蘇英鋒，孫秀珍

(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)

耳鼻咽喉器官結(jié)構(gòu)與功能數(shù)值模擬的研究與臨床應(yīng)用

蘇英鋒，孫秀珍

(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)

耳鼻咽喉器官是人體直接接觸外界環(huán)境的感覺性器官，具有解剖深在、細(xì)小之特點(diǎn)，其功能的實(shí)現(xiàn)和疾病發(fā)生與外界環(huán)境緊密相關(guān)。以臨床常見或疑難疾患為切入點(diǎn)，從中提取和凝聚理工科與臨床醫(yī)學(xué)學(xué)科交叉界面的科學(xué)問題，采用計算生物力學(xué)、現(xiàn)代信息學(xué)和計算機(jī)技術(shù)與醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)理論、臨床醫(yī)療檢測技術(shù)相融合的研究框架，建立生物器官數(shù)值模型，探索其在一定外界環(huán)境刺激下，功能實(shí)現(xiàn)的機(jī)理以及相關(guān)疾病的預(yù)測和防治具有另辟蹊徑的意義。本文從實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模型研究兩個方面討論了耳、鼻、咽、喉器官生物數(shù)值模型研究現(xiàn)狀，并就其研究成果在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行討論，對現(xiàn)今建立人體器官生物數(shù)值模型研究價值進(jìn)行探索與展望。

耳鼻咽喉器官；生物數(shù)值模型；計算機(jī)技術(shù)；生物力學(xué)

2002年香山科學(xué)會議第174次學(xué)術(shù)討論會簡報指出：“目前，人類對自身的了解和認(rèn)識還很不夠，對疾病病因的研究，對疾病診斷和治療方法的研究，以及人體與環(huán)境復(fù)雜交互關(guān)系的研究等，由于缺少精確量化的計算模型而受到限制。信息技術(shù)的進(jìn)步，使計算機(jī)數(shù)值模擬或計算科學(xué)成為與理論研究和物理實(shí)驗(yàn)并列的獲取新知識、新發(fā)現(xiàn)的三大手段之一，傳統(tǒng)的醫(yī)藥學(xué)研究依賴于大量動物和人體實(shí)驗(yàn)的做法將在一定程度上由計算機(jī)模擬所取代”[1]。這一綱領(lǐng)性文獻(xiàn)結(jié)合21世紀(jì)計算機(jī)科技快速發(fā)展，使得中國在生命學(xué)科領(lǐng)域已經(jīng)有能力和基礎(chǔ)開展此方面的研究工作。

耳、鼻、咽、喉器官因其結(jié)構(gòu)細(xì)小、解剖位置深在、功能復(fù)雜。其中，鼻、咽、喉作為上呼吸道的構(gòu)成結(jié)構(gòu)，呼吸過程即氣流在氣道內(nèi)的流動特性是其完成呼吸功能的根本，也是行使其他功能如加溫、加濕、過濾等的基礎(chǔ)；耳功能主要包括傳聲、感音、平衡等功能，其結(jié)構(gòu)更為細(xì)微、復(fù)雜，既往的研究手段如人體測試和動物實(shí)驗(yàn)均不足以滿足上述器官生理功能和發(fā)病機(jī)制研究的需要，也使得耳鼻咽喉現(xiàn)代醫(yī)學(xué)理論與實(shí)踐研究受到限制。

耳鼻咽喉器官執(zhí)行其功能的過程均具有鮮明的“生物力學(xué)”特性，譬如鼻腔內(nèi)的氣流場、中耳聽小骨的聲音傳導(dǎo)過程等。因此，不斷有研究人員運(yùn)用生物力學(xué)研究方法來探索上述器官結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系以及某些疾病的發(fā)病機(jī)理。

近年來，得益于高性能計算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和普及，通過建立生物數(shù)值模型并進(jìn)一步開展基礎(chǔ)或臨床實(shí)踐研究逐漸得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視，特別是激發(fā)了醫(yī)學(xué)研究人員的濃厚興趣。其中，“有限元法”運(yùn)用最為廣泛，其原理是將整體結(jié)構(gòu)看作由有限個單元相互連接而成的幾何實(shí)體,根據(jù)每個小單元的力學(xué)總裝效果反映出結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)特性[2]，能有效克服耳鼻咽喉器官結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積緊密而使研究受到限制的弊病。

以下從鼻、咽喉和耳器官方面分別進(jìn)行闡述。

1 鼻腔生物數(shù)值模擬研究

鼻腔作為呼吸系統(tǒng)的門戶器官，具有對流經(jīng)其中的氣流進(jìn)行加溫、加濕、過濾、免疫等作用。對鼻腔氣流場的研究有助于認(rèn)識鼻腔結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系、鼻科疾病的發(fā)病機(jī)理以及其與其他相關(guān)系統(tǒng)疾病之間的關(guān)系。

