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有限元分析法在OSAHS治疗中的可行性研究

发布于:2024-07-27 19:35
有限元分析

      阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征(obstructivesleep apnea-hypopnea syndrome,OSAHS)是一种以睡眠时反复出现咽部塌陷、口鼻腔气流停止及再通为主要特征的常见病理状态,属于睡眠中呼吸调节紊乱性疾病,引起血液动力学改变而最终导致系统性高血压及随之而来的心肌梗塞、脑血管意外以及充血性心力衰竭等严重的并发症。因此,OSAHS是一种潜在致死性睡眠呼吸紊乱疾病,近年来受到研究者的高度关注。引起OSAHS的原因非常复杂,上气道的完全或不完全阻塞是其最重要的因素。这种完全或不完全的阻塞不仅与颅面骨骼形态结构、气道大小异常有关,而且与呼吸时咽腔的位移及气流变化也有关。整个OSAHS发病过程,从呼吸开始时刻气流从鼻腔口腔进入上气道,直到咽部塌陷甚至闭合这一过程,从力学角度来说,是一个具有材料非线性,流体和固体相互耦合作用的具有生命体自适应特性的力学问题。随着计算机仿真技术的进步,应用流体力学进行有限元分析研究OSAHS成为一个新方向。定量描述呼吸气流流场分布情况是阻塞平面正确定位的可靠依据。
      通过多导睡眠呼吸监测,纤维鼻咽喉镜检查诊断为重症OSAHS患者。近期无上呼吸道感染病史,近3个月无慢性呼吸道病史。
      阻断其睡眠30h以上,嘱尽量维持正常睡眠姿势,用64排螺旋CT对受试者进行睡眠状态扫描,待患者处于深度睡眠状态,轻唤不醒,出现呼吸暂停时开始扫描。CT扫面范围从鼻腔至声门,进行矢状位、冠状位、水平位扫描,层厚为1.0m,窗位为360,60HU的软组织窗。同时通过参阅文献数据及前期影像资料获得模拟手术数据窗。
      将所得数据以Dicom格式保存后导入Mimics软件进行相关径线的测量、三维重建模型的点云数据从Mimics输出,使用Geomagic软件进行曲面拟合,得到上呼吸道参数化曲面模型。
      Pro/e软件完成对呼吸道进出口的修改,使用ICEM软件对模型进行网格划分,呼吸道主体使用四面体单元进行网格划分,近壁面采用三棱柱网格,最终得到用于有限元计算的网格模型,具有524173个网格单元、150507个节点。术前上呼吸道网格划分;B:模拟术后上呼吸道网格划分。
      设置边界条件,模拟过程中。
      有限元模型的网格划分,Pro/e软件完成对呼吸道进出口的修改,使用ICEM软件对模型进行网格划分,呼吸道主体使用四面体单元进行网格划分,近壁面采用三棱柱网格,最终得到用于有限元计算的网格模型,具有524173个网格单元、150507个节点。
      设置边界条件 模拟过程中,流体为空气,密度1.225kg/m3,粘度17.9×e-6 Pa/s。患者在正常呼吸时趋势类似于正弦曲线,据文献及医学报道所知:呼吸频率取20次/min,即呼吸周期T=3s;每次呼吸潮气量Q0=600mL,压力计算以大气压为参考压力。已知喉咽部出口横截面积为A=304.7mm2,则出口截面气流速度最大值可求得:V=2.06≈2m/s。


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