王 露，蘇英峰，郭 燕，王吉喆，劉迎曦，孫秀珍

(1.大連醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院 耳鼻咽喉科，遼寧 大連116027;2.大連理工大學(xué) 工程力學(xué)系，遼寧 大連116024)

研究發(fā)現(xiàn)一氧化氮(NO)能夠促進鼻腔腺體分泌，調(diào)節(jié)血管張力和黏膜纖毛活性，抗病毒及細(xì)菌的作用，對維持鼻腔-鼻竇的正常生理功能具有重要作用。其中鼻腔-鼻竇內(nèi)的NO 主要產(chǎn)生于鼻竇，通過呼吸氣流循環(huán)進入鼻腔，從而發(fā)揮上述生理功能。有文獻報道真菌性鼻竇炎(FRS)患者呼出氣流中的NO 濃度明顯降低［1］，即相應(yīng)竇腔內(nèi)發(fā)生真菌感染性病變，從而導(dǎo)致鼻竇合成NO 及交換異常，最終導(dǎo)致進入鼻腔的NO 濃度發(fā)生異常改變?？梢姳乔?鼻竇中NO 分布異常參與鼻腔-鼻竇疾病的發(fā)生、發(fā)展過程。鑒于鼻腔-鼻竇結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得對鼻腔-鼻竇中NO 分布進行直接檢測受到限制，限制了NO 對鼻腔-鼻竇疾病影響的深入研究。

運用生物力學(xué)研究方法可以突破上述局限。近年來，隨著醫(yī)學(xué)與力學(xué)等多學(xué)科的深入交叉，有很多學(xué)者通過生物數(shù)值模擬的研究方法對人體器官結(jié)構(gòu)-功能的交互關(guān)系進行了大量研究。其中在鼻科學(xué)方面，有學(xué)者對正常人的鼻腔氣流場進行了系統(tǒng)性的研究［2-3］，在此基礎(chǔ)之上，有文獻報道了鼻腔結(jié)構(gòu)改變?nèi)绫侵懈舸┛?、鼻甲部分切除手術(shù)對鼻腔氣流場的影響，論述了氣流場的變化與鼻腔-鼻竇疾病之間的關(guān)系［4-6］。此外，仍然有學(xué)者進一步對鼻腔的加溫、加濕功能進行了研究，系統(tǒng)分析了鼻腔氣流場、溫度場、濕度場三者之間的關(guān)系，有助于系統(tǒng)研究鼻腔-鼻竇疾病的發(fā)病機制并分析治療方案特別是手術(shù)的有效性。

NO 分布異常與鼻腔-鼻竇疾病密切相關(guān)，而相關(guān)生物數(shù)值模擬研究報道則較少，多是通過測量前鼻孔處的NO 濃度來推測鼻腔-鼻竇內(nèi)的NO 分布情況。本實驗通過對1 例單側(cè)真菌性鼻竇炎患者的氣流場進行數(shù)值模擬，進一步建立簡化鼻腔氣道數(shù)值模型，分析呼氣相鼻腔-鼻竇間NO 的分布及擴散情況，希望有助于NO 與鼻腔-鼻竇病變之間關(guān)系的研究。

1 資料與方法

1.1 實驗對象

1 例女性患者，45 歲，主要表現(xiàn)為“左側(cè)鼻塞5年”，伴鼻涕倒流、頭痛和嗅覺減退。鼻內(nèi)鏡檢查:鼻中隔大致居中，左側(cè)下鼻甲和中鼻甲后端輕度肥厚，未見鼻腔積膿和新生物，右側(cè)未見異常，CT 診斷為左側(cè)真菌性上頜竇炎并于術(shù)后病理得以證實。

1.2 方 法

患者進行鼻部冠狀位CT 掃描，選擇軟組織窗，層厚為2 mm，獲取DICOM 格式二維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

1.2.1 鼻腔-鼻竇氣道三維重建:將DICOM 格式圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入mimics10.01 醫(yī)學(xué)圖像處理軟件中，識別并處理鼻腔氣道影像，其中鼻竇結(jié)構(gòu)僅保留上頜竇，省略篩竇、額竇和蝶竇等，得到STL 格式的模型;應(yīng)用geomagic studio12.0 軟件生成光滑曲面;運用ICEM CFD 軟件進行網(wǎng)格劃分，最終獲得msh 類型文件。