近幾年來,得益于高分辨率CT和MRI的出現(xiàn)，人們通過CT或MRI獲取鼻腔的二維結(jié)構(gòu)信息，進(jìn)一步構(gòu)建人體生理或疾病狀態(tài)下的鼻腔生物力學(xué)模型,相繼開展了包括氣流場、溫度場、濕度場等一系列的研究。Subramaniam等[3]建立了1例健康人鼻腔生物數(shù)值模型，模擬在通氣量為15 L/min時鼻腔內(nèi)氣流場的分布特點(diǎn)，其中總鼻道中部、總鼻道下部、中鼻道、下鼻道、嗅裂的氣流量依次為25.7%、24.9%、21.2%、12.8%及2.4%，其中鼻腔內(nèi)總鼻道中、下部和中鼻道三者占到鼻腔總氣流量的71.8%，提示上述三者為鼻腔氣流的主要通道，與既往的鼻腔實(shí)體模型研究結(jié)論一致[4-5]；孫秀珍等[6]建立了25位中國人鼻腔生物數(shù)值模型，在通氣量為10 L/min時，其中80%以單側(cè)鼻腔通氣為主，在主要通氣側(cè)，鼻閾區(qū)域的流速最快[(6.95±1.82)m/s]，總鼻道中部[(5.10±1.35)m/s]和下部[(4.09±1.40)m/s]次之，與文獻(xiàn)[3-5]報道一致，而嗅裂、中鼻道、下鼻道內(nèi)流速最慢且雙側(cè)鼻腔無明顯差異(圖1～圖2)，提示三者主要功能均非通氣，與文獻(xiàn)[7-8]報道相同。于申等[9]進(jìn)一步的研究分析了鼻腔氣道阻力的成因，指出“鼻腔阻塞系數(shù)可以由鼻腔氣道的截面積、氣道長度、氣道截面的濕周長等幾何尺寸確定，不隨時間和氣體流量變化”，即鼻腔阻塞系數(shù)能夠客觀反映鼻腔的阻塞程度，對臨床鼻科疾病患者“鼻塞”程度的判定以及手術(shù)方式的選擇提供了客觀且非常有益的補(bǔ)充。

圖1 健康國人吸氣相鼻腔氣流場云圖Fig 1 Airflow field in nasal cavity of healthy Chinese during inspiration

圖2 健康國人吸氣相鼻腔氣流矢量云圖Fig 2 Vector diagram in nasal cavity of healthy Chinese during inspiration

此外，鼻腔加溫功能也引起了研究人員的關(guān)注。早期有學(xué)者應(yīng)用微型溫度計對鼻腔溫度進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)鼻腔前端起主要加溫作用[10-11]。Lindermann[12],Sara Naftali[13]和蘇英鋒[14]等分別應(yīng)用生物力學(xué)模型對鼻腔溫度場進(jìn)行模擬，也發(fā)現(xiàn)鼻內(nèi)孔至中鼻甲前端這一區(qū)域?yàn)楸乔粴獾兰訙毓δ艿闹饕δ軈^(qū)(圖3)，而通過數(shù)值模擬進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，氣流經(jīng)過鼻瓣區(qū)后在鼻腔前端迅速“擴(kuò)散”，使得氣流能夠與黏膜充分接觸，而且氣流經(jīng)過鼻瓣區(qū)后流速亦降低，延長了氣流與黏膜接觸的時間(圖4)。此外，多數(shù)學(xué)者進(jìn)行的數(shù)值模擬均發(fā)現(xiàn)鼻腔內(nèi)不同區(qū)域具有多個小的“漩渦”形成，漩渦能夠進(jìn)一步促進(jìn)粘膜與氣流之間的熱量交換，從而增強(qiáng)鼻腔加溫功能[14-15]。

圖3 國人鼻腔溫度場云圖Fig 3 Temperature field in nasal cavity of healthy Chinese during inspiration

圖4 國人鼻腔氣流矢量場云圖Fig 4 Vector diagram in both nasal cavity of healthy Chinese during inspiration

在研究了鼻腔正常生理結(jié)構(gòu)與功能之間關(guān)系的基礎(chǔ)之上，不斷有學(xué)者對“病態(tài)鼻腔”進(jìn)行了研究：Yu等[16]通過數(shù)值模擬指出鼻腔局部結(jié)構(gòu)的改變會引起整個鼻腔氣流場的變化，而不僅限于結(jié)構(gòu)改變局部氣流場，從而影響整體鼻腔的通氣功能。陶澤璋等[17]通過對鼻中隔偏曲患者竇口鼻道復(fù)合體局部的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)局部黏膜與骨質(zhì)均發(fā)生肥厚增生，而通過對比鼻中隔偏曲患者和正常人的氣流場，發(fā)現(xiàn)偏曲最明顯處氣道阻力最大，而且對側(cè)氣流量增多且分布異常(圖5)，其中與慢性鼻竇炎發(fā)病密切相關(guān)的中鼻道流量增加，從而揭示了鼻中隔偏曲患者易于發(fā)生鼻竇炎的機(jī)理[18]；鼻中隔穿孔能夠增強(qiáng)雙側(cè)鼻腔氣流分流作用，似乎可以增強(qiáng)通氣功能，但臨床實(shí)踐發(fā)現(xiàn)患者“鼻塞”明顯，其原因何在？常規(guī)實(shí)驗(yàn)手段作用有限，數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)穿孔區(qū)域氣流形式紊亂且形成漩渦，雙側(cè)鼻腔毗鄰區(qū)域氣流也受到干擾[19-20](圖6)，反而增加了氣道阻力和能量消耗，從而導(dǎo)致鼻塞，體現(xiàn)了生物力學(xué)數(shù)值模型研究的優(yōu)勢。

圖5 鼻中隔偏曲者氣流場云圖Fig 5 Airflow field of nasal septum deviation patient during inspiration

圖6 鼻中隔穿孔者氣流矢量場云圖Fig 6 Aector diagram of nasal septum perforation patient during inspiration

