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有限元分析法在OSAHS治療中的可行性研究

發布於:2024-07-27 19:35
有限元分析

      阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征(obstructivesleep apnea-hypopnea syndrome,OSAHS)是一種以睡眠時反複出現咽部塌陷、口鼻腔氣流停止及再通為主要特征的常見病理狀態,屬於睡眠中呼吸調節紊亂性疾病,引起血液動力學改變而最終導致係統性高血壓及隨之而來的心肌梗塞、腦血管意外以及充血性心力衰竭等嚴重的並發症。因此,OSAHS是一種潛在致死性睡眠呼吸紊亂疾病,近年來受到研究者的高度關注。引起OSAHS的原因非常複雜,上氣道的完全或不完全阻塞是其最重要的因素。這種完全或不完全的阻塞不僅與顱麵骨骼形態結構、氣道大小異常有關,而且與呼吸時咽腔的位移及氣流變化也有關。整個OSAHS發病過程,從呼吸開始時刻氣流從鼻腔口腔進入上氣道,直到咽部塌陷甚至閉合這一過程,從力學角度來說,是一個具有材料非線性,流體和固體相互耦合作用的具有生命體自適應特性的力學問題。隨著計算機仿真技術的進步,應用流體力學進行有限元分析研究OSAHS成為一個新方向。定量描述呼吸氣流流場分布情況是阻塞平麵正確定位的可靠依據。
      通過多導睡眠呼吸監測,纖維鼻咽喉鏡檢查診斷為重症OSAHS患者。近期無上呼吸道感染病史,近3個月無慢性呼吸道病史。
      阻斷其睡眠30h以上,囑盡量維持正常睡眠姿勢,用64排螺旋CT對受試者進行睡眠狀態掃描,待患者處於深度睡眠狀態,輕喚不醒,出現呼吸暫停時開始掃描。CT掃麵範圍從鼻腔至聲門,進行矢狀位、冠狀位、水平位掃描,層厚為1.0m,窗位為360,60HU的軟組織窗。同時通過參閱文獻數據及前期影像資料獲得模擬手術數據窗。
      將所得數據以Dicom格式保存後導入Mimics軟件進行相關徑線的測量、三維重建模型的點雲數據從Mimics輸出,使用Geomagic軟件進行曲麵擬合,得到上呼吸道參數化曲麵模型。
      Pro/e軟件完成對呼吸道進出口的修改,使用ICEM軟件對模型進行網格劃分,呼吸道主體使用四麵體單元進行網格劃分,近壁麵采用三棱柱網格,最終得到用於有限元計算的網格模型,具有524173個網格單元、150507個節點。術前上呼吸道網格劃分;B:模擬術後上呼吸道網格劃分。
      設置邊界條件,模擬過程中。
      有限元模型的網格劃分,Pro/e軟件完成對呼吸道進出口的修改,使用ICEM軟件對模型進行網格劃分,呼吸道主體使用四麵體單元進行網格劃分,近壁麵采用三棱柱網格,最終得到用於有限元計算的網格模型,具有524173個網格單元、150507個節點。
      設置邊界條件 模擬過程中,流體為空氣,密度1.225kg/m3,粘度17.9×e-6 Pa/s。患者在正常呼吸時趨勢類似於正弦曲線,據文獻及醫學報道所知:呼吸頻率取20次/min,即呼吸周期T=3s;每次呼吸潮氣量Q0=600mL,壓力計算以大氣壓為參考壓力。已知喉咽部出口橫截麵積為A=304.7mm2,則出口截麵氣流速度最大值可求得:V=2.06≈2m/s。


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