謝文婷 邢雅芹 崔洋洋 閆佳銀 張淋坤

1.天津市口腔醫(yī)院正畸科 南開大學醫(yī)學院 天津300041；2.天津市口腔功能重建重點實驗室 天津300041；3.國家電網公司北京電力醫(yī)院 北京100073；4.天津醫(yī)科大學口腔醫(yī)學院 天津300041

口呼吸會對顱頜面發(fā)育及功能產生一定影響[1-2]，表現(xiàn)為上頜前突、下頜后縮、腭蓋高拱、牙弓狹窄、上牙列擁擠等畸形[3-6]。因此建立人不同呼吸方式下口腔及上呼吸道的三維模型，并研究其流場分布的差異，對探討錯畸形的發(fā)生機制及頜面部生長發(fā)育具有重要意義。

21世紀初，國內外學者[7-10]先后建立了較為精確的上呼吸道模型，用于計算呼吸流體力學分析。但對上呼吸道流場的有限元分析主要集中在闡述阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征（obstructive sleep apnoea hypopnoea syndrome，OSAHS）的發(fā)病機制方面，很少涉及口腔頜面部的生長發(fā)育。

本研究通過計算流體力學的方法，研究鼻呼吸過程中鼻腔的壓力場分布，以及不同鼻通氣量在硬腭上表面產生的壓強差異，以分析呼吸方式對硬腭下降的影響。

1 材料和方法

1.1 錐形束計算機斷層掃描（cone beam comput-ed tomography，CBCT）數(shù)據(jù)采集

在知情同意的情況下選取1名無鼻咽部疾病及口腔不良習慣，上下頜發(fā)育正常，咬合關系良好且無顳下頜關節(jié)疾病的成年男性志愿者。使用CBCT（Kavo公司，美國）掃描時志愿者取坐位，保持息止頜位的自然鼻呼吸狀態(tài)。掃描范圍為鼻根點水平上2 cm至會厭下2.5 cm，層厚3 mm。獲取DICOM格式的CBCT數(shù)據(jù)。

1.2 模型建立和網格劃分

1.2.1 模型建立 1）上氣道模型：將CBCT數(shù)據(jù)導入Mimics 17.0（Materialise公司，比利時）軟件中，去除所有的鼻旁竇影像，分離出從鼻孔至會厭的上呼吸道影像。導入3-matic Medical 9.0（Materialise公司，比利時）修復孔洞并平滑模型。2）鼻腔模型：將之前建立的上呼吸道三維有限元模型中懸雍垂以下的部分截掉，只保留鼻腔的結構，將出口設置在口咽以上水平。

1.2.2 網格劃分 1）上氣道模型：將平滑后的模型導入到ICEM CFD 12.0（ANSYS公司，美國），首先生成四面體網格，然后再進行六面體占優(yōu)處理[11]。2）鼻腔模型：重新截取模型后，依然采取六面體核心的四面體網格。3）對2個模型網格優(yōu)化后進行網格質量檢驗。

1.3 邊界條件設置和數(shù)值模擬

1.3.1 邊界條件設置 1）上氣道模型：在ICEM CFD 12.0軟件中，將劃分好網格的上呼吸道外表面劃分為上呼吸道壁面、鼻孔和咽腔出口3個區(qū)域，分別命名為PART1、PART2和PART3。然后將模型導出到CFX12.0（ANSYS公司，美國）中，按照吸氣相1.2 s、呼氣相1.8 s分別設定其邊界條件[12]。

吸氣時，雙側鼻孔為inlet，設置為1個標準大氣壓。咽腔為outlet。通過公式v吸=Q/(t×S)計算1次吸氣的咽腔出口速度平均值為2 m·s-1（其中v吸為出口速度，Q為潮氣量，一般成年人為600 mL[12]，t為1次吸氣需要的時間，S為出口面積）。經過測量，可以得到咽腔出口的面積是250 mm2（圖1左）。上呼吸道壁面為wall，本研究中，設置為無滑移邊界。

呼氣時，雙側鼻孔為outlet，設置為1個標準大氣壓。咽腔為inlet，通過上述公式計算可得v呼=1.33 m·s-1。

2）鼻腔模型：劃分出入口及壁面的部分后導入CFX 12.0進行邊界條件設定，鼻孔處的邊界條件及壁面條件同前，只根據(jù)通氣量改變口咽處條件，以模擬口呼吸情況下鼻腔內流速、壓強的變化。將鼻通氣量設置為梯度減少，分別為正常通氣量的70%、50%、30%[13]，即420、300、180 mL。測量出口面積約為384 mm2（圖1右）。根據(jù)上述公式計算對應的口咽處速度。