2 上氣道生物數(shù)值模擬研究

生物數(shù)值模擬研究方法既能夠有效彌補(bǔ)常規(guī)動物和人體實(shí)驗(yàn)研究的不足，又能夠適應(yīng)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)“無創(chuàng)、高效、精準(zhǔn)”的研究需要。

目前，阻塞性睡眠呼吸暫停-低通氣綜合征(obstructive sleep apnea and hypopnea syndrome,OSAHS)是嚴(yán)重威脅人類健康的疾病之一，其危害性涉及呼吸、心血管、內(nèi)分泌和神經(jīng)系統(tǒng)等，已經(jīng)得到廣泛認(rèn)識。目前的研究認(rèn)為其發(fā)病因素與上氣道狹窄、上氣道擴(kuò)張肌張力下降、神經(jīng)-肌肉功能障礙相關(guān)，然而針對上氣道內(nèi)的氣流及其與氣道結(jié)構(gòu)之間的互動關(guān)系則認(rèn)識不足。有學(xué)者針對兒童和成人OSAHS患者分別建立了生物數(shù)值模型，進(jìn)行了相關(guān)研究，闡述了兒童腺樣體肥大對上氣道氣流場的影響；針對成人OSAHS患者，分析了異常的氣流場-軟腭之間的流固耦合現(xiàn)象，從生物力學(xué)角度分析了改良腭咽成形術(shù)的適應(yīng)人群，指導(dǎo)了臨床手術(shù)適應(yīng)證的選擇。

兒童OSAHS的常見病因是腺樣體肥大和(或)扁桃體肥大。Xu等[21]基于MRI提供的腺樣體肥大患兒建立了鼻-咽的三維有限元模型，對比計算結(jié)果和實(shí)體模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，認(rèn)為患兒咽腔的形狀對上氣道壓強(qiáng)的分布狀況影響較為明顯，提示鼻咽部氣道阻力增加。Allen GM等[22]通過數(shù)值模擬后指出用鼻咽部的軸向速度和紊流強(qiáng)度兩個參數(shù)評價鼻咽部氣道的功能狀態(tài)更為有效。唐媛媛等[23]基于CT建立的9例腺樣體肥大患兒上氣道有限元模型發(fā)現(xiàn)術(shù)前患兒鼻咽部氣流速度快且紊亂，其壓強(qiáng)降低明顯，氣道壁面剪切力增高。對比發(fā)現(xiàn)健康兒童上氣道壓強(qiáng)變化梯度主要集中于鼻閾區(qū)，呼吸道氣流的高流速區(qū)主要集中在鼻閾區(qū)和中鼻道；而在腺樣體肥大患兒，上呼吸道的高流速區(qū)除集中于鼻閾區(qū)和中鼻道以外，還包括鼻咽部，而且鼻咽部氣流場紊亂，壓強(qiáng)變化梯度也主要集中在鼻閾、腺樣體與扁桃體的交界區(qū)域(圖7～圖9),與文獻(xiàn)[21-22]報道一致。局部氣流場紊亂和壁面剪切力增高與腺樣體病理性肥大漸進(jìn)性加重相關(guān)[24]，鼻咽部壓強(qiáng)增大直接反映局部氣道阻力增大，提示患兒通氣功能減退，需要用力呼吸方能維持正常通氣量。

圖7 腺樣體肥大患兒吸氣相氣流場Fig 7 Airflow field of adenoid hypertrophy children during inspiration

圖8 鼻咽部氣流矢量云圖Fig 8 Vector diagram of adenoid hypertrophy children

圖9 腺樣體肥大患兒吸氣相壓強(qiáng)場Fig 9 Pressure field of adenoid hypertrophy children during inspiration

不同于兒童OSAHS患者，成人OSAHS患者口咽段氣道：軟腭-舌根-會厭游離緣在發(fā)病機(jī)理中所起的作用更為明顯。Liu等[25]建立了10例健康國人上氣道生物力學(xué)模型(圖10)，數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)吸氣相氣流在鼻咽部穩(wěn)定，在軟腭-舌根-會厭游離緣之間氣流速度增大且對口咽腔后壁形成一定的沖擊；在軟腭-舌根區(qū)域壓力梯度的變化最為集中,腭帆處也出現(xiàn)了較低的氣壓,說明在口咽腔氣道前后壁之間會產(chǎn)生一定的壓差。這一壓差會導(dǎo)致氣流沖擊軟腭后部,如若壓差過大或氣道壁松弛,軟組織高頻率震顫就會產(chǎn)生響聲，即打鼾癥狀。進(jìn)一步對OSAHS患者進(jìn)行研究[26-29],發(fā)現(xiàn)吸氣相氣流經(jīng)過鼻咽部后速度突然增大，其中軟腭至?xí)捰坞x緣之間氣流速度達(dá)到最大，而且氣流對咽后壁的沖擊非常強(qiáng)烈。此外，該區(qū)域壓力總體分布不均勻，壓力梯度變化集中在軟腭-舌根-會厭上緣部分，而且壓力分布極其不均勻，出現(xiàn)了間階式浮動。這種氣流場、壓強(qiáng)場分布異常必然會引起患者的呼吸紊亂，對咽腔的組織也會帶來危害(圖11～圖12)。Wang等[30]建立了鼻咽喉-氣管-葉支氣管和部分段支氣管的生物力學(xué)模型，研究發(fā)現(xiàn)OSAHS患者氣道壁的剪切應(yīng)力分布缺乏規(guī)律性，數(shù)值上遠(yuǎn)大于正常人，剪切應(yīng)力在阻塞部位變化幅度明顯，同時氣管內(nèi)的壁面剪切應(yīng)力也較正常人偏高，提示OSAHS患者下呼吸道也同步存在病理改變。