鼻腔- 鼻竇氣流場有限元分析:運用Ansys 13.0集成軟件庫中的Fluent 13.0，選用SIMPLEC 算法計算，求解連續(xù)性方程和N-S 方程:

式中ux、uy、uz分別為氣流在不同方向的速度;ρ為空氣密度;p 為空氣壓強;f 為體積力;v 為運動粘性系數(shù)。

邊界條件和載荷:氣流為不可壓縮流體;鼻腔氣道壁設(shè)定為無滑移邊界，即Vs=0 m/s;前鼻孔處設(shè)為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;鼻咽部為氣流出口，設(shè)定潮氣量為600 mL，呼吸頻率為20 次/min，呼吸周期為3 s，呼吸相均為1.5 s，計算得到鼻咽部氣流速度V(m/s)。

1.2.2 鼻腔-鼻竇間NO 擴散的數(shù)值模擬:鼻腔-鼻竇NO 分布與擴散是氣體流動與NO 擴散耦合力學(xué)行為，因鼻腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本實驗在鼻腔-鼻竇氣流場分析的基礎(chǔ)之上，建立結(jié)構(gòu)簡化的鼻腔-鼻竇模型進行NO 擴散數(shù)值分析，本文以NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)比來評估擴散情況，NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)比=前鼻孔NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/上頜竇口處NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)。同時因為額竇、篩竇和蝶竇結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜且變化較大，本實驗予以忽略，簡化模型中主要選擇上頜竇作為NO 產(chǎn)生源，其中后鼻孔作為呼氣相氣流入口，前鼻孔作為氣流出口。

簡化鼻腔-鼻竇氣道模型的建立:相對于額竇、篩竇、蝶竇，上頜竇腔黏膜面積最大，釋放NO 的能力最強;同時上頜竇腔變異最小，本實驗所建簡化鼻腔-鼻竇NO 擴散模型僅包括上頜竇。

應(yīng)用Gambit 軟件按一定比例制作鼻腔-鼻竇三維模式圖，對模型進行出入口面如前鼻孔、上頜竇口和鼻咽部邊界條件的設(shè)定，最終完成模型制作。

NO 分布及擴散的有限元分析:將上述模型導(dǎo)入Fluent 13.0 軟件中，對鼻腔-鼻竇NO 分布擴散過程進行數(shù)值模擬，用雷諾平均應(yīng)力模型模擬湍流流動，用組分輸運模型模擬氣體的擴散過程，選用SIMPLEC 算法計算。

力學(xué)控制方程如下:

式中ρ 為混合氣體的密度(kg/m3)，μj為(x、y、z)3 個方向上的速度(m/s)，μ 是流體的動力粘度(Pa·s)，p 是絕對壓力(Pa)，F(xiàn)j是體積力，Sj是離散相及用戶定義的源項導(dǎo)致的額外產(chǎn)生速率，Dj是該組分的擴散系數(shù)(m2/s)，ω 是組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2 結(jié) 果

2.1 鼻腔氣流場特征

氣流量健側(cè)和患側(cè)分別為390 mL 和210 mL;鼻腔氣道(前鼻孔-鼻咽部)吸氣相和呼氣相壓強差均為150 Pa;吸氣相和呼氣相雙側(cè)氣流分布特征基本相同:鼻腔氣流主要分布在總鼻道，而中鼻道、下鼻道和嗅裂區(qū)分布較少;吸氣相不同氣道部位氣流速度見表1所示。

表1 吸氣相鼻腔氣道不同部位氣流速度Tab 1 Inspiratory phase the air-flow velocity of nasal cavity in different parts (m/s)

鼻腔氣流形式主要表現(xiàn)為層流，在雙側(cè)鼻腔總鼻道中、下部及與中鼻道和下鼻道毗鄰的部位氣流流線主要表現(xiàn)為類似直線的形式，而在總鼻道上部、嗅裂區(qū)、中鼻道及下鼻道氣流流線則表現(xiàn)為類似拋物線的形式;此外，吸氣相鼻前庭內(nèi)側(cè)面，下鼻甲和中鼻甲后方等處可見小的反向流動或漩渦形成(圖1)，而在呼氣相下鼻甲和中鼻甲后方及鼻咽部等處可見反向流動或者漩渦形成(圖2)。

