前鼻腔狹窄手術干預的數值模擬研究*

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生于鼻前庭、和內鼻孔，多由于外傷、感染或者手術治療等引起，還可繼發于特異性感染所致的潰爛、燒傷，或者腫瘤切除術后、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，也是前鼻腔狹窄發生最多的部位，瘢痕往往累及前庭底部外側角或鼻翼緣，瘢痕的收縮和增生造成鼻腔前部的環形狹窄。手術方法的選擇需根據狹窄部位、局部隆起的厚度而定，但原則上在切除瘢痕的基礎上，通過“Z”改形充分松解環形瘢痕，術后放置管型擴張管維持鼻孔外形，防止繼發狹窄。

對于前鼻腔狹窄的臨床資料統計和手術技術的研究文獻報道較多，而關于狹窄后對鼻腔氣流場的影響及其與臨床之間關系的研究因為鼻腔結構復雜、實驗難以實施而報道較少。近年來對數值模擬分析方法的探索研究，有學者將數值模擬運用到鼻腔生理學功能研究中，分析鼻腔結構對鼻腔氣流場、溫度場、濕度場等的影響[1-3]，顯示該方法既能夠反應鼻腔生理功能的基本特征，而且也可用于分析鼻腔局部結構變化對功能的影響，能夠從氣流動力學角度闡述鼻腔疾病的生物力學機理，研究鼻腔結構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、個性化干預以及手術方案的設計、評估均有著積極意義[4，5]。

前期我們的研究已通過對Crouzon綜合征患者鼻腔結構及部分術后的鼻腔結構CFD（Computational Fluid Dyuamics,CFD)數值模擬分析，驗證了計算流體力學用于鼻腔氣流場分析的準確性和可靠性。本研究擬對前鼻腔狹窄的鼻腔氣流進行數值模擬，并且在通過手術干預恢復正常鼻腔形態結構后，對比術前術后氣流的改變情況，評估手術對鼻腔通氣功能的影響及手術療效。

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移術，術后帶前鼻腔擴張管并隨訪3月。

2 方法

2.1 數據采集

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：120mA，120kV，螺距1.375mm，床速27.5mm/s，三維重建參數：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格劃分

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

2.3 計算流體力學分析

采用流體力學分析軟件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 μ=1.7894×10-5kg/(m.s))，設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，鼻腔壁處設為無滑移邊界，即鼻腔氣流無逸散（u=v=0），計算區域鼻前庭至后鼻孔鼻咽部。在平靜呼吸狀態下,設前鼻腔處壓力為1個標準大氣壓 ,取雙側前鼻腔為壓力入口，設置為默認值0Pa，后鼻孔鼻咽部為速度出口，設置為400ml/s恒定流量，數值模擬的控制方程為不可壓縮黏性體的Navier-Stokes方程和連續方程，采用層流模式計算穩態吸氣氣流狀況[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據，并對計算結果進行后處理，得到壓強云圖、速度矢量云圖等。

4 統計方法

數值模擬后所得有關壓強、速度等流場信息數據應用專業統計軟件（SAS Release 8.01 TS Level 01M0）進行統計分析。狹窄側鼻腔術前與術后在指定截面上的壓強、速度對比用配對樣本t檢驗統計分析，狹窄側與非狹窄側鼻腔的壓強、速度對比用獨立樣本T檢驗統計分析，P＜0.05顯示差異有統計學意義。

結果

1 前鼻腔狹窄的鼻腔結構特性

26例前鼻腔狹窄患者，其中1例為雙側前鼻腔狹窄，重建的鼻腔CFD模型顯示27側前鼻腔狹窄鼻腔，狹窄均位于鼻腔最小截面積的鼻瓣區，平均為0.40±0.16cm2，較非狹窄側鼻腔的鼻瓣區截面積平均值的0.85±0.18cm2明顯減小，顯示差異有統計學意義（P＜0.01）。手術恢復了正常鼻瓣區結構，截面積增大，平均為0.78±0.18cm2，較術前明顯增大，顯示差異有統計學意義（P＜0.01），接近于非狹窄側鼻腔鼻瓣區截面積，見表1。