圖10 OSAHS患者手術(shù)前后上氣道流固耦合模型Fig 10 Fluid-solid coupling model of upper airway pre and post-operation of OSAHS patient

圖12 OSAHS患者吸氣相氣流場云圖Fig 12 Airflow field of OSAHS patient during inspiration

3 耳科生物數(shù)值模擬研究

人耳是一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng), 包括外耳、中耳、內(nèi)耳三部分，其中外耳主要包括耳廓和外耳道，中耳則包括鼓膜、聽小骨、韌帶、肌肉等，內(nèi)耳迷路主要包括耳蝸、前庭、半規(guī)管等結(jié)構(gòu)，其中外耳、中耳具有傳聲功能，內(nèi)耳具有感音和平衡功能，上述各部分結(jié)構(gòu)尺寸細(xì)小、材料各異，活體上難以實(shí)時檢測，也不利于生理功能和發(fā)病機(jī)理研究。因此，不斷有學(xué)者試圖通過建立各種模型進(jìn)行生物力學(xué)研究，極大地促進(jìn)了學(xué)者對于耳結(jié)構(gòu)與功能的認(rèn)識。

姚文娟等[31]指出耳生物力學(xué)研究是近年來快速發(fā)展的一個新興研究領(lǐng)域。

有限元方法可以全面模擬超微結(jié)構(gòu)特征、復(fù)雜幾何形態(tài)以及生物系統(tǒng)各向異性和非同質(zhì)性的生物特性,能夠滿足研究細(xì)微的振動模式、壓力分布以及任何位置的力學(xué)行為，因此在耳生物力學(xué)研究中具有更多優(yōu)勢。

中耳傳聲功能有限元數(shù)值模擬研究：1978年Funnel等[32]首先報道了貓鼓膜的中耳有限元數(shù)值模型，此后Beer等[33]運(yùn)用激光掃描技術(shù)獲得了更為精準(zhǔn)的中耳內(nèi)各結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)，建立的中耳有限元模型具有更為精確。后期所建的模型則不同程度地完善了包括鼓膜、聽小骨、肌肉以及韌帶結(jié)構(gòu)，使得對中耳傳聲功能的研究結(jié)果更為可信[34-35]。隨著高分辨率CT的出現(xiàn)，研究人員開始采集活體中耳解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，所建立的模型接近人體生理狀態(tài)，其研究結(jié)果與實(shí)驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)擬合度更高[36-38](圖13)。譬如：上述研究發(fā)現(xiàn)人外耳道對聲音傳導(dǎo)具有增益性，主要集中于高頻段3 000～4 000 Hz范圍，由于共振的作用，對鼓膜振動增益幅度約10～15 dB，臨床常見病如鼓膜穿孔的大小尺寸對傳聲影響較大，而穿孔的位置則對傳聲影響較小(圖14)；臨床聽骨鏈中斷如砧鐙關(guān)節(jié)脫位會導(dǎo)致鼓膜在低頻區(qū)振動增強(qiáng)，而在高頻區(qū)振動減弱，為臨床鼓膜修補(bǔ)、聽骨鏈植入手術(shù)提供了理論支持。

圖13 國人外耳-中耳-內(nèi)耳三維生物模型Fig 13 3-D Biological Model of ear of healthy chinese

圖14 不同鼓膜穿孔尺寸的位移云圖Fig 14 Cloud Picture of displacement of tympanic membrane perforation with different size

內(nèi)耳感音功能生物數(shù)值模擬研究：1960年Bekesy認(rèn)為耳蝸是一個基本的水動力學(xué)系統(tǒng)，液體與固體的耦合作用不可忽略，首次提出基底膜運(yùn)動遵循“行波理論”。早期的耳蝸數(shù)值模型假設(shè)耳蝸淋巴液為無粘滯性的理想流體，同時將Navier—Stokes方程簡化為線性方程，所建模型過于簡化，與正常生理狀態(tài)下的耳蝸有較大差別[39]；與此同時不斷有學(xué)者對內(nèi)耳淋巴液[40-41]、基底膜[42-43]以及蓋膜[44-45]等微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究，為耳蝸力學(xué)模型的研究提供了基礎(chǔ)。萬旺根等[46]建立的耳蝸二維非線性力學(xué)模型，同時考慮了淋巴液為粘滯流體和非線性運(yùn)動的特點(diǎn)。研究人員進(jìn)一步建立了耳蝸三維數(shù)值模型，其所建模型將簡化為直管狀，其中的基底膜簡化為直板形[47-49]；Yao W等[50]和邢琪等[51]則進(jìn)一步建立了三維螺旋管形耳蝸模型，符合正常生理狀態(tài)下耳蝸呈螺旋狀結(jié)構(gòu)的特性。此外，研究人員還對Corti器、蓋膜、毛細(xì)胞等微細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

