耳鼻咽喉器官结构与功能数值模拟的研究与临床应用

苏英锋，孙秀珍

(大连医科大学 附属第二医院 耳鼻咽喉科，辽宁 大连 116027)

耳鼻咽喉器官结构与功能数值模拟的研究与临床应用

苏英锋，孙秀珍

(大连医科大学 附属第二医院 耳鼻咽喉科，辽宁 大连 116027)

耳鼻咽喉器官是人体直接接触外界环境的感觉性器官，具有解剖深在、细小之特点，其功能的实现和疾病发生与外界环境紧密相关。以临床常见或疑难疾患为切入点，从中提取和凝聚理工科与临床医学学科交叉界面的科学问题，采用计算生物力学、现代信息学和计算机技术与医学基础理论、临床医疗检测技术相融合的研究框架，建立生物器官数值模型，探索其在一定外界环境刺激下，功能实现的机理以及相关疾病的预测和防治具有另辟蹊径的意义。本文从实验研究和数值模型研究两个方面讨论了耳、鼻、咽、喉器官生物数值模型研究现状，并就其研究成果在医疗领域的应用进行讨论，对现今建立人体器官生物数值模型研究价值进行探索与展望。

耳鼻咽喉器官；生物数值模型；计算机技术；生物力学

2002年香山科学会议第174次学术讨论会简报指出：“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。信息技术的进步，使计算机数值模拟或计算科学成为与理论研究和物理实验并列的获取新知识、新发现的三大手段之一，传统的医药学研究依赖于大量动物和人体实验的做法将在一定程度上由计算机模拟所取代”[1]。这一纲领性文献结合21世纪计算机科技快速发展，使得中国在生命学科领域已经有能力和基础开展此方面的研究工作。

耳、鼻、咽、喉器官因其结构细小、解剖位置深在、功能复杂。其中，鼻、咽、喉作为上呼吸道的构成结构，呼吸过程即气流在气道内的流动特性是其完成呼吸功能的根本，也是行使其他功能如加温、加湿、过滤等的基础；耳功能主要包括传声、感音、平衡等功能，其结构更为细微、复杂，既往的研究手段如人体测试和动物实验均不足以满足上述器官生理功能和发病机制研究的需要，也使得耳鼻咽喉现代医学理论与实践研究受到限制。

耳鼻咽喉器官执行其功能的过程均具有鲜明的“生物力学”特性，譬如鼻腔内的气流场、中耳听小骨的声音传导过程等。因此，不断有研究人员运用生物力学研究方法来探索上述器官结构与功能之间的关系以及某些疾病的发病机理。

近年来，得益于高性能计算机科学技术的发展和普及，通过建立生物数值模型并进一步开展基础或临床实践研究逐渐得到了国内外学者的广泛重视，特别是激发了医学研究人员的浓厚兴趣。其中，“有限元法”运用最为广泛，其原理是将整体结构看作由有限个单元相互连接而成的几何实体,根据每个小单元的力学总装效果反映出结构的整体力学特性[2]，能有效克服耳鼻咽喉器官结构复杂、体积紧密而使研究受到限制的弊病。

以下从鼻、咽喉和耳器官方面分别进行阐述。

1 鼻腔生物数值模拟研究

鼻腔作为呼吸系统的门户器官，具有对流经其中的气流进行加温、加湿、过滤、免疫等作用。对鼻腔气流场的研究有助于认识鼻腔结构与功能之间的关系、鼻科疾病的发病机理以及其与其他相关系统疾病之间的关系。