2.2 上頜竇口局部氣流場和壓強場

吸氣相:健側(cè)上頜竇口與毗鄰中鼻道之間壓強差為6 Pa，而患側(cè)壓強差幾乎為0 Pa(圖3);呼氣相:健側(cè)上頜竇口與毗鄰中鼻道之間壓強差為2 Pa，而患側(cè)壓強差幾乎為0 Pa;呼氣相和吸氣相上頜竇腔內(nèi)氣流速度均近乎為0 m/s(圖4)。

圖1 吸氣流線圖Fig 1 Inspiration motion pattern

2.3 鼻腔-鼻竇間NO 擴散的數(shù)值模擬

上頜竇口處NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)、上頜竇口直徑、上頜竇口流速3 個參數(shù)發(fā)生變化時，前鼻孔處NO 濃度也會隨之發(fā)生變化。

圖2 呼氣流線圖Fig 2 Expiration motion pattern

圖3 吸氣壓強、流速Fig 3 Inspiration pressure，velocity

圖4 呼氣壓強、流速Fig 4 Expiration pressure，velocity

(1)上頜竇口處NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響:設(shè)定后鼻孔氣流速度為4 m/s、上頜竇口流速為上頜竇口處0.062 m/s、上頜竇口直徑為8 mm，NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別設(shè)定為1、0.5 時，質(zhì)量分?jǐn)?shù)比均為22%。

(2)上頜竇直徑的影響:設(shè)定后鼻孔氣流速度為4 m/s、上頜竇口流速為上頜竇口處0.062 m/s、上頜竇口NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1，上頜竇口直徑分別為10 mm、7 mm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)比分別為27.5%，21%。

(3)上頜竇口流速的影響:設(shè)定上頜竇口NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1、上頜竇口直徑為8 mm，上頜竇口流速分別為0. 4 m/s、0. 062 m/s，質(zhì)量分?jǐn)?shù)比分別為52.5%、27.5%。

3 討 論

3.1 鼻腔氣流場特征分析

本實驗發(fā)現(xiàn)無論患側(cè)還是健側(cè)，氣流均主要通過總鼻道中、下部，其流速相對較快，而嗅裂、中鼻道、下鼻道通過的氣流較少且流速較慢，與文獻報道［7-9］一致，也符合鼻腔中鼻甲下緣以下稱為呼吸區(qū)，中鼻甲下緣以上稱為嗅區(qū)的功能分區(qū)特點。

在鼻腔的呼吸區(qū)，氣流流線主要表現(xiàn)為直線形式，而在嗅區(qū)則主要表現(xiàn)為拋物線形式，與Kelly JT等［10］和Subramaniam RP 等［11］實驗結(jié)果一致。此外，本實驗還發(fā)現(xiàn)吸氣相在鼻前庭和下鼻甲后方有反向氣流或漩渦存在，而呼氣相在下鼻甲后方和鼻咽部有類似氣流形式。鼻腔鑄體模型試驗［12］和數(shù)值模擬試驗［7，10-11］均觀察到此類現(xiàn)象，如下鼻甲下緣、鼻丘、鼻咽部等部位均會有漩渦存在，漩渦的數(shù)量、大小和位置均有所不同。其產(chǎn)生原因與局部氣道阻力變化相關(guān)，但能夠促進氣流與鼻腔黏膜的充分接觸，從而有助于鼻腔加溫、加濕功能的實施。

本實驗鼻腔-鼻竇解剖數(shù)據(jù)采集于1 例左側(cè)真菌性上頜竇炎的病例CT 資料，術(shù)后病理也予以證實。對比發(fā)現(xiàn)患側(cè)和健側(cè)氣流量和不同部位的氣流速度均具有差別，但是結(jié)合2007年本課題組的研究報道［2］，本實驗健側(cè)的氣流量和氣流速度位于“主要通氣側(cè)”的統(tǒng)計數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，患側(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)與“非主要通氣側(cè)”一致，因此，尚不能認(rèn)為該研究對象健側(cè)與患側(cè)的數(shù)據(jù)差異是真菌性鼻竇炎所致，仍然需要積累病例資料來進一步研究。

