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[目的] 鼻中隔偏曲(Nasal septal deviation, NSD)影响鼻腔的生理功能,进而产生鼻塞、头痛及鼻出血等临床症状。鼻中隔结构发生异常,对鼻腔功能的影响及临床症状之间,即“结构-功能-症状”三者之间的具体作用机制仍需要客观的方法去验证。 本研究采用有限元三维建模及计算流体力学数值模拟的方法,研究鼻中隔偏曲的形态学特征及鼻中隔偏曲对鼻腔气流模式、鼻腔加温功能及鼻腔外侧壁等的影响。主要从以下3个部分进行讨论: 1.应用有限元三维建模的方法重建鼻中隔的三维立体模型,对主要偏曲特征及整体形态学进行研究,并比较该方法与鼻窦CT及鼻内镜下鼻中隔偏曲形态学特征间的差异。 2.应用计算流体力学的方法研究不同类型的鼻中隔偏曲对鼻腔气流模式及鼻腔加温作用的影响,为临床鼻中隔的个性化手术治疗提供参考。此外,比较鼻中隔偏曲与鼻中隔穿孔对鼻腔气流及加温作用影响的差异,探讨鼻中隔结构的完整性及对称性破坏对鼻腔功能的影响。 3.应用计算流体力学的方法研究鼻中隔偏曲对鼻腔外侧壁的影响,如鼻中隔偏曲与慢性鼻鼻窦炎间的关系,鼻中隔偏曲对泡状中鼻甲形成的影响等,为临床上争议提供客观证据。 [方法] 1.三维模型重建 收集鼻部CT扫描结果,包括轴状位,冠状位和矢状位的DICOM格式图像。在软件Mimics13.1中进行图像分割和三维模型建立。 2.网格剖分及计算流体力学分析 将模型导入到软件Geomagic studio12中,进行曲面的光滑和面网格的提取,获得IGES格式的数据资料,为下一步进行网格剖分做准备。 在软件ICEM-CFD中进行网格剖分,并采取全局及局部网格控制措施来提高网格质量,以使网格最大扭曲度低于0.6。将网格文件导入到软件Fluent13.0中进行流体力学分析。 为提高计算机数值模拟的精度,我们分别对每个模型进行网格无关解分析,最后选择一个合适的网格用于本实验的研究。 根据鼻腔内气流特征,在计算流体力学模拟中,我们认为鼻腔内气流为稳态、不可压缩的气体。我们选取连续性方程和Navier-Stokes方程来进行流场和温度场的特征值的计算。选择RNG k-epsilon湍流模型,采用SIMPLEC算法和动能、湍动能、湍流离散率及能量等的二阶迎风离散模式进行计算流体力学数值模拟。 在两前鼻孔处设定大气压和20摄氏度作为边界条件,鼻腔黏膜假定为无滑移(u=v=0)及恒温(34℃),在咽部施加15升/分的流量等作为边界条件。 在Fluent中计算完毕后,将计算结果导入软件CFD-Post中进行数据后处理,得到流场及温度场分布的云图和数值模拟结果。 3.统计学分析 用统计学方法分析气流动力学特征值间的差异,结果表示为平均值(标准差),p<0.05被认为存在显著性统计学差异。采用SPSS(Statistica16.0,Statsoft)软件进行统计学分析。 [结果] 1.与影像学及鼻内镜观察相比,鼻中隔三维模型能准确地对鼻中隔偏曲的整体形态特征进行观察与描述,并能进行简化的鼻中隔受力特征分析。 2.不同类型的鼻中隔偏曲对鼻腔气流模式的影响均存在差异,其中1型、3型及5型偏曲对鼻腔气流模式影响较小,而2型、4型、6型及7型偏曲对鼻腔气流模式影响较大。不同类型的鼻中隔偏曲对鼻腔的加温作用影响较小。 3.与鼻中隔偏曲不同的是,鼻中隔穿孔不仅导致了双侧鼻腔气流模式的紊乱,而且较大的或位置靠前的穿孔也损害了鼻腔的加温和加湿功能。 4.鼻中隔偏曲患者双侧窦口鼻道复合体周围均有导致慢性鼻窦炎发生的气流动力学因素,而且二者间无显著性统计学差异。随着偏曲程度的增高,各鼻中隔偏曲患者双侧窦口鼻道复合体周围的气流动力学特征值间无显著性统计学差异。 5.单纯鼻中隔偏曲患者双侧鼻腔气流动力学特征值间存在显著性统计学差异,而鼻中隔偏曲合并非偏曲侧泡状中鼻甲形成患者的双侧气流动力学特征值间无显著性统计学差异。与单纯鼻中隔偏曲患者相比,鼻中隔偏曲合并非偏曲侧泡状中鼻甲形成患者的鼻腔总阻力和黏膜面积-容积比明显增大,鼻腔通气容积明显减小。 [结论] 1.通过鼻中隔三维模型能对鼻中隔偏曲的整体形态进行观察,结合其力学特征分析,能为临床个性化鼻中隔手术方案的制定提供新的视角。 2.不同类型的鼻中隔偏曲对鼻腔气流模式的影响均不同,需根据具体的气流动力学特点,结合鼻声反射、鼻阻力,及临床症状等进行综合分析,为个性化鼻中隔手术治疗及提高临床疗效提供参考。 3.鼻中隔穿孔破坏了鼻腔结构的完整性,其中较大的或位置靠前的鼻中隔穿孔,不仅影响了气流分布模式,也影响了鼻腔的加温、加湿等功能,从而产生一系列临床症状,需要手术修补。 4.从气流动力学角度分析,鼻中隔偏曲并非构成慢性鼻鼻窦炎发生的直接原因。此外,随着鼻中隔偏曲程度的增大,慢性鼻鼻窦炎的发生率未增高。 5.从气流动力学角度分析,泡状中鼻甲的形成是鼻中隔偏曲之后鼻腔的一种自适应调节。但这种增生的泡状中鼻甲使得鼻腔阻力增高,变得更加狭窄,需要手术治疗。