蔡惠坤 薛豪洋 徐暢 郭宇峰 高興強

(1.廈門大學(xué) 航空航天學(xué)院，福建 廈門 361102；2.廈門市兒童醫(yī)院，福建 廈門 361006)

阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合癥(OSAHS)是指睡眠過程中上氣道部分或完全阻塞，引起人體通氣不足或呼吸暫停的病癥[1]，且可能引起肺心病、心律失常、充血性心力衰竭、呼吸衰竭等多種并發(fā)癥，嚴重者可導(dǎo)致嬰幼兒直接猝死。近年來，小兒OSAHS發(fā)病率極高，12歲以下兒童發(fā)病率超過四分之一，約為成人的8倍[2]。開展小兒OSAHS的病理認知和發(fā)病機制研究將具有重要的意義。

上氣道復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)及通氣生理阻礙了人們對該病的認識及治療。電子計算機斷層掃描(CT)技術(shù)與計算流體動力學(xué)(CFD)技術(shù)的結(jié)合[3-4]雖然能夠詳細捕獲氣流流場特性，成本低，易于操作，但仍然需要實驗方法來驗證。早期的尸源法和動物法研究人體鼻腔氣流取得了一定的實驗成果[5-7]，但尸源性模型和動物類似模型與真實人體模型的差別較大，只能作為定性分析，且實驗操作麻煩。體外的鼻阻力實驗雖然可以獲得壓力、流量等流場特性，但難以獲取完整的上氣道流場信息，也缺乏對內(nèi)部流場分布規(guī)律的觀測。一種直觀簡便、準確可靠的實驗方法將促進對小兒OSAHS的病理、病癥和手術(shù)的深刻認知和醫(yī)學(xué)發(fā)展。

三維(3D)打印是20世紀90年代才發(fā)展起來的新技術(shù)，最初應(yīng)用于制造行業(yè)以及航空模型設(shè)計中。隨著3D打印材料和控制技術(shù)的不斷進步，3D打印技術(shù)在牙科整形[8]、血管支架[9]、骨骼支架[10]及其他生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[11-12]獲得了廣泛的應(yīng)用和良好的效果，已經(jīng)成為目前國內(nèi)外醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用研究的熱點之一。在兒科領(lǐng)域，Petzold等[13]將3D 打印技術(shù)應(yīng)用于兒童顱縫早閉及其他顱頜面畸形患者的術(shù)前手術(shù)計劃，手術(shù)都達到了預(yù)期效果。Sanghera等[14]研究了3D打印技術(shù)在骨科及顱頜面外科的應(yīng)用后，認為該技術(shù)在疾病診斷及手術(shù)方案制定方面非常有價值。近年來隨著3D打印技術(shù)的成熟，有少數(shù)研究開始利用3D打印制作上氣道實物模型進行體外實驗驗證。張其標等[15]驗證了利用數(shù)字醫(yī)學(xué)與3D打印技術(shù)設(shè)計、制作鼻咽癌粒子植入個體化導(dǎo)板的可行性，為實現(xiàn)鼻咽癌的粒子植入放射療法的“精準治療”提供參考。王建霞等[16]利用3D打印技術(shù)制作了健康男性的上氣道實物模型并進行體外實驗。王浩等[17]研究結(jié)果表明，3D打印技術(shù)能為先天性氣管狹窄術(shù)前診斷和手術(shù)方案的設(shè)計、術(shù)中決策和操作提供很好的指導(dǎo)，提高氣管狹窄手術(shù)治療的成功率。李福生等[18]利用粒子圖像測速與光敏樹脂3D打印技術(shù)相結(jié)合的方法進行研究，發(fā)現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)呼吸模式下，實驗裝置測得的氣流在口腔上部有渦結(jié)構(gòu)的形成，口腔下部貼近舌苔上部及口腔中部的氣流速度較高，其他部位的氣流速度較低，與數(shù)值仿真結(jié)果較為一致。

