下頜逐步前伸對阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征患者舌咽部影響的三維有限元研究

楊隨興　封凈　張佐　曲愛麗　龔淼　唐潔　范俊恒　李松青　趙燕玲

[摘要] 目的 通過下頜逐步前伸對阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征（OSAHS）患者舌咽部三維有限元模型進(jìn)行加載，觀察OSAHS患者舌咽部生物力學(xué)和形態(tài)學(xué)改變。方法 對OSAHS患者上氣道行薄層CT掃描，獲得OSAHS患者上氣道DICOM格式的圖像信息，采用Mimics 10.0、Imageware 10.0和Ansys 8.0軟件建立上氣道、下頜骨、舌骨及相關(guān)周圍結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，然后通過逐步前伸下頜骨，觀察舌咽部生物力學(xué)和形態(tài)的變化及規(guī)律。結(jié)果 成功建立了OSAHS患者上氣道及結(jié)構(gòu)的三維有限元模型。通過逐步前伸下頜骨，舌咽部發(fā)生相應(yīng)形態(tài)變化，其主要表現(xiàn)為：上氣道舌咽部會(huì)厭尖橫截面橫徑增加，而上氣道舌咽部會(huì)厭尖橫截面矢狀徑減??；S1主應(yīng)力主要分布于上氣道前壁區(qū)肌肉牽拉處，應(yīng)力位置未發(fā)生明顯改變，舌咽部主應(yīng)力值隨下頜前伸距離增加而不斷增加。結(jié)論 使用Mimics、Imageware和Ansys軟件提高了建模效率和模型的精確性。通過對整體有限元模型的下頜逐步前伸加載，有效展示了下頜骨前伸與舌咽部兩者之間的關(guān)系，研究方法可行。

[關(guān)鍵詞] 阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征； 三維有限元； 生物力學(xué)

[中圖分類號(hào)] R 318.01 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [doi] 10.7518/hxkq.2013.02.009

阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征（obstructive sleep apnea hypopnea syndrome，OSAHS）是具有發(fā)病率高、并發(fā)癥多、猝死率高、常被患者忽略治療等特點(diǎn)的疾病[1]。下頜前伸矯治器作為阻鼾器的一種

類型，是治療OSAHS患者的有效手段[2]，而下頜前伸定位是口腔矯治器治療OSAHS的核心問題之一。對于下頜前伸與上氣道相關(guān)結(jié)構(gòu)間的關(guān)系及適宜前伸量存在較多爭議[3]，采用有限元方法對此方面的生物

力學(xué)研究，至今鮮見報(bào)道。本研究通過建立OSAHS上氣道及周圍結(jié)構(gòu)的有限元模型，并對整體模型進(jìn)行下頜逐步前伸加載，觀察上氣道舌咽部形態(tài)和生物力學(xué)的改變和特征。尋找下頜前伸與舌咽部之間的關(guān)系，為口腔矯治器治療OSAHS提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 OSAHS患者上氣道及周圍結(jié)構(gòu)三維有限元模型

的建立

1.1.1 CT數(shù)據(jù)獲取 選取1名經(jīng)夜間多導(dǎo)睡眠儀監(jiān)測并確診為OSAHS[4]的男性志愿者，經(jīng)下頜前伸矯治器治療有效并自愿停用治療3個(gè)月，排除了其他導(dǎo)致上氣道阻塞的各種解剖或病理因素。經(jīng)16排螺旋CT機(jī)（GE/Lightspeed）進(jìn)行掃描，患者取仰臥位，使平面垂直向下，掃描線與平面平行進(jìn)行連續(xù)掃描，掃描范圍為甲狀軟骨至眼眶下緣；掃描條件：120 kV，230 mA，層厚0.625 mm，層間距0 mm，得到218張CT圖像，以DICOM格式刻錄存盤。

1.1.2 建模方法 將CT掃描所獲得DICOM格式數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入Mimics 10.0軟件中，經(jīng)過閾值分割、區(qū)域生長、空洞填補(bǔ)與3D計(jì)算等操作，生成組織三維面模型。進(jìn)一步的光滑化處理后在Mimics 10.0的Remesh模塊中網(wǎng)格劃分，生成了以-remesh命名的模型，用Iges格式另存即可。運(yùn)用同樣的方法分別重建出下頜骨、舌骨、氣道的三維實(shí)體模型（圖1）。

