張郁 李永明 安志彬

·論著·

口腔矯治器對OSAHS患者咽腔氣流及上氣道壁形變影響的研究

張郁 李永明 安志彬

目的通過建立OSAHS患者戴用口腔矯治器前后咽腔的三維有限元生物力學模型，利用流固耦合方法數(shù)值分析咽腔氣流及上氣道壁的變化，探討OSAHS的口腔矯治器治療機制。方法對1例確診為中度OSAHS的成人患者戴矯治器前和戴矯治器3個月后分別行上氣道及周圍組織MRI檢查。將以DICOM格式存儲的掃描數(shù)據(jù)導入三維重建軟件Mimics 17.0、NX 8.5，Geomagic Studio12.0對上氣道及軟腭進行三維重建，應(yīng)用ANSYS Workbench 13.0軟件進行網(wǎng)格劃分，賦予各部分材料屬性，最終建立上氣道的流固耦合有限元模型。將所得的模型導入CFX-ANSYS軟件中進行FSI數(shù)值計算。結(jié)果患者戴OA后，在最大吸氣時刻，腭咽處的氣流速度由9.677 m/s降低到7.020 m/s，最大負壓由-64.18 Pa降低到-37.88 Pa，氣道壁的最大形變量由0.629 mm減小到0.244 mm。在最大呼氣時刻，腭咽處的氣流速度由10.44 m/s降低到7.441 m/s，最大負壓由-36.25 Pa降低到-23.79 Pa，氣道壁的最大形變量由0.648 mm減小到0.310 mm。結(jié)論OSAHS患者戴OA后，在最大吸氣和最大呼氣時刻，腭咽氣道的負壓和氣道壁的形變均降低，使咽腔不易出現(xiàn)塌陷，從而減輕了患者的打鼾和呼吸暫停癥狀。

阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征；上氣道；生物力學；流固耦合

阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征(obstructive sleep apnea-hypopnea syndrome,OSAHS)由于具有較高的發(fā)病率以及相關(guān)嚴重的并發(fā)癥，影響著人們的生活質(zhì)量，現(xiàn)已成為醫(yī)學界高度關(guān)注的疾病?？谇怀C治器(oral appliance,OA)因經(jīng)濟適用，而且能取得與持續(xù)氣道正壓通氣(continuous positive airway pressure,CPAP)同樣的治療效果，依從性也較CPAP好而被大量應(yīng)用于臨床上輕中度OSAHS的治療[1]。但由于患者間存在著個體差異及其上氣道形態(tài)結(jié)構(gòu)異常的多樣性，其治療機制還并不是很清楚。因此，本研究通過三維重建軟件重建OSAHS患者戴用OA前后咽腔的三維有限元生物力學模型，利用流固耦合(fluid-structure interaction,FSI)方法數(shù)值分析咽腔氣流動力學及上氣道壁位移的變化，探討OSAHS的口腔矯治器治療機制。

1 資料與方法

1.1 一般資料 在知情同意的原則下，選擇1例經(jīng)PSG診斷為中度OSAHS的男性患者，40歲，體重指數(shù)(BMI)=24.7 kg/m2，患者呼吸暫停低通氣指數(shù)(AHI)為24.1次/h，最低血氧飽和度為82%。臨床癥狀：睡眠時打鼾并伴有反復覺醒，自覺憋氣，晨起頭痛，白天過度嗜睡，情緒障礙等。受試者近期無上呼吸道急慢性感染病史，既往無頜面部、上呼吸道外傷史和手術(shù)史?？谇粰z查：牙齒排列較整齊、輕微牙齦炎、無牙齒缺失、牙齒松動度≤Ⅰ度，軟腭過長Ⅰ度，舌體正常，無扁桃體肥大?？谕怙D下頜關(guān)節(jié)檢查：開口型和開口度正常，雙側(cè)關(guān)節(jié)區(qū)無壓痛，關(guān)節(jié)活動度基本一致。纖維鼻咽喉鏡檢查結(jié)果示：患者鼻甲黏膜表面光滑，色澤正常，鼻道內(nèi)無分泌物或新生物，未見明顯鼻中隔偏曲，鼻甲正常無肥大，后鼻孔兩側(cè)大小對稱。

