鼻中隔穿孔对鼻腔气流场影响的数值模拟研究

苏英锋，刘迎曦，孙秀珍，于 申，王吉喆，郭 燕

(1.大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室工程力学系，辽宁大连 116024;2.大连医科大学附属第二医院耳鼻喉科，辽宁大连 116027)

鼻中隔穿孔对鼻腔气流场影响的数值模拟研究

苏英锋1，2，刘迎曦1，2，孙秀珍1，2，于 申1，王吉喆2，郭 燕2

(1.大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室工程力学系，辽宁大连 116024;2.大连医科大学附属第二医院耳鼻喉科，辽宁大连 116027)

目的 探讨鼻中隔穿孔对鼻腔气流场的影响。方法 对1例健康国人行鼻CT扫描，进一步完成鼻腔气道结构表面三维重建，分别在模型的鼻瓣区、鼻甲前区、鼻腔中部对应鼻中隔部位建立直径10 mm的圆形穿孔，分别设定边界条件并求解黏性流体运动方程和Navier-Stokes方程，分析通气量为12 L/min时的气流场。结果 穿孔前鼻腔气流场符合正常国人特征;穿孔后吸气和呼气相鼻中隔穿孔区域气流形式紊乱，形成大小、数量不等的漩涡，双侧鼻腔存在10～20 mL/s的气流分流现象，但鼻腔中部对应穿孔区域呼吸两相气流形式不同。结论 鼻中隔穿孔后穿孔区域形式紊乱，主要表现为大小、数量不等的漩涡，对毗邻气流影响程度不同;鼻腔双侧存在少量气流分流现象。

穿孔;鼻中隔;气流动力学;鼻腔

鼻中隔穿孔系由于各种原因导致鼻中隔的任何部位形成大小不等的永久性穿孔，使两侧鼻腔相通。其病因多为外伤、理化因素、感染、肿瘤及恶性肉芽肿、其他如鼻石等［1］。临床症状主要表现为:(1)鼻腔功能障碍:呼吸哨笛音、鼻腔干燥、易于结痂，鼻塞、反复鼻出血等;(2)全身表现:头痛、头晕、失眠等。少数患者甚至有不同程度的精神障碍，特别是医源性病因所致鼻中隔穿孔患者。

对于鼻中隔穿孔临床资料统计和手术修补技术的研究文献报道较多，而关于穿孔对鼻腔气流场的影响及其与临床症状之间关系的研究因为鼻腔结构复杂、实验难以实施而报道较少。

近年来，得益于相关临床检测设备和生物数值模拟研究方法的进步，不断有学者采用计算流体动力学的研究方法对鼻腔气流场、温度场、湿度场等进行研究，显示该方法既能够反应鼻腔生理功能的基本特征，而且也可用于分析鼻腔局部结构变化对功能的影响，能够进一步阐述鼻腔疾病的发病机理。因此，本研究拟应用计算流体动力学方法(computational fluid dynamics，CFD)对鼻中隔穿孔患者鼻腔呼吸两相气流场进行研究，以期解释其发病机理，并为临床诊治策略提供指导。

前期研究发现鼻腔前端在鼻腔气流分流、加温、加湿等生理功能方面起主要作用［2-5］。同时鉴于鼻中隔穿孔位置多位于鼻腔前端，包括鼻内孔-中鼻甲前端部位，位于鼻腔中、后部者较少［1，6-7］。本研究拟在鼻腔前端气道分别选择鼻瓣区、中鼻甲前端两个位置模拟穿孔，以期更加详细地观察气道前段鼻中隔穿孔对鼻腔气流场的影响，同时选择在中鼻甲前后1/2交界处对应中隔模拟穿孔，以比较不同位置穿孔对气流场的影响。