關(guān)于前庭與半規(guī)管平衡功能的生物力學(xué)研究：早期研究認(rèn)為半規(guī)管內(nèi)壺腹嵴頂相當(dāng)于一扇“轉(zhuǎn)門”，繞壺腹嵴擺動。Dohlman[52]認(rèn)為壺腹嵴頂?shù)倪\(yùn)動猶如圓柱筒中的“活塞”，亦有研究認(rèn)為嵴頂?shù)倪\(yùn)動模式是旋轉(zhuǎn)門和滑行元的組合。而更多的研究認(rèn)為嵴頂?shù)淖冃螢閮?nèi)淋巴液的體位移，具體取決于內(nèi)淋巴液的位移幅度[53]。與此同時，壺腹嵴頂?shù)淖冃畏纫彩艿搅岁P(guān)注，Njeugna等[54]對嵴頂?shù)膭恿W(xué)特征進(jìn)行了研究，得到了嵴頂?shù)哪B(tài)和振型，Rabbitt[55]進(jìn)一步獲得了正弦機(jī)械壓痕激勵嵴頂?shù)奈灰谱冃雾憫?yīng)。Van Buskirk等[56]第一次嚴(yán)格意義上分析半規(guī)管內(nèi)淋巴液流體動力學(xué)響應(yīng)：這個模型假設(shè)內(nèi)淋巴液為不可壓縮牛頓流體，說明了橢圓囊和壺腹嵴對整體壓強(qiáng)梯度的作用。其他學(xué)者發(fā)展了更加嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型，對頭轉(zhuǎn)動時半規(guī)管中內(nèi)淋巴液的流動規(guī)律、嵴頂?shù)捻憫?yīng)特征進(jìn)行了廣泛描述[53，55,57-60]。這些學(xué)者給出的數(shù)值模型成功地將半規(guī)管結(jié)構(gòu)性能量化為質(zhì)量、剛度和阻尼參數(shù)。另有學(xué)者進(jìn)一步研究了冷熱試驗(yàn)內(nèi)耳半規(guī)管中內(nèi)淋巴液的流體動力學(xué)問題[61-64]。Kassemi等[65-66]構(gòu)建了內(nèi)耳水平半規(guī)管流固耦合有限元模型。這個模型將內(nèi)淋巴液描述為微可壓縮牛頓流體，嵴頂描述為線彈性各向同性材料，且嵴頂?shù)倪\(yùn)動為大位移小應(yīng)變幾何非線性問題。運(yùn)用這個模型分析了冷熱試驗(yàn)內(nèi)淋巴液的速度場和壓強(qiáng)場分布、嵴頂?shù)奈灰茍龊蛻?yīng)力場分布，同時還探討了失重狀態(tài)誘發(fā)眼震的可能機(jī)制。此外，Selva等[67]和Wu等[68]通過有限元法分析了頭部勻速轉(zhuǎn)動時單個水平半規(guī)管中內(nèi)淋巴液流動與嵴頂運(yùn)動的相互作用規(guī)律。劉迎曦、孫秀珍等[37-38]進(jìn)一步建立了同時包含前庭和三個半規(guī)管的人耳前庭系統(tǒng)生物力學(xué)模型,研究了旋轉(zhuǎn)激勵和機(jī)械壓痕激勵下前庭系統(tǒng)膜迷路的生物力學(xué)響應(yīng)特征(圖15)。

圖15 峰值角速度時刻右耳水平半規(guī)管壺腹嵴嵴頂、前半規(guī)管壺腹嵴嵴頂和后半規(guī)管壺腹嵴嵴頂位移云圖Fig 15 Cupular displacement field of lateral，superior and posterior semicircular canals in the right inner ear at the peak of angular velocity

4 結(jié) 語

進(jìn)入21世紀(jì)以來，基于計算機(jī)科學(xué)的飛速進(jìn)步,國內(nèi)外生物數(shù)值模型的研究得到很大的發(fā)展，人體生物器官諸如耳鼻咽喉的生物力學(xué)數(shù)值模型的研究也取得了可圈可點(diǎn)的成果。生物力學(xué)即是應(yīng)用力學(xué)原理和方法對人體、生物體中的醫(yī)學(xué)問題進(jìn)行定量研究的科學(xué)。本文介紹的研究課題提取學(xué)科交叉框架的設(shè)計和技術(shù)路線的實(shí)施等內(nèi)容，旨在為耳鼻咽喉學(xué)科及其他生物器官數(shù)值模擬研究提供參考，傳統(tǒng)的醫(yī)藥學(xué)研究依賴于大量動物和人體實(shí)驗(yàn)的做法今后將在一定程度上由計算機(jī)模擬所取代。

該類研究范圍從生物整體到具體的器官、細(xì)胞，乃至微觀結(jié)構(gòu)等多方面。由于人體組織器官的差異性，都面臨著數(shù)字化、功能化和臨床應(yīng)用密切結(jié)合的問題。開展人體生物器官生物力學(xué)數(shù)值模型的研究將為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)理論基礎(chǔ)研究逐步精細(xì)化及定量化、大量臨床數(shù)據(jù)的積累的模型化及數(shù)學(xué)化探索一條可行的途徑。

就本項(xiàng)研究而言，認(rèn)為今后應(yīng)在以下幾個方面有所突破：(1)多物理場分析；(2)多尺度宏、細(xì)、微觀綜合分析；(3)多器官耦合分析；同時加強(qiáng)與醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)理論及臨床實(shí)踐的結(jié)合，將生物力學(xué)數(shù)值模型研究的成果應(yīng)用到臨床實(shí)踐，為解決臨床問題提供量化分析的平臺。輔助臨床進(jìn)行診斷、個性化干預(yù)、療效評估以及相關(guān)醫(yī)療器材的研制。

[1] 香山科學(xué)會議辦公室．中國數(shù)字化虛擬人體的科技問題[N]．香山科學(xué)會議簡報，2002：163．

[2] 趙云鳳. 有限元法及其進(jìn)展 (一)[J].中國口腔種植學(xué)雜志, 2004, 2(2): 96-100.

