OSAHS上氣道氣流場數值模型的建立與阻塞平面的分析

郭 燕 孫秀珍 呂 萍 陳 力

大連醫科大學附屬第二醫院耳鼻咽喉頭頸外科，遼寧大連 116027

阻塞性睡眠呼吸暫停-低通氣綜合征（obstructive sleep apnea-hypopnea syndrome，OSAHS）屬于耳鼻咽喉科臨床常見病、多發病之一，對于成年患者，其上氣道結構與功能方面的研究報道較多，病因相對比較復雜，但對于兒童患者，其發病原因主要為腺樣體和（或）扁桃體肥大導致上氣道狹窄所致，上氣道是否狹窄及狹窄程度多通過X線片、鼻內窺鏡檢查評估，多有臨床醫師確定，具有較大主觀性，同時對于研究其發病機制仍顯不足。而上氣道的核心內容為其中的氣流場，與氣道結構及其功能狀態密切相關，本研究擬通過建立患兒上氣道有限元模型，對其中上氣道生物力學特征進行研究，進一步有臨床醫師通過模擬手術切除肥大扁桃體及腺樣體并分析其氣流場，通過對術前、術后上氣道流場進行對比分析，期望發現兒童OSAHS患者氣道結構對氣流場的影響，從生物力學角度分析其發病機制，并為臨床個性化診治方案提供一定的指導作用。

1 對象與方法

1.1 對象

選擇2004年12月～2006年12月于我院耳鼻咽喉頭頸外科患兒（3～14歲）9例，根據癥狀、鼻咽側位片及睡眠呼吸監測結果診斷為OSAHS，且腺樣體肥大，均無鼻腔鼻竇炎癥及其他上呼吸道疾病史。

1.2 多層螺旋CT掃描

符合條件的受試者在室溫環境下安靜30 min，清理鼻腔分泌物后，進行鼻、鼻咽部水平位連續掃描，窗位選擇骨窗，層厚3 mm，層間距3 mm。將獲得的DICOM影像學數據通過西門子多層螺旋CT機自帶軟件轉化為BMP格式圖像。

1.3 確定邊界條件

鼻腔前鼻孔處為1個標準大氣壓（P=101 325 Pa）。鼻腔氣道壁為無滑移條件（Vs=0 m/s）。鼻咽部：氣流流速（m/s）。女性兒童潮氣量預計方程式為Q=0.106+2.614×10-4×身高×年齡-8.844×10-8×e年齡，男性兒童潮氣量預計方程式為Q=-5.065+2.599×log身高[1]，呼吸頻率設定根據年齡段分別設為：3～5歲設定為25次/min，大于5歲設定為0次/min，一次完整的呼吸過程為3 s，吸氣相與呼氣相時間比例為1∶1。根據重建模型可以得到鼻咽部氣道的橫截面積（m2），得出鼻咽部氣流的平均速度。

1.4 三維重建及數值模擬

將上述獲得的BMP格式圖像通過Matlab軟件數字化，以自編譯的程序識別上氣道邊界，將其導入Ansys 10.0軟件中，三維重建患兒上氣道氣流通道，再應用Ansys 10.0有限元分析軟件進行計算分析。

1.5 選取受試者的CT影像

選擇前后界為鼻中隔后端到咽后壁，上下界為鼻咽頂壁到會厭上緣，將選定的氣道區域導入Photoshop CS軟件，由耳鼻咽喉科醫師與生物醫學工程專業研究人員共同確定鼻咽氣道腺樣體位置，并模擬手術切除肥大的腺樣體，重塑氣道結構，將模擬手術后的圖像替換原圖像。

1.6 統計學方法

采用SPSS 12.0醫學統計分析軟件對病態和模擬手術后鼻咽腔和鼻腔氣流情況進行統計分析，計量資料數據以均數±標準差表示，采用方差分析，兩兩比較采用LSD-t檢驗。以P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 鼻咽部氣流形態變化