1 材料和方法

1.1 研究对象

1例健康国人志愿者，女，35岁，既往无慢性呼吸道疾病史，CT扫描前3个月无急性呼吸道疾病史，鼻内镜检查未发现解剖变异或鼻科疾病体征。

1.2 研究方法

(1)获取解剖数据:对上气道进行螺旋CT(德国西门子公司，型号:Somatom Emotion16)扫描，其中鼻腔采用冠状位扫描，咽部气道采用轴位扫描，层厚均为 3 mm，选择软组织窗(窗宽 2 000，窗位400)。

(2)应用Matlab软件将BMP格式的图像数字化，用自编译程序识别鼻腔气道边界，将其导入Ansys13.0软件进行表面三维重建。

(3)应用Ansys13.0的前处理功能人工选取每一层面能够反映气道结构特征的关键点连成线，进一步构建面、体，选用四面体单元对体进行有限元剖分，完成表面三维重建。

(4)计算气流场:应用Ansys13.0后处理功能结合粘性流体运动方程Navier-Stockes方程对鼻腔气流场进行计算。边界条件设定:①鼻腔气道壁无滑移边界条件，即Vs=0 m/s;②前鼻孔为一个标准大气压(P=101 325Pa);③鼻咽部气流速度V(m/s)，根据国人生理状态下呼吸频率和潮气量数值范围，选择呼吸周期T=3 s，潮气量为600 mL，即通气量为12 L/min，假设呼吸时间相同，呼吸过程模拟为正弦变化模式，由模型计算得到鼻咽部气道面积，计算得到鼻咽部气流速度V。

(5)鼻中隔穿孔模型的建立及其气流场计算:根据临床常见鼻中隔穿孔部位，在鼻瓣区、鼻甲前区(中鼻甲前部)、鼻腔中部(中鼻甲前后1/2交界处)对应鼻中隔部位分别建立圆形穿孔，直径均为10 mm，分别对所建模型进行有限元剖分，所施加载荷和边界条件同步骤4，计算不同鼻中隔穿孔模型的气流场。

2 结 果

该鼻腔气道模型包含了鼻中隔、中鼻甲、下鼻甲、鼻内孔、中鼻道、下鼻道、总鼻道等鼻腔气道结构，反映了鼻腔气道结构的解剖特征，其中上鼻甲和上鼻道因生理意义有限而予以简化。所建模型节点数为106 217，单元数为550 178。

2.1 穿孔前鼻腔气流场

吸气相:气流主要流经左侧鼻腔，其中气流量:左侧为330 mL/s，右侧为270 mL/s。气道前段(前鼻孔-中鼻甲前端)气流变化剧烈且气流速度快，中鼻甲前端之后，气流形式稳定，气流主要经过总鼻道中、下部和中鼻道，左侧鼻丘部位有大的漩涡形成。呼气相:气流仍然主要流经左侧鼻腔，气流仍然主要流经总鼻道中、下部和中鼻道。

2.2 穿孔后鼻腔气流场

穿孔后主要表现为吸气相与呼气相鼻中隔穿孔区域气流形式紊乱，双侧鼻腔均存在气流分流现象，分流量为10～20 mL/s。

吸气相:双侧鼻腔气流仍然主要表现为自前向后流向。穿孔区域气流形式紊乱，其中在鼻瓣区、鼻甲前区和鼻腔中部3个穿孔区域均有气流贴近穿孔后上缘自右侧流向左侧，但穿孔区域主要观察到气流紊乱，可见数量不一的漩涡，在鼻腔中部穿孔区域则形成一个较大的漩涡，毗邻总鼻道中部气流影响明显，图1所示为穿孔直径最大位置冠状位截面气流矢量云图。

呼气相:双侧鼻腔气流仍然主要表现为自后向前流向。穿孔区域气流形式则显得紊乱，在上述3个穿孔区域均有少量气流贴近穿孔前下缘自左侧流向右侧，穿孔区域主要观察到气流紊乱，其中在鼻瓣区、鼻甲前区穿孔区域形成数量和大小不等的漩涡，而在鼻腔中部穿孔区域则为形成类似于吸气相的大的漩涡，图2所示为穿孔直径最大位置冠状位截面气流矢量云图。

