阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合癥患者上氣道氣流運動特性的研究

阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合癥患者上氣道氣流運動特性的研究

選擇性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征是一種常見的睡眠呼吸調(diào)整疾病。主要特征是睡眠時反復(fù)出現(xiàn)喉嚨塌陷、口鼻呼吸停止、反復(fù)通氣、血液氧飽和度下降等睡眠疾病。呼吸暫?？稍斐纱竽X、血液缺氧,誘發(fā)高血壓、腦心病等。調(diào)查顯示OSAHS發(fā)病率高,危急人群甚廣。上氣道塌陷是鼾癥發(fā)生的重要原因,學(xué)者們試圖從神經(jīng)調(diào)控機(jī)制失常和上氣道解剖結(jié)構(gòu)異常兩個方面理解咽部塌陷。神經(jīng)調(diào)控理論認(rèn)為覺醒刺激的缺失及神經(jīng)肌肉控制的改變是引起咽部塌陷的主要原因;從解剖形態(tài)結(jié)構(gòu)看,部分學(xué)者認(rèn)為人體上氣道結(jié)構(gòu)本身存在一定“缺陷”,該“缺陷”對于人體維持鼻腔的加溫加濕等功能是不可缺少的。OSAHS患者上氣道結(jié)構(gòu)區(qū)別于正常人形態(tài)結(jié)構(gòu)最明顯的特征是其軟腭、懸雍垂、扁桃體、舌根等上氣道周圍組織增生肥厚、臃腫,氣流通道狹窄,氣道組織壁面柔順性低。目前數(shù)值模擬和臨床實驗觀測仍然是研究上氣道氣流運動特性的兩大主要手段,其中數(shù)值模擬已成為定性評估OSAHS手術(shù)療效的重要手段之一。李五一等觀察43例OSAHS患者睡眠時的咽腔阻塞特點,發(fā)現(xiàn)OSAHS患者并非單純某一部位發(fā)生阻塞,而以多部位阻塞居多,其中又以腭咽部為常見阻塞部位。由于鼾癥甚至其他呼吸道疾病與人體呼吸形式密切相關(guān),故研究上氣道內(nèi)氣流運動形式以及氣流對氣道組織的動力特性具有重要意義。Kelly等基于三維CT圖像建立人體鼻腔的實體模型,并用不同氣流量通過鼻腔,利用粒子圖像測速(particleimagevelocimetry,PIV)技術(shù)觀測氣流在鼻腔中的流動情況。Fomin等通過建立鼻腔的數(shù)值計算模型分析鼻腔中的氣流阻力變化。Zhu等和Huang等分別建立包括軟腭在內(nèi)的流固數(shù)值計算模型,研究在平靜呼吸狀態(tài)下軟腭的運動特點。Mihaescu等使用大渦模擬技術(shù)評估對OSAHS患者實施MMA手術(shù)后的治療效果。人體呼吸過程是一個動態(tài)生理過程,氣道中流場特征隨呼吸時刻的不同而不同,建立合理的OSAHS患者上呼吸道的數(shù)值模型對于從力學(xué)角度理解OSAHS的阻塞機(jī)制十分重要。本文以O(shè)SAHS患者臨床睡眠監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù),在循環(huán)呼吸模式下對上氣道氣流運動進(jìn)行數(shù)值模擬,研究氣流運動的特點以及氣流對軟腭及懸雍垂的動力特性。