近几年来,得益于高分辨率CT和MRI的出现，人们通过CT或MRI获取鼻腔的二维结构信息，进一步构建人体生理或疾病状态下的鼻腔生物力学模型,相继开展了包括气流场、温度场、湿度场等一系列的研究。Subramaniam等[3]建立了1例健康人鼻腔生物数值模型，模拟在通气量为15 L/min时鼻腔内气流场的分布特点，其中总鼻道中部、总鼻道下部、中鼻道、下鼻道、嗅裂的气流量依次为25.7%、24.9%、21.2%、12.8%及2.4%，其中鼻腔内总鼻道中、下部和中鼻道三者占到鼻腔总气流量的71.8%，提示上述三者为鼻腔气流的主要通道，与既往的鼻腔实体模型研究结论一致[4-5]；孙秀珍等[6]建立了25位中国人鼻腔生物数值模型，在通气量为10 L/min时，其中80%以单侧鼻腔通气为主，在主要通气侧，鼻阈区域的流速最快[(6.95±1.82)m/s]，总鼻道中部[(5.10±1.35)m/s]和下部[(4.09±1.40)m/s]次之，与文献[3-5]报道一致，而嗅裂、中鼻道、下鼻道内流速最慢且双侧鼻腔无明显差异(图1～图2)，提示三者主要功能均非通气，与文献[7-8]报道相同。于申等[9]进一步的研究分析了鼻腔气道阻力的成因，指出“鼻腔阻塞系数可以由鼻腔气道的截面积、气道长度、气道截面的湿周长等几何尺寸确定，不随时间和气体流量变化”，即鼻腔阻塞系数能够客观反映鼻腔的阻塞程度，对临床鼻科疾病患者“鼻塞”程度的判定以及手术方式的选择提供了客观且非常有益的补充。

图1 健康国人吸气相鼻腔气流场云图Fig 1 Airflow field in nasal cavity of healthy Chinese during inspiration

图2 健康国人吸气相鼻腔气流矢量云图Fig 2 Vector diagram in nasal cavity of healthy Chinese during inspiration

此外，鼻腔加温功能也引起了研究人员的关注。早期有学者应用微型温度计对鼻腔温度进行测量，发现鼻腔前端起主要加温作用[10-11]。Lindermann[12],Sara Naftali[13]和苏英锋[14]等分别应用生物力学模型对鼻腔温度场进行模拟，也发现鼻内孔至中鼻甲前端这一区域为鼻腔气道加温功能的主要功能区(图3)，而通过数值模拟进一步发现，气流经过鼻瓣区后在鼻腔前端迅速“扩散”，使得气流能够与黏膜充分接触，而且气流经过鼻瓣区后流速亦降低，延长了气流与黏膜接触的时间(图4)。此外，多数学者进行的数值模拟均发现鼻腔内不同区域具有多个小的“漩涡”形成，漩涡能够进一步促进粘膜与气流之间的热量交换，从而增强鼻腔加温功能[14-15]。

图3 国人鼻腔温度场云图Fig 3 Temperature field in nasal cavity of healthy Chinese during inspiration

图4 国人鼻腔气流矢量场云图Fig 4 Vector diagram in both nasal cavity of healthy Chinese during inspiration

在研究了鼻腔正常生理结构与功能之间关系的基础之上，不断有学者对“病态鼻腔”进行了研究：Yu等[16]通过数值模拟指出鼻腔局部结构的改变会引起整个鼻腔气流场的变化，而不仅限于结构改变局部气流场，从而影响整体鼻腔的通气功能。陶泽璋等[17]通过对鼻中隔偏曲患者窦口鼻道复合体局部的微细观结构进行分析，发现局部黏膜与骨质均发生肥厚增生，而通过对比鼻中隔偏曲患者和正常人的气流场，发现偏曲最明显处气道阻力最大，而且对侧气流量增多且分布异常(图5)，其中与慢性鼻窦炎发病密切相关的中鼻道流量增加，从而揭示了鼻中隔偏曲患者易于发生鼻窦炎的机理[18]；鼻中隔穿孔能够增强双侧鼻腔气流分流作用，似乎可以增强通气功能，但临床实践发现患者“鼻塞”明显，其原因何在？常规实验手段作用有限，数值模拟发现穿孔区域气流形式紊乱且形成漩涡，双侧鼻腔毗邻区域气流也受到干扰[19-20](图6)，反而增加了气道阻力和能量消耗，从而导致鼻塞，体现了生物力学数值模型研究的优势。

图5 鼻中隔偏曲者气流场云图Fig 5 Airflow field of nasal septum deviation patient during inspiration

图6 鼻中隔穿孔者气流矢量场云图Fig 6 Aector diagram of nasal septum perforation patient during inspiration

