氣管狹窄及支架置入后氣流動力學參數(shù)改變及意義

氣管狹窄及支架置入后氣流動力學參數(shù)改變及意義張科;魏寧;徐浩;高傳舉【摘要】ObjectiveToexplorethechangesoftheaerodynamicparametersintrachealstenosisbeforeandafterstentimplantation,andtodiscussthesignificanceofthesechanges.MethodsTheclinicaldataof20patientswithtrachealstenosis,whoweretreatedwithstentimplantation,werecollected,andtheclinicalfeaturesaswellasimagingfindingsweresummarized.Usingthecomputerfluiddynamicsanalysissoftware,theairflowdynamicssimulationstudyontrachealstenosisbeforeandafterstentimplantationwasconducted.Theaerodynamicparametersoftheregionofinterestwererecordedandstatisticallyanalyzed.Themeanvaluesofquantitativedatawerecomparedbyusingt-test,andP<0.05wasconsideredtobestatisticallysignificant.ResultsThenatureoftrachealstenosiswasmalignantinall20patients,whichwascausedbytumorcompressionandinvasion.Stenosisdegree>50%wasseenin18patients,thestenosiswaslocatedinthemiddleoftracheain10patients,segmentalstenosiswasobservedin15patients,andeccentricstenosiswasfoundin17patients.Afterstentimplantation,thelumenareaatprevioustrachealstenosissitebecame(2.03±0.32)cm2,whichwaslargerthan(0.96±0.18)cm2measuredbeforestentimplantation.Thepre-stentingvelocityatthestenoticsiteoftracheawas(1764±1484)cm/s,whichwashigherthan(688±434)cm/softhepost-stentingvelocity.Thepre-stentingvelocityandvolumeflowmeasuredattheleftmainbronchusentrancewere(308±209)cm/sand(359±255)ml/srespectively,bothofthemweresmallerthanthosemeasuredattherightmainbronchusentrance,whichwere(464±246)cm/sand(526±283)ml/srespectively,thedifferenceswerestatisticallysignificant(bothP<0.05).Aftertrachealstentimplantation,thedifferencesinthevelocityandvolumeflowbetweentheleftmainbronchusentranceandtherightmainbronchusentrancewerenotstatisticallysignificant.ConclusionTheaerodynamicparametersintrachealstenosisarecharacterizedbythepresenceofahighvelocityofairflowatthestenosissite,andthestenosisoftracheahasaneffectonthevelocityandvolumeflowatbothleftandfightmainbronchusentrances.Trachealstentingcanremarkablyincreasethelumenareaattrachealstenosissite,reducethehighvelocityatthestenoticsiteandmaketheairflowsmoother,andthebronchialairflowoftherightandleftsidecanbebalanced.Theairflowdynamicssimulationoftrachealstenosisbeforeandafterstentimplantationhasacertainvalueforthepathophysiologicalstudyoftrachealstenosisandfortheevaluationoftherapeuticeffect.