人上气道生物力学模型的研究进展

建立人上气道生物力学模型是研究上气道结构和功能的有效方法,对上气道疾病的预测和治疗也有重要的临床意义。本文总结了上气道生物力学模型的研究状况,以及模型在上气道疾病治疗方面的的临床应用,并对今后的研究方向进行了展望。     

耳与上气道数值研究的临床应用进展

耳与上气道是人体的门户器官,因结构精细而狭小,传统医学对其进行的非侵入性研究以及临床诊疗效果总是不尽人意。随着计算机技术的发展,数值模拟成为一种有效的辅助研究手段,能够对耳与上气道诊断与治疗进行再现和评估,是推动基础医学与临床诊疗技术发展的有力手段。回顾数值模拟方法在耳与上气道结构与功能的关系、疾病对功能的影响、临床诊疗技术评估以及相关医疗器械设计等方面的应用,并对数值研究在耳与上气道的临床应用进行展望,为耳与上气道临床诊疗研究提供参考。     

哮喘等慢性气道疾病中气道缩窄的生物力学模型研究最新进展

虽然对于探索哮喘等气道疾病的潜在治疗方法和揭示气道系统中有趣的生物物理现象等意义重大,气道缩窄的生物力学模型研究一直是既吸引人又充满挑战的研究领域。近年来,这方面的研究呈现方兴未艾的形势,新的现象和新的研究思路不断出现。本文简要介绍这方面部分最新的研究进展,重点介绍针对哮喘气道缩窄行为,致力于解释在体气道行为的生物力学模型,尤其是不仅探讨孤立气道力学行为,而且也探讨气道间相互耦合和与周围环境耦合的气道力学模型。这些相互作用涉及气道和缠绕其上的气道平滑肌层,也涉及气道动态相互作用导致的气道—肺实质通气的空间分布形态等新颖的行为和现象。     

阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征生物力学研究进展

阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征（obstructive sleep apnea hypopnea syndrome, OSAHS）是一种在睡眠时反复出现咽部塌陷导致呼吸暂停的疾病,其发病机制涉及多个方面。根据人体上气道系统解剖结构与生理学特点,从生物力学角度研究可能诱发睡眠呼吸暂停的各种因素,讨论近年来研究睡眠呼吸暂停的生物力学模型,分析可能导致OSAHS疾病的力学机制,并对OSAHS生物力学今后的研究进行展望。建立上气道生物力学模型是研究OSAHS发病机制的有效方法之一,对OSAHS术前评估和术后预测具有重要的临床意义。     

气道平滑肌生物力学与哮喘病理机制的研究进展

哮喘病是危害人类健康的重要呼吸疾病,但其病理机制至今依然不完全清楚。由于呼吸依赖于各级肺组织在外力作用下的一系列力学过程,其力学因素必定在呼吸功能方面发挥着重要作用。其中,气道平滑肌细胞对物理环境很敏感,异常的力学因素刺激将可能改变气道平滑肌细胞的结构和／或功能,导致气道平滑肌过度收缩等病理变化。近年来,人们对气道平滑肌生物力学及其在哮喘的病理机制中的作用展开了大量研究,获得了许多重要的发现。本文将围绕气道平滑肌与肺中的力学环境介绍有关研究的最新进展,包括气道平滑肌收缩和骨架纤维的组织结构,气道平滑肌功能长度范围以及适应性,力学刺激引起的气道平滑肌细胞结构和功能的变化,气道平滑肌紧张度对应变诱导的响应的调控,细胞骨架软玻态动力学行为等,并探讨气道平滑肌生物力学与哮喘病病理机制的关系。     

骨功能适应性重建模型及数值模拟

骨骼会受到力学因素的影响和调控,发生骨功能适应性重建。建立模拟骨重建的数值模型,定量地研究骨重建过程,有着重要的临床应用价值。目前,骨功能适应性重建模型可分为两大类：力学模型和生理模型。对这两类重建模型的原理、算法和应用等做详细论述。力学模型通过假设力学环境与骨结构之间的函数关系来预测骨重建,但不考虑其真实的生物学过程。基于不同的重建激励主要有两种力学模型：骨力学稳态模型和骨损伤修复模型。生理模型则试图从微观层次阐明骨重建的力学-生物学机制,骨重建是由破骨细胞、成骨细胞等各种骨组织细胞完成,有以基本多细胞单位的形式作用或细胞独立分开作用两种观点。这些重建模型结合有限元法应用在许多有关骨重建问题的数值计算中。通过比较分析多个数值应用的模拟结果,还讨论了重建控制方程中各参数值的设置对重建结果的影响。     