在病態模型中，鼻咽部氣流形態主要以湍流為主（圖1），而模擬手術后模型中，鼻咽部主要以層流為主（圖2）。

圖1 術前鼻咽部速度矢量圖

圖2 術后鼻咽部速度矢量圖

2.2 鼻、鼻咽腔氣道壓強

術后模型較術前模型在吸氣及呼氣時的總體壓強降均減小（表1）。數據經SPSS軟件分析，t值分別為6.068和4.567，P值均小于0.05。

表1 術前及術后模型總體壓強降變化（Pa）

2.3 腺樣體肥大患兒上氣道氣流場特征

鼻腔內鼻閾、中鼻道氣流速度較高，流速分別見圖4；鼻咽部氣道狹窄部位氣流速度亦較高，流速見圖4；手術模擬切除腺樣體后氣流場變化特點為鼻咽部氣流速度明顯減慢，流速見圖4。

圖4 腺樣體肥大患兒上氣道氣流場特征

3 討論

目前兒童OSAHS的病因、臨床表現、診斷及治療等均與成人有較大差異，是一個獨立的臨床綜合征，確切病因尚不完全清楚[2]。有研究認為兒童OSAHS的主要病因是腺樣體肥大和咽扁桃體肥大[3]。筆者建立腺樣體肥大患兒的術前術后上氣道三維立體生物力學模型，并對其進行分析應用，旨在進一步明確兒童OSAHS的致病因素和阻塞平面，為兒童OSAHS的防治工作提供客觀理論參考依據。

筆者通過對9例腺樣體肥大患兒的病態模型進和數值模擬手術模型分析，7例患兒在模擬切除腺樣體后，鼻咽部壓強降明顯減小或消失，上氣道的氣流形態與正常兒童基本相同，2例腺樣體肥大合并扁桃體肥大患兒模擬腺樣體手術后，壓強降區域從鼻咽部下降至軟腭平面至會厭上緣間區域，上氣道氣流形態無明顯改善，考慮可能因咽扁桃體肥大阻塞口咽氣道，這也說明兒童OSAHS的主要阻塞平面不僅位于腺樣體，而且有的也位于咽扁桃體區[4]。因此不僅腺樣體肥大為阻塞上氣道主要因素，咽扁桃體肥大也是兒童OSAHS的重要發病因素。所以部分兒童OSAHS不能單純行腺樣體或咽扁桃體切除術，應聯合切除。

成人OSAHS的主要病因是由于懸雍垂、軟腭肥大和松弛致上氣道阻塞，阻塞平面以舌咽平面為主[5]。而從本試驗結果觀察，兒童OSAHS患者的阻塞平面與成人有所不同，以腺樣體及扁桃體區為主。考慮這是由于兒童咽部組織富有彈性和張性，而且口咽腔大部為扁桃體所占據，呼吸時懸雍垂及軟腭所受牽拉力和被動吸引力要小得多所致。

綜上所述，腺樣體肥大患兒的鼻腔及鼻咽腔氣流通道三維重建能夠真實地顯示解剖結構的立體形態及氣流場的變化，彌補二維圖像缺乏空間整體的不足。建立OSAHS患兒的術前及模擬手術后上氣道三維立體生物力學模型，可應用于臨床分析及決斷。并且可以通過分析這些模型，從三維立體角度考慮，能夠更好更準確地分析阻塞平面和阻塞因素，為患者的臨床個體化診斷提供新的客觀方法和理論依據。

[1]鄭勁平，李敏然，安嘉穎，等.廣州地區382名健康學齡兒童脈沖振蕩肺功能的測定[J].中華兒科雜志，2002，40（4）：228.

[2]徐國剛，吳立新，武宇宏，等.兒童阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合癥相關致病因素分析[J].第四軍醫大學學報，2008，29（16）：1512-1513.

[3]Richards W，Ferdman RM.Prolonged morbidity due to delaysin the dianosis and treatment of obstructive sleep apnea in children[J].Chin Pediatr（Phia），2000，39（2）：103-108.

[4]Arens R，Mcdonough JM，Corbin AM，et al.Upper airway size analysis by magnetic resonance imaging of children with obstructive sleep apnea syndrome[J].Am J Respir Crit Care Med，2003，167：65-70.

[5]Katsantonis GP，Moss K，Miyajaky S，et al.Determining site of airway collapse in obstructive sleep apnea with airway pressures monitoring[J].Laryngoscope，1993，103：1125-1133.