人鼻腔生物力学模型的基础研究及其临床应用

论文摘要

鼻腔是给人体提供氧气来源的主要通道,除了承担呼吸的主要功能外,还有对吸入气流进行加温、加湿、滤过清洁等作用,以保护下呼吸道粘膜;同时又是防止呼吸系统疾病入侵人体的第一道防线。临床医疗实践和研究工作证明:鼻腔结构几何形态与鼻腔能否保持正常功能以及鼻腔疾病有着密切关系。近年来人们已经开始注意到鼻腔结构异常是导致鼻腔某些常见病的原发因素之一,然而鼻腔结构复杂,由于缺少生物模型和数值量化的计算模型,无法深入细致了解和掌握,影响了疾病的临床预测、诊断、治疗方案优选与手术疗效的估计。根据CT扫描获取的鼻腔结构数据,构建鼻腔的数值模型对鼻腔内的气流场进行研究。通过大量鼻腔模型的建立与数值模拟,对鼻腔结构几何形态与鼻腔内气流流场的关系进行研究;进而模拟鼻腔某部位结构变化导致整个鼻腔气流场的变化。在此基础上设计两个临床应用的医疗器件,用以减轻医生的工作量和患者的痛苦。论文工作分为以下五个部分:第一部分介绍了一种重建鼻腔模型的有效方法,根据一名健康志愿者的CT图像,用表面重建的方法对该患者的鼻腔结构进行三维重建,用有限元的方法对鼻腔域中的气体流动进行了数值模拟及分析,并把得到的结果与医学文献中记载的数据相比较,证明重建鼻腔模型与气体流场数值模拟的可行性。第二部分主要研究鼻腔结构的几何形态与鼻腔内气体流场的关系,应用三维重建和数值模拟的方法对24例健康成年人鼻腔的气流流场进行了分析和比较,总结健康成年人鼻腔气体流场的特点并对其按照一定规律进行分类。通过数值模拟方法分析鼻腔在鼻甲部分切除后的气流流场,并与原始模型的模拟结果进行比较,研究鼻腔结构的变化对鼻腔内气流分布的影响。第三部分主要研究正常成年人的鼻腔气道几何尺寸和鼻腔阻塞程度的关系,对17个志愿者进行鼻阻力测试,得到鼻腔的阻塞系数与气流量的关系。对测试数据进行函数拟合,确定鼻腔的阻塞系数。根据每个志愿者的鼻腔的CT扫描图像,提取鼻腔结构的几何数据。对鼻腔阻塞系数和鼻腔结构几何数据进行分析对比,建立气道几何尺寸与鼻腔阻塞系数的关系式,并确定其中的待定系数。结果表明,可以通过鼻腔气道的截面积、气道长度、湿周长等几何尺寸大致的确定鼻腔的阻塞程度。第四部分设计一种应用于功能性内窥镜鼻窦手术后的引流器,在术后放入窦口鼻道复合体处,防止窦口的粘连,保证鼻腔通气,通过鼻腔呼吸气流自动将上颌窦内的积液引出,将液体药剂输送到上颌窦,方便术后的管理。根据重建的三维鼻腔模型进行数值模拟的结果和鼻阻力仪测量的结果得到窦口鼻道复合体处的气流流动情况。通过两相流理论和建立的引流器计算模型,对于“引流和注药过程”进行数值模拟和定量分析。在数值模拟过程中,改变引流器的管径以及引流物质的粘性系数,分别计算并比较结果,对引流器形状进行优选,确保本文设计的引流器可以完成通气、引流,注药和保持上颌窦窦口不粘连的功能。第五部分设计一种鼻用塞固器,在鼻中隔粘骨膜下矫正术后,放入鼻腔替代传统的填塞材料,起到固定鼻中隔、压迫止血和保持鼻腔通气的作用。通过有限单元法模拟塞固器和膨胀海绵在鼻腔中的工作情况,分析两者的模拟结果,比较鼻中隔粘骨膜的压应力和第一主应力。由模拟结果可知,鼻用塞固器可以起到固定鼻中隔、压迫止血和保持鼻腔通气的作用,同时不会导致鼻腔粘膜的破裂。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文研究的背景和意义
• 1.2 基于螺旋CT图像的三维重建技术
• 1.2.1 三维重建的前期工作
• 1.2.2 三维重建方法的分类
• 1.2.3 CT机常用的三维重建方法
• 1.2.4 基于CT的三维重建的临床应用
• 1.3 鼻腔呼吸过程研究进展
• 1.3.1 上呼吸道的临床测试及实验模拟
• 1.3.2 上呼吸道三维流场数值模拟的研究概况
• 1.4 数值模拟方法简介
• 1.4.1 有限单元法
• 1.4.2 有限体积法
• 1.5 论文主要工作
• 2 鼻腔解剖结构的三维重建与气体流场的数值模拟
• 2.1 鼻腔简介
• 2.1.1 鼻腔解剖结构
• 2.1.2 鼻腔的呼吸功能
• 2.2 鼻腔结构的三维重建
• 2.2.1 原始数据的获取
• 2.2.2 CT图像的处理与三维重建
• 2.3 鼻腔气体流场的数值模拟
• 2.3.1 控制方程和边界条件
• 2.3.2 模拟结果
• 2.3.3 模拟结果的讨论
• 2.4 小结
• 3 鼻腔结构对气流分布的影响
• 3.1 数据采集对象和方法
• 3.1.1 志愿者选择与CT图像三维重建
• 3.1.2 鼻声反射简介及测试
• 3.2 数值模拟及测试结果
• 3.2.1 控制方程与边界条件
• 3.2.2 多例鼻腔模拟结果
• 3.2.3 切除鼻腔模拟结果
• 3.2.4 鼻声反射测量结果
• 3.3 鼻腔结构与气体流场的关系讨论
• 3.3.1 鼻腔结构与气流流场的分布
• 3.3.2 鼻腔结构与气压场
• 3.4 湍流状态下鼻腔的几何尺寸与鼻腔阻塞系数的关系
• 3.4.1 鼻阻力检测数据和CT扫描数据的获取
• 3.4.2 鼻腔结构几何形态的规律和几何尺寸
• 3.4.3 鼻阻力与鼻腔阻塞系数
• 3.4.4 鼻腔阻塞系数与鼻腔几何形态的关系
• 3.4.5 鼻腔阻塞系数与鼻腔结构几何尺寸的讨论
• 3.5 小结
• 4 应用于功能性内窥镜鼻窦手术后的引流器的设计
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 引流器的设计
• 4.1.2 上颌窦内气流的特点
• 4.1.3 两相流模拟简介
• 4.2 数值模拟
• 4.3 引流器工作模拟结果的讨论
• 4.4 小结
• 5 应用于鼻中隔粘骨膜下矫正术的塞固器的设计
• 5.1 塞固器的设计
• 5.1.1 塞固器的材料与模型
• 5.1.2 塞固器和单一膨胀海绵的工作模型
• 5.2 数值模拟
• 5.2.1 控制方程与边界条件
• 5.2.2 材料性质
• 5.2.3 计算结果
• 5.3 两种填塞物效果的讨论
• 5.4 小结
• 参考文献
• 论文创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