人體鼻腔結構與功能自適應生物力學模型的基礎性研究.pdf

1、鼻腔是肺與外界大氣環(huán)境進行氣體交換的主要通道，位于呼吸道的最前端，除承擔呼吸功能外，還有調節(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。由于鼻腔結構異常造成鼻腔物理力學等環(huán)境的異常變化，影響到鼻腔正常功能的實現，為了恢復鼻腔正常功能，鼻腔組織能夠隨著這一環(huán)境激勵變化，調整自身的幾何結構形態(tài)，導致原鼻腔結構幾何形態(tài)變化，這就是人體鼻腔結構與功能的自適應過程。經過數百

2、萬年的進化過程，正常的人體鼻腔與正常的通氣功能之間已經形成了很好的互優(yōu)化關系；但是，這種互動過程作用到病態(tài)結構的鼻腔則會加劇鼻腔結構的病變。許多臨床醫(yī)療實踐和研究工作已經證明：鼻腔結構幾何形態(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)病有著密切關系，然而對于鼻腔結構異常發(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應的數值量化的計算模型，從而無法系統(tǒng)地細致了解和掌握這一過程，進而限制了對鼻科相關疾病的深入研究。

3、隨著信息技術的進步，計算機輔助設計和數值模擬成為與理論研究和物理實驗并列的獲取新知識、新發(fā)現的三大手段之一，傳統(tǒng)的醫(yī)藥學研究依賴于大量動物和人體實驗的做法將在一定程度上由計算機數值實驗所取代。本論文從生物力學的角度出發(fā)，將計算力學、平面圖像三維重構技術與人體實驗相結合，以臨床診斷為參考依據，醫(yī)學 CT圖像為材料基礎，計算機建模和數值分析為研究方法，通過對大量正常鼻腔的三維重建和數值模擬，抽象出了正常鼻腔結構的標準形式，引入拋物線方程作為

4、自適應過程的數學描述，這些研究內容均是為建立人體鼻腔結構與功能的自適應生物力學模型研究而進行的基礎性工作。本課題研究來源于耳鼻咽喉科臨床，其結果對于臨床上疾病診斷、手術方案制定及術后療效評估都具有一定的指導意義和實用價值。 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，闡述了生物力學及其分支鼻腔呼吸力學的定義，總結了鼻腔呼吸力學的研究內容和主要的研究方法，并對國內外學者在鼻腔呼吸力學方面研究的進展

5、情況進行了綜述。 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 CT 圖像模擬信號的數字化、基于有限元分析軟件 ANSYS 的鼻腔模型三維重構和流場數值模擬等本論文研究工作的技術手段、工具和方法。 第三章：本論文研究的基礎性工作，基于醫(yī)學 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，對鼻腔氣流流場進行數值模擬，總結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系，探討對正常鼻腔鼻中隔數字量化的評判方法。 第四章：憑借鼻聲反射儀測試曲線上特征切跡與鼻腔典型解剖部位的對應關系，通過兩者的對比，驗證并修正了三維重建鼻腔模型的幾何結構與數值模擬的結果；對比研究了鼻中隔偏曲患者、OSAHS 患者與正常人檢測曲線的差別。 第五章：為消除個體差異對鼻腔結構與功能自適應研究的影響，將三維鼻腔模型抽象化，利用鼻腔典型結構的特征尺寸來描述鼻腔，在大樣本鼻腔特征尺寸的統(tǒng)計基礎上

7、，提出了通過三維的尺度變換建立了鼻腔模型的標準形式的方法，為形態(tài)各異的鼻腔能夠在同一尺度平臺上進行比較奠定基礎。 第六章：作為鼻腔自適應模型的先期研究，通過大鼠動物實驗，系統(tǒng)探究了不同應力環(huán)境對大鼠股骨重建的影響，對經典的骨生長方程中未知參數進行識別，集成得到活骨應力與重建的生物力學模型，該研究為鼻腔自適應過程數學模式的提出，以及自適應模型的建立提供了有意義的借鑒。 第七章：總結全文，并展望今后需繼續(xù)完善的研究內容和研究