、鼻瓣、中鼻甲和鼻咽平面的速度等高線圖,結(jié)果顯示中隔偏曲和變應(yīng)性鼻炎對(duì)中鼻甲的流體速度影響最小,但在鼻咽處為最大;整體最大速度位于鼻閾,最小速度位于中鼻甲處。Chen等[7]的研究結(jié)果顯示,健康、中度鼻塞和重度鼻塞的最大速度分別為5.69、7.39和11.01 m/s。Tao等[15]通過(guò)流率、氣流分布、速度等高線圖等分析不同鼻中隔矯正手術(shù)方案對(duì)鼻腔氣流改善的影響,結(jié)果顯示,在矯正鼻中隔軟骨偏離、篩骨垂直板、嘔吐物和上頜骨鼻嵴的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步糾正鼻前庭和鼻中隔尾部偏曲的阻塞,會(huì)進(jìn)一步改善鼻腔通氣。Li等[10]的研究顯示,單純鼻中隔偏曲者最大氣流速度堵塞側(cè)明顯大于非堵塞側(cè)[(4.89±2.37) vs.(3.87±1.99)m/s,P=0.000],而伴泡狀中鼻甲者雙側(cè)差異無(wú)顯著性[(4.42±1.86) vs.(4.15±1.17)m/s,P=0.59]。Tretiakow等[16]對(duì)16位受試者的CT進(jìn)行鼻腔三維重建,包括鼻中隔偏曲伴泡狀鼻甲5例、鼻中隔偏曲2例、泡狀鼻甲1例、正常8例,使用CFD分析輸出速度流線圖,結(jié)果顯示,有鼻塞癥狀的中隔偏曲伴泡狀鼻甲者,鼻腔速度流線相較健康受試者分布更不均勻,具有更多的局部高流速區(qū)域,提示鼻腔通氣功能下降。

熱流,或稱為熱傳導(dǎo),根據(jù)研究目的不同,其單位及性質(zhì)變化較大,包括單純分析鼻腔溫度變化、總熱通量、峰值熱通量,亦或結(jié)合熱力學(xué)、氣動(dòng)力學(xué)等進(jìn)行綜合分析,熱傳導(dǎo)與患者的臨床癥狀關(guān)系密切,因此也是CFD分析中應(yīng)用較多的部分。Issakhov等[17]利用熱力學(xué)配合壓力、速度研究鼻腔的加溫、加濕功能,結(jié)果顯示鼻腔在極端冷熱環(huán)境中具有自適應(yīng)行為,例如寒冷環(huán)境下鼻腔縮窄以增強(qiáng)加溫效率。汪濤等[9]的研究顯示,支撐擴(kuò)張后,鼻腔加溫效率(nasal warming efficiency,NWE)和鼻腔加濕效率(nasal humidification efficiency,NHE)均顯著改善(P<0.01)。Casey等[18]對(duì)15例有鼻阻塞癥狀者以及15位健康者的鼻腔三維模型進(jìn)行分析,結(jié)果顯示單側(cè)鼻腔總流率(total unilateral airflow,單位ml/s)、單側(cè)鼻腔黏膜熱流>50 W/m2的面積值(SAHF50,單位cm2)和鼻阻塞癥狀評(píng)估(Nasal Obstruction Symptom Evaluation,NOSE)以及視覺模擬評(píng)分(Visual Analogue Scale,VAS)有相關(guān)性(單側(cè)鼻腔總流率:NOSEr=-0.55,P=0.0016,VASr=-0.49,P=0.0056;SAHF50:NOSEr=-0.55,P=0.0016,VASr=-0.51,P=0.0038)。Sullivan等[19]使用10例鼻堵患者術(shù)前和術(shù)后CT圖像進(jìn)行CFD分析,觀察到SAHF50與NOSE及VAS相關(guān)性較高(NOSE:r=-0.76;VAS:r=0.63)。Li等[10]的研究顯示,單純鼻中隔偏曲者最小氣流溫度堵塞側(cè)明顯大于非堵塞側(cè)[(303.1±2.70) vs.(299.89±1.73)K,P=0.000],而伴泡狀中鼻甲者雙側(cè)差異無(wú)顯著性[(301.52±1.82) vs.(301.38±1.60)K,P=0.79]。Tjahjono等[20]選擇11位健康受試者,記錄NOSE和VAS評(píng)分,并使用溫度探子測(cè)量黏膜溫度,與CFD分析得到的溫度參數(shù)對(duì)比,觀察到測(cè)得的鼻前庭黏膜溫度與CFD分析所得溫度相關(guān)性高(r=0.87,P<0.05),單側(cè)鼻腔VAS與鼻黏膜溫度也具有一定相關(guān)性(r=0.42～0.46,P<0.05),SAHF50與單側(cè)VAS(r=-0.31～-0.36,P<0.05)及單側(cè)鼻黏膜溫度(r=-0.37～-0.41,P<0.05)相關(guān)性較弱。Kolanjiyil等[21]入組20位健康受試者,使用CFD分析聯(lián)合單向和雙向耦合建立兩種鼻噴霧泵的氣動(dòng)力學(xué)模型,結(jié)果顯示,雙向耦合模擬表明,平均直徑<70 μm的液滴飛散距離更遠(yuǎn),鼻腔后部沉積增加2倍,單向和雙向耦合的結(jié)果相差約為30%,結(jié)合體內(nèi)測(cè)試的數(shù)據(jù),認(rèn)為鼻噴霧的氣動(dòng)力學(xué)可能需要使用雙向耦合進(jìn)行模擬。