2 上气道生物数值模拟研究

生物数值模拟研究方法既能够有效弥补常规动物和人体实验研究的不足，又能够适应现代医学“无创、高效、精准”的研究需要。

目前，阻塞性睡眠呼吸暂停-低通气综合征(obstructive sleep apnea and hypopnea syndrome,OSAHS)是严重威胁人类健康的疾病之一，其危害性涉及呼吸、心血管、内分泌和神经系统等，已经得到广泛认识。目前的研究认为其发病因素与上气道狭窄、上气道扩张肌张力下降、神经-肌肉功能障碍相关，然而针对上气道内的气流及其与气道结构之间的互动关系则认识不足。有学者针对儿童和成人OSAHS患者分别建立了生物数值模型，进行了相关研究，阐述了儿童腺样体肥大对上气道气流场的影响；针对成人OSAHS患者，分析了异常的气流场-软腭之间的流固耦合现象，从生物力学角度分析了改良腭咽成形术的适应人群，指导了临床手术适应证的选择。

儿童OSAHS的常见病因是腺样体肥大和(或)扁桃体肥大。Xu等[21]基于MRI提供的腺样体肥大患儿建立了鼻-咽的三维有限元模型，对比计算结果和实体模型实验数据，认为患儿咽腔的形状对上气道压强的分布状况影响较为明显，提示鼻咽部气道阻力增加。Allen GM等[22]通过数值模拟后指出用鼻咽部的轴向速度和紊流强度两个参数评价鼻咽部气道的功能状态更为有效。唐媛媛等[23]基于CT建立的9例腺样体肥大患儿上气道有限元模型发现术前患儿鼻咽部气流速度快且紊乱，其压强降低明显，气道壁面剪切力增高。对比发现健康儿童上气道压强变化梯度主要集中于鼻阈区，呼吸道气流的高流速区主要集中在鼻阈区和中鼻道；而在腺样体肥大患儿，上呼吸道的高流速区除集中于鼻阈区和中鼻道以外，还包括鼻咽部，而且鼻咽部气流场紊乱，压强变化梯度也主要集中在鼻阈、腺样体与扁桃体的交界区域(图7～图9),与文献[21-22]报道一致。局部气流场紊乱和壁面剪切力增高与腺样体病理性肥大渐进性加重相关[24]，鼻咽部压强增大直接反映局部气道阻力增大，提示患儿通气功能减退，需要用力呼吸方能维持正常通气量。

图7 腺样体肥大患儿吸气相气流场Fig 7 Airflow field of adenoid hypertrophy children during inspiration

图8 鼻咽部气流矢量云图Fig 8 Vector diagram of adenoid hypertrophy children

图9 腺样体肥大患儿吸气相压强场Fig 9 Pressure field of adenoid hypertrophy children during inspiration

不同于儿童OSAHS患者，成人OSAHS患者口咽段气道：软腭-舌根-会厌游离缘在发病机理中所起的作用更为明显。Liu等[25]建立了10例健康国人上气道生物力学模型(图10)，数值模拟发现吸气相气流在鼻咽部稳定，在软腭-舌根-会厌游离缘之间气流速度增大且对口咽腔后壁形成一定的冲击；在软腭-舌根区域压力梯度的变化最为集中,腭帆处也出现了较低的气压,说明在口咽腔气道前后壁之间会产生一定的压差。这一压差会导致气流冲击软腭后部,如若压差过大或气道壁松弛,软组织高频率震颤就会产生响声，即打鼾症状。进一步对OSAHS患者进行研究[26-29],发现吸气相气流经过鼻咽部后速度突然增大，其中软腭至会厌游离缘之间气流速度达到最大，而且气流对咽后壁的冲击非常强烈。此外，该区域压力总体分布不均匀，压力梯度变化集中在软腭-舌根-会厌上缘部分，而且压力分布极其不均匀，出现了间阶式浮动。这种气流场、压强场分布异常必然会引起患者的呼吸紊乱，对咽腔的组织也会带来危害(图11～图12)。Wang等[30]建立了鼻咽喉-气管-叶支气管和部分段支气管的生物力学模型，研究发现OSAHS患者气道壁的剪切应力分布缺乏规律性，数值上远大于正常人，剪切应力在阻塞部位变化幅度明显，同时气管内的壁面剪切应力也较正常人偏高，提示OSAHS患者下呼吸道也同步存在病理改变。

图10 OSAHS患者手术前后上气道流固耦合模型Fig 10 Fluid-solid coupling model of upper airway pre and post-operation of OSAHS patient