1.2 實驗設(shè)備 (1)西門子1.5T超導型MRI。(2)計算機配置：戴爾Precision M6800； Windows 7 Professional 64位操作系統(tǒng)；CPU：4核；內(nèi)存：2x8GB 1 600 MHz DDR3L；集成英特爾82579M/V 10/100/1 000千兆位以太網(wǎng)；256GB 2.5英寸SATA固態(tài)硬盤。(3)實驗應(yīng)用的相關(guān)軟件：Mimics 17.0軟件(Materialise,Belgium)；NX 8.5軟件(SIEMENS UGS PLM)；Geomagic Studio12.0軟件(RaindropGeoMagic公司，美國)；ANSYS Workbench 13.0軟件(美國ANSYS)；CFX-ANSYS軟件(美國ANSYS)。

1.3 研究方法

1.3.1 PSG檢查和MRI掃描:中度OSAHS患者戴OA前和戴后3個月，分別行PSG檢測及上氣道和周圍組織三維MRI掃描。掃描范圍：以眶上緣為上界，下界為會厭根，從上到下進行連續(xù)掃描，范圍包括整個鼻腔和咽腔以及軟腭、舌、咽側(cè)壁等周圍組織?？倰呙钑r間5∶09 min，掃描層數(shù)：256層，層厚：0.6 mm，掃描層數(shù)和層厚均滿足上氣道重建的要求。

1.3.2 模型的建立:①以DICOM格式存儲的掃描數(shù)據(jù)導入三維重建軟件：Mimics 17.0，NX8.5，Geomagic

Studio12.0對上氣道及軟腭進行三維重建，應(yīng)用ANSYS Workbench 13.0軟件進行網(wǎng)格劃分，賦予各部分材料屬性，最終建立咽腔和軟腭的流固耦合有限元模型。將所得的模型導入CFX-ANSYS軟件中進行FSI數(shù)值計算。②考慮到該患者鼻腔結(jié)構(gòu)正常無其他的狹窄和病變，以及OA矯治作用主要在咽腔部分，本實驗主要關(guān)注咽腔內(nèi)氣流特性和軟腭的運動，同時，鼻腔具有較大的剛度，對氣流的影響較小，氣道的氣流參數(shù)不是特別敏感，所以建模省去鼻腔部分，保留了后鼻孔以下的咽腔部分?；颊叽饔肙A前后咽腔的流固耦合有限元模型建立的結(jié)果。見圖1。

戴OA前戴OA后

圖1 戴OA前后氣道流固耦合模型

1.3.3 數(shù)值模擬：戴OA前氣道壁共生成722 482個單元和1 059 029個節(jié)點；流體區(qū)域氣道共生成944 525 個單元和169 427個節(jié)點。戴OA后氣道壁共生成863 098個單元和1 262 541個節(jié)點；流體區(qū)域氣道共生成1 146 478個單元和205 299個節(jié)點。

1.4 觀察內(nèi)容 采用FSI分析了OSAHS患者戴OA前后對咽腔內(nèi)流場的影響。主要結(jié)果有咽腔形態(tài)學變化、FSI的咽腔內(nèi)氣流特性以及氣道壁的形變。

2 結(jié)果

2.1 OA治療前后咽腔形態(tài)學變化 從流固耦合模型可以看出，該OSAHS患者未戴OA前，狹窄區(qū)域主要是位于腭咽和舌咽，而懸雍垂對應(yīng)的咽腔界面是最狹窄處；戴用OA后，狹窄區(qū)域得到改善，咽腔的形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化集中在腭咽和舌咽，氣道的擴大主要是左右側(cè)壁而非前后壁。見表1。

表1 咽腔形態(tài)學的變化

2.2 FSI結(jié)果

2.2.1 戴OA前后咽腔氣流特性比較:在吸氣峰值時刻：戴OA前，氣流速度最大值出現(xiàn)在腭咽處，同時此處出現(xiàn)最大的負壓，最大負壓不僅存在于腭咽，還累及部分舌咽，而在舌咽和喉咽處可觀察到氣流回流現(xiàn)象。戴OA后，隨著氣道狹窄處腭咽和舌咽的橫截面積的增加，最大氣流速度明顯減小，而最大負壓只出現(xiàn)在腭咽，且絕對值明顯減小。在呼氣峰值時刻：戴OA前，腭咽處同樣出現(xiàn)最大氣流速度，負壓最大；戴OA后，與吸氣趨勢一樣，而最大氣流速度和最大負壓相比于治療前都明顯減小，最大負壓出現(xiàn)在懸雍垂咽氣道，而同時在喉咽下界也能觀察到最大的負壓。對比吸氣峰值和呼氣峰值時刻，無論是戴或不戴OA，腭咽處最大氣流速度在呼氣時大于吸氣時，而該處的負壓力卻是相反的趨勢。見圖2、3，表2。