%目的探討氣管狹窄及支架置入術(shù)后氣流動力學參數(shù)的改變及意義.方法收集20例氣管狹窄并行氣管支架置入術(shù)患者的臨床資料，總結(jié)其臨床特點及影像學征象.應(yīng)用計算機流體力學分析軟件對狹窄氣道支架置入前后進行氣流動力學模擬，記錄感興趣區(qū)氣流動力學參數(shù)進行統(tǒng)計學分析，定量資料均數(shù)間比較采用t檢驗，以P<0.05認為差異具有統(tǒng)計學意義.結(jié)果20例氣管狹窄均為惡性狹窄，病因為腫瘤壓迫及侵犯.其中狹窄程度〉50%者18例狹窄部位以氣管中段為主，為10例;狹窄范圍以節(jié)段型為主，為15例;狹窄形態(tài)以偏心性為主，為17例.氣管狹窄處支架置入后管腔截面積為(2.03±0.32)cm2,大于置入前管腔截面積(0.96±0.18)cm2;氣管支架置入前狹

窄處流速為(1764±1484)cm/s,大于支架置入后管腔內(nèi)流速(688±434)寸低支架置入前左主支氣管入口流速及流量分別為(308±209)cm/s、(359±255)ml/s,均小于右主支氣管入口處流速(464±246)cm/s及流量(526±283)ml/s,均Pv0.05.氣管支架置入后左右主支氣管入口流速及流量差異無統(tǒng)計學意義.結(jié)論氣管狹窄氣流動力學參數(shù)以狹窄處出現(xiàn)氣流高流速為特點，同時氣管狹窄會對左右主支氣管入口流速及流量產(chǎn)生一定影響.氣管支架置入后能顯著增加狹窄處管腔面積，降低狹窄處高流速使氣流平順，并使兩側(cè)支氣管氣流分布均勻.氣管狹窄支架置入前后的氣流動力學參數(shù)模擬對該癥病理生理學研究及療效評估具有一定的價值.【期刊名稱】《介入放射學雜志》【期刊名稱】《介入放射學雜志》【年(卷)，期】2017(026)001【總頁數(shù)】5頁(P35-39)【關(guān)鍵詞】氣管狹窄;支架;呼吸;影像學;氣流動力學【作者】張科;魏寧;徐浩;高傳舉【作者單位】徐州醫(yī)科大學附屬醫(yī)院集團賈汪醫(yī)院影像科;221006江蘇徐州醫(yī)科大學附屬醫(yī)院介入科;221006江蘇徐州醫(yī)科大學附屬醫(yī)院介入科;徐州醫(yī)科大學附屬醫(yī)院集團賈汪醫(yī)院影像科【正文語種】中文【中圖分類】R562.12氣管狹窄是多種病因?qū)е碌臍獾拦芮蛔冋?，從而造成患者氣道氣流通過量減少、呼吸功能受限的一種病理狀態(tài)。氣管支架置入能夠通過擴大狹窄管腔，增大氣流通過量的方式來改善患者臨床癥狀。國外有研究表明，計算機流體力學分析能很好地對人體氣道氣流進行模擬，并可作為評估該癥呼吸病理生理和臨床治療決策制定的客觀評估手段［1］。本研究擬建立氣管狹窄及支架置入后氣管的氣流動力學分析模型進行模擬，定量測定感興趣區(qū)（ROI）氣流動力學參數(shù)，分析參數(shù)變化的特點及臨床意義?，F(xiàn)報道如下。1.1研究對象及資料將2011-2015年我院經(jīng)臨床證實為氣管狹窄并行氣管支架置入術(shù)，并有研究所需完整資料，包括臨床資料、支架置入前后影像資料及肺功能資料的患者共20例，納為研究對象。其中，影像原始資料為DICOM數(shù)據(jù)，來自影像科工作站氣管支架置入前后氣管三維CT掃描數(shù)據(jù)，或介入科工作站支架置入前后基于DSA的C臂CT掃描數(shù)據(jù)［2］。肺功能資料主要收集患者潮氣量、呼吸頻率及吸呼比數(shù)據(jù)。根據(jù)氣管狹窄影像學征象總結(jié)氣管狹窄的病因、部位、程度、形態(tài)等進行歸納總結(jié)。1.2研究方法1.2.1建立氣管狹窄支架置入前后的幾何模型應(yīng)用MIMICS醫(yī)學圖像處理軟件對氣管狹窄支架置入前后的DICOM文件進行三維重建，利用閾值分割技術(shù)將ROI氣管分割出來，然后將氣管出入口打磨平整，建立所有患者氣管狹窄支架置入前后的MIMICS三維幾何模型，以.stl格式導出并保存幾何模型文件。