楊隨興　封凈　張佐　曲愛(ài)麗　龔淼　唐潔　范俊恒　李松青　趙燕玲

[摘要] 目的 通過(guò)下頜逐步前伸對(duì)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(duì)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?chē)Y(jié)構(gòu)的三維有限元模型，然后通過(guò)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(guò)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(guò)對(duì)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?jī)烧咧g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(lèi)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(lèi)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(wèn)題之一。對(duì)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(zhēng)議[3]，采用有限元方法對(duì)此方面的生物

力學(xué)研究，至今鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究通過(guò)建立OSAHS上氣道及周?chē)Y(jié)構(gòu)的有限元模型，并對(duì)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?chē)Y(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(cè)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(xiàn)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(pán)。

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(guò)閾值分割、區(qū)域生長(zhǎng)、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(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)降噪、去除突出點(diǎn)等工作后，在該軟件中對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)逐層進(jìn)行B樣條曲線(xiàn)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(duì)軟組織的建模采

取如下簡(jiǎn)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(guò)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(lèi)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(jiǎn)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(jiǎn)化：1）將下頜骨模型全部作為皮質(zhì)骨進(jìn)行建模，未對(duì)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(méi)有對(duì)骨膜進(jìn)行建模，只是在模型中對(duì)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(lái)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(xiàn)彈性材料。

1.2 整體模型的下頜骨前伸加載分析

1.2.1 對(duì)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(xiàn)與經(jīng)典文獻(xiàn)一致[6]，說(shuō)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(duì)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(guò)對(duì)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(shì)，其最大減小到0.15 mm（表2）。

在綜合位移圖中可見(jiàn)，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(shì)。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(duì)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?chē)Y(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?chē)Y(jié)構(gòu)三維有限元模型，利用軟件的各自特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，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(duì)于其上的頦孔等解剖結(jié)構(gòu)未進(jìn)行簡(jiǎn)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(jiǎn)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(duì)建立模型進(jìn)行力學(xué)相似性驗(yàn)證，說(shuō)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(duì)OSAHS上氣道舌咽部三維有限元模

型的加載分析

以往對(duì)上氣道的模型加載分析，研究的重點(diǎn)都集中在對(duì)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(duì)于下頜前伸與上氣道形態(tài)的加載分析沒(méi)有涉及。基于此，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)模擬下頜前伸矯治器治療OSAHS的機(jī)理，通過(guò)對(duì)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(shì)，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(kāi)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(guò)程呈逐漸增加趨勢(shì)，最大截面出現(xiàn)在工況四作用下，可能說(shuō)明在下頜骨平移前伸時(shí)，相對(duì)于矢狀徑，橫徑對(duì)上氣道打開(kāi)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(kāi)上氣道，達(dá)到治療OSAHS的作用。實(shí)驗(yàn)過(guò)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(guò)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(lài)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(duì)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(jiǎn)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(duì)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(chǎng)

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(ài)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?chē)Y(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(ài)麗， 哈若水， 等. 健康成人上氣道及周?chē)Y(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(lèi)型頜間牽引對(duì)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）