图12 OSAHS患者吸气相气流场云图Fig 12 Airflow field of OSAHS patient during inspiration

3 耳科生物数值模拟研究

人耳是一个结构复杂的系统, 包括外耳、中耳、内耳三部分，其中外耳主要包括耳廓和外耳道，中耳则包括鼓膜、听小骨、韧带、肌肉等，内耳迷路主要包括耳蜗、前庭、半规管等结构，其中外耳、中耳具有传声功能，内耳具有感音和平衡功能，上述各部分结构尺寸细小、材料各异，活体上难以实时检测，也不利于生理功能和发病机理研究。因此，不断有学者试图通过建立各种模型进行生物力学研究，极大地促进了学者对于耳结构与功能的认识。

姚文娟等[31]指出耳生物力学研究是近年来快速发展的一个新兴研究领域。

有限元方法可以全面模拟超微结构特征、复杂几何形态以及生物系统各向异性和非同质性的生物特性,能够满足研究细微的振动模式、压力分布以及任何位置的力学行为，因此在耳生物力学研究中具有更多优势。

中耳传声功能有限元数值模拟研究：1978年Funnel等[32]首先报道了猫鼓膜的中耳有限元数值模型，此后Beer等[33]运用激光扫描技术获得了更为精准的中耳内各结构的具体参数，建立的中耳有限元模型具有更为精确。后期所建的模型则不同程度地完善了包括鼓膜、听小骨、肌肉以及韧带结构，使得对中耳传声功能的研究结果更为可信[34-35]。随着高分辨率CT的出现，研究人员开始采集活体中耳解剖结构数据，所建立的模型接近人体生理状态，其研究结果与实验检测数据拟合度更高[36-38](图13)。譬如：上述研究发现人外耳道对声音传导具有增益性，主要集中于高频段3 000～4 000 Hz范围，由于共振的作用，对鼓膜振动增益幅度约10～15 dB，临床常见病如鼓膜穿孔的大小尺寸对传声影响较大，而穿孔的位置则对传声影响较小(图14)；临床听骨链中断如砧镫关节脱位会导致鼓膜在低频区振动增强，而在高频区振动减弱，为临床鼓膜修补、听骨链植入手术提供了理论支持。

图13 国人外耳-中耳-内耳三维生物模型Fig 13 3-D Biological Model of ear of healthy chinese

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

内耳感音功能生物数值模拟研究：1960年Bekesy认为耳蜗是一个基本的水动力学系统，液体与固体的耦合作用不可忽略，首次提出基底膜运动遵循“行波理论”。早期的耳蜗数值模型假设耳蜗淋巴液为无粘滞性的理想流体，同时将Navier—Stokes方程简化为线性方程，所建模型过于简化，与正常生理状态下的耳蜗有较大差别[39]；与此同时不断有学者对内耳淋巴液[40-41]、基底膜[42-43]以及盖膜[44-45]等微细观结构的力学参数进行了相关研究，为耳蜗力学模型的研究提供了基础。万旺根等[46]建立的耳蜗二维非线性力学模型，同时考虑了淋巴液为粘滞流体和非线性运动的特点。研究人员进一步建立了耳蜗三维数值模型，其所建模型将简化为直管状，其中的基底膜简化为直板形[47-49]；Yao W等[50]和邢琪等[51]则进一步建立了三维螺旋管形耳蜗模型，符合正常生理状态下耳蜗呈螺旋状结构的特性。此外，研究人员还对Corti器、盖膜、毛细胞等微细观结构进行了数值模拟研究。