從文獻分析可知，基于3D打印技術(shù)開展上氣道的內(nèi)流場特性研究剛剛起步，實驗方法、檢測技術(shù)和模型構(gòu)建等都還比較欠缺，而且僅有的少數(shù)研究也基本上集中于對成人OSAHS的分析，對小兒OSAHS的關(guān)注不夠。因此，本文開展了基于3D打印的小兒上氣道內(nèi)流場特性的實驗研究，并將實驗結(jié)果與實際的體外鼻阻力實驗結(jié)果進行了對比分析，以驗證基于3D打印的實驗方法的準確性和可靠性。同時，將此方法用于小兒上氣道的CFD分析的對比性實驗中，研究不同程度的扁桃體肥大對小兒OSAHS的影響，以期為探索小兒上氣道結(jié)構(gòu)特征和流場特性，開展OSAHS的病理分析和發(fā)病機制研究提供重要的參考。

1 基于3D打印的小兒上氣道內(nèi)流場模型的實驗研究

由于小兒上氣道的真實尺寸較小，為了方便實驗測試和數(shù)據(jù)采集，3D打印的實驗?zāi)Ｐ蛯⒉捎?∶1的比例放大模型。基于相似性原理[3,19]，在模型與原型保持幾何相似的基礎(chǔ)上，還應(yīng)保持動力相似，即模型與原型在對應(yīng)瞬時、對應(yīng)點上受相同性質(zhì)的力，且力的方向相同，大小成比例。當(dāng)作用在流體上的力主要是黏性力時，實際模型和實驗?zāi)Ｐ捅３謩恿ο嗨频臈l件為雷諾數(shù)相等。

1.1 3D打印模型制作

目前光敏樹脂在制造醫(yī)學(xué)模型方面應(yīng)用廣泛，且在成人上氣道仿真分析的驗證中已獲得應(yīng)用，因此本文也采用光敏樹脂作為3D打印模型的材料。與之相配的3D打印技術(shù)為光固化成型技術(shù)，打印機精度為0.1 mm，表面粗糙度小于流場內(nèi)邊界層厚度，模型可滿足實驗要求。根據(jù)CT重建的三維流場模型制作上氣道壁面模型，導(dǎo)入Materialise Magics軟件中，調(diào)整其放置位置，進行切片處理，設(shè)計掃描路徑；通過紫外光掃描液態(tài)光敏樹脂材料使其固化，層層疊加，形成所需的上氣道模型；將模型取出后放入超聲波清洗機中清洗，去除其內(nèi)部支撐材料。最終的3D打印模型如圖1(c)所示。

圖1 小兒上氣道示意圖Fig.1 Illustration of children upper airway

1.2 實驗臺搭建

人吸氣時，肺內(nèi)氣壓低于大氣壓，使氣體從鼻孔流經(jīng)過上氣道進入肺內(nèi)，因此實驗中采取真空泵模擬肺內(nèi)的負壓環(huán)境，采用流量閥控制流量，呼吸流量Q的計算公式為[20]

Q=1 000(0.019a+0.014)

(1)

式中，a為兒童的年齡。

使用流量計測量上氣道通氣量，使用壓力傳感器測量上氣道壁面壓力，使用流速計測量選取點的流速，如圖2(a)所示。采用的壓力傳感器為硅擴散壓力變送器，量程為-100～100 Pa，精度為1%FS；采用的流速計為熱球式風(fēng)速儀，量程為0～10 m/s，精度為±(0.03 m/s+5%FS)；采用的流量計為壓縮空氣流量計，量程為0～25 L/min，精度為±(2.0 L/min+0.5%FS)。各儀器均采用12 V直流電源供電。

上氣道口咽部與鼻咽部相連，在上氣道鼻咽部取一點(圖2(a)中測點1)測量壓強，可將之視為口咽部起始端。不同扁桃體大小模型的壓強與流速在口咽部的差異較大，因此選擇在口咽部中端(圖2(a)測點2)與口咽部末端(圖2(a)測點3)取點測量其壓強，同時在口咽部中段位置另取一點(圖2(a)測點4)測量其流速。將實驗?zāi)Ｐ屯ㄟ^綁帶固定在實驗臺的中下方，通過引壓管將模型壁面處各測點與模型上方的壓力傳感器相接，使壓力傳感器測量值為模型壁面處的靜壓。在流速測點處鉆直徑為2 mm的孔并將流速計探頭伸入，測量截面中心點處的風(fēng)速，如圖2(b)所示。

