人体上呼吸道的计算流体力学研究及其医学应用

论文摘要

人体上呼吸道内部流动的模拟对于很多学科的研究具有重要的价值,如流体力学、嗅觉学、医学等等,其研究成果可应用于嗅觉形成机理的阐释和上呼吸道疾病的治疗等领域。近年来,计算流体力学已经广泛的应用于该领域的研究中,并取得了一定的成果,但仍有很多问题需要进一步研究。阻塞性睡眠呼吸暂停及低通气综合症是以睡眠中的呼吸暂停及低通气为主要特征的睡眠呼吸疾病,其发病率约在2%～4%。普遍认为,该症与上呼吸道解剖结构异常和肌群的张力改变有密切联系。该综合症的主要治疗方法是口腔矫治器和持续正压通气（CPAP）。现有的对于该症及其治疗方法机理的描述主要是基于影像学的结论,较为简单和笼统。本论文首先以临床数据为依托,建立了较为真实的人体上呼吸道模型。采用计算流体力学模拟了人体上呼吸道的内部流动,并通过将计算结果与文献和临床数据进行比较,验证了计算结果的有效性;在此基础上,采用5种流动模型（Laminar,Standard k-ε, Low Re k-ε, Spalart-Allmaras, SST k-ω）求解了上呼吸道的内部流场,发现在平静呼吸下Standard k-ε计算结果误差较大,在该状态下推荐采用层流模型计算。进一步研究发现,口气道和体位对上呼吸道内部流动有一定的影响,建议在今后的研究中予以考虑。在此基础上,本文对该综合症的两种主要治疗方法（口腔矫治器和持续正压通气）治疗前后的病人上呼吸道的内部流动进行了模拟,对比了治疗前后详细的流场数据。结果显示,口腔矫治器治疗后,病人的咽腔截面积显著增大,同一部位的静压力大幅度升高,流速降低,各个部分的阻力下降,但鼻腔内的流动参数在吸气和呼气状态下均无明显变化。上述变化有助于消除咽腔的塌陷,从而达到治疗目的。通过对持续正压通气治疗4种压力下的流场的响应情况进行比较和分析,可以看出流量基本随着压力线性变化。沿流动方向,咽部的压力、速度、Re数等,随着压力的增加显著升高。结果显示,持续正压通气可以有效的防止气道塌陷。由于鼻腔的限速作用,持续正压通气不会对病人的鼻甲造成严重的损伤。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外相关研究进展
• 1.2.1 尸源性模型的研究
• 1.2.2 影像学数据构建模型的研究
• 1.2.3 计算机数值模拟
• 1.3 上呼吸道塌陷机理
• 1.4 不同流动模型简介及其有效性
• 1.4.1 流动模型简介
• 1.4.2 流动模型有效性
• 1.5 口腔矫治器治疗机理
• 1.6 持续正压通气治疗机理
• 1.7 论文主要研究内容
• 第2章 数值模拟概况及有效性验证
• 2.1 上呼吸道模型和数值模拟概况
• 2.1.1 上呼吸道模型
• 2.1.2 数值模拟概况
• 2.1.3 控制方程
• 2.1.4 人体上呼吸道模型的说明
• 2.2 截面、区域及后续分析说明
• 2.3 上呼吸道内部流动状态的讨论
• 2.4 网格无关性的验证
• 2.5 数值模拟有效性验证
• 2.5.1 鼻腔内的流量分布
• 2.5.2 鼻腔内最大速度比较
• 2.5.3 鼻腔静压力分布比较
• 2.5.4 咽腔流动分析
• 2.5.5 鼻气道阻力比较
• 2.5.6 涡的位置
• 2.6 本章结论
• 第3章 各种因素对于上呼吸道内部流动影响的模拟
• 3.1 本章概况
• 3.2 不同流动模型的影响
• 3.2.1 平静呼吸状态结果分析
• 3.2.2 强呼吸状态结果分析
• 3.3 口气道的影响
• 3.3.1 口气道对正常人的上呼吸道流场影响
• 3.3.2 口气道对OSAHS 病人的上呼吸道流场影响
• 3.4 鼻腔阻塞的影响
• 3.4.1 压力和速度分布比较
• 3.4.2 咽腔内的速度云图和流线比较
• 3.4.3 上呼吸道阻力比较
• 3.5 不同体位的影响
• 3.6 本章结论
• 第4章 口腔矫治器治疗效果模拟
• 4.1 模型概况
• 4.2 数值模拟概况
• 4.3 计算结果分析及讨论
• 4.3.1 治疗前后静压降比较
• 4.3.2 治疗前后流速比较
• 4.3.3 治疗前后压力和速度云图比较
• 4.3.4 咽腔狭窄部分静压力值和速度值比较
• 4.3.5 吸气和呼气状态对比
• 4.4 本章结论
• 第5章 持续正压通气治疗效果模拟
• 5.1 数值模拟概况
• 5.2 结果分析和讨论
• 5.3 本章结论
• 第6章 结论与展望
• 6.1 论文的主要研究成果
• 6.2 论文的主要创新点
• 6.3 研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果