《Journal of Clinical Medicine》：Virtual Surgery and CFD in Rhinology: A Scoping Review
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摘要专业翻译
背景： 鼻塞是患者就诊耳鼻喉科最常见的原因之一，然而旨在改善鼻腔通畅性的手术结局仍不一致，传统客观测量指标与患者主观通畅感之间的相关性亦不确切。计算流体动力学（computational fluid dynamics, CFD）可基于颅面计算机断
摘要专业翻译
背景： 鼻塞是患者就诊耳鼻喉科最常见的原因之一，然而旨在改善鼻腔通畅性的手术结局仍不一致，传统客观测量指标与患者主观通畅感之间的相关性亦不确切。计算流体动力学（computational fluid dynamics, CFD）可基于颅面计算机断层扫描（computed tomography, CT）模拟鼻腔气流；结合能够重建和修改鼻窦解剖结构的软件，它允许在切除任何组织之前，将计划的手术程序以数字化方式重现并预测其功能影响。本范围综述旨在梳理CFD虚拟手术在鼻科中的应用方式、模拟的验证方法以及所报告的临床结局。
方法： 遵循系统综述和荟萃分析优先报告条目（Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses, PRISMA）的范围综述扩展版（PRISMA-ScR），于2025年10月检索PubMed和Scopus数据库，纳入2015年至2025年间发表的研究。纳入标准限定为涉及CFD虚拟手术工具、以人类或人类来源模型为对象的英文研究。排除儿童（<18岁）、睡眠呼吸暂停和正颌研究，以及涉及呼吸道其他部位、环境或毒理学研究。重复文献经Mendeley软件去除后，两名研究人员独立筛选标题和摘要。数据由研究人员提取。本综述未注册。
结果： 共纳入41项研究，涵盖鼻中隔、下鼻甲和中鼻甲、鼻道窦口复合体（ostiomeatal complex, OMC）、上颌窦和蝶窦、鼻中隔穿孔及术后粘连。仅41项研究中的7项将虚拟结果与实际术后解剖、气流或症状进行比较，且大多数方面结果一致。在若干小样本研究中，更大范围的切除并未进一步改善气流，反而降低了黏膜热量和水分交换、壁面剪切应力（wall shear stress, WSS）及局部冷却效果，但最佳切除范围取决于解剖结构和所考察的结局指标。这些参数已被提出作为比阻力更能反映主观通畅感的指标，但这一假设很少在患者中验证。最新研究将机器学习和伴随优化作为规划支持的研究工具。
结论： 基于CFD的虚拟手术是规划鼻科手术范围的有前景工具。其常规应用需要标准化方法、前瞻性验证以及与患者报告结局（鼻腔阻塞症状评估量表（Nasal Obstruction Symptom Evaluation, NOSE）、鼻窦结局测试-22（Sino-Nasal Outcome Test-22, SNOT-22））的相关性分析；目前仍缺乏具有此类终点的大样本研究。
论文主体内容总结
1. 引言
鼻塞是患者就诊耳鼻喉科最常见原因之一，旨在改善鼻腔通畅性的手术是耳鼻喉科最常实施的操作之一。尽管鼻塞病因相对明确——如鼻中隔偏曲、鼻甲肥大或慢性鼻窦炎——且手术程序已标准化，但手术结局仍存在变异性。CFD方法最初为航空航天工业开发，近年已应用于医学多个领域，在耳鼻喉科中用于基于影像学检查（通常为颅面CT）模拟鼻腔气流。结合鼻及鼻窦解剖结构重建与修改技术，研究者已能够模拟手术程序并通过计算气流相关参数进行评估。两项随机对照试验表明鼻中隔成形术较非手术管理更能改善鼻塞，但瑞典一项超过11,000例鼻中隔成形术的注册研究显示这些获益并非在所有患者中一致、可重复或持久。