表1 術前術后鼻瓣區截面積的比較（26例前鼻腔狹窄，其中1例為雙側狹窄）（cm2）

2 吸氣相氣流壓力和速度局部分布

圖1 術前（上）和術后（下）雙側鼻腔吸氣相壓強分布云圖

圖1和圖2分別顯示數值模擬壓強和速度分布云圖，顯示穩態吸氣狀態下鼻腔壓強和速度分布狀況。術前26例前鼻腔狹窄患者，無論狹窄側鼻腔還是非狹窄側鼻腔，壓力和速度最大值區域均位于鼻瓣區。

圖2 術前（上）和術后（下）雙側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，在狹窄側鼻腔下鼻甲前端平面壓力占總鼻腔的68.9±16%，同樣在術前的非狹窄側鼻腔，平均下鼻甲前端平面壓力只占總鼻腔的22.3±10%（表2）。鼻瓣區為鼻腔最小截面區域，27側前鼻腔狹窄鼻腔狹窄部位正位于鼻瓣區，故氣流通過所產生的壓力變化則越為明顯，狹窄側鼻腔在鼻瓣平面壓力均值為-39.8±21.6pa，而非狹窄側鼻腔在鼻瓣平面壓力均值為-8.7±3.5pa，統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例為雙側狹窄）

表3 鼻瓣區截面的壓強（26例前鼻腔狹窄，其中1例為雙側狹窄）（Pa)

*術前狹窄側與非狹窄側比較差異有統計學意義（t=7.11，P＜0.01)**狹窄側術后比較差異有統計學意義（t=7.83，P＜0.01)

速度分布圖顯示，最大速度均出現在鼻瓣區，27側前鼻腔狹窄鼻腔狹窄部位位于鼻瓣區，在更為狹小的鼻瓣區截面積，術前狹窄側鼻腔最大流速為6.5±2.31m/s，較非狹窄側的2.61±0.6m/s明顯增大，統計分析顯示差異有統計學意義（P＜0.01），見表4。

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

表4 鼻瓣區截面的速度（26例前鼻腔狹窄，其中1例為雙側狹窄）（m/s）

*術前狹窄側與非狹窄側比較差異有統計學意義（t=8.14，P＜0.01)**狹窄側術后比較差異有統計學意義（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壁方向，以便更直觀的呈現壓強在鼻腔內的梯度分布狀況，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，鼻腔內壓強逐漸下降，特別在狹窄側鼻腔，在截面P3處（相當于狹窄的鼻瓣區）出現明顯陡降，說明局部壓降較大，與局部的狹窄有關。

圖3 鼻腔內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 術后吸氣相氣流壓強和速度的變化

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

5 氣流流速和鼻阻力與鼻瓣區截面積相關分析

圖4和圖5分別顯示術前術后局部氣流流速和鼻阻力與鼻瓣區截面積的相關關系，局部速度與橫截面積成反比，相關性較高（R2=0.772）；手術恢復了雙側鼻瓣區的對稱性，隨著鼻瓣區橫截面積增大，鼻阻力下降，鼻腔阻力與鼻瓣區截面積有相關性（R2=0.478）。