[3] Subramanian RP, Richardson RB, Morgan KT, et al.Computational fluid dynamics simulations of insp iratory airflow in the human nose and nasopharynx[J].Inhal Toxicol,1998,10(2):473-502.

[4] Kly JT, Prasad AK,Wexler AS.Detailed flow patterns in the nasal cavity[J].App Physiol,2000,89(1):323-337.

[5] Hahn I,Scherer PW,Mozell MM.Velocity profile measured for airflow through a large-scale model of the human nasal cavity[J].J App Physiol,1993,75(5):2732-2287.

[6] 孫秀珍,劉迎曦,蘇英鋒,等.鼻腔氣道三維重建和氣流流場的數(shù)值模擬與分析[J].臨床耳鼻咽喉科雜志,2007,21(23):1057-1059.

[7] Ravi P,Subramania M,Regina B,et al.Computational fluid dynamics simulations of inspiratory airflow in the human nose and nasopharynx[J].Inhal Toxicol,1998,10:473-450.

[8] Keyhani K,Scherer PW,Mozell MM. Numerical simulation in the human nasal cavity[J].Biomech Eng,1995,117:429-441.

[9] 于申，劉迎曦，孫秀珍.湍流尺寸下鼻腔的幾何尺寸與鼻腔阻塞系數(shù)的關(guān)系[J].計算力學(xué)學(xué)報，2008,25(4)：459-463.

[10] Lindemann J, Leiacker R, Rettinger G,et al. Nasal mucosal temperature during respiration [J].Clin Otolaryngol,2002,27:135-139.

[11] Tilman Keck, Richard Leiacker, Herbert Riechelmann, et al.Temperature profile in the nasal cavity[J].Laryngoscope,2000，110:651-654.

[12] Lindemann J, Keck T, Wiesmiller K, et al. A Numerical Simulation of Intranasal Air Temperature During Inspiration[J]. Laryngoscope,2004,114:1037-1041.

[13] Sara Naftali, Moshe Rosenfeld, Michael Wolf, et al. The Air-Conditioning Capacity of the Human Nose [J].Ann Biomed Engineer, 2005,33(4): 545-553.

[14] 蘇英鋒,孫秀珍,劉迎曦, 等.鼻腔加溫功能特征及其與氣流場關(guān)系的研究[J].力學(xué)學(xué)報,2012(3): 607-613.

[15] Kelly JT, Prasad AK, Wexler AS. Detailed flow patterns in the nasal cavity [J].Appl Physiol,2000,89(1):323-337.

[16] Yu S, Liu YX, Sun XZ,et al. Influence of Nasal Structure on the Distribution of Airflow in Nasal Cavity[J]. Rhinology, 2008,46(2):137-143.

[17] 陶澤璋，張劍寧，楊強(qiáng)，等. 鼻中隔偏曲兩側(cè)竇口鼻道復(fù)合體解剖變異的差異[J]. 中華耳鼻喉科雜志，2001,(2):54-56.

[18] 孫秀珍,唐媛媛,劉迎曦,等. 鼻中隔偏曲者鼻腔自適應(yīng)改變的特征分析[J]. 中華耳鼻咽喉頭頸外科雜志,2008,43(5): 351-354.

[19] Lee HP,Garlapati RR,Chong VFH,et al. Effects of septal perforation on nasal airflow: computer simulation study[J]. J Laryngol Otol,2009,124:48-54.

[20] 蘇英鋒,劉迎曦,孫秀珍,等.鼻中隔穿孔對鼻腔氣流場影響的數(shù)值模擬研究[J]. 大連醫(yī)科大學(xué)學(xué)報, 2013,35(2):112-115.

[21] Xu C, Sin SH, McDonough JM, et al. Computational fluid dynamics modeling of the upper airway of children with obstructive sleep apnea syndrome in steady flow[J]. J Biomech, 2006, 39(11): 2043-2054.

[22] Allen GM, Shortall BP, Gemci T, et al. Computational simulations of airflow in an in vitro model of the pediatric upper airways[J]. J Biomech Enginee, 2004, 126(5): 604-613.

[23] 唐媛媛, 孫秀珍, 劉迎曦, 等. 腺樣體肥大患兒上氣道氣流流場模型的建立與數(shù)值分析[J]. 中國耳鼻咽喉頭頸外科, 2012, 19(3): 155-158.

[24] 潘黎明,陳明媛,余延令.兒童阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征的主要原因及治療[J].中國耳鼻喉顱底外科雜志,2003,9(2):77.

[25] Liu YX, Yu C, Sun XZ, et al. 3D FE Model Reconstruction and Numerical Simulation of airflow for the Upper Airway[J].World J Model Simul, 2006,2(3):190-195.

[26] Gemci T, Corcoran TE, Chigier N. A numerical and experimental study of spray dynamics in a simple throat model[J]. Aerosol Sci Technol, 2002, 36: 18-38.

[27] Sun XZ, Yu C, Wang YF, et al. Numerical Simulation of Soft Palate and Airflow in Upper Airway for Healthy Person and Patient with Obstructive Sleep Apnea-Hypopnea Syndrome by the Fluid-Structure Interaction Method[J]. Acta Mechanica Sinica,2007:23(4)359-367.