标准定量方法方面，系统综述发现鼻阻力测量（rhinomanometry）或声学鼻测量（acoustic rhinometry）与主观通畅感之间的相关性仍不确定。近年来，壁面剪切应力和鼻腔冷却能力等定性参数日益受到关注，感知气流的感觉受体在患者中央性鼻通畅感知中的作用也日益被认识。虚拟（in silico）手术方法由此应运而生：术前解剖模型被数字化编辑以模拟计划手术，CFD被用于在切除任何组织前预测其功能影响。本范围综述涵盖鼻中隔、鼻甲、鼻窦、鼻中隔穿孔和粘连的手术，比较了纳入研究的计算方法，并围绕四个问题展开：（1）哪些鼻科手术和病理改变已被CFD虚拟手术建模？（2）使用了哪些计算方法？（3）模拟如何验证？（4）报告了哪些临床结局？
2. 材料与方法
本范围综述遵循系统综述和荟萃分析优先报告条目扩展版（PRISMA-ScR）实施。研究问题、纳入标准和检索策略在检索前由研究人员商定，但未注册书面方案。检索使用PubMed和Scopus数据库，最后一次检索于2025年10月执行，纳入2015至2025年间发表的英文文献。检索词涵盖CFD相关术语与鼻科解剖和手术术语的组合，共获得694条记录（PubMed 349条，Scopus 345条）。纳入标准限定为涉及CFD虚拟手术工具、以人类或人类来源模型为对象的研究，排除儿童、睡眠呼吸暂停、正颌研究以及涉及呼吸道其他部分和环境毒理学研究。接受三类应用：前瞻性规划随后实施的手术、虚拟与实际术后状态的回顾性比较、以及无需真实手术的替代切除方案模拟。去重后两名研究人员独立筛选标题和摘要，全文由全体研究人员评估，分歧经与第三名研究人员讨论解决。数据由两名研究人员独立提取并比较，不一致处由第三名研究人员裁定。研究按解剖区域和虚拟干预类型分组，进行叙述性总结，未进行方法学质量评价和荟萃分析。
3. 结果
3.1 纳入研究的特征
41项纳入研究发表于2015至2025年间，其中2015–2020年23项，2021–2025年18项。大多数重建基于单例患者的CT扫描，仅少数基于更大样本，最大为14例患者。少数研究组占据了文献的较大份额：威斯康星研究组持续使用Mimics分割和ANSYS Fluent稳态层流求解；另一组研究使用3D Slicer分割和ANSYS Fluent模拟，部分研究建模了热和湿度交换并使用黏膜下壁模型。ANSYS Fluent是41项研究中最常用的求解器（28项），但也存在OpenFOAM、Star-CCM+、Autodesk CFD和格子-玻尔兹曼（lattice-Boltzmann）求解器等异构工具。湍流处理方式多样：26项研究（63%）全程假设层流，其余使用雷诺平均湍流模型（剪切应力输运k–ω、重整化群或低雷诺数k–ε）、大涡模拟、直接数值模拟或格子-玻尔兹曼求解器。18项研究建模了热量，11项同时建模了热量和湿度。验证仍是该领域最薄弱的环节：41项研究仅7项将模拟结果与实际术后状态比较，6项与实验测量或已发表模拟比较，3项仅与健康参考组比较，其余25项未报告外部比较。
3.2 鼻中隔和下鼻甲
大多数研究聚焦于鼻中隔和下鼻甲的虚拟干预。Hariri等分析五例鼻甲肥大患者的鼻窦CT，比较下鼻甲下缘成形术与内侧成形术，发现不同切除范围间鼻阻力无差异，但内侧切除更影响鼻腔空气调节能力。Burgos等使用Dig Body工具构建三维模型并运行CFD模拟，将虚拟手术与实际术后结局比较，两例患者症状均缓解但为定性评估。SanMiguel-Rojas等在两名鼻塞患者中通过虚拟手术寻找最优切除范围，实际手术后SNOT-22评分分别从25降至8和从34降至11。