圖2 戴OA前后在吸氣和呼氣峰值時氣流速度矢量圖分布

圖3 戴OA前后在吸氣和呼氣峰值時氣道內(nèi)壓力分布圖

氣流特性結(jié)果吸氣峰值時氣流特性變化戴OA前戴OA后呼氣峰值時氣流特性變化戴OA前戴OA后入口壓力(Pa)-1．009-1．00230．0130．01最低壓力(Pa)-64．18-37．88-36．25-23．79壓力差(壓降)(Pa)63．17136．87866．2653．80最大氣流速度(m/s)9．6777．02010．447．441

2.2.2 戴OA前后氣道壁形變比較:戴OA后氣道壁的形變量較戴OA前均變小。戴OA前，吸氣峰值時，在喉咽的前壁出現(xiàn)最大的形變，形變量為0.629 mm；呼氣峰值時，在舌根區(qū)域狹窄處出現(xiàn)最大的形變，且較吸氣相的稍大，形變量為0.648 mm，相應(yīng)的舌咽和喉咽后氣道壁的位移也較大，對比速度分布圖可以知道在喉咽和舌咽部分因出現(xiàn)氣流回流現(xiàn)象，該部分的氣流不穩(wěn)定性導致氣道壁發(fā)生較大的形變。 戴OA后，因為咽腔形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化導致該部位氣流量的變化，吸氣峰值時刻氣流在進入咽腔時對腭咽上部的后氣道壁產(chǎn)生較大的壓力，在該處出現(xiàn)較大的形變，形變量為0.244 mm，較戴OA前小，而同時在喉咽處前后氣道壁的形變量均較小；呼氣峰值時，同樣在喉咽和舌咽的前壁出現(xiàn)最大的形變，形變量為0.310 mm，而較戴OA前，累及的范圍也較小。見圖4。

圖4 戴OA前后在吸氣和呼氣峰值時氣道壁形變的分布(單位:mm)

3 討論

咽腔氣道形態(tài)結(jié)構(gòu)與OSAHS的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。本實驗通過模型測量表明，OSAHS患者咽腔最狹窄處位于腭咽后區(qū)，其次是舌后區(qū)。通過對流固耦合模型的容積、橫截面積和徑線測量，戴OA后，咽腔狹窄部分(腭咽和舌咽)的橫截面積和整個咽腔容積均增加，咽腔徑線的增加主要是在左右側(cè)壁，前后壁變化較小[2,3]。咽腔空間的擴大，保證了氣流能較平穩(wěn)的通過狹窄部位。高雪梅[4]利用MRI成像研究OSAHS患者戴用口腔矯治器后的上氣道形態(tài)學變化的研究表明:口腔矯治器可以擴大上氣道，經(jīng)矯治器治療可以增大口咽部容積約為23%，咽腔總體積可以增加13.5%左右，并認為OA治療后上氣道的擴張主要在側(cè)壁而不是前壁。

數(shù)值模擬研究上氣道氣流特性時，大部分研究認為OSAHS的發(fā)生主要在吸氣階段。本實驗FSI數(shù)值方法模擬研究氣道內(nèi)的流場變化。在吸氣階段，上氣道氣流量隨著時間的推移逐漸增大，在吸氣峰值時達到最大，當過了吸氣峰值時，氣流量逐漸減小。在吸氣峰值時，空氣流經(jīng)咽腔狹窄處，由拉法爾噴管效應(yīng)可知該處氣流速度會增大，而本實驗該患者咽腔最狹窄處位于腭咽后區(qū)，所以在腭咽后區(qū)氣道發(fā)現(xiàn)最大的氣流速度，主要靠近咽腔后壁，并由腭咽垂直向下傳到喉咽區(qū)域，當空氣流經(jīng)舌咽和口咽處時，該處出現(xiàn)了氣流的回流現(xiàn)象，從而減緩了該處的氣流速度，使該處出現(xiàn)不穩(wěn)定的氣流，湍流強度增大。該患者戴OA后，腭咽處的噴射氣流速度明顯減小，由9.677 m/s降到7.020 m/s，而相應(yīng)區(qū)域的回流氣流也減弱?；颊呶创鱋A時，最大的負壓出現(xiàn)在腭咽和部分舌咽，而咽腔氣道向內(nèi)的壓力主要是由氣道周圍組織的壓力與咽腔內(nèi)較低的靜壓力產(chǎn)生，所以咽腔向內(nèi)的壓力在咽腔塌陷中發(fā)揮著重要的作用。當咽腔狹窄部位出現(xiàn)較高的氣流速度時，咽腔內(nèi)的負壓達到最大值，使氣道壁向氣道內(nèi)形變，如果此時氣流所產(chǎn)生的壓力相對較小，不足以抵抗氣道壁向氣道內(nèi)的擠壓，該處的咽腔橫截面積就會減小，形成阻塞?；颊叽饔肙A后，隨著氣流速度的減小和回流的減弱，負壓由之前-64.18 Pa降到-37.88 Pa。因此，戴OA后最大負壓的減小降低了吸氣階段氣道塌陷的可能，戴OA后患者AHI的次數(shù)下降也論證了腭咽處氣道內(nèi)氣流更平穩(wěn)。