2數(shù)學(xué)模型2.1ponea健康診斷研究對象為1名42歲男性O(shè)SAHS患者,經(jīng)多導(dǎo)睡眠檢測儀(PSG)檢測呼吸紊亂指數(shù)(apneahyponeaindex,AHI)為70次/h,最低血氧飽和度為57%,符合重度OSAHS患者的診斷標(biāo)準(zhǔn)。采用美國GEMEDICALSYSTEMS/LightSpeedVCT多層螺旋CT掃描儀對患者仰臥位從頭部至喉部進(jìn)行軸狀位掃描,掃描層厚0.5mm,利用CT三維重建技術(shù)提取氣道幾何模型(見圖1)。2.2k-湍流模型由于受諸多臨床條件的限制,所建的數(shù)值模型暫未考慮流固耦合問題。由于氣體在上氣道中運動的馬赫數(shù)較小,考慮常溫常壓下不可壓縮黏性空氣在上呼吸道內(nèi)的運動,忽略氣體體力,不考慮傳熱效應(yīng),氣流的控制方程———連續(xù)性方程和雷諾平均Navier-Stokes方程分別為:式中:Ui為笛卡爾坐標(biāo)速度分量,ρ為空氣密度,p為空氣壓力,μ為空氣動力黏度,為雷諾應(yīng)力項。雷諾數(shù)Re是判斷流動為層流還是湍流的重要參數(shù),其定義為流體流動慣性力與黏性力的比值:本文D取喉部直徑。Kelly等通過實驗發(fā)現(xiàn)人體靜息狀態(tài)下,上呼吸道中的氣流狀態(tài)既有層流又有湍流;Jeong等通過數(shù)值模擬和實驗對比發(fā)現(xiàn)低雷諾數(shù)的k-ε湍流模型適用于人體上呼吸道的氣流數(shù)值模擬。根據(jù)渦黏假定,湍流脈動造成的雷諾附加應(yīng)力與時均應(yīng)變率有關(guān),Jones等提出低雷諾數(shù)k-ε模型,該模型能夠很好地自動適應(yīng)不同雷諾數(shù)區(qū)域的計算。引入湍動能k、湍流耗散率ε和湍流黏度μt,則雷諾應(yīng)力與平均速度梯度的關(guān)系為:式中:湍動能k的輸運方程為:湍流耗散率ε的輸運方程為:2.3kpa的邊界條件不考慮上氣道軟組織彈性的影響,假設(shè)壁面為剛性,壁面采用無滑移不可穿透邊界條件,即在壁面上Un=Uτ=0。人體前鼻孔(模型進(jìn)口)與大氣相連通,故在計算初始時刻設(shè)定左右前鼻孔處相對總壓為0(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓p0=101.325kPa)的邊界條件。潮氣量表示人體在靜息狀態(tài)下一次呼吸過程中吸入或呼出的氣體體積的量,經(jīng)肺功檢測該患者的潮氣量Q=550mL,呼吸周期T=3.66s,呼吸時間比約為1。測得喉部(模型出口)面積S=413.8mm2,睡眠呼吸監(jiān)測患者在清醒狀態(tài)下仰臥平躺且用鼻呼吸時喉部溫度變化率ΔT隨時間的變化(見圖2),經(jīng)Matlab擬合得到ΔT隨時間t變化的正弦函數(shù):Fit1=1.836·sin(1.714t+2.634)該函數(shù)與t軸有一交點t0=0.2925。將患者的呼吸氣流曲線近似為正弦函數(shù),且數(shù)值計算從t=0時刻開始,由潮氣量的定義可知:式中:A為待定常數(shù),代入測得的數(shù)據(jù)可求得A=1.1435,故出口氣流速度可表示為:一個周期內(nèi),出口氣流速度如圖3所示。