[28] Allen GM, Shortall BP, Gemci T, et al.Computational simulations of airflowin an in vitro model of the pediatric upper airways[J]. J Biomech Eng, 2004,126:604-613.

[29] Sun XZ, Yu C, Liu YX.3D Finite element model reconstruction and numerical simulation of airflow in human upper airway[J]. Space Med Eng, 2006,19:129-133.

[30] Wang Y, Liu YX, Sun XZ, et al. Numerical analysis of respiratory flow patterns within human upper airway[J].Acta Mech Sin, 2009,25 (6): 737-746.

[31] 姚文娟, 陳懿強(qiáng), 葉志明, 等. 耳聽力系統(tǒng)生物力學(xué)研究進(jìn)展[J]. 力學(xué)與實(shí)踐, 2013, 35(6): 1-10.

[32] Funnell WRJ, Laszlo CA. Modeling of the cat eardrum as a thin shell using the finite-element method[J]. J Acoust Soc Am, 1978, 63(5): 1461-1467.

[33] Beer HJ, Bornitz M, Hardtke HJ,et al. Modelling of components of the human middle ear and simulation of their dynamic behaviour[J]. Audiol Neurotol,1999, 4(3/4):156-162.

[34] Koike T, Wada H, Kobayashi T. Modeling of the human middle ear using the finite-element method[J]. J Acoust Soc Am, 2002, 111(3): 1306-1317.

[35] Gan RZ, Feng B, Sun Q. Three-dimensional finite element modeling of human ear for sound transmission[J]. Ann Biomed Engineer, 2004,32(6): 847-859.

[36] Lee CF, Chen PR, Lee WJ, et al. Three‐Dimensional Reconstruction and Modeling of Middle Ear Biomechanics by High‐Resolution Computed Tomography and Finite Element Analysis[J]. Laryngoscope, 2006, 116(5): 711-716.

[37] 劉迎曦,李生,孫秀珍.人耳傳聲數(shù)值模型[J].力學(xué)學(xué)報, 2008,40 (1):107-113.

[38] 孫秀珍，李生，劉迎曦.人耳鼓膜穿孔對中耳傳聲影響的數(shù)值模擬[J].計算力學(xué)學(xué)報，2010，27(6):1102-1106.

[39] 張?zhí)煊?戴培東,楊琳.耳生物學(xué)研究現(xiàn)狀與展望[J]. 中國眼耳鼻喉科雜志, 2010 (1): 6-8.

[40] Van Buskirk WC, Watts RG, Liu YK. The fluid mechanics of the semicircular canals[J]. J Fluid Mech, 1976, 78(01): 87-98.

[41] Patuzzi R. Ion flow in stria vascularis and the production and regulation of cochlear endolymph and the endolymphatic potential[J]. Hearing Res, 2011, 277(1): 4-19.

[42] Liu S, White RD. Orthotropic material properties of the gerbil basilar membrane[J]. J Acoust Soc Am, 2008, 123: 2160.

[43] 楊琳, 戴培東, 張?zhí)煊? 等. 基于原子力顯微鏡測量內(nèi)耳螺旋器的彈性特征[J]. Acta Biophysica Sinica, 2009, 25(4):294-298.

[44] Richter CP, Emadi G, Getnick G, et al. Tectorial membrane stiffness gradients[J]. Biophys J, 2007, 93(6): 2265-2276.

[45] Richardson GP, Lukashkin AN, Russell IJ. The tectorial membrane: one slice of a complex cochlear sandwich[J]. Curr Opin Otolaryngol Head Neck Surg, 2008, 16(5): 458.

[46] 萬旺根,余小清.一種非線性耳蝸力學(xué)模型[J].西安交通大學(xué)學(xué)報, 1995, 29(2):33-41.

[47] 王學(xué)林,周健軍,凌玲,等. 含主動耳蝸的人耳傳聲有限元模擬[J]. 振動與沖擊,2012,31(21): 41-45.

[48] 王振龍, 王學(xué)林, 胡于進(jìn), 等.基于中耳與耳蝸集成有限元模型的耳聲傳遞模擬[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報,2011, 30(001):60-66.

[49] Kim S,Song W J,Jang J,et al.Mechanical frequency selectivity of an artificial basilar membrane using a beam array with narrow supports[J]. J Micromech Microeng,2013, 23(9): 095018.

[50] Yao W, Chen Y, Ma J. Amplitude Analysis of Basement Membrane[J]. J Investigat Med, 2013, 61(4): S15.

[51] 邢琪, 謝友舟, 戴培東, 等. 基于電鏡圖像的 Corti 器三維建模[J]. 中國眼耳鼻喉科雜志, 2007, 7(3): 144-146.

[52] Dohlman G. The attachment of the cupulae, otolith and tectorial membranes to the sensory cell areas[J]. Acta Oto-laryngol, 1971, 71(1/6): 89-105.

[53] Money K, Bonen L, Beatty J, et al. Physical properties of fluids and structures of vestibular apparatus of the pigeon[R]. DTIC Document, 1970.

[54] Njeugna E, Kopp C, Eichhorn J-L. Modal analysis of the diaphragm of the semicircular canal[J]. J Vestib Res, 2001, 11(1): 43-54.

[55] Rabbitt RD, Breneman KD, King C, et al. Dynamic displacement of normal and detached semicircular canal cupula[J]. J Assoc Res Otolaryngol, 2009, 10(4): 497-509.