圖2 實驗系統(tǒng)原理圖和實物圖Fig.2 Schematic diagram and picture of system testing bench

1.3 實驗結(jié)果分析

邀請一正常兒童志愿者開展鼻阻力實驗。本文使用GM公司NR6Executive型鼻阻力計進行主動前鼻測壓，受試對象行CT掃描后，端坐位靜坐10 min，將合適型號的鼻管輕放于其左側(cè)鼻孔下端，20 min內(nèi)反復(fù)測試4次，得到壓強-流量曲線。由式(1)可知，4～10歲兒童的呼吸流量在90～204 mL/s范圍內(nèi)，因此測量100、150和200 mL/s流量的平均壓強并繪制流量-壓強曲線，將3D打印模型的實驗結(jié)果與臨床鼻阻力的實驗結(jié)果進行對比，如表1所示，二者的壓強變化趨勢基本相同，壓強的最大誤差為11.1%，而實驗室前期的另一個實驗[21]與臨床鼻阻力實驗結(jié)果的最大誤差為13.6%，這表明了基于3D打印技術(shù)的實驗研究方法的準確性和可靠性。產(chǎn)生誤差的原因主要有：①模型是利用CT圖所建，建模時可能在空氣與黏膜交界處識別不清，造成鼻腔面積增大；②在實際呼吸過程中，周圍軟組織可能會對氣流造成影響。

表1 3D打印模型與臨床鼻阻力的實驗結(jié)果對比Table 1 Comparison of experimental results between 3D prin-ting model and clinical nasal resistance test

2 不同狹窄度的OSAHS數(shù)值模擬

目前已能夠確定的OSAHS直接發(fā)病機制為上氣道塌陷。導(dǎo)致上氣道塌陷的因素較多，包括腺樣體肥大、扁桃體肥大及軟腭過長等，其中扁桃體在兒童出生10個月后開始發(fā)育，在1歲至10歲期間顯著增長，因此扁桃體肥大多見于兒童時期，是小兒上氣道塌陷的主要誘因。由于病人隱私的關(guān)系，實際的病例較難收集，因此，本文對不同扁桃體肥大的OSAHS分析主要以CFD仿真和3D打印實驗為主。

2.1 上氣道模型構(gòu)建

扁桃體位于上氣道的口咽部，扁桃體肥大將擠壓內(nèi)流道的橫截面積。扁桃體肥大程度越高，上氣道內(nèi)流道的橫截面積越小，因此一般以上氣道口咽部的橫截面積反映扁桃體的肥大程度。根據(jù)臨床醫(yī)學(xué)分度，定義狹窄度R用于區(qū)分扁桃體肥大的程度：

R=(1-s/s0)×100%

(2)

式中，s為待計算模型的橫截面積，s0為正常上氣道模型的橫截面積。

通過CT圖進行三維模型重建，共制作了5個上氣道模型，包括1個正常上氣道模型(R=0)和4個不同肥大程度的扁桃體模型(R=26%,56%,66%,83%)，如圖3所示，扁桃體模型特征如表2所示。

圖3 不同程度扁桃體肥大的三維模型Fig.3 3D models of different levels hypertrophy of tonsils

表2 不同程度的扁桃體肥大3D打印模型特征Table 2 Characteristics of 3D printing models of different levels hypertrophy of tonsils

2.2 仿真結(jié)果分析

數(shù)值模擬采用的是ANSYS Workbench中的Fluent模塊。流體流動遵循N-S控制方程，求解器選擇隱式格式、SIMPLE算法、二階迎風(fēng)進行耦合分析，設(shè)置最大迭代步數(shù)為500，認為殘差值小于10-5時達到收斂標準。前期研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)上氣道的流量在100 mL/s以下時，上氣道內(nèi)的雷諾數(shù)不超過600，即為層流狀態(tài)，因此在CFD計算中采用Laminar層流模型。經(jīng)過網(wǎng)格獨立性驗證后，選擇網(wǎng)格尺寸為0.5 mm的模型進行求解。進出口邊界條件為大氣壓進口，-20 Pa壓強出口。仿真結(jié)果如圖4所示。