在Mimics 10.0中生成的模型以Iges格式導(dǎo)入反求軟件Imageware 10.0中對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過降噪、去除突出點(diǎn)等工作后，在該軟件中對點(diǎn)云數(shù)據(jù)逐層進(jìn)行B樣條曲線擬合，Loft曲面生成，保證模型具有較高的幾何相似性；將幾何特征以Iges格式保存，并導(dǎo)入Ansys 8.0軟件以生成體模型（圖2）。由于本研究所關(guān)注的軟組織（頦舌骨肌、下頜舌骨肌、頦舌肌

及舌體等）分別建模有困難，因此對軟組織的建模采

取如下簡化方法：作為一個(gè)整體進(jìn)行建模，與氣道接觸處的肌肉邊緣由氣道的邊緣重合，舌體的邊緣由下頜骨的邊緣確定，這一過程主要在Ansys中根據(jù)CT圖像和解剖結(jié)構(gòu)直接生成。

體模型的網(wǎng)格劃分采用自動(dòng)與手動(dòng)相結(jié)合的方式，單元類型采用10節(jié)點(diǎn)的Solid92四面體單元；材料特性采用Mimics軟件自動(dòng)賦值與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[5]相結(jié)合的方式（表1），生成上氣道三維有限元模型（圖3）。

為了簡化分析計(jì)算與建模方便，在模型的構(gòu)建中進(jìn)行了如下假設(shè)與簡化：1）將下頜骨模型全部作為皮質(zhì)骨進(jìn)行建模，未對其中的松質(zhì)骨建模；2）將連接下頜骨和舌骨之間的肌肉作為整體建模，沒有對骨膜進(jìn)行建模，只是在模型中對肌肉與骨的連接部分進(jìn)行了共面處理，在今后的分析計(jì)算中也會(huì)帶來誤差；3）設(shè)定模型中各材料和組織為連續(xù)、均質(zhì)和各同向性的線彈性材料。

1.2 整體模型的下頜骨前伸加載分析

1.2.1 對模型進(jìn)行相關(guān)力學(xué)相似性的驗(yàn)證 驗(yàn)證條件：牙尖交錯(cuò)位，限制下頜角和髁突、喙突的剛性位移。在側(cè)切牙、前磨牙和磨牙上分別加載60、150、300 N的力，驗(yàn)證結(jié)果為3條應(yīng)力軌跡線與經(jīng)典文獻(xiàn)一致[6]，說明建立的模型具有非常高的力學(xué)相似性，模型有效。

1.2.2 約束條件 設(shè)定上氣道后壁不動(dòng)，舌骨-肌肉-下頜骨連接為一整體、均質(zhì)彈性體；將肌肉末端、舌骨內(nèi)側(cè)與相應(yīng)上氣道進(jìn)行連接。對下頜骨的髁突、喙突限制所有自由度，下頜角肌肉附著處限制x、z方向位移，不限制下頜前伸。

1.2.3 加載 參照文獻(xiàn)[3]，設(shè)定前伸量的范圍為2～

8 mm；加載時(shí)在前牙列上模擬佩戴矯治器后施加前伸的位移量，分別從原始位加載下頜平移前伸2、4、6、8 mm，依次定義為工況一、工況二、工況三、工況四。在模型的上氣道表面分別選取會(huì)厭尖橫截面的橫徑和矢狀徑[7]為觀察指標(biāo)，位移數(shù)值增加記錄為

正值，減小記錄為負(fù)值，觀察下頜骨不同前伸量相應(yīng)形態(tài)位移和應(yīng)力變化。

2 結(jié)果

通過對三維有限元模型中的下頜骨模型加載發(fā)現(xiàn)上氣道舌咽部平面發(fā)生改變，在工況一、二、三、四作用下，舌咽部會(huì)厭尖橫截面橫徑數(shù)值變化明顯增加，最大增加到0.70 mm；舌咽部會(huì)厭尖橫截面矢狀徑隨加載順序呈減小趨勢，其最大減小到0.15 mm（表2）。

在綜合位移圖中可見，氣道舌咽會(huì)厭尖截面積也隨著下頜前伸量呈逐漸增加趨勢。加載模型后，主應(yīng)力分布位置未發(fā)生明顯改變，主要集中于上氣道前壁區(qū)肌肉牽拉處，但應(yīng)力值隨著前伸距離增加不斷增加，S1主應(yīng)力從最初的0.33 MPa增至1.33 MPa（表2，圖4～5）。

3 討論

3.1 利用Mimics 10.0、Imageware 10.0和Ansys 8.0軟

件構(gòu)建三維有限元模型的特點(diǎn)