3.2 中鼻道-上頜竇氣流場特征

正常生理狀態(tài)下，鼻竇是產(chǎn)生NO 的主要部位［13］，竇腔內(nèi)的NO 進入鼻腔的量和速度取決于竇腔內(nèi)氣流運動方式和速度，并與鼻腔氣流直接相關(guān)。

上頜竇開口于中鼻道，不論健側(cè)還是患側(cè)，竇腔內(nèi)氣流速度近乎為0 m/s，說明竇腔內(nèi)氣體以自由擴散方式為主，這與文獻報道結(jié)果一致;竇腔內(nèi)與中鼻道之間的壓強差決定了中鼻道和上頜竇腔之間的氣體交換頻率，本實驗對象中患側(cè)竇腔內(nèi)與中鼻道之間沒有壓強差，而即使在健側(cè)，兩者之間的壓強差也僅僅為6 Pa(吸氣相)和2 Pa(呼氣相)，說明上頜竇腔與鼻腔之間的氣流交換量較小，這樣能夠防止竇腔內(nèi)NO 的過度釋放，也維持了竇腔內(nèi)NO 濃度的穩(wěn)定，NO 具有抗菌、抗病毒、擴張血管、調(diào)節(jié)黏膜纖毛活性等作用［14-15］，可以認(rèn)為竇腔內(nèi)合理的NO濃度有助于維持竇腔內(nèi)正常的生理環(huán)境，也限制了竇腔內(nèi)感染性疾病的發(fā)生與發(fā)展，具有重要的生理和病理意義。

3.3 鼻腔-鼻竇間NO 交換的影響因素

鼻腔內(nèi)NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)決定于鼻竇黏膜產(chǎn)生NO的量，同時取決于鼻竇引流口的大小。Lundberg［13］和Dabholkar YG 等［16］檢測到慢性鼻竇炎患者鼻腔內(nèi)NO 濃度下降，提示炎癥刺激會導(dǎo)致鼻竇黏膜合成NO 的能力下降，同時鼻腔-鼻竇黏膜病變將改變鼻腔氣道結(jié)構(gòu)，從而影響鼻腔氣流場，最終影響NO 在鼻腔-鼻竇之間的交換，其參與了鼻腔-鼻竇病變的演變和發(fā)展過程。目前的研究僅限于對前鼻孔NO 濃度的直接檢測［17］，不足以真實反映NO在鼻腔-鼻竇內(nèi)的分布和擴散情況，也限制了NO在鼻腔-鼻竇疾病中所起作用的研究。

基于前期研究，本課題組凝煉出3 個主要相關(guān)參數(shù):上頜竇口NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)、上頜竇口尺寸、中鼻道流速。其中上頜竇口NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要反映鼻竇黏膜釋放NO 的能力，上頜竇口尺寸、中鼻道流速反映鼻腔氣流場對NO 擴散的能力。

在數(shù)值模擬鼻腔-鼻竇氣流場的基礎(chǔ)上，進一步建立的簡化鼻腔-鼻竇NO 擴散模型直接顯示了3 個參數(shù)變化對NO 擴散的影響:上頜竇口NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高、上頜竇口越大、上頜竇口流速越快，呼氣相前鼻孔所得NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，反之則越低，質(zhì)量分?jǐn)?shù)比能夠準(zhǔn)確反映三者對前鼻孔NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，其呈正相關(guān)關(guān)系，但均非線性相關(guān)。

至今未見關(guān)于不同鼻竇NO 釋放能力的報道，因此本實驗關(guān)于NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的參數(shù)設(shè)定為相對數(shù)值;同時本實驗主要選擇上頜竇建立鼻腔- 鼻竇NO 擴散模型，因此，為了進一步精確量化分析鼻腔-鼻竇間NO 的擴散過程，仍然需要進一步研究不同鼻竇產(chǎn)生NO 的能力，完善邊界條件和載荷的設(shè)置，同時鼻竇分為前、后兩組，其不同開口位置，也需要進一步建立更為精準(zhǔn)的模型進行研究，也是本課題組下階段的研究內(nèi)容。

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