從圖4(a)可知：由于口咽部狹窄程度不同，上氣道的壓強分布也明顯不同，在進出口壓差保持為20 Pa時，壓強分布整體呈現(xiàn)從鼻咽到氣管逐漸減小，當(dāng)狹窄程度低于26%時，下降程度較均勻；當(dāng)口咽部狹窄度增大，該處的壓強顯著減小，呈現(xiàn)較大的逆壓強梯度，特別是當(dāng)扁桃體肥大達到Ⅲ度(狹窄度為83%)時，口咽部的壓強將急劇降低，出現(xiàn)較大的負壓，由正常條件下的-7.69 Pa降低到了-13.68 Pa。過大的內(nèi)外壓差將使得扁桃體向內(nèi)塌陷，而此處不具備骨性支撐結(jié)構(gòu)，嚴重時將堵塞氣道，導(dǎo)致呼吸暫停。

從圖4(b)可知：各模型鼻咽部的流速分布大致相同，最大的區(qū)別在于口咽部，狹窄度在26%以下時，口鼻氣道氣流平穩(wěn)，在出口處的喉咽流速最大；當(dāng)口咽部狹窄度為56%以上時，口咽部氣流流速隨狹窄度升高而急劇升高；當(dāng)扁桃體肥大達到Ⅲ度時，氣流沿著咽后壁流動形成一股高速射流，在最狹窄的口咽部流速達到最大值，對氣道壁產(chǎn)生較強的沖擊性；流速的增大將降低該處壓強，使得負壓增大，進一步增大了咽壁內(nèi)外壓差。

圖4 不同程度扁桃體肥大上氣道的壓強分布和速度分布Fig.4 Pressure and velocity distributions in upper airway of different levels hypertrophy of tonsils

3 不同狹窄度的OSAHS實驗研究

在臨床鼻阻力實驗驗證的基礎(chǔ)上，本文在3D打印的實驗臺上開展了不同狹窄度的OSAHS實驗研究。

基于3D打印技術(shù)的不同程度扁桃體肥大的實驗結(jié)果如表3所示。正常條件下，口咽部的壓強從測點1 的-4.6 Pa降到測點2的-8.4 Pa和測點3的-12.8 Pa，整個口咽段壓降較為均勻，占整個上氣道總壓降的41%；當(dāng)扁桃體狹窄度為26%時，口咽部的壓強變化與正常條件比較類似，在口咽部末端的壓降略有增大；當(dāng)扁桃體狹窄度達到56%時，口咽部的壓降迅速上升，從測點1的-4.0 Pa降到測點2的-10.0 Pa和測點3的-15.2 Pa，口咽部的總壓降占整個上氣道總壓降的比例上升到56%；當(dāng)扁桃體狹窄度達到83%時，口咽部的壓強變化急劇增大，總壓降已經(jīng)達到整個上氣道總壓降的81%?？谘什繅航档脑龃?，意味著口咽部的流阻也是增大的，也意味著吸氣阻力的增大，這從測點1處的壓強隨著狹窄度的增加而減小也可以看出來。同時，隨著狹窄度的增大，整個上氣道的壓強分布變得不均勻，口咽部與上氣道入口形成較大的逆壓強梯度，且進氣量減小，造成呼吸困難，與圖4的仿真結(jié)果基本一致。

4 仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的對比分析

為驗證OSAHS數(shù)值模擬的準確性與可靠性，本文對扁桃體肥大的CFD仿真結(jié)果與實驗結(jié)果進行了對比，如圖5所示。從圖中可以看出：3個測點的壓強變化和測點4的速度變化趨勢基本一致；狹窄度為83%時測點2處的壓強誤差最大，為10.32%；狹窄度為83%時的速度誤差最大，為8.99%。

總體來看，壓強和速度的最大誤差均在10%左右。誤差主要來源于兩方面：①在3D打印過程中，模型內(nèi)部會存在支撐材料，雖然實驗前進行了清理，但其粗糙度肯定大于實際的上氣道模型和三維仿真模型，從而導(dǎo)致3D打印模型的上氣道內(nèi)部阻力增大，進而產(chǎn)生誤差；②隨著扁桃體狹窄度的增大，內(nèi)流道橫截面積發(fā)生較大的變化，導(dǎo)致口咽部的流速急劇增加，加之上氣道的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，在某些局部區(qū)域流線不再光順平滑，甚至產(chǎn)生微小湍流，與仿真時層流模型的偏差逐漸增大。