图1 吸气相鼻中隔穿孔模型气流矢量云图Fig 1 vector plot of nasal septal perforation in inspiratory phase

图2 呼气相鼻中隔穿孔模型气流矢量云图Fig 2 vector plot of nasal septal perforation in expiratory phase

3 讨 论

该研究对象没有鼻腔解剖结构异常，CT采集上气道二维结构信息前3个月无呼吸道疾病史，数值模拟气流场特征符合正常中国人鼻腔气流场特征［2］，该研究对象以左侧鼻腔通气为主，考虑与鼻周期相关。

鼻中隔穿孔后，通过气流矢量云图观察到双侧鼻腔在穿孔区域存在气流分流现象，图1显示吸气相气流主要贴近穿孔后上缘自右侧流向左侧，图2显示呼气相贴近穿孔前下缘自左侧流向右侧。Crützenmacher S等［6］应用实体鼻中隔穿孔模型进行研究也观察到吸气相有气流通过穿孔后上缘流向对侧。Lee HP等［7］通过MRI获取1例亚裔研究对象鼻腔解剖数据，采用数值模拟研究了鼻甲前区5 mm、10 mm、15 mm鼻中隔穿孔气流场，观察到有气流自高速侧鼻腔流向低速侧鼻腔，而且随穿孔增大，气流分流量亦增大，但未计算气流流量值。本研究通过计算得到穿孔后吸气相和呼气相双侧气流分流量均较少，为10～20 mL/s。鉴于实验个体不同，施加边界条件和载荷亦有所区别，双侧鼻腔气流分流量可以不同。此外，本研究认为双侧气流分流与否及其分流量与双侧鼻腔气道阻力差异相关，鼻阻力差值大，则分流量大，反之则小。对于正常人，鼻阻力差异取决于鼻周期，因为鼻周期表现为鼻腔黏膜海绵窦样结构交替性舒缩，鼻腔气道面积和对应气道阻力亦随之发生相应变化［1］。该例研究对象在鼻中隔穿孔前以左侧鼻腔通气为主，穿孔后有少量气流自右侧流向左侧，其原因在于右侧鼻阻力较大，而左侧鼻阻力较小，气流沿气道阻力减小的方向进行流动，即右侧鼻腔有部分气体分流进入左侧鼻腔，与Lee HP［7］观察到的现象一致。另外，本研究认为随着鼻黏膜交替性舒缩趋势及程度的变化，气道面积和阻力也会发生相应改变，气流分流方向和分流量也会发生动态变化，并非固定不变。

值得关注的是穿孔区域大部分空间气流形式紊乱，主要表现为大小和数量不等的漩涡。吸气相和呼气相均可见鼻瓣区和鼻甲前区鼻中隔穿孔区域所形成数量不等的小漩涡，对穿孔区域以外的气流干扰较小;然而吸气相可见鼻腔中部穿孔形成一个较大的漩涡，毗邻总鼻道中部气流受影响较明显，与前两处穿孔有所不同，呼气相则未观察到类似于吸气相的大漩涡。但是3个穿孔部位呼吸两相气流分流量数值则基本一致。Crützenmacher 等［6］、Lee HP等［7］、Pless等［8］均观察到鼻中隔穿孔区域存在漩涡等紊乱气流形式，但未观察到本例研究对象鼻腔中部穿孔所观察到的大漩涡。Crützenmacher等［6］认为鼻中隔穿孔位置对气流场的影响没有差别，本研究计算所得鼻中隔穿孔后双侧鼻腔气流分流量基本相同，与之观点相符，但鼻腔中部穿孔区域形成的与气道前部两个穿孔区域不同的大漩涡则不支持这一观点。本研究考虑原因为:(1)上述实验对象为1例且具有个体差异;(2)鼻腔模型试验［6］与数值模拟研究［7-8］所施加边界条件和载荷不同，研究结果可能有差异。因此，本研究认为尚不能断定鼻中隔穿孔位置对气流场的影响没有差别，仍然需要进一步实验测量和增大样本量进行研究。

