正常及外科干預(yù)后鼻腔鼻竇的計(jì)算流體力學(xué)研究.pdf

1、研究目的： 本課題將鼻腔鼻竇作為一個(gè)完整系統(tǒng)，從氣流力學(xué)的角度闡述正常鼻腔和一些外科干預(yù)手段后，鼻腔鼻竇解剖結(jié)構(gòu)的改變與鼻腔生理功能—病理基礎(chǔ)之間的關(guān)系。為闡明鼻呼吸生理學(xué)、了解鼻腔鼻竇以及某些下呼吸道相關(guān)性疾病的病因?qū)W，進(jìn)一步提出解決某些鼻腔呼吸障礙性或炎癥性疾病治療的概念奠定相關(guān)的理論基礎(chǔ)。 本課題通過計(jì)算流體力學(xué)的方法，具體對以下四方面的內(nèi)容進(jìn)行研究：（1）探索正常人鼻腔、鼻竇穩(wěn)態(tài)吸氣相和呼氣相的流場特點(diǎn)；（2）鉤

2、突對正常鼻腔的氣流走向、壓力、流速、分布和對鼻竇氣流交換的影響；（3）全鼻竇開放術(shù)后，由于解剖結(jié)構(gòu)改變所引起的鼻腔、鼻竇氣流走向、速度、壓力和分布，鼻腔—鼻竇氣流交換的變化；（4）比較鼻內(nèi)鏡下切除和保留鉤突的全鼻竇開放手術(shù)后鼻腔鼻竇氣流參數(shù)之間的差異，從而探討新的手術(shù)方式—保留鉤突的全鼻竇開放術(shù)的可行性。 對象和方法： 1、在經(jīng)過篩選的正常成人頭部CT掃描和三維重建基礎(chǔ)上，使用Fluent6.1.22軟件模擬出正常人鼻腔

3、、鼻竇結(jié)構(gòu)，利用Navier—Stokes方程計(jì)算正常鼻腔在穩(wěn)態(tài)呼吸狀態(tài)下氣流速度、壓力、分布、跡線和鼻竇氣流交換等的氣場參數(shù)。 2、在正常成人鼻竇CT掃描影像的基礎(chǔ)上，使用Fluent6.1.22軟件模擬出正常人鼻腔、鼻竇結(jié)構(gòu)和切除鉤突后的鼻腔—鼻竇結(jié)構(gòu)，利用Navier—Stokes方程分別計(jì)算穩(wěn)態(tài)呼吸情況下切除鉤突前后鼻腔—鼻竇的氣流流速、壓力、分布和跡線。 3、在正常成人鼻竇CT掃描影像基礎(chǔ)上，使用Fluent6

4、.1.22軟件模擬出正常人鼻腔、鼻竇結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上再模擬出鼻內(nèi)鏡下全鼻竇開放術(shù)后的鼻腔、鼻竇模型，利用Navier—Stokes方程計(jì)算、比較穩(wěn)態(tài)呼吸情況下兩者的氣流流速、壓力、分布、跡線和鼻竇氣流交換等氣場參數(shù)之間的差異。 4、在經(jīng)過篩選的冰凍尸體頭顱上分別進(jìn)行兩種內(nèi)鏡鼻竇手術(shù)的操作：右側(cè)鼻腔行全鼻竇開放手術(shù)，左側(cè)鼻腔行保留鉤突的鼻竇開放手術(shù)。在手術(shù)前后進(jìn)行鼻竇CT掃描，使用Fluent6.1.22軟件模擬出尸體手術(shù)前后鼻

5、腔、鼻竇的結(jié)構(gòu)，再利用Navier—Stokes方程計(jì)算、比較穩(wěn)態(tài)呼吸情況下兩種手術(shù)方式對鼻腔氣流流速、壓力、分布、和鼻竇氣流交換等氣場參數(shù)的影響。 結(jié)果： 1、正常人鼻腔與鼻竇氣流動力學(xué)的計(jì)算機(jī)模擬研究： （1）在穩(wěn)態(tài)吸氣和呼氣狀態(tài)下，鼻腔氣流的主要流經(jīng)途徑是總鼻道和中鼻道，二者分別占鼻腔總氣流的50％和30％以上。固有鼻腔內(nèi)的氣流速度在總鼻道最大、中鼻道次之。穩(wěn)態(tài)呼吸狀態(tài)下各鼻竇內(nèi)的氣流速度均小于0.01m/

6、s。（2）鼻腔氣流以層流為主，但在鼻腔流場中也存在幾個(gè)大小不等的旋渦。下鼻道和總鼻道下部的氣流跡線呈直線為主；中鼻道、上鼻道和總鼻道的中上部，氣流跡線呈拋物線形，且上鼻道和總鼻道上部區(qū)域拋物線軌跡最為明顯。（3）穩(wěn)態(tài)呼吸狀態(tài)下，氣流進(jìn)入鼻腔后的壓力呈逐漸下降趨勢。在固有鼻腔中，前中部、下鼻甲前端、中鼻甲前端、鉤突處壓力較大。上頜竇內(nèi)外壓力差最大處為1.5pasca1，其它各鼻竇內(nèi)外壓力差更小，各鼻竇氣流交換極小。 2、鉤突對鼻腔