关于前庭与半规管平衡功能的生物力学研究：早期研究认为半规管内壶腹嵴顶相当于一扇“转门”，绕壶腹嵴摆动。Dohlman[52]认为壶腹嵴顶的运动犹如圆柱筒中的“活塞”，亦有研究认为嵴顶的运动模式是旋转门和滑行元的组合。而更多的研究认为嵴顶的变形为内淋巴液的体位移，具体取决于内淋巴液的位移幅度[53]。与此同时，壶腹嵴顶的变形幅度也受到了关注，Njeugna等[54]对嵴顶的动力学特征进行了研究，得到了嵴顶的模态和振型，Rabbitt[55]进一步获得了正弦机械压痕激励嵴顶的位移变形响应。Van Buskirk等[56]第一次严格意义上分析半规管内淋巴液流体动力学响应：这个模型假设内淋巴液为不可压缩牛顿流体，说明了椭圆囊和壶腹嵴对整体压强梯度的作用。其他学者发展了更加严格的数学模型，对头转动时半规管中内淋巴液的流动规律、嵴顶的响应特征进行了广泛描述[53，55,57-60]。这些学者给出的数值模型成功地将半规管结构性能量化为质量、刚度和阻尼参数。另有学者进一步研究了冷热试验内耳半规管中内淋巴液的流体动力学问题[61-64]。Kassemi等[65-66]构建了内耳水平半规管流固耦合有限元模型。这个模型将内淋巴液描述为微可压缩牛顿流体，嵴顶描述为线弹性各向同性材料，且嵴顶的运动为大位移小应变几何非线性问题。运用这个模型分析了冷热试验内淋巴液的速度场和压强场分布、嵴顶的位移场和应力场分布，同时还探讨了失重状态诱发眼震的可能机制。此外，Selva等[67]和Wu等[68]通过有限元法分析了头部匀速转动时单个水平半规管中内淋巴液流动与嵴顶运动的相互作用规律。刘迎曦、孙秀珍等[37-38]进一步建立了同时包含前庭和三个半规管的人耳前庭系统生物力学模型,研究了旋转激励和机械压痕激励下前庭系统膜迷路的生物力学响应特征(图15)。

图15 峰值角速度时刻右耳水平半规管壶腹嵴嵴顶、前半规管壶腹嵴嵴顶和后半规管壶腹嵴嵴顶位移云图Fig 15 Cupular displacement field of lateral，superior and posterior semicircular canals in the right inner ear at the peak of angular velocity

4 结 语

进入21世纪以来，基于计算机科学的飞速进步,国内外生物数值模型的研究得到很大的发展，人体生物器官诸如耳鼻咽喉的生物力学数值模型的研究也取得了可圈可点的成果。生物力学即是应用力学原理和方法对人体、生物体中的医学问题进行定量研究的科学。本文介绍的研究课题提取学科交叉框架的设计和技术路线的实施等内容，旨在为耳鼻咽喉学科及其他生物器官数值模拟研究提供参考，传统的医药学研究依赖于大量动物和人体实验的做法今后将在一定程度上由计算机模拟所取代。

该类研究范围从生物整体到具体的器官、细胞，乃至微观结构等多方面。由于人体组织器官的差异性，都面临着数字化、功能化和临床应用密切结合的问题。开展人体生物器官生物力学数值模型的研究将为现代医学理论基础研究逐步精细化及定量化、大量临床数据的积累的模型化及数学化探索一条可行的途径。

就本项研究而言，认为今后应在以下几个方面有所突破：(1)多物理场分析；(2)多尺度宏、细、微观综合分析；(3)多器官耦合分析；同时加强与医学基础理论及临床实践的结合，将生物力学数值模型研究的成果应用到临床实践，为解决临床问题提供量化分析的平台。辅助临床进行诊断、个性化干预、疗效评估以及相关医疗器材的研制。

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数字的表达方式

数字的表达方式执行GB/T 15835-1995《出版物上数字用法的规定》。公历世纪、年代、年、月、日、时刻和计数、计量均用阿拉伯数字。数字≥4位数时，每三位一组，组间空1/4个汉字空，如：“51,200”应写成“51 200”。但序数词和年份、页数、部队番号、仪表型号、标准号不分节。百分数的范围和偏差，前一个数字的百分符号不能省略，如：5%～95%，不能写成5～95%；(31.8±0.6)%，不能写成31.8±0.6%。附带尺寸单位的数值相乘，按下列方式写成：4 cm×3 cm×5 cm，不能写成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

专家述评

10.11724/jdmu.2015.01.01

国家自然科学基金项目(10872043, 10902022, 11032008, 11472074)；辽宁省教育厅基金项目(L2012323)

苏英锋(1977-)，男，辽宁大连人，副主任医师。

孙秀珍，教授，主任医师，博士生导师。研究方向：耳鼻咽喉科学基础与临床，器官生物力学。E-mail:sunxiuzhen 001@163.com

R762

A

1671-7295(2015)01-0001-08

苏英锋，孙秀珍. 耳鼻咽喉器官结构与功能数值模拟的研究与临床应用[J].大连医科大学学报，2015,37(1)：1-8.

2014-12-20；

2015-01-15)