鼻中隔穿孔患者的一个重要症状是鼻塞，气流场分析显示鼻腔双侧存在气流分流，似乎增强了呼吸功能，但更为显著的是穿孔区域气流形式紊乱，与之毗邻的鼻腔气流也受到不同程度的影响，从而增加了气道阻力和能量消耗;此外，穿孔区域的漩涡减少了鼻腔有效通气功能，从而导致了鼻塞这一临床症状。

鼻中隔穿孔区域大小、数量不等的漩涡能够使得气流与黏膜更好的接触并延长接触时间，虽然有利于黏膜对气体进行充分的加温、加湿等［9］，但鼻中隔穿孔后黏膜面积减少，热量、水分供应减少［10］，一定程度上增加了局部黏膜组织的“负荷”，导致穿孔局部黏膜热量、水分的“过度”丢失，成为损伤因素;此外，紊乱的气流特别是漩涡也增加了空气中病原体、理化颗粒等在穿孔区域的沉积，增加了黏膜损伤的几率。热量、水分的过度丢失和对黏膜的损伤与鼻腔干燥、结痂、出血以及疼痛等症状相关。另外，因为鼻腔前段气道在鼻腔加温、加湿功能中起主要作用，鼻瓣区和鼻甲前区穿孔的黏膜负荷和损伤趋势更为明显，也可以解释前端穿孔不易愈合甚至有进一步扩大趋势的原因。

综上所述，鼻中隔穿孔后穿孔区域及毗邻气流形式紊乱，穿孔区域内气流形成大小、数量不等的漩涡;鼻腔双侧存在少量气流分流现象;鼻中隔穿孔位置对气流场的影响仍需要进一步研究。

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Effect of nasal septal perforation on the nasal airflow field

SU Ying - feng1，2，LIU Ying - xi1，2，SUN Xiu - zhen1，2，YU Shen1，WANG Ji- zhe2，GUO yan2
(1.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment，Department of Engineering Mechanicals，Dalian University of Technology，Dalian116024，China;2.ENT Department，the Second Affiliated Hospital of Dalian Medical University，Dalian116027，China)

［Abstract］ObjectiveTo explore the effect of nasal septal perforation at different locations on the nasal airflow field.MethodsA three dimensional model throughout human nasal cavity was established based on spiral CT scan data.Furthermore，nasal septal perforations were created in the model at different locations of nasal valve，anterior turbinates and middle nasal cavity in the cylindrical shape with the same diameter of 10 mm.Given three preconditions，the nasal airflow fields were described by the Navier-Stokes and continuity equations at the ventilation volume of 12 L/min，respectively.The whole airflow patterns were obtained，and then comparing the airflow filed between before and after septal perforations.ResultsThe characteristics of nasal airflow field before septal perforation were in accordance with the healthy Chinese.After septal perforations，the nasal airflow were in disorder in the airway of septal perforations with the mainly airflow pattern of reversals and there were flow exchange via the septal perforations with the velocity of 10-20 mL/s in both inspiratory and expiratory phases.But，the airflow patterns in septal perforation at the location of middle nasal cavity were different between inspiratory and expiratory phases.ConclusionThe airflow pattern was in disorder in the airway of septal perforations with the mainly manifestation of reversals，affecting the neighboring airflow to certain extent.And there were small amount of flow exchanges via septal perforations between both sides.

［Key words］perforation;nasal septum;airflow fields;nasal cavity

R765.3+4

A

1671-7295(2013)02-0112-04

苏英锋，刘迎曦，孙秀珍，等.鼻中隔穿孔对鼻腔气流场影响的数值模拟研究［J］.大连医科大学学报，2013，35(2):112 -115.

10.11724/jdmu.2013.02.03

国家自然科学基金资助项目(10902022，11072055，11032008);辽宁省教育厅资助项目(L2012323)

苏英锋(1977-)，男，山西运城人，主治医师，硕士。E-mail:suyingfeng2616@163.com

刘迎曦，教授。E -mail:yxliu@dlut.edu.cn

2012-12-25;

2013-02-12)