Lee等分析五例患者六种下鼻甲切除方法和范围，发现沿全长减容效果最佳，每减少1 mL下鼻甲体积，总鼻气流增加6.07至25.9 mL/s不等。Xiong等在三例下鼻甲肥大患者中比较不同切除范围，发现较总鼻甲切除术小35%和56%的切除可获得相似气流改善，而保留最狭窄段即使仅少切除3.4–7.8%也会导致气流下降22–32%。Radulesco等回顾性比较两例患者实际鼻中隔成形术与虚拟手术，NOSE评分均从术前70/100和90/100降至术后0/100，虚拟与实际模型间热通量（r = 0.93）、总压（r = 0.96）、温度（r = 0.98）和壁面剪切应力（r = 0.92）均呈强相关。Siu等比较全下鼻甲切除术与下鼻甲成形术，发现全切除后下鼻道壁面剪切应力低于成形术和对照组（0.040 Pa vs. 0.054 Pa vs. 0.057 Pa），成形术的通气和壁面剪切应力分布更接近健康模型。Odeh等回顾性纳入六例接受鼻甲减容手术的患者，模拟全下鼻甲切除术，实际手术后阻力从0.21降至0.12 Pa·s/mL，虚拟切除后降至0.10 Pa·s/mL，两者与空鼻综合征（empty nose syndrome, ENS）患者（0.11 Pa·s/mL）差异不显著；虚拟切除后下区气流率进一步升高至130.0 ± 41.7 mL/s，而ENS患者中区气流率显著高于其他各组。
3.3 鼻道窦口复合体
Wofford等基于四例慢性鼻窦炎患者CT构建鼻窦重建模型，模拟不同上颌窦开窗大小，发现功能性内镜鼻窦手术（functional endoscopic sinus surgery, FESS）增加上颌窦通气及药物递送，药物递送与颗粒大小强相关，雾化颗粒5–18 μm和喷雾颗粒5–20 μm时沉积最佳。Chung等的两项研究分别聚焦钩突切除和上颌窦开窗：钩突切除使上颌窦口最大气流速度增加高达百倍，但基于一氧化氮（NO）浓度降低率估计的整体上颌窦通气仅从0.6%增至1.3%；另一研究中，中鼻道开窗后息肉样变区域的黏膜表面在整个呼吸周期存在气流停滞，速度低至4 × 10?? m/s。Saibene等使用基于直接数值模拟（DNS）的CFD比较标准内镜下内侧上颌骨切除术（EMM）与保留组织的改良术式（M-EMM），EMM使术侧气流率增加72.3%，术侧湍流动能体积平均值增加170倍，而M-EMM仅增加35倍。Moniripiri等模拟不同大小中鼻道开窗和不同呼吸频率，扩展手术（钩突切除加18 mm开窗）在中等活动状态下约16%吸入气流进入上颌窦，而8 mm开窗时为11%。Han等比较四种上颌窦手术技术，EMM导致63.6%单侧气流进入右上颌窦，鼻咽湿度从91.7%降至88.1%，而巨大开窗（MEGA）模型保留了空气调节功能。
3.4 鼻中隔穿孔
Burgos等在四例患者中虚拟创建前部和后部鼻中隔穿孔，后部穿孔对气流影响不显著，两侧鼻腔间跨流低于10%；前部穿孔仅在已有鼻塞的患者中产生显著跨流（31.19%和39.62%）。Farzal等基于单例CT创建六种不同大小和形状的穿孔模型，跨流和壁面剪切随穿孔增大而增加，壁面剪切、热通量和水蒸气通量最高值位于穿孔后缘。Na等纳入14例鼻中隔穿孔患者，虚拟关闭穿孔后，鼻咽部相对湿度、空气温度和鼻阻力未改善，这些参数与表面积体积比的相关性强于与穿孔位置或大小的相关性。
3.5 粘连
Senanayake等的概念验证研究在单例健康受试者模型中放置2.5 mm圆柱形虚拟粘连，发现粘连未显著改变总气流体积，但造成局部气流扰动和黏膜冷却丧失，内鼻阀处粘连使压差升高42%。后续研究在四例健康成人中构建44个计算模型，确认粘连导致下游分离、再循环和停滞区，平均黏膜温度显著升高，前下鼻甲粘连效应最显著（平均升高1.62 °C）。Khatri等模拟中鼻甲与外侧壁间粘连，所有模型均导致下游异常气流和同侧额窦、筛窦、蝶窦通气减少，最广泛粘连模型中鼻咽平均温度分别降低5%和2.5%，即使约2.5 mm的部分前下粘连也在中鼻道产生集中的高速气流"射流"。
