总结以上文献发现,多数学者进行人体平静呼吸状态下CFD模拟时,采用了层流模型[29],考虑了低Re数修正的湍流模型,如SSTk-ω[27],k-ω[28]等。部分学者采用了不加低Re数修正的湍流模型,如RNGk-ε[33],Standardk-ε[31]进行了计算。但对于不同模型的计算有效性的分析的文献很少,在绝大多数模拟中,作者并没有给出不同模型对于计算结果的影响。
一篇文献谈到了这个问题,Zhao[37]对于鼻腔内部流动采用四种流动模型,分别为Laminar,k-ε(壁面区采用低Re数处理),Spalart-Allmaras,k-ω计算了在300~1000 ml范围内的流动。结果显示,该流量范围内,四种模型计算结果基本没有差别。上呼吸道内部流动的研究,不仅需要讨论平静呼吸下的流动状态,而且需要在特定的状态下的流动状态,例如气道发生塌陷后的流量突增的状态。而且临床上需要通过压力与流量的变化曲线来定义吸气流量限制事件(IFL)[38]。
Marcus[39]通过对比OSAHS儿童和正常儿童的压力与流量变化曲线发现OSAS儿童的上呼吸道动力响应要低于正常儿童。而且以往的研究也并不是局限于平静呼吸下的流量,而是在一个较大的流量范围内进行实验和数值模拟[18,28-29],从而加深人们对于上呼吸道内部流动的认识。但对于不同的流量下的流动,不同的模型的计算效果仍然未知,这可能是造成数值模拟结果与实验误差的一个主要原因,例如Croce[29]采用层流模型模拟了353 ml/s以下流量的鼻腔内部流动时,当流量大于272 ml/s(双侧鼻孔)时,数值模拟与验吻合较差,流量达到353 ml/s时,误差达到17%。
3 总结及展望
综上所述,如何选择一个合适的模型进行研究极为重要,包含如尸源性模型、影像学数据构建模型及计算机数值模拟等。如尸源性模型与真实的人体模型由于组织的收缩等影响存在而产生差异;如影像学数据构建模型研究多采用单侧鼻道而非双侧鼻道或采用液体而非气体为介质导致结果会产生差异;而现在随着计算机流体力学转入医学的应用,使得对于上呼吸道流体力学变化可以获得进一步的认知,并对于之前上呼吸道的研究方式获得跳跃性的改善。
就现况,针对计算机流体力学方面研究,本文依据文献针对于上呼吸道上使用的模板类型及适用情况进行描述后,对于计算机流体力学于上呼吸上的应用仍存在等待改善的地方。首先于部分的数值模拟虽然完成了整个鼻腔的计算,但其结果的分析仅停留在速度场和压力场的分析和与实验比较方面,缺少了各个部分解剖结构异常对于OSAHS患者的影响等的分析在文献中很少涉及。次者,多数研究模型采用了不同程度的简化,很多数值模拟和实验采用的截面数据不够精确或截面数量不够,导致模型本身的不准确,影响计算精度。另外很多试验采用了单侧或对称的鼻气道,没有考虑人体左、右侧鼻腔的差异性。有些对口气道进行了大量的简化,用一个长方体近似代替,这可能导致一些重要医学信息的丢失。最后,多数研究多以鼻腔内部的流动为主。单独鼻腔内和上呼吸道内,层流向湍流转捩时的流量可能并不相同,这方面的基础工作需要进一步开展。随着对上气道解剖、呼吸过程气流动力学原理的更深层次研究,各种检查及分析设备的不断更新,并且更加全面有效地评估上气道流体力学,合理选择治疗方案,并达到对疗效的准确预测,对推动了睡眠呼吸学科的发展具有重大意义,是值得深入探索研究的。
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