鼻腔呼吸及加温生物功能数值模型和临床应用研究

发布时间：2020-11-03 14:15

　　 鼻腔作为呼吸系统的门户性器官,能够对进入鼻腔的气流进行充分地加温、加湿、过滤、免疫等,其中呼吸和加温功能属于最为重要的两项生物功能。鼻腔气道结构正常与否决定了其是否能够维持正常生理功能。作为目前鼻科临床主流手术技术,功能性鼻内镜技术的核心理念是针对病态气道结构进行手术矫正,恢复鼻腔的正常通气和引流功能状态,为鼻腔“自愈”创造条件。现代精准医学在鼻科学基础和临床研究领域提出了更高的要求和挑战,需要对鼻腔气道结构-功能-疾病之间的关系进一步深入研究。既往的实验研究和动物模型实验已经不能完全满足现代鼻科学的基础和临床研究需要。生物数值模拟研究作为一种新的研究方法,与传统实验相结合,不仅能够弥补上述不足,还能够为鼻腔结构、功能和疾病之间的客观量化研究提供支持,能够为鼻科学的发展提供动力。香山科学会议第174次学术讨论会简报所指出:“目前,人类对自身的了解和认识还很不够,对疾病病因的研究,对疾病诊断和治疗方法的研究、以及人体与环境复杂的交互关系的研究等,由于缺少精确量化的计算模型而受到限制”。鼻腔生物数值模拟研究由于缺少鼻腔生物功能模型和计算模型而受到限制,影响了现代鼻科学对鼻腔结构-功能-疾病三者之间辩证关系(即鼻腔器官结构与功能自适应)的深入研究,且难以满足当前临床个性化鼻腔治疗方案制订和术后评估的需求。本文选择呼吸和加温两项最为重要的功能进行了数值模拟研究,进一步选择鼻中隔偏曲和鼻中隔穿孔两种常见疾病进行数值模拟,研究鼻腔气道结构异常导致鼻腔呼吸功能减退的发病机理;与临床测试相结合,对鼻周期是否影响双侧鼻腔加温功能这一困惑进行了研究;鼻腔气道结构具有“自适应性改变”特性,与鼻腔疾病发病机制显著相关,但其发生机理至今不清,本文通过多层次研究,揭示了鼻腔内物理环境变化导致气道结构重塑及发病的机理。论文工作分为以下五个部分:1.健康国人鼻腔呼吸功能的数值模拟研究:通过CT获取较大样本健康国人鼻腔气道气道二维解剖结构数据,建立能够反应鼻腔气道结构特征的生物数值模型,数值模拟生理状态下鼻腔气流场的特征并予以总结,为评估鼻腔通气功能和手术疗效提供量化参考。2.鼻中隔穿孔对鼻腔气流场影响的数值模拟研究:鼻中隔穿孔为典型鼻腔气道结构异常疾病,临床表现多样且发生机理不明。基于临床资料,利用所建鼻腔生物数值模型,模拟建立不同部位、不同直径大小的鼻中隔穿孔,评估穿孔对鼻腔呼吸功能的影响,发现局部气流形式紊乱且双侧鼻腔存在“气流分流”现象为其主要特征,从生物力学角度解释了鼻中隔穿孔患者临床表现的发病机理。3.健康国人鼻腔加温功能的数值模拟研究:数值模拟不同通气量条件下鼻腔内气流场和温度场的分布特征,研究鼻腔加温功能特征并对比通气量对其产生的影响,发现在正常生理状态下,鼻内孔-下鼻甲前端-中鼻甲前端对应部分气道是鼻腔对气流加温的主要功能区域,也表明鼻瓣区在鼻腔加温功能中的重要作用,提示针对该部位的手术应该做到微创且个性化,以恢复并保护鼻腔生理功能。4.鼻周期对鼻腔气道加温功能影响的实验研究和数值模拟鼻周期为鼻腔重要生理功能,粘膜下血管的周期性收缩和扩张为其基本特性,双侧鼻腔气道容积、气道阻力和通气量也因此而发生周期性、交替性变化。鼻腔加温功能是否因鼻周期而发生变化?至今是鼻科学的一个困扰。本文进行了鼻声反射和温度测量实验,结合数值模拟研究鼻腔气流场和温度场分布特征,发现双侧鼻腔加温功能不因气道容积变化而发生改变。表明鼻周期并不影响双侧鼻腔气道的加温功能。5.鼻中隔偏曲患者气道结构自适应性改变的发病机理研究:鼻腔气道结构异变会导致气道发生继发性“自适应”性重塑,鼻中隔偏曲为该类疾病的典型代表。这一特点也与诸多鼻腔疾病发病机制相关,但其发生机理至今不明。数值模拟研究发现鼻中隔偏曲导致呼吸功能减退主要表现为双侧鼻腔气流场差别明显,气流温度场分布差别不明显;组织学研究发现双侧鼻腔下鼻甲粘膜细胞、细胞内细胞器的数量和功能状态均发生了差异性变化;分子免疫学研究发现VIP和SP两种神经肽在双侧下鼻甲内表达增多且存在差异性分布特点。表明鼻中隔偏曲患者通气功能减退通过神经源炎介导气道粘膜发生宏、微观变化,即自适应性改变,揭示了鼻腔内物理环境变化导致气道结构重塑的发病机理,为鼻科精准医学研究提供了新的思路。本课题源于临床实践,研究结果能够对鼻科疾病发病机理、临床诊治方案的制订以及术后疗效的评估提供量化指导。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R765
【部分图文】：

