健康人鼻咽部颗粒沉降特征的生物力学研究

作     者：杨花 

作者单位：大连医科大学 

学位级别：硕士

导师姓名：唐媛媛

授予年度：2023年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 0836[工学-生物工程] 

主      题：鼻咽部 鼻腔 数值模拟 颗粒沉降 

摘      要：目的:通过建立健康人鼻腔、鼻咽腔有限元数值模型,在改变气流流率、颗粒粒径、颗粒密度大小的条件下,数值模拟计算27种不同条件下鼻咽部颗粒沉降,并分析其生物力学特征,从生物力学角度探讨健康人鼻咽部颗粒沉降的影响因素,为临床中鼻咽部疾病的可能影响因素及经鼻腔给药方式提供参考。方法:应用多层螺旋CT采集健康成年男性志愿者鼻部的CT数据,并获得DICOM格式的影像图数据;将上述DICOM格式的影像数据导入Mimics15.0软件中,依据人体不同组织密度所对应的不同灰度值,选取鼻腔、鼻咽腔及咽喉腔含气结构建立三维数值模型,并编辑去除鼻窦等不相关区域,获得Binary STL格式的文件;将上述STL格式文件导入Geomagic studio 17.0软件,对该重建模型进行光滑、修复、降噪、轮廓线描绘、曲面片划分等,获得完整光滑曲面的三维模型,并以iges格式保存;将上述模型导入Ansys15.0中的ICEM平台进行体网格、面网格构建,并设置双侧前鼻孔为气流入口,会厌处为气流出口;最后导入Ansys15.0中的Fluent平台进行气流场和颗粒沉降的数值计算。该数值计算的条件为稳态呼吸模式、呼吸流率分别为15L/min、30L/min、60L/min,颗粒粒径分别为5μm、10μm、15μm,颗粒密度1250kg/m3、1850kg/m3、2150kg/m3。结果:1.该气道模型中,气道压强自双侧前鼻孔至声门逐渐下降,压强变化梯度在鼻阈区、下鼻甲前端较鼻腔其他部位大,鼻咽腔处的压强变化梯度在鼻咽顶后壁及咽隐窝较为明显;2.压强降高峰位于声门附近;3.气流速度在声门处最大,在较宽敞的总鼻道及鼻咽腔较小,鼻咽腔中的鼻咽顶后壁及咽隐窝处可见明显的低流速及涡流区;3.重建模型中鼻阈、鼻前庭、下鼻甲及中鼻甲前端、鼻咽顶后壁为颗粒最易沉降区域;4.当气流流率为30L/min及60L/min时,不同颗粒直径、颗粒密度下该重建模型沉积率均可达80%以上;5.当颗粒粒径为10um及15um时,不同气流流率、颗粒密度下该重建模型沉积率均可达90%以上;6.当颗粒密度及气流流率不变时,随着颗粒直径变大,鼻咽顶后壁颗粒沉降率减少。结论:建立鼻腔及鼻咽腔生物力学数值模型,可以从生物力学角度探究鼻咽部颗粒沉降的重要影响因素。研究发现:1.颗粒在鼻腔主要沉降于鼻阈及鼻前庭,在鼻咽部则主要沉降于鼻咽顶后壁,其中鼻咽后壁较鼻咽顶壁颗粒沉降显著;2.气流速度、颗粒粒径及颗粒密度对颗粒沉积率均有影响,其中颗粒粒径对颗粒沉降影响最大,其次是气流流率,颗粒密度变化对颗粒沉降的影响不显著;3.当颗粒密度及气流流率不变,颗粒直径越小,鼻咽部沉降颗粒越多,颗粒直径越大,鼻腔前部颗粒沉降增加,鼻咽部沉降颗粒越少;4.随着颗粒直径增大,该重建模型中的颗粒沉降增多。