由前面研究分析發(fā)現(xiàn)，隨著扁桃體肥大程度的增加，上氣道內(nèi)流道橫截面積有所減小，而氣體流阻有所增大，從而導(dǎo)致了上氣道的通氣量不足。為維持正常呼吸，口氣道開放，是OSAHS患者進行口呼吸的重要原因之一。同時，重度扁桃體肥大患者的上氣道流場壓強分布不均勻，口咽部與上氣道入口形成較大的逆壓強梯度及內(nèi)外壓差，從而可能引起扁桃體向內(nèi)塌陷，嚴重時將堵塞氣道，導(dǎo)致呼吸暫停。此外，上氣道內(nèi)部氣體流速隨狹窄度的增加而增加，沿著咽后壁流動形成一股高速射流，對氣道壁產(chǎn)生較強的沖擊性，使周圍軟組織高頻撲動，是OSAHS患者形成鼾聲的重要原因之一。因此，OSAHS患者的臨床癥狀大部分都可以從仿真分析和實驗研究中發(fā)現(xiàn)，這表明，基于CFD技術(shù)的仿真分析和3D打印技術(shù)的實驗研究，可以為臨床醫(yī)生進一步認識扁桃體在兒童OSAHS的病理分析和發(fā)病機制研究提供直觀的理論依據(jù)。

其次，扁桃體肥大對上氣道吸氣氣流的影響主要發(fā)生在口咽部，尤其是扁桃體中段。當(dāng)口咽部狹窄度為26%，扁桃體肥大在Ⅱ度以內(nèi)時，上氣道吸氣氣流特性與正常氣道的差別較小。當(dāng)口咽部狹窄度為56%，扁桃體肥大在Ⅲ度以上時，上氣道吸氣氣流特性發(fā)生了急劇變化?？谘什开M窄度越高，上氣道吸氣氣流特性變化越明顯，已經(jīng)嚴重影響了兒童的正常呼吸，與臨床醫(yī)學(xué)上的通識“扁桃體Ⅲ度以上的OSAHS患兒必須進行扁桃體摘除術(shù)”相符合，可以為臨床醫(yī)生對扁桃體手術(shù)適應(yīng)癥的把握和術(shù)后恢復(fù)方案的制定提供重要的參考。

5 結(jié)論

本文基于3D打印技術(shù)構(gòu)建了小兒上氣道的內(nèi)流場特性分析的實驗平臺，并將其實驗結(jié)果與臨床鼻阻力實驗結(jié)果進行了對比，二者的壓強最大誤差為11.1%，該結(jié)果表明了3D打印可以為小兒上氣道內(nèi)流場特性的理論分析提供了一種直觀簡便、準確可靠的實驗方法。隨后開展了不同程度的扁桃體肥大對內(nèi)流場特性的影響分析，仿真結(jié)果和實驗結(jié)果的對比研究表明：當(dāng)上氣道口咽部狹窄度在26%以下時，上氣道吸氣氣流特性與正常氣道的差別較??；當(dāng)狹窄度達到56%以上時，上氣道吸氣氣流特性發(fā)生了明顯的變化，流速和流阻增大，通氣量下降，內(nèi)流道出現(xiàn)較大的逆壓強梯度及內(nèi)外壓差；當(dāng)狹窄度達到83%時，口咽部的壓強變化急劇增大，壓降已經(jīng)達到整個上氣道總壓降的81%；CFD仿真結(jié)果與3D打印實驗結(jié)果的壓強和速度的最大誤差均在10%左右。本文的研究為患兒夜眠憋氣、呼吸暫停、打鼾等癥狀的出現(xiàn)提供了直觀的理論依據(jù)，也為臨床醫(yī)生進行扁桃體手術(shù)干預(yù)和術(shù)后恢復(fù)方案的制定提供了重要的參考。但本研究主要集中于上氣道的內(nèi)流場特性分析，更多關(guān)注的是流道結(jié)構(gòu)、流動參數(shù)等因素對內(nèi)流場特性的影響，后續(xù)將進一步開展上氣道的流固耦合分析，材料的差異性將變?yōu)橹饕挠绊憛?shù)，未來將對相關(guān)方面開展深入的研究和分析。