圖1 咽腔面積Fig 1 Pharyngeal cavity area

1.3.2 數(shù)值模擬 使用k-ε模型在CFX-Post 12.0中求解[14]，并分別制作鼻呼吸的吸、呼兩相上氣道及不同截面的壓力云圖，以及不同鼻通氣量吸、呼兩相鼻腔內的壓力云圖。

2 結果

2.1 模型及網格劃分

將模型（圖2、3）進行網格劃分，得到總單元數(shù)分別為2 241 118及1 691 236，大部分由六面體構成，只有邊緣結構比較復雜的部分由四面體構成（圖4）。

圖2 上氣道模型Fig 2 The upper airway model

圖4 咽腔處網格橫截面Fig 4 The cross section of mesh at pharyngeal cavity

網格質量均在0.2以上，最大網格質量為1，最小網格質量為0.218 41，平均0.804 49。網格質量好。

2.2 數(shù)值模擬

鼻呼吸模型和不同鼻通氣量下的鼻腔模型殘差逐漸趨于穩(wěn)定并降至1.0×10-3以下，進出流量平衡，結果收斂。

圖3 鼻腔模型Fig 3 The nasal cavity model

2.3 鼻呼吸上氣道壓強分布

正常人吸氣相壓強最小值為101 285 Pa，最大值為101 327 Pa。鼻閾附近壓強最大，其次為上、中、下鼻道，會厭附近及以下壓強最小（圖5）。鼻腔內的壓強由下鼻道到上鼻道開始逐漸升高（圖6）。

圖5 鼻呼吸吸氣相壓力分布云圖Fig 5 The pressure distribution cloud map of inspiratory phase of nasal breathing

圖6 鼻呼吸吸氣相壓力分布截面圖Fig 6 Cross-sectional view of the pressure distribution in the inspiratory phaseof nasal breathing

呼氣相壓強最小值為101 317 Pa，最大值為101 337 Pa。鼻閾附近壓強最小，中鼻道、下鼻道、會厭部略大于鼻閾附近，咽腔入口處壓強最大（圖7）。鼻腔內的壓強由下鼻道到上鼻道逐漸升高（圖8）。

圖7 鼻呼吸呼氣相壓力分布云圖Fig 7 The pressure distribution cloud map of expiratory phase of nasal breathing

圖8 鼻呼吸呼氣相壓力分布截面圖Fig 8 Cross-sectional view of the pressure distribution in the expiratory phase of nasal breathing

吸氣相上呼吸道內壓強基本低于大氣壓，壓強變化幅度較大；呼氣相則略高于大氣壓，壓強變化幅度較吸氣相小。吸氣相雙側鼻底壓強低于大氣壓，呼氣相壓強高于大氣壓，左右側鼻底壓強略有差異，呼氣相與吸氣相相比差異更小。

2.4 不同鼻通氣量時鼻腔壓強分布及數(shù)值

不同鼻通氣量時鼻腔壓強分布詳見圖9。

圖9 不同鼻通氣量時鼻腔壓強分布Fig 9 The pressure distribution by different nasal ventilation of thenasal cavity

正常鼻呼吸及模擬口呼吸不同鼻通氣量時鼻腔壓強分布如表1所示。

隨著鼻通氣量減小，吸氣相硬腭上表面壓強逐漸增大，呼氣相硬腭上表面壓強逐漸減小，均逐漸接近大氣壓。吸、呼兩相鼻腔內壓強梯度均逐漸減小。吸氣相，通氣量100%、70%、50%間壓強差異較大，而50%、30%間基本沒有差異；呼氣相，通氣量100%與其他通氣量壓強差異較大（圖5、7、9，表1）。

表1 不同鼻通氣量在硬腭上表面產生的壓強Tab 1 The pressure distribution by different nasal ventilation on the walls of the nasal cavity

3 討論

3.1 對建模及研究方法的討論

對OSAHS發(fā)病機制的研究是在患者睡眠狀態(tài)下進行的，此時上氣道軟組織形變量大，需要采取流固耦合的方法進行[15]。然而這種研究方法還不夠成熟，且精確性較差。本研究的目的是通過研究正常鼻呼吸志愿者清醒狀態(tài)下不同鼻通氣量時鼻腔壓強分布，分析不同呼吸方式對鼻上頜復合體生長發(fā)育尤其是硬腭下降的影響，不存在軟組織塌陷的問題，因此不需采取流固耦合的方法。