1.2.2三維幾何模型網(wǎng)格劃分及優(yōu)化將建立的狹窄氣管及支架置入后氣管的幾何模型文件導入到ICEM-CFD專業(yè)網(wǎng)格劃分軟件中進行面網(wǎng)格及體網(wǎng)格劃分及自動優(yōu)化，將網(wǎng)格數(shù)據(jù)（.cfx5格式）導出保存。1.2.3氣管管腔面積測量及肺功能、氣流動力學指標關(guān)系換算氣管管腔截面積可由影像工作站后處理軟件直接測量（圖1①），分別記錄氣管入口、狹窄處及支架置入后氣管管腔及左右主支氣管入口管腔截面積。由患者肺功能數(shù)據(jù)吸呼比及呼吸頻率計算出每次吸氣時間，再根據(jù)公式：潮氣量=吸氣時間x供氣體積流量，體積流量=管道橫截面積x平均流速，從而可以計算出氣管入口處流速，記錄所有研究對象支架置入前后氣管入口流速數(shù)據(jù)。1.2.4施加幾何模型出入口邊界條件及氣流動力學模擬將網(wǎng)格數(shù)據(jù)導入ANSYS專業(yè)流體力學分析軟件的下屬軟件CFX中，先在CFX-pre中設(shè)置氣管出入口的簡單化邊界條件：網(wǎng)格模型的氣管入口施加計算出的入口流速，入口處壓強設(shè)為1個標準大氣壓，氣管管壁不滑動，出口設(shè)置穩(wěn)健邊界條件-靜壓為0Pa。邊界條件施加完畢后進入CFX-solver中求解，求解完畢后將結(jié)果載入到CFX-post中進行模擬，在輸出的可視化圖形模擬結(jié)果中應(yīng)用軟件中的探針定量探測并記錄日?！練夤芰魉賲?shù)數(shù)值，再根據(jù)ROI氣管管道截面積進行流速與體積流量換算并記錄。1.3統(tǒng)計分析本研究氣流動力學參數(shù)均為定量資料，氣管狹窄支架置入前后氣流動力學參數(shù)均數(shù)間比較采用t檢驗。分別將氣管支架置入前后氣管狹窄處及左右主支氣管入口的管腔截面積、流速及體積流量進行比較，以PV0.05認為差異有統(tǒng)計學意義。2.1臨床資料及影像學征象整理結(jié)果氣管狹窄患者年齡57-78歲，其中男16例，女4例。20例氣管狹窄均為惡性疾病所致，病因為腫瘤壓迫和（或）侵犯（圖1②③）。原發(fā)病變最常見為肺癌、食管癌及縱隔腫瘤。其中狹窄程度〉50%者18例；狹窄部位以氣管中段為主，為10例；狹窄范圍以節(jié)段型為主，為15例；狹窄形態(tài)以偏心性為主，為17例。應(yīng)用“雙管法”氣管支架置入技術(shù)[3],所有患者均于氣管狹窄處安全置入不同規(guī)格的氣管支架，支架擴張良好（圖1④），患者臨床癥狀均不同程度緩解。2.2三維幾何模型建模結(jié)果及網(wǎng)格劃分結(jié)果氣管狹窄支架置入前后的三維幾何模型均成功建立。從幾何模型可觀察氣道狹窄的形態(tài)、部位、程度以及氣管受壓引起的形變等直觀結(jié)果（圖1⑤⑥⑦）。幾何模型網(wǎng)格劃分后的面網(wǎng)格模型質(zhì)量較佳（圖1⑧）。2.3氣流動力學參數(shù)模擬結(jié)果氣道出入口邊界條件成功施加（圖1⑨），進入計算機模擬運行完畢輸出可視化氣流動力學圖形結(jié)果（圖1⑩~?），記錄ROI氣管流速及流量進行統(tǒng)計分析。由可視化圖形結(jié)果可直觀觀測到氣管支架置入前氣管狹窄處出現(xiàn)紅色高流速區(qū)，同時兩側(cè)主支氣管氣流流線扭曲，出現(xiàn)了一定的擾流，而且兩側(cè)主支氣管氣流流線分布不均（圖1⑩~?）；氣管支架置入后狹窄管腔擴張，高流速區(qū)基本消失，氣管內(nèi)氣流平順，左右兩側(cè)支氣管氣流分布均勻，擾流減少（圖1?）。定量測定氣流動力學參數(shù)結(jié)果顯示（表1）,氣管狹窄處支架置入后管腔面積為（2.03±0.32）cm2，大于置入前管腔面積（0.96±0.18）cm2；氣管支架置入前狹窄處流速為（1764±1484）cm/s，大于支架置入后管腔內(nèi)流速（688±434）cm/s;支架置入前左主支氣管入口流速及流量分別為（308±209）cm/s、（359±255）ml/s,均小于右主支氣管入口處流速（464±246）cm/s及流量（526±283）ml/s，均P<0.05;氣管支架置入后左右主支氣管入口流速及流量差異無統(tǒng)計學意義。臨床上，氣管狹窄被定義由一系列病因?qū)е碌臍夤芮蛔冋囊环N繼發(fā)性的病理狀態(tài)或臨床并發(fā)癥［3-4］。引起氣管狹窄的病因有很多，本組收集的20例氣管狹窄患者均由惡性腫瘤侵犯或壓迫引起，是引起氣道狹窄的最常見的病因之一。氣管支架置入術(shù)作為治療惡性氣管狹窄的一種手段廣泛應(yīng)用于臨床。