2.4呼吸相內(nèi)流場特征采用四面體網(wǎng)格劃分幾何,網(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果表明,5.0×106左右的網(wǎng)格數(shù)量已滿足精度要求,在邊壁附近采用指數(shù)增長法則設(shè)定6層三棱柱網(wǎng)格作為邊界層。為了獲得至少一個呼吸相內(nèi)流場特征,在數(shù)值計算中設(shè)定計算總時間為40s,瞬態(tài)時間步長取5ms。壓力、動量和湍流輸運方程均采用二階迎風(fēng)格式離散,瞬態(tài)時間積分方案選擇全隱式積分方案,壓力速度采用SIMPLEC耦合算法。3計算收斂測收斂當(dāng)連續(xù)性方程和動量守恒方程收斂殘差均出現(xiàn)周期性震蕩后,可認(rèn)為計算收斂。由計算結(jié)果可知,OSAHS患者在吸氣和呼氣階段時,上氣道流場特征有很大差異,氣流對軟腭懸雍垂產(chǎn)生的動力特性也明顯不同。3.1氣流流動情況下、d、e、f時上呼吸道的氣流場特征選取圖3中A、B、C、D、E、F6個時刻點,吸氣階段的A、B、C時刻上氣道流速和壓力分布如圖4(a)~(c)所示。在吸氣階段,鼻腔頂部出現(xiàn)局部回流。在吸氣前半段,氣流速度還未達(dá)到最大的過程中(A時刻),上氣道氣流流動較規(guī)則,口咽腔最大氣流速度為5.958m/s,最大負(fù)壓為-30.8Pa。當(dāng)吸氣達(dá)到最大時刻(B時刻),口咽腔氣流的流速達(dá)到最大值9.808m/s,吸氣負(fù)壓達(dá)到最大值-78.856Pa。在吸氣后半段,吸氣流速逐漸減小(C時刻),口咽腔氣流速度也減小為5.289m/s,腔內(nèi)負(fù)壓為-23.197Pa。圖4(d)~(e)所示為呼氣階段的D、E、F時刻上氣道流速和壓力分布。在呼氣階段,腭咽腔和鼻腔均出現(xiàn)回流,特別是腭咽腔的順時針回流特別顯著。當(dāng)呼氣達(dá)到最大時(E時刻)口咽腔氣流最大流速可達(dá)10.330m/s,此刻口咽腔內(nèi)最大負(fù)壓為-57.912Pa。3.2呼吸周期內(nèi)軟蝽和懸3在上氣道幾何建模時將軟腭和懸雍垂與腔內(nèi)氣流的接觸面分割出來,如圖1幾何模型中的黃色(軟腭與氣流的接觸面)和藍(lán)色面積部分(懸雍垂與氣流的接觸面)所示,以便研究氣流對其壓力和剪切應(yīng)力的規(guī)律。氣流對軟腭和懸雍垂的力是氣流沖擊其壁面的壓力和流體黏性剪切應(yīng)力的合力,不考慮大氣壓強(qiáng)的效應(yīng)。圖5所示為一個呼吸周期內(nèi)氣流作用于軟腭和懸雍垂的平均壓力變化,可以看出軟腭所受的壓力波動與呼吸具有一致性,而作用在懸雍垂背部的壓力在呼氣階段變化不規(guī)則,波動與呼吸不具一致性。在吸氣階段,軟腭和懸雍垂所受到的最大壓力分別為-10.884和-51.946Pa;在呼氣階段,軟腭和懸雍垂所受到最大壓力分別為2.603和-18.222Pa。圖6所示為一個呼吸周期內(nèi)軟腭和懸雍垂受到的剪切應(yīng)力變化,可以看出在呼吸過程中它們受到的剪切應(yīng)力變化趨勢一致,但軟腭所受的剪切應(yīng)力總小于懸雍垂所受的剪切應(yīng)力。在吸氣階段,軟腭和懸雍垂受到的最大平均剪切應(yīng)力分別為78和311mPa,且軟腭的剪切應(yīng)力變化率總大于懸雍垂的剪切應(yīng)力變化率;在呼氣階段,軟腭和懸雍垂受到的最大平均剪切應(yīng)力分別為51和508mPa,且軟腭的剪切應(yīng)力變化率總小于懸雍垂的剪切應(yīng)力變化率。