上氣道的生物力學(xué)和形態(tài)學(xué)研究成為研究OSAHS的重要方面，以往對上氣道軟組織結(jié)構(gòu)的建模多未涉及氣道與下頜骨等周圍結(jié)構(gòu)[7-8]或使用軟件單一[9-10]。本研究利用Mimics 10.0、Imageware 10.0和Ansys 8.0軟件構(gòu)建上氣道及周圍結(jié)構(gòu)三維有限元模型，利用軟件的各自特點(diǎn)和優(yōu)勢，不僅減少了工作量，而且保證了模型的準(zhǔn)確性和質(zhì)量，同時(shí)為后期分析計(jì)算結(jié)果提供了保證。利用Imageware軟件和Ansys軟件的處理可保證模型的光順與原點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高擬合度，對于其上的頦孔等解剖結(jié)構(gòu)未進(jìn)行簡化，為后續(xù)的加載和肌肉力附著點(diǎn)提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。根據(jù)CT圖片的具體位置在Ansys中進(jìn)行肌肉簡化模型的生成，因此模型具有非常高的幾何相似性。再在Mimics軟件中自動(dòng)賦值給骨和肌肉，實(shí)現(xiàn)了較準(zhǔn)確地模擬模型中力學(xué)的基礎(chǔ)。然后對建立模型進(jìn)行力學(xué)相似性驗(yàn)證，說明建立的模型有很高的力學(xué)相似性，建模有效。

3.2 下頜前伸對OSAHS上氣道舌咽部三維有限元模

型的加載分析

以往對上氣道的模型加載分析，研究的重點(diǎn)都集中在對上氣道內(nèi)氣流壓力的變化引起上氣道形態(tài)改變[11]和手術(shù)治療方面[8]，而對于下頜前伸與上氣道形態(tài)的加載分析沒有涉及?；诖?，本實(shí)驗(yàn)通過模擬下頜前伸矯治器治療OSAHS的機(jī)理，通過對已建立OSAHS上氣道有限元模型加載，使下頜逐步前伸，觀察和分析舌咽部的生物力學(xué)和形態(tài)學(xué)改變，主要表現(xiàn)為下頜前伸后，咽部肌肉趨于繃緊狀態(tài)，上氣道體積增加并糾正咽部松弛和塌陷，依據(jù)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在工況一、二、三、四下，橫徑明顯增加，在舌咽部矢狀徑隨加載呈減小趨勢，可能是由于本研究中采取下頜骨平移方式加載，下頜垂直方向上打開不明顯所致。加載發(fā)現(xiàn)；氣道舌咽會(huì)厭尖截面也隨著下頜前伸過程呈逐漸增加趨勢，最大截面出現(xiàn)在工況四作用下，可能說明在下頜骨平移前伸時(shí)，相對于矢狀徑，橫徑對上氣道打開作用更為明顯。4種工況下應(yīng)力分布位置未發(fā)生明顯改變，主應(yīng)力主要集中于上氣道前壁區(qū)肌肉牽拉處，但隨著前伸距離的增加，應(yīng)力值不斷增加，S1主應(yīng)力從最初的0.33 MPa增至1.33 MPa。

本研究中，隨著加載距離的增加，上氣道舌咽部形態(tài)發(fā)生改變，表現(xiàn)為舌咽部橫徑和橫截面增加，有利于消除OSAHS患者該段的狹窄和阻塞，打開上氣道，達(dá)到治療OSAHS的作用。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)：隨著下頜前伸距離增加，其應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力更為集中，故使用下頜前伸治療OSAHS時(shí)，建議初次前伸距離不宜過大，最好根據(jù)需要逐步增加，盡可能在最大減少患者不適感的情況下獲得療效。

有限元分析作為一種生物力學(xué)的模擬研究方法，其結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴于建模的質(zhì)量、分析中邊界條件與加載設(shè)置等[12]。而上氣道作為一種軟組織多而

解剖復(fù)雜的肌性管道，其中肌肉運(yùn)動(dòng)對氣道影響也至關(guān)重要，但目前由于各方面條件限制，達(dá)到完全真實(shí)的模擬也存在很多困難。本研究根據(jù)解剖位置直接生成肌肉等結(jié)果，模型簡化和加載方式的單一可能會(huì)造成結(jié)果計(jì)算中產(chǎn)生誤差，希望隨著研究深入，在后續(xù)中加以改進(jìn)，使三維有限元在OSAHS研究中發(fā)揮更大的作用。

[參考文獻(xiàn)]

[1] Eckert DJ， Malhotra A. Pathophysiology of adult obstructive sleep

apnea[J]. Proc Am Thorac Soc， 2008， 5（2）：144-153.