根據(jù)以往的研究[14]結果，呼吸時鼻竇內幾乎沒有氣流，因此本研究建立的正常鼻呼吸上氣道模型僅保留鼻腔和咽腔氣道。通過減少經鼻通氣量來模擬口呼吸過程中鼻腔內的壓強分布。因上氣道懸雍垂以下部分的流場受口氣道氣流的影響，將之前建立的上呼吸道模型懸雍垂以下部分截掉，只保留鼻腔的結構。在CT拍攝的過程中可能會由于呼吸運動而產生運動偽影，但是這種偽影主要是由于肺部的收縮與擴張引起的胸部軟組織偽影，因本研究建模范圍為會厭以上且多為有硬組織支撐的氣道結構，因此運動偽影對建模的影響不大，可以忽略。

3.2 呼吸節(jié)律對鼻腔內壓強的影響

在正常人的一個呼吸周期中，吸呼比大約為1∶（1.5～2）[12]。呼氣和吸氣相比，通氣量和氣道結構相同，但呼氣時間更長，流速就會更慢。所以呼氣時鼻腔或口腔內的壓強梯度小，吸氣時壓強梯度大。這種作用時間差異性及其導致的壓強差異，可能會導致在呼吸不同階段鼻腔內的受力狀態(tài)不同，甚至在口呼吸的影響下，鼻底受力方向可能相反。因此，怎么計算吸氣相與呼氣相產生的壓力在不同作用時間下對生長發(fā)育趨勢的最終影響，是下一步研究的重點之一。

3.3 口呼吸對硬腭生長發(fā)育的影響

在硬腭生長發(fā)育的過程中，硬腭上表面即鼻底處發(fā)生骨吸收，硬腭下表面即口腔頂部發(fā)生骨沉積，硬腭在生長發(fā)育的過程中有不斷下降的趨勢[16]。口呼吸不僅會造成硬腭下降不足，還會影響顱頜面三維方向的生長發(fā)育，但對其發(fā)生機制的研究主要集中在肌肉動力平衡方面，氣流本身對于頜面部生長發(fā)育的影響機制，尤其是口鼻腔內流場特征的改變以及影響腭蓋下降的機制尚待研究，而這對嚴重頜面部發(fā)育畸形的預防有重要意義[3,17-18]。

成人鼻呼吸的吸氣相和呼氣相，都會對鼻底產生一個向下的壓強。吸氣相壓強略小于大氣壓；呼氣相壓強略大于大氣壓。正常鼻呼吸時口腔內壓強為1 730～1 980 Pa，此時口腔內的壓強遠小于大氣壓[19]，因此必然會產生一個略小于一個標準大氣壓的向下的壓強差，有助于腭蓋下降；并且吸氣相作用時間短，呼氣相作用時間長，因此可以推測力量大、作用時間長的鼻呼吸呼氣相在腭蓋的下降過程中作用更大。

一般認為鼻呼吸的氣流小于70%才可以認定為口呼吸[13]，但在呼吸過程中張口，口腔就會與外界相通，而口腔中的氣流為低速流動，口腔內動壓不會很大，那么口腔內的靜壓就近似為一個標準大氣壓。本研究顯示：即使口呼吸鼻通氣量為100%，吸氣時硬腭上表面壓強為101 313 Pa，口鼻壓強差為12 Pa，方向向上；呼氣時硬腭上表面壓強為101 329 Pa，口鼻壓強差為4 Pa，方向向下。這種情況下雖然鼻通氣量沒有減少，但是壓強差相對于一個標準大氣壓基本可以忽略不計，甚至在吸氣相方向發(fā)生了逆轉，應該會顯著影響硬腭的下降。

綜上所述，無論鼻通氣量有無減少，只要張口，就會對腭蓋的下降產生影響。而隨著口呼吸的出現(xiàn)，口、鼻腔內的壓強會同時發(fā)生變化，硬腭的整體受力情況也會隨之改變。這也提示：在臨床上，不僅是上氣道阻塞影響正常的生命活動時需要及時治療，對于不良的口呼吸習慣，即使上氣道沒有嚴重的病理性變化也應該及時糾正。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。