外鼻（ｅｘｔｅｒｎａｌｎｏｓｅ）位于颜面部中央，呈基底向下，尖部向上的三棱锥体型结构，??自上而下分为鼻根、鼻背和鼻尖。三棱锥体的底被大翼软骨内侧脚构成的鼻小柱分为左、??右前鼻孔，气流通过前鼻孔进入鼻腔（图２．１）。??鼻梁???皇?Ｚｆ、??异大????前鼻孔???Ｉ??图２．１外鼻解剖??Ｆｉｇ．２．１?Ａｎａｔｏｍｙ?ｏｆ?ｅｘｔｅｒｎａｌ?ｎｏｓｅ??鼻腔（ｎａｓａｌ?ｃａｖｉｔｙ）前起于前鼻孔，经过鼻内孔进入固有鼻腔，向后与鼻咽部相通，??结构狭窄且不规则。与鼻小柱向后延续的鼻中隔将鼻腔分为左、右两侧。??－１２－??

中鼻甲、上鼻甲，三者大小依次缩小三分之一，即下鼻甲最大，中鼻甲次之，上鼻甲最??小。另外，三者前端的位置依次向后缩减三分之一，即下鼻甲前端最接近于鼻内孔，中??鼻甲次之。三个鼻甲外侧和下方的狭窄空间均称作鼻道（图２．２），另外三者与鼻中隔??之间的气道称作总鼻道，是鼻腔呼吸功能的主要区域。??三个鼻甲增加了鼻腔气道粘膜的面积，生理和病理意义显著，在此分别予以简介：??（１）下鼻甲和下鼻道：??下鼻甲为一独立骨片样结构，向外上附着于鼻腔外侧壁，向内下突入鼻腔气道下部。??下鼻甲后端ｌ．〇－１．５ｃｍ处毗邻咽鼓管咽口，当下鼻甲发生病变时可能导致咽鼓管功能障??碍，从而影响中耳传声甚至内耳感音功能。??下鼻甲骨表面覆较厚粘膜层，而且粘膜层下血流供应丰富，毛细血管和小静脉间形??成海绵状血窦，通过调节容量血管和阻力血管的开放和关闭状态，下鼻甲容积和血流供??应能力均发生相应变化

２．２鼻腔气道二维结构数据的获取和三维重建??对一例健康志愿者（男，３３岁）进行多层螺旋ＣＴ?（ＳＩＭＥＮＳＳｏｍａｔｏｍＥｍｏｔｉｏｎｌ６）??冠状位扫描（图２．３），扫描范围自鼻尖到鼻咽后壁，层厚和层间距均为３ｍｍ，窗宽２０００，??窗位４００，利用ＣＴ扫描仪的ｅｆｉｌｍ软件ＤＩＣＯＭ格式的影像学数据转化为ＢＭＰ格式。??ｉ?＇?－??图２．３螺旋ＣＴ??Ｆｉｇ．２．３?Ｓｐｉｒａｌ?ＣＴ??应用Ｍａｔｌａｂ软件将ＢＭＰ格式的图像数字化，用自编译的程序识别气道粘膜和空气??交界，导入有限元分析软件Ａｎｓｙｓ中，应用其前处理功能，由鼻科医师选取每一个冠状??层面能够准确反映鼻腔气道结构特征的关键点，进而连成线并建立面、体，选用四面体??单元进行有限元剖分，完成对气流通道的数字化重建，建立三维生物数值模型，重建过??程如图２．４，由于鼻腔气道粘膜本身的特点适合运用表面三维重建方法。每一个冠状层??面根据图像灰度差异确定气道边界，描绘出的腔体边界与实际相符［８７，８８］。??－１６－??
【参考文献】

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本文编号：2868688