计算流体力学在阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征患者上气道阻塞平面评估中的应用

来源 :吉林大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yangtianmei03
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目的:建立成人阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征(obstructive sleep apnea hypopnea syndrome,OSAHS)患者和健康成人上气道三维有限元模型,应用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)分析比较成年OSAHS患者与健康成人的上气道特征,通过上气道气流特征定位上气道阻塞平面,探讨成人OSAHS患者上气道气流特征与多导睡眠监测(Polysomnography,PSG)指标的相关性、鼻甲肥大对成人OSAHS患者上气道气流情况的影响,以及通过上气道气流特性评估成人OSAHS患者手术治疗的有效性,为OSAHS的诊疗提供参考及指导作用。方法:选取10例成年OSAHS患者为实验组,5例健康志愿者为对照组。OSAHS实验组与对照组均行上气道计算机断层扫描(computerized tomography,CT)和睡眠监测检查,将实验组和对照组的CT扫描图像导入Mimics 21.0软件中进行上气道三维模型重建,将三维模型导入Geomagic Studio 2014软件中以优化三维模型,并利用HyperMesh 13.0软件对三维模型网格划分,建立三维有限元模型。再通过ANSYS Fluent软件进行模型的数值模拟,以及通过ANSYS CFD-Post软件进行数据后处理。最后利用所得的上气道CT数据、上气道CFD数据、睡眠监测数据,选取部分代表性指标,进行成年OSAHS患者与健康成人上气道CT指标、CFD指标、睡眠监测指标的比较分析;成年OSAHS患者上气道CT指标、CFD指标与PSG指标的相关性分析;以及成年OSAHS患者组内分别按照是否伴有鼻甲肥大、术前术后分成两个亚组,分别进行两亚组上气道CT指标、CFD指标、PSG指标的比较分析。指标选取包括CT指标:硬腭后缘与咽后壁距离(C1)、硬腭水平的鼻咽腔横径(C2)、软腭厚度(C3)、会厌尖水平舌根与咽后壁距离(C4)、舌骨水平舌骨正中与咽后壁距离(C5)、硬腭至舌骨水平咽腔最短横径(C6),上气道最小横截面积(CSA min),上气道横截面积最小处咽腔的纵径(CSA纵)、横径(CSA横)、纵径横径比值(CSA纵横比);CFD指标:上气道后鼻孔截面处的截面压强(P1)、截面流速(V1),软腭下缘的咽腔横截面的截面压强(P2)、截面流速(V2),会厌尖水平的咽腔横截面的截面压强(P3)、截面流速(V3),会厌根部的咽腔横截面处的截面压强(P4)、截面流速(V4),上气道最大流速(V max),以及不同截面之间压强差△P1-2、△P2-3、△P3-4、△P总(即△P1-4),不同截面之间流速差△V1-2、△V2-3、△V3-4、△V总(即△V1-4);PSG指标:睡眠呼吸暂停低通气指数(△HI)、睡眠中最低血氧饱和度(LSpO2)、睡眠中平均血氧饱和度(MSpO2)。结果:①成年OSAHS患者与健康成人的C1、C3、C6、CSAmin、CSA纵、CSA横、CSA 纵横比、V2、V3、|△V1-2|、|△V2-3|、Vmax、P2、P3、P4、|△P1-2|、|△P2-3|、|△P3-4|、|△P总|、AHI、LSpO2、MSpO2等指标的差异有统计学意义,其中 C3、CSA 纵横比、V2、V3、|△V1-2|、|△V2-3|、Vmax、P2、P3、P4、|△P1-2|、|△P2-3|、|△P3-4|、|△P总|、AHI等指标成年OSAHS患者高于健康成人,C1、C6、CSAmin、CSA 纵、CSA 横、LSpO2、MSpO2 等指标成年 OSAHS 患者低于健康成人;成年OSAHS患者与健康成人的C2、C4、C5、V1、V4、|△V3-4|、|△V总|、P1等指标的差异无统计学意义。成年OSAHS患者各截面中腭咽截面的截面流速V2和截面压强P2明显高于其余3个截面的截面流速和截面压强。②成年OSAHS患者的C2与LSpO2、MSpO2呈负相关,C2与|△P2-3|呈负相关,C4与|△V3-4|呈正相关,C6与|△V1-2|呈负相关,CSAmin与|△P1-2|、|△P 总|、|△V2-3|呈正相关,CSAmin 与|△P3-4|、|△V1-2|、Vmax、|△V 总|呈负相关,CSA 纵与|△P1-2|、|△P 总|、|△V2-3|呈正相关,CSA 纵与|△P3-4|、|△V1-2|、Vmax、|△V 总|呈负相关,CSA 横与|△P1-2|、|△P 总|、|△V2-3|呈正相关,CSA横与|△P3-4|、|△V1-2|、Vmax呈负相关,其余CT指标、CFD指标与PSG指标相关性无统计学意义。③伴或不伴鼻甲肥大成年OSAHS患者的CSAmin、CSA纵、CSA横、|△P1-2|、|△P2-3|、|△P3-4|、|△P 总|、|△V1-2|、|△V2-3|、|△V 总|、Vmax 等指标的差异有统计学意义,其中|△P1-2|、|△P2-3|、|△P3-4|、|△P 总|、|△V1-2|、|△V2-3|、|△V总|、Vmax等指标伴鼻甲肥大成年OSAHS患者高于不伴鼻甲肥大成年OSAHS患者,CSAmin、CSA纵、CSA横等指标伴鼻甲肥大成年OSAHS患者低于不伴鼻甲肥大成年OSAHS患者;伴或不伴鼻甲肥大成年OSAHS患者的C1、C2、C3、C4、C5、C6、CSA 纵横比、|△V3-4|、AHI、LSpO2、MSpO2 等指标的差异无统计学意义。④3例成年OSAHS患者术后较术前CSAmin、CSA横、LSpO2、MSpO2等指标均增大,CSA 纵横比、P2、P3、V2、Vmax、|△P1-2|、|△P2-3|、|△V1-2|、|△V2-3|、AHI 等指标均减少,P1、P4、V1、V3、V4、|△P3-4|、|△P 总|、|△V3-4|、CSA纵、|△V总|等指标增减不一。结论:①与健康成人相比,成年OSAHS患者上气道最小横截面积更小,且多位于腭咽区域,而上气道最小横截面纵横比更大,提示上气道横向塌陷可能是本实验组OSAHS患者上气道狭窄的潜在解剖机制;成年OSAHS患者上气道各截面之间压强变化及气体流速变化较健康成人更剧烈,其中又以腭咽水平附近为甚。②OSAHS患者的上气道阻塞平面最小横截面积越小,阻塞部位气道内负压、气流速度越大。而其上气道内气流状况对AHI及血氧情况影响不大。③鼻甲肥大所致的鼻腔阻塞可加剧成年OSAHS患者后鼻孔水平至舌咽水平的气道压强及气流变化,并更大程度的减少上气道最小横截面积,而对舌咽水平至会厌根水平的压强及流速变化影响不大。④CFD对OSAHS治疗效果的评估有重要的指导意义。成人OSAHS患者上气道扩张手术可增大上气道最小横截面积,减小各截面压强变化及流速变化,以后鼻孔水平至舌咽水平为著,改善病情严重程度及血氧情况。
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