4討論4.1呼吸階段上呼吸道阻礙程度從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出,患者在吸氣和呼氣階段內(nèi)上氣道氣流運動形式有顯著的差異。在吸氣階段,鼻腔頂部出現(xiàn)局部回流,但并不明顯,氣流流動形式總體較規(guī)則。在吸氣前半段,整個鼻腔處于負(fù)壓狀態(tài),外界大氣壓大于腔內(nèi)壓力,氣體可以由前鼻孔順利流入上氣道。隨著吸氣強(qiáng)度增強(qiáng),上氣道流速和負(fù)壓均增大。在吸氣后半段,隨著吸氣強(qiáng)度減弱,氣流流速和負(fù)壓減小,由于吸氣過程已充分發(fā)展,加之上氣道形態(tài)結(jié)構(gòu)扭曲復(fù)雜,湍流脈動增強(qiáng),氣道內(nèi)流動變得紊亂,在鼻腔頂部出現(xiàn)局部回流,同時上氣道局部出現(xiàn)極小的正壓。臨界壓可以用來衡量氣道塌陷的難易程度,在上氣道狹窄部位氣流高速通過,若氣流壓力過小,不足以抵抗氣道周圍組織擠壓,此時易導(dǎo)致氣道閉合,形成阻塞。由于口咽腔是整個上氣道中最狹窄的部位,氣流在口咽腔速度達(dá)到最大值,壓力則達(dá)到最小值,可認(rèn)為口咽腔是易塌陷部位。當(dāng)呼吸過程由吸氣轉(zhuǎn)變?yōu)楹魵夂?上氣道流動形式變化較大。另外,呼氣最大流速大于吸氣最大流速,呼氣最大負(fù)壓小于吸氣最大負(fù)壓,即吸氣最大時咽腔氣流壓力小于呼氣最大時咽腔氣流壓力;從臨界壓的角度看,該患者在吸氣階段咽腔壓力更難以抵抗咽腔周圍軟組織向氣道擠壓的趨勢,氣道保持開放的能力更弱。同時顎咽腔上部回流區(qū)使過流面積減小,導(dǎo)致呼氣下游即鼻腔內(nèi)的氣流流動不暢。若是患者處于睡眠狀態(tài)下,由于神經(jīng)興奮性降低,由神經(jīng)調(diào)控的各種肌肉(如咽縮肌、舌腭肌、腭垂肌等)代償性活動能力下降,肌肉恢復(fù)變形的能力下降,氣道難以保持開放,嚴(yán)重時氣道出現(xiàn)阻塞。由此可見,臨床上適當(dāng)?shù)谋乔唤Y(jié)構(gòu)矯正手術(shù)可以改善患者上氣道通氣狀況,從而達(dá)到手術(shù)治療OSAHS的目的。4.2呼吸波型的影響OSAHS與上氣道的通氣程度密切相關(guān),而鼾聲根本上是上氣道咽腔及其周圍柔性組織在氣流沖擊作用下共同參與振動而產(chǎn)生的,氣流不規(guī)則運動對該響應(yīng)系統(tǒng)的激勵貢獻(xiàn)最大。懸雍垂和軟腭是流場中幾何特征較明顯的擾流物體,故研究它們在呼吸過程中受到的氣流的作用力對于進(jìn)一步研究上氣道腔內(nèi)的聲學(xué)特性很有必要。若是在睡眠狀態(tài)下,患者仰臥平躺時,舌后墜,幾乎擠滿口腔后部空間,舌很大程度上限制了軟腭和懸雍垂向前運動。為了滿足人體器官代謝活動的需氧量,神經(jīng)調(diào)控勢必會讓患者努力改變呼吸形式,而口腔則成為人體與外界進(jìn)行氣體交換的唯一通道,患者用口呼吸成為可能;當(dāng)氣流從口腔流出時,氣流會對軟腭、懸雍垂、咽腔壁帶來激勵,從而產(chǎn)生振動發(fā)出聲音,此時表現(xiàn)出打鼾癥狀。