人體鼻腔結(jié)構(gòu)與功能自適應(yīng)生物力學(xué)模型的基礎(chǔ)性研究.pdf

1、鼻腔是肺與外界大氣環(huán)境進(jìn)行氣體交換的主要通道，位于呼吸道的最前端，除承擔(dān)呼吸功能外，還有調(diào)節(jié)吸入氣體氣量、溫度、濕度、過濾清潔等作用，以滿足下呼吸道粘膜的生理需求；同時(shí)又是防止呼吸系統(tǒng)疾病入侵人體的第一道防線。由于鼻腔結(jié)構(gòu)異常造成鼻腔物理力學(xué)等環(huán)境的異常變化，影響到鼻腔正常功能的實(shí)現(xiàn)，為了恢復(fù)鼻腔正常功能，鼻腔組織能夠隨著這一環(huán)境激勵(lì)變化，調(diào)整自身的幾何結(jié)構(gòu)形態(tài)，導(dǎo)致原鼻腔結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)變化，這就是人體鼻腔結(jié)構(gòu)與功能的自適應(yīng)過程。經(jīng)過數(shù)百

2、萬年的進(jìn)化過程，正常的人體鼻腔與正常的通氣功能之間已經(jīng)形成了很好的互優(yōu)化關(guān)系；但是，這種互動(dòng)過程作用到病態(tài)結(jié)構(gòu)的鼻腔則會(huì)加劇鼻腔結(jié)構(gòu)的病變。許多臨床醫(yī)療實(shí)踐和研究工作已經(jīng)證明：鼻腔結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)的優(yōu)劣與鼻腔能否保持正常功能以及鼻腔鼻竇的發(fā)病有著密切關(guān)系，然而對(duì)于鼻腔結(jié)構(gòu)異常發(fā)展到功能異常繼而發(fā)生疾病的過程，由于缺少生物模型以及與之對(duì)應(yīng)的數(shù)值量化的計(jì)算模型，從而無法系統(tǒng)地細(xì)致了解和掌握這一過程，進(jìn)而限制了對(duì)鼻科相關(guān)疾病的深入研究。

3、隨著信息技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬成為與理論研究和物理實(shí)驗(yàn)并列的獲取新知識(shí)、新發(fā)現(xiàn)的三大手段之一，傳統(tǒng)的醫(yī)藥學(xué)研究依賴于大量動(dòng)物和人體實(shí)驗(yàn)的做法將在一定程度上由計(jì)算機(jī)數(shù)值實(shí)驗(yàn)所取代。本論文從生物力學(xué)的角度出發(fā)，將計(jì)算力學(xué)、平面圖像三維重構(gòu)技術(shù)與人體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，以臨床診斷為參考依據(jù)，醫(yī)學(xué) CT圖像為材料基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)建模和數(shù)值分析為研究方法，通過對(duì)大量正常鼻腔的三維重建和數(shù)值模擬，抽象出了正常鼻腔結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)形式，引入拋物線方程作為

4、自適應(yīng)過程的數(shù)學(xué)描述，這些研究內(nèi)容均是為建立人體鼻腔結(jié)構(gòu)與功能的自適應(yīng)生物力學(xué)模型研究而進(jìn)行的基礎(chǔ)性工作。本課題研究來源于耳鼻咽喉科臨床，其結(jié)果對(duì)于臨床上疾病診斷、手術(shù)方案制定及術(shù)后療效評(píng)估都具有一定的指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。 論文中各章節(jié)主要工作概述如下： 第一章：介紹了本論文研究的意義和背景，闡述了生物力學(xué)及其分支鼻腔呼吸力學(xué)的定義，總結(jié)了鼻腔呼吸力學(xué)的研究內(nèi)容和主要的研究方法，并對(duì)國內(nèi)外學(xué)者在鼻腔呼吸力學(xué)方面研究的進(jìn)展

5、情況進(jìn)行了綜述。 第二章：介紹了人體上呼吸道的解剖特征和主要生理功能，論述了醫(yī)學(xué) CT 圖像模擬信號(hào)的數(shù)字化、基于有限元分析軟件 ANSYS 的鼻腔模型三維重構(gòu)和流場數(shù)值模擬等本論文研究工作的技術(shù)手段、工具和方法。 第三章：本論文研究的基礎(chǔ)性工作，基于醫(yī)學(xué) CT 圖像，三維重建了多例健康志愿者的鼻腔模型，利用 ANSYS 的 FLOTRAN 分析模塊，對(duì)鼻腔氣流流場進(jìn)行數(shù)值模擬，總結(jié)該年齡段我國東北正常國人鼻腔幾何形態(tài)與

6、氣流分布特征之間的關(guān)系，探討對(duì)正常鼻腔鼻中隔數(shù)字量化的評(píng)判方法。 第四章：憑借鼻聲反射儀測(cè)試曲線上特征切跡與鼻腔典型解剖部位的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過兩者的對(duì)比，驗(yàn)證并修正了三維重建鼻腔模型的幾何結(jié)構(gòu)與數(shù)值模擬的結(jié)果；對(duì)比研究了鼻中隔偏曲患者、OSAHS 患者與正常人檢測(cè)曲線的差別。 第五章：為消除個(gè)體差異對(duì)鼻腔結(jié)構(gòu)與功能自適應(yīng)研究的影響，將三維鼻腔模型抽象化，利用鼻腔典型結(jié)構(gòu)的特征尺寸來描述鼻腔，在大樣本鼻腔特征尺寸的統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上

7、，提出了通過三維的尺度變換建立了鼻腔模型的標(biāo)準(zhǔn)形式的方法，為形態(tài)各異的鼻腔能夠在同一尺度平臺(tái)上進(jìn)行比較奠定基礎(chǔ)。 第六章：作為鼻腔自適應(yīng)模型的先期研究，通過大鼠動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)探究了不同應(yīng)力環(huán)境對(duì)大鼠股骨重建的影響，對(duì)經(jīng)典的骨生長方程中未知參數(shù)進(jìn)行識(shí)別，集成得到活骨應(yīng)力與重建的生物力學(xué)模型，該研究為鼻腔自適應(yīng)過程數(shù)學(xué)模式的提出，以及自適應(yīng)模型的建立提供了有意義的借鑒。 第七章：總結(jié)全文，并展望今后需繼續(xù)完善的研究內(nèi)容和研究