[2] 楊隨興， 封凈， 唐潔， 等. 下頜前伸矯治器對OSAHS患者生活質(zhì)

量的影響[J]. 江蘇醫(yī)藥， 2011， 37（6）：666-667.

Yang Suixing， Feng Jing， Tang Jie， et al. Effect of mandible ad-

vancement device on quality of life in patients with OSAHS[J].

Jiangsu Med J， 2011， 37（6）：666-667.

[3] 高雪梅， 曾祥龍， 傅民魁， 等. 口腔矯治器治療OSAS的下頜定

位[J]. 口腔正畸學(xué)， 2000， 7（1）：20-22.

Gao Xuemei， Zeng Xianglong， Fu Minkui， et al. Mandible reloca-

ting in dental appliance treatment of obstructive sleep apnea syn-

drome[J]. Chin J Orthod， 2000， 7（1）：20-22.

[4] 中華醫(yī)學(xué)會(huì)呼吸病學(xué)分會(huì)睡眠呼吸疾病學(xué)組. 阻塞性睡眠呼吸暫

停低通氣綜合征診治指南（草案）[J]. 中華結(jié)核和呼吸雜志， 2002，

25（4）：195-198.

Sleep Respiratory Disorder Study Group； Chinese Medical Asso-

ciaition of Respiratory Disease. The guidelines of obstructive sleep

apnea syndrome diagnosis and treatment（draft）[J]. Chin J Tuberc

Respir Dis， 2002， 25（4）：195-198.

[5] 王瑩， 孫秀珍， 劉迎曦， 等. OSAHS患者與正常人上呼吸道流場

特性比較[J]. 大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2009， 49（4）：476-481.

Wang Ying， Sun Xiuzhen， Liu Yingxi， et al. Comparisons of flow

characteristics of upper airway between patients with OSAHS and

normal adults[J]. J Dalian University Technology， 2009， 49（4）：476-

481.

[6] Vollmer D， Meyer U， Joos U， et al. Experimental and finite ele-

ment study of a human mandible[J]. J Craniomaxillofac Surg， 2000，

28（2）：91-96.

[7] 趙雪巖， 黃任含， 樓航迪， 等. 阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征的生

物力學(xué)研究[J]. 北京大學(xué)學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版， 2009， 45（5）：737-

742.

Zhao Xueyan， Huang Renhan， Lou Hangdi， et al. Biomechanical

study of obstructive sleep apnea syndrome[J]. Acta Scientiarum Na-

turalium Universitatis Pekinensis， 2009， 45（5）：737-742.

[8] Huang Y， White DP， Malhotra A. Use of computational modeling

to predict responses to upper airway surgery in obstructive sleep

apnea[J]. Laryngoscope， 2007， 117（4）：648-653.

[9] 李松青， 哈若水， 曲愛麗， 等. 阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合

征患者的上氣道及周圍結(jié)構(gòu)三維有限元模型的構(gòu)建[J]. 寧夏醫(yī)

學(xué)雜志， 2010， 32（4）：314-316.

Li Songqing， Ha Ruoshui， Qu Aili， et al. Construction of the three-

dimensional finite element model of the upper airway in patients

with obstructive sleep apnea hypopnea syndrome[J]. Ningxia Med

J， 2010， 32（4）：314-316.

[10] 趙燕玲， 曲愛麗， 哈若水， 等. 健康成人上氣道及周圍結(jié)構(gòu)的三

維有限元模型的構(gòu)建[J]. 寧夏醫(yī)學(xué)雜志， 2010， 32（4）：329-331.

Zhao Yanling， Qu Aili， Ha Ruoshui， et al. Construction of the three-

dimensional finite element model of the upper airway and vicinity

structure in healthy adults[J]. Ningxia Med J， 2010， 32（4）：329-

331.

[11] Xu C， Brennick MJ， Dougherty L， et al. Modeling upper airway

collapse by a finite element model with regional tissue properties

[J]. Med Eng Phys， 2009， 31（10）：1343-1348.

[12] 胡敏， 相亞寧， 李洪， 等. 4種不同類型頜間牽引對顳下頜關(guān)節(jié)

應(yīng)力分布影響的三維有限元研究[J]. 華西口腔醫(yī)學(xué)雜志， 2010，

28（2）：145-148.

Hu Min， Xiang Yaning， Li Hong， et al. The stress distribution of

the temporomandibular joint under four types of inter-arch elas-

tics—a three-dimensional finite element model analysis[J]. West

China J Stomatol， 2010， 28（2）：145-148.

（本文編輯 杜冰）