上氣道最大流體剪切應(yīng)力分布在懸雍垂壁面。在吸氣階段,軟腭和懸雍垂受到的壓力先增大后減小。吸氣達(dá)到最大時,它們受的壓力達(dá)到最大;當(dāng)吸氣結(jié)束時,軟腭和懸雍垂受到的壓力幾乎為0。隨著呼氣開始,肺部開始向外界擠壓氣體,軟腭和懸雍垂受到的壓力逐漸增大,在腭咽腔上部形成順時針回旋流,該回旋流帶動氣流對軟腭面產(chǎn)生壓力和剪切應(yīng)力?；匦黩?qū)使部分氣體沿著軟腭背部倒流至懸雍垂背部的咽腔,導(dǎo)致懸雍垂背部的咽腔氣體體積有向四周膨脹的趨勢,氣流對懸雍垂面產(chǎn)生垂向壓力。隨著呼氣強(qiáng)度增強(qiáng),兩者受到的壓力增大,直至呼氣達(dá)到最大時,所受壓力增至最大。在呼氣后半段,呼氣強(qiáng)度逐漸減弱,腭咽腔回流區(qū)面積逐漸減小,軟腭和懸雍垂受到的壓力逐漸減小?？谘什坑捎谄浣Y(jié)構(gòu)的特殊性,中間口徑較上下兩端口徑小,中間速度梯度最大,最大剪切應(yīng)力分布在口咽,懸雍垂受到的剪切應(yīng)力幾乎比軟腭的大一個量級。在呼氣階段,腭咽腔回流主流沿著腭咽后壁,氣流剪切主要作用在腭咽后壁,故軟腭受到的剪切應(yīng)力比其在吸氣階段的小;而懸雍垂背部的咽腔呼氣速度梯度大于吸氣速度梯度,故懸雍垂受到的剪切應(yīng)力比其在吸氣階段的大?？谘什康淖畲蠹羟袘?yīng)力分布在懸雍垂壁面,從剪切應(yīng)力對生物組織細(xì)胞的誘導(dǎo)作用來看,其很可能會對懸雍垂產(chǎn)生損傷作用,導(dǎo)致懸雍垂力學(xué)特征的病變。5主要結(jié)論數(shù)值模擬方法是現(xiàn)階段技術(shù)條件下研究OS-AHS發(fā)病的重要手段之一。本文基于三維CT影像資料建立典型男性O(shè)SAHS患者上呼吸道幾何模型,該幾何模型比較客觀真實地反映了患者上氣道復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。在數(shù)值模擬過程中,采用患者在清醒狀態(tài)下臨床監(jiān)測數(shù)據(jù)作為數(shù)值模擬邊界條件的依據(jù),使數(shù)值模擬結(jié)果更接近患者實際呼吸生理過程。通過對數(shù)值模擬結(jié)果的分析,有助于理解上氣道氣流阻塞的機(jī)理,為臨床手術(shù)提供一定的指導(dǎo)作用。本文的主要結(jié)論有:(1)OSAHS患者在吸氣和呼氣階段上氣道的氣流流動形式差異較大,故采用至少一個呼吸循環(huán)內(nèi)的數(shù)值模擬計算對于全局把握OSAHS患者上氣道內(nèi)的氣流運動規(guī)律是十分重要的?；颊呖谘是粔毫^小,而懸雍垂背部腔內(nèi)壓力最小,可見懸雍垂背部咽腔是最易塌陷的部位。(2)上氣道結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在呼吸過程中,口咽部和鼻腔上部出現(xiàn)回流區(qū),其中口咽部回流比鼻腔上部的明顯,對患者呼吸的影響也大?；亓鲄^(qū)面積的大小隨著呼氣速度的增大(減小)而增大(減小),氣流過流區(qū)面積則隨著呼氣速度的增大(減小)而減小(增大)?；亓鲄^(qū)面積越大,氣流流動越不流暢,患者呼氣困難;當(dāng)患者用鼻呼吸不足以提供