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人体鼻腔结构与功能自适应生物力学模型的基础性研究

张军  
【摘要】: 鼻腔是肺与外界大气环境进行气体交换的主要通道,位于呼吸道的最前端,除承担呼吸功能外,还有调节吸入气体气量、温度、湿度、过滤清洁等作用,以满足下呼吸道粘膜的生理需求;同时又是防止呼吸系统疾病入侵人体的第一道防线。由于鼻腔结构异常造成鼻腔物理力学等环境的异常变化,影响到鼻腔正常功能的实现,为了恢复鼻腔正常功能,鼻腔组织能够随着这一环境激励变化,调整自身的几何结构形态,导致原鼻腔结构几何形态变化,这就是人体鼻腔结构与功能的自适应过程。经过数百万年的进化过程,正常的人体鼻腔与正常的通气功能之间已经形成了很好的互优化关系;但是,这种互动过程作用到病态结构的鼻腔则会加剧鼻腔结构的病变。许多临床医疗实践和研究工作已经证明:鼻腔结构几何形态的优劣与鼻腔能否保持正常功能以及鼻腔鼻窦的发病有着密切关系,然而对于鼻腔结构异常发展到功能异常继而发生疾病的过程,由于缺少生物模型以及与之对应的数值量化的计算模型,从而无法系统地细致了解和掌握这一过程,进而限制了对鼻科相关疾病的深入研究。 随着信息技术的进步,计算机辅助设计和数值模拟成为与理论研究和物理实验并列的获取新知识、新发现的三大手段之一,传统的医药学研究依赖于大量动物和人体实验的做法将在一定程度上由计算机数值实验所取代。本论文从生物力学的角度出发,将计算力学、平面图像三维重构技术与人体实验相结合,以临床诊断为参考依据,医学CT图像为材料基础,计算机建模和数值分析为研究方法,通过对大量正常鼻腔的三维重建和数值模拟,抽象出了正常鼻腔结构的标准形式,引入抛物线方程作为自适应过程的数学描述,这些研究内容均是为建立人体鼻腔结构与功能的自适应生物力学模型研究而进行的基础性工作。本课题研究来源于耳鼻咽喉科临床,其结果对于临床上疾病诊断、手术方案制定及术后疗效评估都具有一定的指导意义和实用价值。 论文中各章节主要工作概述如下: 第一章:介绍了本论文研究的意义和背景,阐述了生物力学及其分支鼻腔呼吸力学的定义,总结了鼻腔呼吸力学的研究内容和主要的研究方法,并对国内外学者在鼻腔呼吸力学方面研究的进展情况进行了综述。 第二章:介绍了人体上呼吸道的解剖特征和主要生理功能,论述了医学CT图像模拟信号的数字化、基于有限元分析软件ANSYS的鼻腔模型三维重构和流场数值模拟等本论文研究工作的技术手段、工具和方法。 第三章:本论文研究的基础性工作,基于医学CT图像,三维重建了多例健康志愿者的鼻腔模型,利用ANSYS的FLOTRAN分析模块,对鼻腔气流流场进行数值模拟,总结该年龄段我国东北正常国人鼻腔几何形态与气流分布特征之间的关系,探讨对正常鼻腔鼻中隔数字量化的评判方法。 第四章:凭借鼻声反射仪测试曲线上特征切迹与鼻腔典型解剖部位的对应关系,通过两者的对比,验证并修正了三维重建鼻腔模型的几何结构与数值模拟的结果;对比研究了鼻中隔偏曲患者、OSAHS患者与正常人检测曲线的差别。 第五章:为消除个体差异对鼻腔结构与功能自适应研究的影响,将三维鼻腔模型抽象化,利用鼻腔典型结构的特征尺寸来描述鼻腔,在大样本鼻腔特征尺寸的统计基础上,提出了通过三维的尺度变换建立了鼻腔模型的标准形式的方法,为形态各异的鼻腔能够在同一尺度平台上进行比较奠定基础。 第六章:作为鼻腔自适应模型的先期研究,通过大鼠动物实验,系统探究了不同应力环境对大鼠股骨重建的影响,对经典的骨生长方程中未知参数进行识别,集成得到活骨应力与重建的生物力学模型,该研究为鼻腔自适应过程数学模式的提出,以及自适应模型的建立提供了有意义的借鉴。 第七章:总结全文,并展望今后需继续完善的研究内容和研究方向。 本研究工作是国家自然科学基金项目(人体鼻腔结构与功能自适应生物力学模型的研究,基金号:10472025;OSA人上气道阻塞平面识别的生物力学模型研究,基金号:10672036)和辽宁省自然科学基金项目(鼻腔多功能微型引流器研制与应用,基金号:20032109)的一部分。


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1 张军;人体鼻腔结构与功能自适应生物力学模型的基础性研究[D];大连理工大学;2007年
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