如果說咽腔氣道壁向氣道內(nèi)塌陷是由吸氣階段氣道內(nèi)的負壓產(chǎn)生，那么呼氣階段氣道內(nèi)的正壓可以使氣道空間擴大降低氣道塌陷的可能。然而通過本實驗研究發(fā)現(xiàn)，在呼氣峰值時，腭咽后區(qū)咽腔也相應(yīng)的出現(xiàn)負壓，相對于吸氣峰值時，此時的負壓較小。而其他研究表明，在呼氣階段，咽腔也易于發(fā)生塌陷。Akan等[5]通過動態(tài)影像學觀察正常人呼吸時，軟腭向咽腔后壁的運動發(fā)生在呼氣階段；Zhu等[6]通過流固耦合的方法研究正常人的軟腭運動，軟腭在吸氣階段基本保持不動，而呼氣階段軟腭朝向咽腔后壁運動，且運動量較大。軟腭作為咽腔氣道前壁其后緣游離于咽腔內(nèi)，它的形態(tài)、位置變化和運動可能引起軟腭后區(qū)的咽腔狹窄。相對于正常人，OSAHS患者腭咽氣道更狹窄，所以軟腭形態(tài)位置變化和較大的運動可使腭咽氣道進一步減小，進而發(fā)生阻塞。王瑩[7]對2例輕度OSAHS患者行鼻腔矯正手術(shù)后軟腭的運動特征進行研究：手術(shù)后，軟腭的形態(tài)和大小也發(fā)生變化，腭咽處的狹窄得到改善，由于腭咽處氣流結(jié)構(gòu)的改建，驅(qū)動軟腭運動的作用力減小，無論是吸氣還是呼氣階段，軟腭的位移均小于術(shù)前，軟腭形態(tài)變化和位移減小緩解了呼吸時咽腔氣流受限的情況，從而形成一個良性循環(huán)。Eckert等[8]研究發(fā)現(xiàn)，正常人和OSAHS患者在睡眠時上氣道擴張肌的活力較清醒時的低。Pierce等[9]研究指出上氣道肌肉的放松與OSAHS患者上氣道的狹窄存在相關(guān)性。當上氣道擴張肌的活力增高時，有利于上氣道保持通暢；而當肌肉放松時，肌肉較松弛，使上氣道更易阻塞。Zhu等[6]對軟腭設(shè)置不同的材料屬性，彈性模量大的軟腭運動的幅度也大。因此，在呼氣階段，軟腭的放松使其向咽腔后壁運動的幅度增大，進而減小了該處的橫截面積?；颊叽鱋A后主要是通過機械性的前移下頜骨和帶動舌向前以擴大軟腭和舌根后氣道，在擴大氣道的同時，氣道周圍的肌肉也因被動的拉伸而使氣道肌肉張力增加，而軟腭在此時由于肌肉的牽拉其活動度也變得較小，氣道壁的形變量也相應(yīng)減小，所以氣道和軟腭肌肉張力變化也可能是OA治療成功的原因。

FSI考慮到了氣道壁的形變對腭咽處氣流量的影響，氣道壁的形變使腭咽腔內(nèi)氣流量的減小加速了該處氣道內(nèi)負壓下降，由之前的分析可知氣道內(nèi)負壓的下降增加了氣道塌陷的可能。 Zhao等[10]利用流固耦合和CFD兩種方法對比研究發(fā)現(xiàn)：在吸氣相與CFD方法相比，腭咽和口咽氣道的各個截面有更大的氣流速度和更低的壓力。本實驗呼氣相結(jié)果分析可知，戴OA前，軟腭向咽腔后壁的運動也可能引起腭咽氣道塌陷，戴OA后軟腭的運動減小，增加的氣道肌肉張力降低了氣道壁彈性形變，從而降低了氣道塌陷的可能。FSI方法分析咽腔氣道塌陷機制較CFD方法更貼近OSAHS患者上氣道的真實生理特性和生物力學特征。

1 Sharples LD,Clutlerbuck-James AL,Glover MT,et al.Meta-analysis of randomized controlled trials of oral mandibular advancement devices and continuous positive airway pressure for obstructive sleep apnoea-hypopnoea.Sleep Medicine Reviews,2016,45:108-124.

