人鼻气流动力学研究实验模型的建立与应用

来源 :中山大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lvsby2007
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呼吸是鼻的重要生理功能之一,鼻腔-鼻窦气流动力学研究是鼻生理学研究的难点之一。鼻腔气流的经典概念认为,经过鼻腔的气流可以分为两股气流,即层流和紊流。层流从鼻内孔朝后上方向弧形(抛物线形)流向后鼻孔再散开,为鼻腔气流的大部分。紊流形成于鼻内孔的后方,是呈漩涡状而又不规则的气流。层流和紊流通常同时存在,但在缓慢呼吸时则只有层流。鼻窦中空气交换量甚小,其中亦无显著气流形成,内部空气完全交换一次,约需一小时之久。经典的鼻气流理论一直指导着临床实践,随着鼻窦内窥镜外科技术的迅速发展及对慢性鼻-鼻窦炎的治疗和康复的认识的不断加深,无论在基础或临床上,均对鼻腔-鼻窦气流动力学理论提出了更高的要求。但关于吸入气流在鼻腔的走向与分布、在各鼻道的流速与流量、气流主要冲击部位、鼻腔-鼻窦之间气流交换的方式等等一系列问题至今尚无明确定论。主要是由于鼻腔-鼻窦具有复杂的解剖结构,鼻气流动力学研究带来很多困难,其中的是实验方法学的问题还没有得到有效解决。 鼻气流动力学研究的结论,应该由两方面相互佐证的实验为其提供依据:①鼻腔-鼻窦计算机三维重建条件下的模拟气流实验,②气流在鼻腔的走向与分布、鼻腔-鼻窦气流交换方式的直接观察。计算机流体学(computationalfluiddynamicssimulation,CFD)模拟气流实验技术目前已经基本成熟,但作为其验证的实验,即采用摄影技术直观并分析气流在鼻腔内走向与分布、特别是鼻腔-鼻窦之间气流交换的方式,至今还没有解决方法学的问题。为此研制可以用于直观气流运动轨迹的鼻腔-鼻窦模型成为解决实验方法学的重要内容,该实验模型应该达到:结构、形态、气流容积均与正常鼻腔-鼻窦接近或相等,透明度好,可直接用摄录机观察和记录等多项要求。 我们参考已有的研制报告,探索出一套制作鼻腔-鼻窦透明仿真模型的方法并初步成功地应用于鼻气流动力学研究的实验。 实验通过采用“浇注法”制作出仿真鼻腔-鼻窦模型,并采用了鼻内窥镜、CT扫描和鼻声发射仪等目前常用的评定设备和技术,对模型经行了检测和验证。方法先进、客观、可行,确保了模型形态结构的精密度和真实度,使其不仅能够适合鼻腔气流的研究,又能够适合鼻腔-鼻窦气流交换方式的观察研究。 一、目的:研制鼻腔-鼻窦仿真模型,验证其在鼻气流动力学实验研究中的可行性和可靠性,为鼻腔-鼻窦气流动力学研究提供一个比较准确的实验模型,解决鼻气流动力学的方法学问题。 二、方法: 一)采用“浇注法”进行模型制作: 1选用正常成人鼻腔-鼻窦作为浇注模板,充分清洁鼻腔-鼻窦,晾干。分别作鼻内窥镜检查、CT扫描和用鼻声反射仪检测,取得模板的结构形态资料和鼻腔-鼻窦模板的鼻腔截面积、容积,用于以后模型成品的对照。 2从矢状位中线锯开尸头,选择鼻中隔完整的一侧鼻腔-鼻窦为最终模板。以树脂(II型异齿基托树脂和II型异齿基托树脂液剂)为原料,用“浇注法”灌注鼻腔-鼻窦,制作出鼻腔-鼻窦阴模,然后以琼脂为材料复制此鼻腔-鼻窦阴膜。 3用液状透明树脂混合物包裹琼脂阴模,待其凝固后,利用透明树脂和琼脂有着不同的熔点的特性,熔解并去除琼脂后得到透明树脂的鼻腔-鼻窦阳模。 4把模型表面修饰、抛光后即制作出鼻腔-鼻窦透明仿真树脂模型。 二)验证模型的仿真性1用鼻内镜检查和CT扫描确定模型内部结构是否与人鼻腔-鼻窦正常形态、结构符合。 2用鼻声反射仪检测模型的截面积与容积,结果与正常人的、原鼻腔模板的数据进行比较。 3以烟雾为观察对象,用摄像机记录烟雾在模型内的流动方式与分布范围,检测其透明性和直观性。 三)模型的初步应用: 1把模型与呼吸机连接,设定呼吸机的呼吸频率分别18次/分钟和36次/分钟,潮气量均为400ml,相当于120ml/s和240ml/s的气流速度。 2制作烟雾发生器,并与模型-呼吸机连接。把烟雾从前鼻孔或喉咽部导入模型,分别模拟吸气和呼气两个过程。 3观察上述两种呼吸频率下烟雾在鼻腔鼻道内的流动情况和上颌窦内烟雾的交换情况,计算上颌窦内烟雾的充盈和消散时间,并用摄像机记录。 三、结果: 一)成功制作出鼻腔-鼻窦模型。模型的内部结构、形态、声反射图形与正常人鼻腔-鼻窦检查与测试结果相近。从外部可观测烟雾在鼻腔-鼻窦模型内的走向与分布并可用摄像机记录。证明模型具有仿真性强、透明性高的特点。 二)鼻腔-鼻窦内气流特点: 1.气流通过鼻阈后,大部分气流首先直接冲击中鼻甲前端。 2.鼻吸入气流以两种主要方式到达后鼻孔:气流大部分经总鼻道和中、下鼻道呈半弧线型到达后鼻孔,小部分经鼻腔中上部呈抛物线型到达后鼻孔。 3.吸气时在鼻阈后中鼻甲前端和鼻咽部两处出现气流漩涡,漩涡的大小随流量和速度的加大而增大。 4.快速吸气时鼻腔中上部的气流迅速增加。 5.呼吸时气流可直接进入上颌窦,呼吸时在上颌窦口内的气流均形成漩涡。上颌窦内的气流的交换随经鼻气流的流量和速度的增大而增快。 6.在呼气时相和吸气时相,鼻腔的气流模式基本相同。 四、结论: 一)用本实验方法能成功制作出鼻腔鼻道模型,研制的模型具有仿真性和透明性的特点,可以用于鼻气流动力学的实验研究。 二)实验结果表明,鼻腔内气流分布模式与其结构有关。鼻吸入气流以两种主要流动方式到达后鼻孔:大部分经总鼻道和中、下鼻道到达后鼻孔;小部分呈抛物线形流经鼻腔中上部到达后鼻孔。 三)上颌窦与鼻道的气流交换随呼吸强弱而变化。
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