3.6 中鼻甲
Dayal等比较全下鼻甲切除术（TIT）和全中鼻甲切除术（TMT），两者均降低阻力、增加气流，但加热和加湿效率均显著下降，TIT中热通量超过50 W/m2的表面积减少而TMT中无显著变化。Lee等基于单例模型模拟三种中鼻甲切除范围，阻力随切除增大而降低（M3双侧模型降低10.6%），但嗅区气流随切除增大而减少，蝶腭神经节区域壁面剪切应力在近全切除（M3）时达最高值。Inthavong等在健康成人模型中虚拟切除中鼻甲，15 L/min时上外侧区域和鼻中隔沉积增加，5 L/min时总沉积减少。
3.7 鼻窦
Pourmehran等基于29岁女性患者CT构建八个虚拟术后模型，比较雾化和鼻腔冲洗的递送效率，雾化对蝶窦高效（部分中鼻甲切除时左蝶窦峰值沉积效率4.02%），冲洗对额窦更优但对残余液层厚度假设高度敏感。Bahmanzadeh等虚拟经筛窦蝶窦切开术后，蝶窦接收约16–18%吸入总空气量，10 μm颗粒约1.5%沉积于蝶窦。Moshksayan等比较经鼻蝶窦切开术（TNS）与经筛窦入路（TES），TNS对气道横截面积改变最大0.4 cm2，远小于TES的1.1 cm2，15 L/min时7 μm颗粒沉积仅0.2%，总鼻阻力仅降低3.4%。
4. 讨论
虚拟结果与实际手术的比较仅在7项研究中直接涉及，且评估了不同结局，可分为三个证据层次：术后解剖、计算气流和症状。解剖层面，Clipp等发现虚拟到术后的标志点距离（平均0.49 mm）远小于术前到术后的变化，表明外科医生能够重现规划解剖。计算气流层面，Radulesco等报告虚拟与实际鼻中隔成形术间热通量、总压、温度和壁面剪切应力的相关系数r = 0.92至0.98，但这些来自两名患者的重复测量。症状层面，三项研究报告患者改善但均为无对照组的描述性数据。近年来气流分析范式发生转变，从基于截面积和阻力的整体参数转向黏膜热湿交换、壁面剪切应力和局部冷却等参数，这些被提出为患者满意度和主观通畅感的更好相关指标，但仍是假设。多项研究表明更大切除范围并不产生更好的计算结果：Xiong等发现较全鼻甲切除术小35–56%的切除获得相似气流改善；Burgos等在单例模型中黏膜切除单独的效果与鼻中隔成形术相当；Saibene等发现保留组织的改良术式湍流动能增加远低于标准术式。最佳范围取决于解剖、术式和所选结局指标，不存在单一最优切除范围。最新研究探索机器学习和优化技术以自动化分析流程，但均仅应用于一至三例患者，且未与临床结局比较。本综述的局限性包括仅检索两个数据库、未注册方案、未进行方法学质量评价、纳入研究样本量小且缺乏对照组、CFD方法学在分割、网格、湍流处理、入口条件等方面高度异质、鼻壁均被视为刚性且无流体-结构相互作用、仅7项研究验证了模拟结果、仅3项研究使用了经过验证的患者报告结局量表。
5. 结论
CFD结合手术设计软件是模拟鼻科手术气流影响的有前景方法。多项小样本模拟研究显示更大切除范围并未进一步改善计算气流参数，部分反而恶化热湿交换和局部冷却。最佳范围取决于解剖、术式和所选结局，结果不能定义普遍的最优切除范围。黏膜热湿交换、壁面剪切应力和局部冷却等参数值得关注，作为患者主观通畅感的可能相关指标，但需在完成NOSE或SNOT-22等验证问卷的患者中检验。仅少数研究将虚拟结果与实际术后解剖、气流或症状比较，每项一至七例患者，更大规模的前瞻性对照研究仍缺乏。CFD分析方法学需标准化。目前虚拟手术是研究和规划辅助工具，手术决策仍由外科医生做出，其对手术结局的影响尚待证实。