2 于申,劉迎曦，孫秀珍.鼻腔手術(shù)對OSAHS患者治療效果的數(shù)值分析.計算力學學報，2013,30：39-41.

3 臧洪瑞,劉迎曦,張羅.鼻腔擴容術(shù)對上氣道流場改變的數(shù)值模擬.中國耳鼻咽喉頭頸外科,2014,21:85-88.

4 高雪梅.阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征矯治后的上氣道磁共振影像改變.中華口腔醫(yī)學雜志,1999,34:26-29,67.

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6 Zhu JH,Lee HP,Lim KM,et al.Passive movement of human soft palate during respiration:A simulation of 3D fluid/structure interaction.J Biomech,2012,45:1992-2000.

7 王瑩.鼻腔結(jié)構(gòu)矯正手術(shù)對OSAHS患者上氣道流場影響的數(shù)值分析.醫(yī)用生物力學,2010,25:266-272.

8 Eckert DJ,Malhotra A,Lo YL,et al.The influence of obstructive sleep apnea and gender on genioglossus activity during rapid eye movement sleep.Chest,2009,135:957-964.

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10 Zhao MY.Using two-way fluid-structure interaction to study the collapse of the upper airway of OSA patients.Applied Mechanics and Materials,2014,553:275-280.

EffectsoforalcavityapplianceonpharyngealcavityairflowdynamicsanddeformationsofupperairwaywallinpatientswithOSAHS

ZHANGYu,LIYongming,ANZhibin.

DepartmentofStomatology,People’sHospitalofHanzhongCity,Shanxi,Hanzhong723000,China

ObjectiveTo establish pharyngeal cavity fluid-structure interaction finite element models with or without oral appliance (OA) by means of three-dimensional reconstruction software to analyze the changes of pharyngeal cavity airflow dynamics and upper airway wall by using fluid structure interaction method in patients with obstructive sleep apnea hypopnea syndrome (OSAHS),and to explore the action mechanism of OA in treatment of OSAHS.MethodsThe changes of upper airway and surrounding tissues in an adult patient with moderate OSAHS before wearing OA and on 3 months after wearing OA were examined by MRI. The DICOM format images were imported into 3D reconstruction software-Mimics 15.0,NX 8.5,Geomagic Studio 10.0.Mimics 15.0 software to reconstruct the model of upper airway and soft palate,then to establish the pharyngeal cavity and upper airway wall fluid-structure interaction (FSI) finite element models by using ANSYS Workbench 13.0 software,finally the FSI finite element model was imported into the software ANSYS-CFD to carry out FSI numerical calculation.ResultsAfter wearing OA,FSI numerical calculation results showed that at the peak of inspiration, the maximum airflow velocity in the area of palate and pharynx was decreased from 9.677m/s to 7.020m/s,and the maximum negative pressure was reduced from -64.18Pa to -37.88Pa,moreover, the maximum deformation degree in upper airway wall was decreased from 0.629mm to 0.244mm.At the peak of expiration,the maximum airflow velocity in the area of palate and pharynx was decreased from 10.44m/s to 7.441m/s,the maximum negative pressure was reduced from -36.25Pa to -23.79Pa,and the maximum deformation degree in upper airway wall was decreased from 0.648mm to 0.310mm.ConclusionAfter wearing OA in patients with OSAHS,at the peak of inspiration and expiration,the negative pressure and deformation degree in upper airway are decreased, so that the pharyngeal cavity is less prone to collapse,thereby,which can relieve the symptoms of snoring and apnea of patients.

obstructive sleep apnea-hypopnea syndrome; upper airway; biomechanics; fluid-structure interaction

723000 陜西省漢中市人民醫(yī)院口腔科

10.3969/j.issn.1002-7386.2017.19.008

R 783

A

1002-7386(2017)19-2915-04

2016-11-11)