正常及外科干預后鼻腔鼻竇的計算流體力學研究.pdf

1、研究目的： 本課題將鼻腔鼻竇作為一個完整系統(tǒng)，從氣流力學的角度闡述正常鼻腔和一些外科干預手段后，鼻腔鼻竇解剖結構的改變與鼻腔生理功能—病理基礎之間的關系。為闡明鼻呼吸生理學、了解鼻腔鼻竇以及某些下呼吸道相關性疾病的病因學，進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的理論基礎。 本課題通過計算流體力學的方法，具體對以下四方面的內容進行研究：（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；（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）全鼻竇開放術后，由于解剖結構改變所引起的鼻腔、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）比較鼻內鏡下切除和保留鉤突的全鼻竇開放手術后鼻腔鼻竇氣流參數之間的差異，從而探討新的手術方式—保留鉤突的全鼻竇開放術的可行性。 對象和方法： 1、在經過篩選的正常成人頭部CT掃描和三維重建基礎上，使用Fluent6.1.22軟件模擬出正常人鼻腔

3、、鼻竇結構，利用Navier—Stokes方程計算正常鼻腔在穩(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。 2、在正常成人鼻竇CT掃描影像的基礎上，使用Fluent6.1.22軟件模擬出正常人鼻腔、鼻竇結構和切除鉤突后的鼻腔—鼻竇結構，利用Navier—Stokes方程分別計算穩(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掃描影像基礎上，使用Fluent6

4、.1.22軟件模擬出正常人鼻腔、鼻竇結構，并在此基礎上再模擬出鼻內鏡下全鼻竇開放術后的鼻腔、鼻竇模型，利用Navier—Stokes方程計算、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之間的差異。 4、在經過篩選的冰凍尸體頭顱上分別進行兩種內鏡鼻竇手術的操作：右側鼻腔行全鼻竇開放手術，左側鼻腔行保留鉤突的鼻竇開放手術。在手術前后進行鼻竇CT掃描，使用Fluent6.1.22軟件模擬出尸體手術前后鼻

5、腔、鼻竇的結構，再利用Navier—Stokes方程計算、比較穩(wěn)態(tài)呼吸情況下兩種手術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的影響。 結果： 1、正常人鼻腔與鼻竇氣流動力學的計算機模擬研究： （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。上頜竇內外壓力差最大處為1.5pasca1，其它各鼻竇內外壓力差更小，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在左鼻閾與下鼻甲前端之間的區(qū)域，吸氣時約為4.82m/s，呼氣時約為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、全鼻竇開放術后鼻腔鼻竇氣流力學的研究： （1）全鼻竇開放手術后鼻腔總鼻道的流量減少，相應

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)吸氣時增加10％，呼氣時增加9％。（2）相當于原竇口鼻道復合體的手術區(qū)域的氣流速度提高；鼻腔流場的最大速度發(fā)生了變化，手術后吸氣時左側鼻腔出現了兩個高速區(qū)域，一是與手術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，相當于原鉤突與中鼻道之間的區(qū)域，速度5.03m/s。（3）手術后氣流在鼻前庭、總鼻道、下鼻道、鼻咽等位置的跡線與手術前大致相近；但手術區(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對鼻腔鼻竇氣流速度和分布的影響： （1）兩種手術后，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、手術區(qū)域；而且右側鼻腔手術區(qū)域的速度變化比左側鼻腔的大。（2）手術前鉤突內外側存在氣流速度梯度：左側鉤突外側面氣流速度在0～0.196m/s，內側速度在1.956～2.152m/s；右側外側面速度0～0.131m/s，內側1.574～1.705m/s，對上頜竇有很好的屏障作用；手術后左側鼻腔鉤突內外側的速度梯度仍然存在，但右側鼻腔處消失。（3）手術前左右鼻腔的氣流均主要流經總鼻道和中鼻道，且以總鼻道為主。手術后右側鼻腔中以中鼻道為主的手

12、術區(qū)域氣流量比術前增加了6.6％，而左側鼻腔手術后各鼻道的氣流分布和手術前相差不大。（4）、手術后各鼻竇的氣流量比手術前增加，和左側鼻腔的各鼻竇相比，手術后右側鼻腔各鼻竇氣流量呈倍數增加；手術后進入鼻竇的最大氣流量發(fā)生在右側上頜竇，為19.02ml/s。 結論： 1、正常鼻腔氣流的運動軌跡主要有兩種形式：一是以直線軌跡流經總鼻道下部和下鼻道，二是呈拋物線軌跡流經總鼻道中、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、從氣流力學的研究角度認為，鉤突結構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、全鼻竇開放術后的鼻腔中，以中鼻道為主的手術區(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后的鼻腔氣流力學參數與正常的鼻腔氣