圖4 手術前后狹窄側鼻腔內鼻瓣區截面面積與局部平均速度的相關性示意圖

圖5 手術前后狹窄側鼻腔內鼻瓣區截面面積與鼻阻力的相關性示意圖

6 術前術后雙側鼻腔壓強梯度分布的比較

壓強梯度分布顯示，術前在狹窄側鼻腔，狹窄區域出現壓強陡降現象，而術后氣流壓強的下降趨勢與非狹窄側的壓強梯度分布近似，見圖6。

圖6 術前后狹窄側和非狹窄側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，探討鼻腔結構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，利用計算流體力學分析研究鼻腔氣流流場已是很成熟的技術，有研究[8-10]利用CFD技術對鼻內鏡手術前后的鼻腔氣流進行了分析，評估功能性鼻內窺鏡手術對鼻腔氣流和鼻竇氣流的影響。計算流體力學分析的準確性與分析模型的精度相關，本實驗在建模過程中沒有對鼻腔模型的大體結構進行簡化，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確體現鼻腔的氣流流動狀態[11]；實驗所用的鼻腔數據均由64排高分辨率螺旋CT掃描獲得數據，避免因分辨率不足而導致的誤差；研究模型設為剛性體，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數和Prandtl數的檢驗和傳熱傳質的分析，指出在正常呼吸條件下，溫度和濕度對其內部流動無顯著影響，故該研究邊界條件設置時忽略溫度的變化也是可行的；在本實驗計算過程中，將鼻氣道內部流動視為穩態，文獻中在平靜呼吸(7.5～12L/min)時，大部分的鼻腔內的流動處于層流，一小部分處于輕微的湍流，并且有學者[14]通過比較連續時間內記錄的數據發現，在平靜呼吸下的流動是穩態的，且系統的斯特勞哈爾數(Strohal number)ωL/U≈0.18，說明該研究數值模擬中，將鼻腔內部流動視為穩態的的這種簡化是合理可行。實驗證明該研究有關鼻腔壓強、速度的分布數據與目前相關文獻報道的結論相一致[12-14]。前鼻腔狹窄鼻腔結構及流場的探討

研究數據顯示鼻腔最小截面積均出現在鼻瓣區，而狹窄側鼻腔狹窄部位均在鼻瓣區范圍，則造成該區域截面積更為狹小，數值模擬當單側前鼻腔流量恒定時（200ml/s），要保證鼻腔氣道狹窄區域通過固定流量，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；從我們的研究數據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；通過鼻腔內部速度分布數據分析，證實鼻瓣區為最大流速，狹窄側鼻腔比非狹窄側鼻腔流速更為偏大，局部速度與橫截面積成反比（相關系數R2=0.772圖4），這同樣也解釋了氣流流經鼻腔時，相對寬闊的總鼻道與下鼻道和中鼻道交界處會流經大部分的氣流。

術后變化的鼻腔結構對氣流場影響

26例患者均行瘢痕切除和局部皮瓣轉移修復，放置前鼻腔硅膠擴張管3月后復查CT，掃描后進行鼻腔CFD數值模擬顯示鼻前庭區域有明顯增大，手術使得鼻瓣區截面積有不同程度增大，恢復了術前狹窄的鼻瓣區，雙側鼻腔鼻瓣區結構趨于平衡，對稱的鼻瓣區結構對于鼻腔的正常生理功能至關重要，所有導致鼻腔結構不對稱的因素均會影響到鼻腔內氣流的壓強、速度分布和氣流的分配[6]?？陀^評價鼻腔通氣體現在鼻阻力的大小，鼻阻力是指在一定時間內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)。數據顯示26例患者狹窄側鼻腔阻力術后顯著下降（P＜0.01）（表5）。手術恢復了雙側鼻瓣區的對稱性，鼻瓣區橫截面積增大，使得鼻阻力下降，數據顯示單側鼻腔阻力與鼻瓣區截面積相關（相關系數R2=0.478圖5），故從臨床治療的角度考慮術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的狹窄至關重要；從壓強的梯度分布分析來看（圖6），術前狹窄側鼻腔在狹窄區域出現陡降現象，術后氣流壓強的下降梯度趨于平緩，和非狹窄側的梯度分布近似，實驗數據證實手術恢復了對稱的鼻瓣區解剖結構的同時，獲得較為對稱的鼻腔氣流分布，達到平衡的雙側鼻腔通氣功能。

結論

研究證實數值模擬可客觀直接地反映鼻腔氣流特征，術后鼻腔氣流分布規律并沒有因為手術改變鼻瓣區的結構而發生改變，鼻瓣區對鼻腔氣流影響較大；對于前鼻腔狹窄的鼻腔，手術解除鼻瓣區的狹窄對于恢復到正常平衡的鼻腔通氣功能相當重要，也是決定手術療效的關鍵；數值模擬分析可用于鼻功能的評估和手術療效的客觀判斷。本實驗還需大樣本繼續進行研究，來期望得到更全面的數據，為臨床患者個性化手術方式的選擇提供依據。