平滑肌层增生对气道管壁内应力分布影响的数值模拟研究

许多慢性呼吸道疾病都伴随着气道管壁组织重塑,其中平滑肌肥大和增生直接影响气道的力学特性,进而因为气道内应力的分布不均,导致内壁出现局部应力刺激增加等现象。本研究基于气道的解剖结构,将其简化成为具有内壁、平滑肌层和外膜等三层结构的中空管状结构,构建具有层结构的气道有限元模型,并用来分析在生理和病理情况下平滑肌增生对气道力学行为的影响。结果表明,在气道外膜层出现应力最小值;平滑肌层增厚和局部平滑肌的增生都会导致气道平滑肌层受到的应力值增加,同时在增生面积相同的情况下,平滑肌层的应力值随增生的数目增加而增加;平滑肌层增生的分布对气道力学性能有较大的影响,增生越集中,气道所受到的应力值越大。     

鼻腔结构矫正手术对OSAHS患者上气道流场影响的数值分析

目的研究伴鼻腔结构异常的OSAHS患者经鼻腔结构矫正手术后,气道结构形态的改变对患者整个上气道流场分布以及软腭运动姿态的影响。方法基于患者手术前后CT影像学数据,建立上气道及软腭三维有限元模型,采用流固耦合的方法模拟手术前后上气道流场特性及软腭的运动情况。结果手术矫正了异常的鼻腔结构形态,鼻腔及整个上气道阻力明显下降。术后软腭的肥厚水肿明显缓解,其游离缘的运动幅度减小。软腭运动幅度随弹性模量的减小而增大。术后的模拟结果与文献报道的正常人实验与模拟结果接近。结论鼻腔结构矫正手术改变了上气道结构,影响了气流流场的分布和软腭的运动姿态;不同病理生理状态下,软腭弹性模量的变化对其运动姿态有影响。     

纤维支气管镜引导下气管支气管支架置入术治疗肺癌并气道梗阻临床分析

目的观察纤维支气管镜引导下气管支气管置入术治疗肺癌并气道梗阻的近期疗效。方法肺癌并呼吸道梗阻患者,在病房床边纤维支气管镜引导下行气管支气管支架置入术,观察气管支气管支架置入前后患者气促症状、PO2、PCO2变化。结果18例患者均成功放置,气管支气管支架放置后呼吸困难症状立即缓解,PO2、PCO2明显改善。结论纤维支气管镜引导下气管支气管置入术对肺癌并气道梗阻患者安全有效,可明显改善患者近期生存质量。     

上颈椎前路固定螺钉拔出力的生物力学研究

目的：对上颈椎前路固定螺钉进行拔出力的实验研究，用以评价经口咽前路寰枢椎复位钢板(transoralpharyngeal atlantoaxial reduction plate，TARP)螺钉固定的生物力学性能。方法：6例寰、枢椎和C3椎体新鲜标本，左右双侧共12例，在生物力学实验机上通过传感器测定TARP寰椎和枢椎固定螺钉的最大拔出力，并将结果同对照组的C3椎体进行比较。寰椎螺钉固定于侧块，枢椎和C3椎体螺钉固定于椎体。结果：寰椎与枢椎、寰椎与C3椎体的固定螺钉的最大拔出力之间均有显著性差异(分别为P=0．005和P=0.002)，枢椎和C3椎体最大拔出力之间无显著性差异(P=0．723)。统计检验水准均为α=0．05。结论：寰枢椎的螺钉固定是比较安全的，因而TARP也是可行的，钉道长度(即进钉深度)是影响拔出力的重要因素。     

右主支气管与右上叶支气管交汇区的MSCT影像学研究

目的　对正常成年人右主支气管与右上叶支气管交汇区的径线进行测量,分析右主支气管、右上叶支气管、中间支气管径线的相关性。 方法　分析300例正常成年男性与300例正常成年女性的胸部MSCT图像,利用多平面重建技术（Multiplanar reconstruction,MPR）测量右主支气管、右上叶支气管、中间支气管的内径、长度、横截面积和夹角,并进行相关性分析。 结果　男性和女性右主支气管长径（Z）与右上叶支气管长径（X）、中间支气管的长径（Y）相关性分别为Z=0.379X+0.955Y-0.691（r=0.763,P<0.05）和Z=0.386X+0.358Y+6.340（r=0.745,P<0.05）。 结论　正常成年人右主支气管内径、右上叶支气管内径、中间支气管内径存在较高的相关性,可以为右主支气管与右上叶支气管交汇区域内径的准确测量和估算提供参考。     

A biomechanical model of agonist-initiated contraction in the asthmatic airway

This paper presents a modelling framework in which the local stress environment of airway smooth muscle (ASM) cells may be predicted and cellular responses to local stress may be investigated. We consider an elastic axisymmetric model of a layer of connective tissue and circumferential ASM fibres embedded in parenchymal tissue and model the active contractile force generated by ASM via a stress acting along the fibres. A constitutive law is proposed that accounts for active and passive material properties as well as the proportion of muscle to connective tissue. The model predicts significantly different contractile responses depending on the proportion of muscle to connective tissue in the remodelled airway. We find that radial and hoop-stress distributions in remodelled muscle layers are highly heterogenous with distinct regions of compression and tension. Such patterns of stress are likely to have important implications, from a mechano-transduction perspective, on contractility, short-term cytoskeletal adaptation and long-term airway remodelling in asthma.     

