基于流固耦合方法分析OSAHS患者咽腔气流动力学变化和软腭的运动特征

发布时间：2017-06-02 23:11

  本文关键词：基于流固耦合方法分析OSAHS患者咽腔气流动力学变化和软腭的运动特征，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征(Obstructive sleep apnea-hypopnea syndrome,OSAHS)由于具有较高的发病率以及相关严重的并发症,影响着人们的生活质量,现已成为医学界高度关注的疾病。目前,学者们普遍认为OSAHS是由上气道的解剖结构狭窄或是上气道扩张肌的活力异常所引起,涉及多个医学学科。而最近20年来,口腔矫治器(Oral appliance,OA)治疗OSAHS被医学界称为口腔正畸学的一次革命。口腔矫治器因经济适用,而且能取得与持续气道正压通气(Continuous positive airway pressure,CPAP)同样的治疗效果,依从性也较CPAP好而大量运用于临床OSAHS的治疗。但由于患者间存在着个体差异及其上气道形态结构异常的多样性,并不是所有患者对OA治疗都有满意的效果,且治疗机制还并不是很清楚。因此,通过建立OSAHS患者上气道生物力学模型可以帮助我们很好地理解上气道的塌陷机制和患者对OA治疗效果的评估。实验目的:通过三维重建软件重建OSAHS患者戴用OA前后咽腔的三维有限元生物力学模型,利用流固耦合(Fluid structure interaction,FSI)方法数值分析咽腔气流动力学变化和软腭的运动特征,用于探讨OSAHS发生机制及OA治疗后的临床效果评估。通过对比FSI和计算机流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)两种方法对咽腔气流动力学研究,以期找到更合适的方法用于研究上气道生物力学特征。试验方法:应用多导睡眠呼吸监测(Polysomnograph,PSG)对一名成人中度OSAHS患者未戴OA时进行监测和戴后3个月进行复查,并对该名患者未戴OA时和戴OA 3个月后的上气道及周围组织进行MRI扫描。将以DICOM格式存储的扫描数据导入三维重建软件:Mimics 17.0,NX 8.5,Geomagic Studio12.0对上气道及软腭进行三维重建,应用ANSYS Workbench 13.0软件进行网格划分,赋予各部分材料属性,最终建立咽腔和软腭的流固耦合有限元模型。将所得的模型导入CFX-ANSYS软件中进行FSI数值计算。最后,FSI计算的结果与CFD得到的结果进行比较分析。实验结果:成功建立了中度OSAHS患者较完整的上气道和软腭的FSI有限元模型。患者戴OA后,睡眠呼吸暂停低通气指数(Apnea hypopnea index,AHI)从25.1次/h降低到1.8次/h,咽腔容积扩大了4933mm3,腭咽最狭窄处横截面积扩大了10mm2,左右侧壁增大了8.7mm。流固耦合数值计算结果,在最大吸气时刻,腭咽处的气流速度由9.677m/s降低到7.020m/s,最大负压由-64.18Pa降低到-37.88Pa,气道壁的最大形变量由0.629mm减小到0.244mm,软腭的整体位移由0.883mm减小到0.519mm。在最大呼气时刻,腭咽处的气流速度由10.44m/s降低到7.441m/s,最大负压由-36.25Pa降低到-23.79Pa,气道壁的最大形变量由0.648mm减小到0.310mm,软腭的整体位移由0.944mm减小到0.594mm。CFD数值计算结果:在最大吸气时刻,腭咽处的气流速度由9.138 m/s降低到6.754m/s,最大负压由-60.78Pa降低到-35.20Pa;在最大呼气时刻,腭咽处的气流速度由9.571m/s降低到7.054m/s,最大负压由-31.50Pa降低到-19.94Pa。对比CFD方法研究结果,FSI方法考虑到了气道壁的形变和软腭运动对气流的影响,所以无论是吸气还是呼气峰值时,在腭咽气道处FSI数值计算结果有更大的气流速度和负压。实验结论:OSAHS患者在吸气时腭咽气道出现较大的负压,压强降较大,以及呼气时软腭向咽腔后壁的运动可能是引起咽腔塌陷的重要机制。OSAHS患者戴OA后,有效的扩大了狭窄区域的横截面积以及咽腔的容积;在最大吸气和最大呼气时刻,腭咽气道的负压和软腭的运动均降低,使咽腔不易出现塌陷,从而减轻了患者的打鼾和呼吸暂停症状。通过FSI和CFD两种方法的对比研究,FSI方法克服了CFD将气道壁假设为刚性壁面的不足,更适合于研究上气道病理生理条件下的生物力学特征;同时建立的FSI模型还可用于预测OSAHS患者的上气道阻塞平面位置,针对气道阻塞平面选择合理的治疗方案,从而为OSAHS患者个性化治疗提供较可靠的实验依据。
【关键词】：阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征 上气道 软腭 生物力学流固耦合 计算机流体力学
【学位授予单位】：第四军医大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R766
【目录】：

• 缩略语表4-5
• 中文摘要5-8
• 英文摘要8-11
• 前言11-13
• 文献回顾13-24
• 第一部分OSAHS患者上气道和软腭的流固耦合有限元模型的建立24-32
• 1 材料与方法25-28
• 2 结果28-29
• 3 讨论29-32
• 第二部分 两种数值方法比较分析OSAHS患者戴用.腔矫治器前后对咽腔流场的影响32-47
• 1 材料与方法32-37
• 2 结果37-43
• 3 讨论43-47
• 小结47-49
• 参考文献49-57
• 个人简历和研究成果57-58
• 致谢58

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 王伊宁;李森恺;叶京英;;应用肉毒杆菌毒素建立阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征动物模型的研究[J];中国耳鼻咽喉头颈外科;2010年09期

  本文关键词：基于流固耦合方法分析OSAHS患者咽腔气流动力学变化和软腭的运动特征，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：416749