《Respiratory Physiology & Neurobiology》：Dynamics analysis of neonatal CPAP devices neopuff and inspire rPAP: Investigating pressure stability and work of breathing in anatomically realistic airway models
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为解决新生儿持续气道正压通气(CPAP)设备在临床应用中压力稳定性差异显著的问题，研究人员利用计算流体动力学(CFD)技术，对Neopuff T-piece和Inspire rPAP两种设备进行了动力学分析。研究通过构建解剖学真实的新生儿气道模型，揭示了设备内部几何结构是影响压力稳定性和呼吸功(iWOB)的关键因素。结果表明，Inspire rPAP凭借其优化的多通道设计，能够有效屏蔽高能流场，将压力波动控制在6.28%，显著优于Neopuff的46.12%，为优化新生儿呼吸支持设备设计提供了重要的理论依据。
在新生儿重症监护室(NICU)里，每一个微弱的呼吸都牵动着医护人员的心。对于早产儿或呼吸窘迫的新生儿来说，自主呼吸往往不足以维持生命，他们需要借助呼吸机来辅助呼吸。其中，持续气道正压通气(CPAP)技术是新生儿初始呼吸支持的关键手段，它通过向气道施加一个恒定的正压，帮助维持肺泡开放，防止肺不张，为这些脆弱的小生命争取宝贵的成长时间。
然而，并非所有的CPAP设备都能提供同样稳定的支持。在临床上，医生们观察到，尽管Neopuff T-piece和Inspire rPAP这两种设备都采用了恒流技术，但它们在为新生儿提供通气时的表现却大相径庭。Neopuff设备在患儿自主呼吸时，气道压力会出现明显的波动，而Inspire rPAP则能维持更为稳定的气道压力。这种压力波动并非小事，它直接关系到患儿的呼吸功(iWOB)。当设备施加的压力不稳定时，患儿需要耗费更多的力气去克服这种“后负荷”，这对于本就呼吸肌薄弱的早产儿来说，无疑是雪上加霜，不仅增加了能量消耗，还可能影响康复进程。
那么，是什么导致了这两种设备在压力稳定性上的巨大差异呢？是设备内部的几何结构，还是其他因素？为了揭开这个谜底，来自奥地利MCI创业学校医疗技术系的M. Berger、E. Leusmann等研究人员，决定利用计算流体动力学(CFD)这一强大的工具，深入探究这两种设备内部的“风起云涌”。
研究方法：在计算机中构建“虚拟呼吸”
为了精确模拟两种CPAP设备在真实新生儿体内的运行情况，研究人员构建了一套严谨的“虚拟呼吸”实验体系。他们首先从萨尔茨堡大学医院获取了两名体重约1公斤的早产儿的核磁共振(MRI)数据，并利用3D Slicer软件对气道进行了精细分割，构建了高度仿真的三维气道模型。同时，他们使用电子卡尺精确测量了Neopuff和Inspire rPAP两种设备的尺寸，在CAD软件中建立了它们的数字模型。
随后，研究人员将设备模型与气道模型进行整合，并在ANSYS Fluent软件中进行了网格划分和计算流体动力学(CFD)模拟。他们采用了k-ω-SST湍流模型，对三种呼吸场景进行了稳态模拟：静息状态(无自主呼吸)、吸气相和呼气相。为了确保结果的可靠性，他们进行了网格无关性验证，并设定了严格的收敛标准。模拟的边界条件严格依据临床数据设定，例如，设备入口流量设定为5 L/min，模拟新生儿自主呼吸的潮气量设定为5 mL，呼吸频率为40次/分钟。
研究结果：揭示设备内部的“风暴”与“静流”
1. 压力分布：稳定性的天壤之别
模拟结果清晰地展示了两种设备在压力稳定性上的巨大鸿沟。在相同的5 L/min流量下，Inspire rPAP在气道和面罩区域产生的压力约为327 Pa，而Neopuff仅为189 Pa。更重要的是，当模拟患儿自主呼吸时，Neopuff设备内部出现了剧烈的压力波动。在气道区域，吸气相和呼气相之间的压力波动幅度高达46.12%，这意味着患儿需要不断适应这种大幅度的压力变化，从而显著增加了呼吸功。相比之下，Inspire rPAP的表现则堪称“定海神针”，其压力波动被严格控制在6.28%以内，为患儿提供了极其稳定的呼吸支持环境。
2. 湍流动能(TKE)：高能量不等于高波动
湍流动能(TKE)是衡量流体湍流强度的关键指标。有趣的是，模拟结果显示，Inspire rPAP内部的TKE值远高于Neopuff，尤其是在设备入口和出口阀门处。这通常意味着更强烈的湍流和能量耗散。然而，尽管Inspire rPAP内部“风起云涌”，但其传递到患儿气道和面罩处的压力却异常稳定。这揭示了该设备设计的精妙之处：其内部几何结构能够有效地将高能量的湍流限制在设备内部，并引导其通过出口阀门释放，从而“屏蔽”了患儿，使其免受湍流冲击的影响。
3. 流场特性：几何结构决定命运
通过流线可视化，研究人员直观地看到了两种设备内部截然不同的“风景”。在Neopuff设备中，来自侧向入口的高速气流与来自患儿气道的呼出气流在T型接头处以近似直角的方式猛烈碰撞，形成了强烈的涡流和回流区。这种剧烈的混合和能量交换，正是导致其内部压力剧烈波动的直接原因。
而Inspire rPAP则展现了一种更为“有序”的流动模式。其内部设计了一个狭窄的1毫米通道，将高速流入的气流加速，并引导其与呼出气流在特定区域相互作用。尽管该区域也产生了高强度的湍流，但设备的多通道设计成功地将大部分高能流场与患者接口隔离开来，使得流向患儿的气流平稳而均匀。
结论与展望：为优化新生儿呼吸支持指明方向
这项研究通过精密的计算流体动力学(CFD)模拟，首次从流体力学角度揭示了Neopuff和Inspire rPAP两种新生儿CPAP设备性能差异的根本原因。研究证实，设备内部的几何结构是决定其压力稳定性和呼吸功(iWOB)的关键因素，而非简单的流量或压力设置。
Neopuff的T型接头设计虽然简单，但其产生的涡流和回流是导致压力剧烈波动的“罪魁祸首”，这会显著增加患儿的呼吸负担。而Inspire rPAP通过其优化的多通道几何设计，成功地将高能湍流限制在设备内部，为患儿提供了一个稳定、低阻力的呼吸支持环境。
这项研究不仅解释了临床观察到的现象，更重要的是，它为未来新生儿呼吸支持设备的优化设计提供了宝贵的理论依据。通过CFD模拟，工程师可以在设计阶段就预测和优化设备的流体力学性能，从而开发出对新生儿更友好、更高效的呼吸支持系统，为守护这些脆弱生命的第一口呼吸提供更坚实的保障。