4 CFD分析的真實(shí)性研究

雖然鼻腔CFD分析有便捷性、無(wú)創(chuàng)、可視化等優(yōu)勢(shì),但作為一種數(shù)值模擬分析方法,其真實(shí)性有待證實(shí)。目前臨床上已經(jīng)有鼻聲反射儀、鼻阻力儀等發(fā)展成熟的鼻腔通氣功能和結(jié)構(gòu)的客觀分析方法,配合主觀癥狀評(píng)分(如NOSE、VAS等),綜合作為CFD分析的金標(biāo)準(zhǔn),部分研究圍繞CFD分析與鼻聲反射儀、鼻阻力儀和主觀評(píng)分之間的比較,驗(yàn)證CFD分析的真實(shí)性。一些研究認(rèn)為CFD分析與鼻聲反射儀和鼻阻力儀的整體相關(guān)性不高,如Schmidt等[22]分析17例鼻塞患者2種鼻阻力儀測(cè)量和CFD分析之間的相關(guān)性,認(rèn)為鼻阻力儀測(cè)量與CFD分析之間的相關(guān)性較差(r2<0.5),并且CFD分析系統(tǒng)性高估了基于鼻阻力儀的流率測(cè)量值(231.8 ml/s和328.3 ml/s);Zhao等[23]對(duì)22位健康者記錄VAS并進(jìn)行鼻聲反射儀及鼻阻力儀測(cè)試,結(jié)果顯示CFD分析的鼻阻力結(jié)果與鼻聲反射測(cè)量的阻力有一定相關(guān)性,但較弱(r=0.41,P<0.01)。Cherobin等[24]記錄25例鼻塞患者使用鹽酸羥甲唑啉前后的主觀癥狀評(píng)分VAS、CFD分析和鼻阻力儀等結(jié)果,觀察到CFD參數(shù)與鼻阻力儀結(jié)果的相關(guān)性較弱(r=0.41,P=0.003),VAS和CFD參數(shù)中的流率相關(guān)性也較弱(r=-0.42,P=0.003),但在流率上兩者相關(guān)性較鼻阻力高(r=0.76,P<0.001),使用Bland-Altman分析結(jié)果顯示,相較于鼻阻力儀,CFD分析低估了鼻阻力(RCFD/R鼻阻力儀=0.65±0.63),高估了流率(QCFD/Q鼻阻力儀=2.1±1.7),作者將其歸因于CFD分析時(shí)針對(duì)鼻腔流體壁的剛體假設(shè)。一些研究則觀察到CFD分析方法與鼻聲反射和鼻阻力儀有較高的相關(guān)性,如Casey等[18]觀察到狹窄側(cè)鼻腔的中鼻道和同一水平的總鼻道區(qū)域的流率與NOSE(r=-0.76,P<0.0001)以及VAS(r=-0.64,P=0.0002)相關(guān)性較高,但鼻腔下鼻甲以及上鼻甲周圍區(qū)域流率未顯示這種相關(guān)性(均r<0.25)。Radulesco等[25]比較22例CFD參數(shù)(包括總壓力、熱流、壁面切應(yīng)力、溫度、速度和鼻阻力等)與患者主觀評(píng)分和鼻阻力測(cè)量結(jié)果,觀察到鼻阻力測(cè)量、CFD分析結(jié)果均與主觀評(píng)分有很強(qiáng)相關(guān)性(r=0.75、0.6,均P<0.001),其中熱流與主觀評(píng)分的相關(guān)性最佳(r=0.86),但鼻阻力測(cè)量和CFD分析測(cè)量的鼻阻力差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.003)。Masuda等[26]入組20例鼻腔或鼻竇病變患者,比較CFD分析和鼻阻力儀、鼻聲反射儀的測(cè)量數(shù)據(jù),結(jié)果顯示,CFD分析得到的鼻腔壓力與鼻阻力儀結(jié)果具有強(qiáng)相關(guān)性(Spearman相關(guān)系數(shù)=0.853);CFD分析相較鼻阻力儀診斷鼻阻塞的敏感度和特異度分別為84.6%和57.1%,相較鼻聲反射儀的敏感度和特異度分別為83.3%和50.0%。Janovi等[27]入組232位沒(méi)有干擾鼻阻塞的呼吸道疾病史的成人,使用CFD分析探討鼻腔不對(duì)稱性和鼻阻力以及鼻塞嚴(yán)重程度、鼻中隔結(jié)構(gòu)異常的關(guān)系,結(jié)果顯示左右側(cè)鼻腔流阻差與NOSE評(píng)分有較高相關(guān)性(r=0.762,P=0.028),而單側(cè)流率與流阻有輕微相關(guān)(r=-0.524,P=0.037)。