7、和上頜竇氣流影響的研究： （1）切除鉤突前后氣流在鼻腔主要通道的壓力和分布基本沒變化：總鼻道和中鼻道仍然分別約占鼻腔氣體總流量的50％和30％左右。（2）切除鉤突前后鼻腔內(nèi)氣流速度均在總鼻道最大、中鼻道次之；鼻腔氣流最大速度仍然出現(xiàn)在左鼻閾與下鼻甲前端之間的區(qū)域，吸氣時(shí)約為4.82m/s，呼氣時(shí)約為4.30m/s。（3）切除鉤突前后氣流在鼻腔主要通道的跡線基本沒變化：下鼻道和總鼻道下部的氣流跡線仍然呈直線為主；中鼻道、上鼻道和總

8、鼻道的中上部，氣流跡線仍呈拋物線形。（4）切鉤突前鉤突附近區(qū)域吸氣相最大速度為2.63m/s，呼氣相最大速度為2.70m/s；切鉤突后，該區(qū)域的氣流最大速度均增加，吸氣相為2.81m/s，呼氣相為2.84m/s。（5）鉤突切除后上頜竇內(nèi)的氣流量增加，吸氣相增加0.85ml/s，呼氣相增加2.01ml/s，呼氣相比吸氣相增加明顯。 3、全鼻竇開放術(shù)后鼻腔鼻竇氣流力學(xué)的研究： （1）全鼻竇開放手術(shù)后鼻腔總鼻道的流量減少，相應(yīng)

9、地中鼻道和開放的篩竇連通區(qū)域的氣流量增加，在穩(wěn)態(tài)吸氣時(shí)增加10％，呼氣時(shí)增加9％。（2）相當(dāng)于原竇口鼻道復(fù)合體的手術(shù)區(qū)域的氣流速度提高；鼻腔流場的最大速度發(fā)生了變化，手術(shù)后吸氣時(shí)左側(cè)鼻腔出現(xiàn)了兩個(gè)高速區(qū)域，一是與手術(shù)前一致的下鼻甲前端的高速區(qū)域，另一高速區(qū)域在中鼻道的前端，相當(dāng)于原鉤突與中鼻道之間的區(qū)域，速度5.03m/s。（3）手術(shù)后氣流在鼻前庭、總鼻道、下鼻道、鼻咽等位置的跡線與手術(shù)前大致相近；但手術(shù)區(qū)域的氣流軌跡發(fā)生了較大變化，上

10、頜竇、篩竇連通區(qū)域和蝶竇內(nèi)形成大范圍的渦旋。（4）全鼻竇開放后鼻腔的總體壓力依然是逐步減少，其中鼻腔中部壓力減少最多。（5）各鼻竇內(nèi)氣流交換均有不同程度的增加，上頜竇最多，蝶竇次之，額竇氣流增加不明顯。 4、切除和保留鉤突的全鼻竇開放手術(shù)對鼻腔鼻竇氣流速度和分布的影響： （1）兩種手術(shù)后，氣流在鼻前庭、鼻閾、總鼻道、下鼻道、鼻咽等位置的速度與手術(shù)前相比沒有發(fā)生明顯的變化，速度發(fā)生變化的區(qū)域是中鼻道、上鼻道、篩竇和上頜竇的

11、手術(shù)區(qū)域；而且右側(cè)鼻腔手術(shù)區(qū)域的速度變化比左側(cè)鼻腔的大。（2）手術(shù)前鉤突內(nèi)外側(cè)存在氣流速度梯度：左側(cè)鉤突外側(cè)面氣流速度在0～0.196m/s，內(nèi)側(cè)速度在1.956～2.152m/s；右側(cè)外側(cè)面速度0～0.131m/s，內(nèi)側(cè)1.574～1.705m/s，對上頜竇有很好的屏障作用；手術(shù)后左側(cè)鼻腔鉤突內(nèi)外側(cè)的速度梯度仍然存在，但右側(cè)鼻腔處消失。（3）手術(shù)前左右鼻腔的氣流均主要流經(jīng)總鼻道和中鼻道，且以總鼻道為主。手術(shù)后右側(cè)鼻腔中以中鼻道為主的手

12、術(shù)區(qū)域氣流量比術(shù)前增加了6.6％，而左側(cè)鼻腔手術(shù)后各鼻道的氣流分布和手術(shù)前相差不大。（4）、手術(shù)后各鼻竇的氣流量比手術(shù)前增加，和左側(cè)鼻腔的各鼻竇相比，手術(shù)后右側(cè)鼻腔各鼻竇氣流量呈倍數(shù)增加；手術(shù)后進(jìn)入鼻竇的最大氣流量發(fā)生在右側(cè)上頜竇，為19.02ml/s。 結(jié)論： 1、正常鼻腔氣流的運(yùn)動軌跡主要有兩種形式：一是以直線軌跡流經(jīng)總鼻道下部和下鼻道，二是呈拋物線軌跡流經(jīng)總鼻道中、上部和中、上鼻道。在穩(wěn)態(tài)吸氣和呼氣狀態(tài)下，鼻腔氣流

13、的主要流經(jīng)途徑是總鼻道和中鼻道；在固有鼻腔中，下鼻甲、中鼻甲前端、鉤突區(qū)域是受外界氣流沖擊的主要部位；各鼻竇與鼻腔之間的氣流交換極少。 2、從氣流力學(xué)的研究角度認(rèn)為，鉤突結(jié)構(gòu)主要影響鉤突附近區(qū)域的氣流速度和上頜竇的氣流交換。 3、全鼻竇開放術(shù)后的鼻腔中，以中鼻道為主的手術(shù)區(qū)域的氣流速度、流量和跡線都發(fā)生了變化，各鼻竇的氣流交換增加，以上頜竇最為明顯。 4、切除鉤突的全鼻竇開放手術(shù)后的鼻腔氣流力學(xué)參數(shù)與正常的鼻腔氣