[56] Van Buskirk WC, Watts RG, Liu YK. The fluid mechanics of the semicircular canals[J]. J Fluid Mech, 1976, 78(01): 87-98.

[57] Lasker DM, Han GC, Park HJ, et al. Rotational responses of vestibular nerve afferents innervating the semicircular canals in the C57BL/6 mouse[J].J Assoc Res Otolaryngol, 2008, 9(3): 334-348.

[58] Rabbitt R, Damiano E. A hydroelastic model of macromechanics in the endolymphatic vestibular canal[J]. J Fluid Mech, 1992, 238(1): 337-369.

[59] Boselli F, Obrist D, Kleiser L. Vortical flow in the utricle and the ampulla: a computational study on the fluid dynamics of the vestibular system[J].Biomech Model Mechanobiol,2013: 1-14.

[60] 蘇海軍, 楊春玉, 王振光, 等. 廣義分?jǐn)?shù)階半規(guī)管動力學(xué)模型[J]. 山東大學(xué)學(xué)報 (理學(xué)版),2005,1: 008.

[61] Steer JrRW. The influence of angular and linear acceleration and thermal stimulation on the human semicircular canal[D]. Massachusetts Institute of Technology, 1967.

[62] Yong HJ. Analysis of vestibular system responses to thermal gradients induced in the temporal bone[D]. University of Michigan, 1972.

[63] Damiano E. Continuum models of rotational and caloric stimulation of the vestibular semicircular canal[D]. New York: Rensselaer Polytechnic Institute, 1993.

[64] 沈雙，劉迎曦，孫秀珍. 內(nèi)耳前庭半規(guī)管平衡機(jī)制生物力學(xué)模型研究[D].大連：大連理工大學(xué)工程力學(xué)系，2014.

[65] Kassemi M, Deserranno D, Oas JG. Fluid-structural interactions in the inner ear[J]. Compu Struct, 2005, 83(2/3): 181-189.

[66] Kassemi M, Oas J, Deserranno D. Fluid-structural dynamics of ground-based and microgravity caloric tests[J]. J Vestib Res, 2005, 15(2): 93-107.

[67] Selva P, Morlier J, Gourinat Y. Toward a three-dimensional finite-element model of the human inner ear angular accelerometers sensors[J]. Int J Compu Vision Biomech, 2010, 3(2):149-156.

[68] Wu C-q, Hua C, Yang L, et al. Dynamic analysis of fluid-structure interaction of endolymph and cupula in the lateral semicircular canal of inner ear[J]. J Hydrodynam Ser B, 2011, 23(6): 777-783.

數(shù)字的表達(dá)方式

數(shù)字的表達(dá)方式執(zhí)行GB/T 15835-1995《出版物上數(shù)字用法的規(guī)定》。公歷世紀(jì)、年代、年、月、日、時刻和計數(shù)、計量均用阿拉伯?dāng)?shù)字。數(shù)字≥4位數(shù)時，每三位一組，組間空1/4個漢字空，如：“51,200”應(yīng)寫成“51 200”。但序數(shù)詞和年份、頁數(shù)、部隊(duì)番號、儀表型號、標(biāo)準(zhǔn)號不分節(jié)。百分?jǐn)?shù)的范圍和偏差，前一個數(shù)字的百分符號不能省略，如：5%～95%，不能寫成5～95%；(31.8±0.6)%，不能寫成31.8±0.6%。附帶尺寸單位的數(shù)值相乘，按下列方式寫成：4 cm×3 cm×5 cm，不能寫成4×3×5 cm3。

Biomechanical model of otorhinolaryngological organs and its clinical application

SU Ying-feng, SUN Xiu-zhen

(OtolaryngologicalDepartment,theSecondAffiliatedHospitalofDalianMedicalUniversity,Dalian116027,China)

Otorhinolaryngological organs, tiny sensory organs which locate deeply anatomically, contact with the external environment directly, which is closely related to the functional process and physiological process of the organs. Regarding clinical common diseases or stubborn disease as the break-through point, we extract and condense the scientific questions in the level of interdisciplinarity of science and engineering and clinical medicine, it is just like blaze another trail to explore the mechanism of function implementation and the prediction and prevention of related diseases in the stimulation of outside environment through using research framework that fusion of computational biomechanics,modern informatics,computer technology and medical basic theory, clinical medical detection technology and establishing biological organs numerical model. This paper discusses research status about ear, nose, pharynx, larynx organ biological numerical model from the two aspects of experimental study and numerical model study, and discussing the research achievements' application in the medical field,and also prospecting the research value of the current establishment of otorhinolaryngological organs biological numerical model.

otorhinolaryngological organs; biological numerical model; computer technique; biomechanics

專家述評

10.11724/jdmu.2015.01.01

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(10872043, 10902022, 11032008, 11472074)；遼寧省教育廳基金項(xiàng)目(L2012323)

蘇英鋒(1977-)，男，遼寧大連人，副主任醫(yī)師。

孫秀珍，教授，主任醫(yī)師，博士生導(dǎo)師。研究方向：耳鼻咽喉科學(xué)基礎(chǔ)與臨床，器官生物力學(xué)。E-mail:sunxiuzhen 001@163.com

R762

A

1671-7295(2015)01-0001-08

蘇英鋒，孫秀珍. 耳鼻咽喉器官結(jié)構(gòu)與功能數(shù)值模擬的研究與臨床應(yīng)用[J].大連醫(yī)科大學(xué)學(xué)報，2015,37(1)：1-8.

2014-12-20；

2015-01-15)