Bench study of auto-CPAP devices using a collapsible upper airway model with upstream resistance

The aim of this study was to investigate the response of auto-CPAP devices to respiratory events (apnea, hypopnea, flow-limitation and snoring) on the same condition using a physiological upper airway model. The hypothesis of this study is that collapsibility of the flow-limiting collapsible segment of the airway is influenced by the upstream airway resistance. Five auto-CPAP devices, AutoSet T, AutoSet Spirit, Goodnight 420E, PV10i and REMstar Auto were evaluated. Apnea: all the devices increased the auto-CPAP level, while AutoSet T and AutoSet Spirit did not respond to apnea for 30s. Hypopnea: all the devices except the AutoSet T and Goodnight 420E increased pressure. Flow-limitation: all the devices except the PV10i and REMstar Auto increased pressure. Snoring: the snoring sounds disappeared when REMstar Auto and PV10i were used, and the Goodnight 420E lowered the level of snoring. In conclusion, the response of auto-CPAP devices to respiratory events differed. Collapsible upper airway model with upstream resistance is useful for the first-step assessment of auto-CPAP devices.     

典型男性OSAHS患者上气道气流运动特性的数值模拟

目的 研究典型男性阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合症（OSAHS）患者在平静呼吸时上气道气流运动特性,以及气流对软腭和悬雍垂作用的动力特点。方法 基于患者CT影像数据建立可靠的上气道流场几何模型,以临床睡眠监测数据作为数值模拟边界条件的依据,采用低雷诺数的湍流模型计算获得一个完整呼吸周期内上气道气流运动规律。结果OSAHS患者在呼吸过程中,上气道气流流动形式有显著差异。在吸气阶段,上气道腔内流速可达9.808 m/s,最大负压可达-78.856 Pa,鼻腔顶部出现局部回流,软腭受到的最大气流压力为-10.884 Pa,悬雍垂受到的最大气流压力为-51.946 Pa,气流对软腭和悬雍垂造成的最大剪切应力分别为78和311 mPa。在呼气阶段,上气道腔内最大流速为10.330 m/s,最大负压为-51.921 Pa,口咽部和鼻腔顶部均出现局部回流,且口咽部顺时针回流现象显著,软腭受到的最大气流压力为2.603 Pa,悬雍垂受到的最大气流压力为-18.222 Pa,软腭和悬雍垂受到的最大剪切应力分别为51和508 mPa。结论 口咽部是易塌陷的部位,一个呼吸循环过程的数值模拟可以捕捉到上气道流场显著的回流特征,上气道回流直接影响软腭和悬雍垂所受的力,同时也关系到患者呼吸的流畅程度。     

Numerical analysis of micro- and nano-particle deposition in a realistic human upper airway

A computational model was developed for studying the flow field and particle deposition in a human upper airway system, including: nasal cavity, nasopharynx, oropharynx, larynx and trachea. A series of coronal CT scan images of a 24 year old woman was used to construct the 3D model. The Lagrangian and Eulerian approaches were used, respectively, to find the trajectories of micro-particles and concentration of nano-particles. The total and regional deposition fractions of micro/nanoparticles were evaluated and the major hot spots for the deposition of inhaled particles were found.     

胸腰椎爆裂性骨折模型

爆裂性骨折是最为常见的一种胸腰椎损伤。该损伤常伴有神经功能损害,遗留各种后遗症,给家庭和社会造成很大的负担。生物力学研究能使我们更好地理解胸腰椎爆裂性骨折的损伤机制、骨折稳定性、骨折复位机制及内固定的固定效果等情况。进行该类研究的前提是建立一个合理的爆裂性骨折模型。作者结合有关文献对建立胸腰椎爆裂性骨折模型的相关问题做一综述。     

大鼠OSAHS模型的建立及其上气道流场特性的数值模拟分析

目的研究大鼠上气道狭窄动物模型的构建方法及上气道狭窄后气流运动特性。方法将3月龄大鼠32只随机分为对照组和模型组,模型组每只大鼠在麻醉状态下给予0.1 mL透明质酸钠溶液软腭悬雍垂黏膜下注射处理。对照组和模型组在同等环境中饲养3月后,对两组动物分别进行CT扫描及呼吸检测。运用计算流体力学方法对比分析对照鼠和模型鼠上气道流场特性。结果 (1)模型组较对照组鼻咽部气道最小截面积明显减少,气道明显狭窄(P<0.05);(2)模型鼠呼吸急促、呼吸周期不稳定、咽腔呼吸波动较强;(3)在呼吸过程中,对照鼠鼻咽气道壁面最大剪应力分布较分散;而模型鼠鼻咽气道壁面最大剪应力分布较集中。结论软腭黏膜下注射透明质酸钠诱发了上气道狭窄,气道狭窄的动物模型与阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征(OSAHS)病理学特征类似。上气道狭窄将导致呼吸困难,呼吸周期延长,且剪应力对咽部组织(特别是软腭及悬雍垂)的损伤作用更强,这加剧了咽部组织的力学重建。