根據(jù)這些真實(shí)性研究,大部分CFD分析能較好地反映患者的主觀通氣感受,但其所得結(jié)果需要配合一些特殊方法,如鼻周期修正、特定區(qū)域的CFD分析等,才能得到更符合實(shí)際通氣的結(jié)果;并且CFD分析由于目前分析技術(shù)的限制,傾向于低估鼻阻力的大小。

5 小結(jié)

CFD分析的應(yīng)用為鼻腔通氣功能評(píng)估提供了新的視角。通過(guò)建立精確的計(jì)算機(jī)模型,模擬鼻腔內(nèi)的流體動(dòng)力學(xué)過(guò)程,CFD分析能夠無(wú)創(chuàng)地評(píng)估通氣功能,幫助了解患者通氣功能狀態(tài)。CFD分析通過(guò)模擬不同狀態(tài)下鼻腔流體力學(xué)的變化,能夠揭示鼻腔通氣功能不良的流體力學(xué)機(jī)制,為鼻堵的診斷和治療提供有力支持。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,CFD分析在鼻閾功能評(píng)估中的應(yīng)用將更加廣泛和深入。通過(guò)改進(jìn)CFD模型、提高模擬精度,能夠更準(zhǔn)確地評(píng)估鼻閾功能,從而為個(gè)體化治療提供依據(jù)。同時(shí),結(jié)合其他醫(yī)學(xué)影像技術(shù),如MRI和CT等,能夠更全面地了解鼻腔的結(jié)構(gòu)和功能,為疾病的預(yù)防和治療提供更多可能性。

總之,CFD分析在鼻閾功能不良評(píng)估中具有巨大的潛力。應(yīng)用CFD分析能夠更精確地評(píng)估通氣功能,為疾病的診斷和治療提供重要參考。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,CFD分析將在未來(lái)的醫(yī)學(xué)實(shí)踐中發(fā)揮更重要的作用。