對于氣道狹窄的病情評估及支架置入后的療效評估，目前主要依靠患者癥狀及相關(guān)輔助檢查如氣管三維、血氣分析、肺功能指標、纖維支氣管鏡等傳統(tǒng)方式來評價［1,5］。但對于氣道內(nèi)不同區(qū)域的氣流走向、氣流動力學狀態(tài)變化這些傳統(tǒng)檢查方式則具有一定的主觀性和間接性。國外有關(guān)氣道病變研究表明，基于人體臨床及影像數(shù)據(jù)進行計算機氣流動力學分析可以作為氣管病變病理生理、治療及預(yù)后評估的一種新的手段和評價方式［1,6-7］。目前，國內(nèi)學者已成功利用該法建立起人體血管血流及鼻咽腔氣流動力學分析模型進行模擬分析，指出該方法成熟可靠，對研究人體病變部位流體力學改變具有一定價值［8-9］。因此本研究亦通過該法分析氣道狹窄及支架置入后的氣流動力學參數(shù)并進行統(tǒng)計分析，初步總結(jié)和探討該癥氣流病理生理學改變。該法的技術(shù)要點主要分為3個部分：①建立三維幾何模型；②將幾何模型網(wǎng)格進行面網(wǎng)格及體網(wǎng)格劃分；③將邊界條件施加到網(wǎng)格模型出入口。為了便于研究，我們將ROI劃分為幾個部位。即支架置入前后的氣管入口、氣管狹窄部以及雙側(cè)主支氣管入口處，進行對照研究。經(jīng)過計算機流體分析軟件模擬后在可視化輸出結(jié)果上定量探測各ROI的流速，再利用之前記錄的截面積換算出流量后，整理數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。研究結(jié)果顯示，氣管狹窄處均出現(xiàn)了流速增加（圖⑩~?），這個結(jié)果和Mimouni-Benabu等［1］對先天性氣管狹窄的研究結(jié)果一致。這說明一定體積的氣體經(jīng)過狹窄處氣流會壓縮變密集，從而造成引起高流速和湍流，這種現(xiàn)象也和超聲多普勒觀察到的狹窄血管的高流速情形相類似［10］。同時，通過直觀觀測氣管狹窄左右主支氣管入口的流線圖，我們發(fā)現(xiàn)左右支氣管入口處不但出現(xiàn)擾流外，其流速和流量明顯分布不均（圖1⑩~?）。進一步定量測定顯示，右側(cè)主支氣管流速及流量要稍高于左側(cè)支氣管入口處的流速及流量（表1）。經(jīng)過分析，我們認為出現(xiàn)這種結(jié)果也是可以解釋的。①由于解剖學結(jié)構(gòu)因素，右側(cè)主支氣管縱軸與氣管縱軸夾角較左側(cè)主支氣管縱軸與氣管縱軸夾角小，因此，氣流首先流向方向更加平坦的右側(cè)支氣管；②本研究收集的病例中，原發(fā)病變在右側(cè)造成氣管右側(cè)偏心性狹窄的病例較多，這些病變壓迫氣管向?qū)?cè)即左側(cè)推移。由于這種推移造成狹窄部位以下氣管長軸與右側(cè)主支氣管長軸夾角更小，導致右側(cè)支氣管氣流方向更平坦，因而出現(xiàn)右側(cè)支氣管入口比左側(cè)氣流流速和流量稍高的結(jié)果?？傊?，氣管狹窄引起左右主支氣管氣流分布不均的病理性改變，會造成氣流流入少的一側(cè)支氣管肺內(nèi)的氣體減少，嚴重可造成局部肺實變，而氣流流入多的一側(cè)支氣管肺內(nèi)可能出現(xiàn)氣體通氣過度造成局限性肺氣腫和局部肺部炎癥。我們通過觀察氣管狹窄患者兩肺實質(zhì)出現(xiàn)的CT征象也驗證了這種結(jié)果。最后，通過置入氣管支架再次進行氣流動力學模擬，發(fā)現(xiàn)支架不僅能擴大狹窄處管腔面積，同時可以糾正氣管狹窄氣流動力學參數(shù)的病理性改變，使氣流通過更加順暢、平緩，雙側(cè)支氣管擾流明顯減少，氣流分布也變得均勻(表1)，因此，從氣流動力學角度來講，氣管支架置入治療氣管狹窄是有效的。同理，對于氣管狹窄其他方式的治療療效評估，也可以用氣流動力學參數(shù)進行評價。綜上所述，氣管狹窄患者氣流動力學參數(shù)存在著明顯的病理性改變，其原因可被合理解釋。氣管支架置入能夠糾正其氣流動力學上的病理狀態(tài)?；谟嬎銠C流體力學模擬氣道狹窄性病變立體、直觀、準確客觀，對該癥呼吸病理生理學研究及治療評估提供了一種新的手段，具有一定的應(yīng)用價值和意義?！鞠嚓P(guān)文獻】[1]Mimouni-BenabuO,MeisterL,GiordanoJ,etal.Apreliminarystudyofcomputerassistedevaluationofcongenitaltrachealstenosis:anewtoolforsurgicaldecisionmaking[J].IntJPediatrOtorhinolaryngol,2012,76:1552-1557.張科，魏寧，徐浩，等.氣管狹窄及支架植入術(shù)后有限元模型的建立及氣流動力學