睡眠中的流体力学

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人体上气道是肺与外部环境进行气体交换的重要通道，上气道结构异常会严重影响人体的呼吸功能。阻塞性睡眠呼吸暂停综合征（obstructivesleep apnea, OSA）是较常见的睡眠呼吸疾病，临床表现为患者在睡眠过程中上气道反复发生部分或完全塌陷，造成睡眠呼吸暂停和低通气。

肺通气的动力是肺泡与外界环境之间的压力差，人体通过胸廓的扩张和收缩驱动外界空气经上气道进入肺部，完成外呼吸这一生理过程。健康人睡眠时上气道处于常张开状态（图1.1(a)），上气道的阻力较小，能够顺利完成肺通气。而OSA患者睡眠时上气道会发生阻塞（图1.1(b)），使得阻力增加，造成肺通气不顺畅。OSA患者一般通过短暂觉醒以增强神经调节肌肉功能，重新打开上气道以恢复气体交换。研究上气道结构形态与其内部气体流动之间的关系，对理解OSA形成的机制，发展有效的预防、诊断和治疗手段具有重要意义。

图1 健康人和OSA患者上气道形态对比

第一步，导入几何模型

人体上气道结构复杂，首先将健康人头颈部MRI扫描图像序列导入三维重建软件，参考解剖图谱构建上气道三维数字模型（首都医科大学生物医学工程学院黄亚奇教授课题组提供）。在Simdroid仿真开发环境中的流体分析模块中，再导入已构建的上气道数字模型。下图为在Simdroid仿真开发环境中显示的健康人上气道体外模型。

图2健康人上气道体外模型

第二步，网格剖分，设置流动介质材料属性

进行上气道呼吸动力学仿真前，需对上气道模型进行网格剖分。设置两个鼻孔平面的边界名称分别为inlet1和inlet2，喉咽延长段平面的边界名称为outlet，其余壁面的边界名称为wall。本次分析采用混合型网格进行剖分，剖分的网格单元总数为520670。

人体呼吸的流体介质为空气，设置空气的密度为1.225kg/m3，粘性系数为1.7894E-5 Pa·s，普朗特数为0.7。

第三步，求解设置

健康人静息呼吸时，上气道内的气体流动主要呈现层流状态，并且呼吸频率较低，可近似为定常过程。因此，在Simdroid流体分析模块中选择稳态单项流求解器和层流模型进行仿真。设置鼻孔平面inlet1和inlet2为速度入口，流速为0.8m/s。设置喉咽延长段平面outlet为压力出口，压力为0Pa。设置壁面wall为无滑移边界。

第四步，仿真结果评估

下图分别为上气道壁面压强分布云图和中矢状位速度大小云图。

图3上气道中矢状位速度大小云图

图4上气道壁面压强分布云图

由上两图可知：健康人咽腔最窄横截面位于软腭后区，气流流经此处时明显加速并形成一股射流注入下游口咽区（图3）。根据伯努利定律（Bernoulli's theorem），气流流经软腭后区时流速最大，则气流产生的压强最低（图4）。如图1所示，软腭后区的气道后壁与刚性的脊柱相连，不易发生变形。而这一部位的气道前壁由软腭和舌头包裹，气流流经软腭后区产生的压强最低，导致这些软组织更易向气道后壁挤压，使气道发生阻塞。临床上，成年OSA患者最常见的阻塞部位也位于软腭后区，这一点与仿真预测的易阻塞位置相吻合。

第五步，APP开发与应用价值

Simdroid仿真开发环境采用“托拉拽”的完全图形式交互界面进行仿真APP开发。下图为在Simdroid中开发完成的人体上气道呼吸动力学仿真APP。

图5 采用Simdroid开发完成的人体上气道呼吸动力学仿真APP

通过APP界面改变鼻孔流速的赋值，可实现不同生理条件下上气道呼吸动力学的仿真计算。将OSA患者上气道的三维模型导入Simdroid流体分析模块，开发出个性化的上气道呼吸动力学仿真APP，可辅助医务人员快速判断OSA患者上气道的阻塞部位，为制定治疗方案提供参考意见。