下颌逐步前伸对阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征患者舌咽部影响的三维有限元研究

[摘要] 目的 通过下颌逐步前伸对阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征（OSAHS）患者舌咽部三维有限元模型进行加载，观察OSAHS患者舌咽部生物力学和形态学改变。方法 对OSAHS患者上气道行薄层CT扫描，获得OSAHS患者上气道DICOM格式的图像信息，采用Mimics 10.0、Imageware 10.0和Ansys 8.0软件建立上气道、下颌骨、舌骨及相关周围结构的三维有限元模型，然后通过逐步前伸下颌骨，观察舌咽部生物力学和形态的变化及规律。结果 成功建立了OSAHS患者上气道及结构的三维有限元模型。通过逐步前伸下颌骨，舌咽部发生相应形态变化，其主要表现为：上气道舌咽部会厌尖横截面横径增加，而上气道舌咽部会厌尖横截面矢状径减小；S1主应力主要分布于上气道前壁区肌肉牵拉处，应力位置未发生明显改变，舌咽部主应力值随下颌前伸距离增加而不断增加。结论 使用Mimics、Imageware和Ansys软件提高了建模效率和模型的精确性。通过对整体有限元模型的下颌逐步前伸加载，有效展示了下颌骨前伸与舌咽部两者之间的关系，研究方法可行。

[关键词] 阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征； 三维有限元； 生物力学

[中图分类号] R 318.01 [文献标志码] A [doi] 10.7518/hxkq.2013.02.009

阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征（obstructive sleep apnea hypopnea syndrome，OSAHS）是具有发病率高、并发症多、猝死率高、常被患者忽略治疗等特点的疾病[1]。下颌前伸矫治器作为阻鼾器的一种

类型，是治疗OSAHS患者的有效手段[2]，而下颌前伸定位是口腔矫治器治疗OSAHS的核心问题之一。对于下颌前伸与上气道相关结构间的关系及适宜前伸量存在较多争议[3]，采用有限元方法对此方面的生物

力学研究，至今鲜见报道。本研究通过建立OSAHS上气道及周围结构的有限元模型，并对整体模型进行下颌逐步前伸加载，观察上气道舌咽部形态和生物力学的改变和特征。寻找下颌前伸与舌咽部之间的关系，为口腔矫治器治疗OSAHS提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 OSAHS患者上气道及周围结构三维有限元模型

的建立

1.1.1 CT数据获取 选取1名经夜间多导睡眠仪监测并确诊为OSAHS[4]的男性志愿者，经下颌前伸矫治器治疗有效并自愿停用治疗3个月，排除了其他导致上气道阻塞的各种解剖或病理因素。经16排螺旋CT机（GE/Lightspeed）进行扫描，患者取仰卧位，使平面垂直向下，扫描线与平面平行进行连续扫描，扫描范围为甲状软骨至眼眶下缘；扫描条件：120 kV，230 mA，层厚0.625 mm，层间距0 mm，得到218张CT图像，以DICOM格式刻录存盘。

1.1.2 建模方法 将CT扫描所获得DICOM格式数据文件导入Mimics 10.0软件中，经过阈值分割、区域生长、空洞填补与3D计算等操作，生成组织三维面模型。进一步的光滑化处理后在Mimics 10.0的Remesh模块中网格划分，生成了以-remesh命名的模型，用Iges格式另存即可。运用同样的方法分别重建出下颌骨、舌骨、气道的三维实体模型（图1）。

在Mimics 10.0中生成的模型以Iges格式导入反求软件Imageware 10.0中对点云数据进行处理，通过降噪、去除突出点等工作后，在该软件中对点云数据逐层进行B样条曲线拟合，Loft曲面生成，保证模型具有较高的几何相似性；将几何特征以Iges格式保存，并导入Ansys 8.0软件以生成体模型（图2）。由于本研究所关注的软组织（颏舌骨肌、下颌舌骨肌、颏舌肌

及舌体等）分别建模有困难，因此对软组织的建模采

取如下简化方法：作为一个整体进行建模，与气道接触处的肌肉边缘由气道的边缘重合，舌体的边缘由下颌骨的边缘确定，这一过程主要在Ansys中根据CT图像和解剖结构直接生成。

体模型的网格划分采用自动与手动相结合的方式，单元类型采用10节点的Solid92四面体单元；材料特性采用Mimics软件自动赋值与文献数据[5]相结合的方式（表1），生成上气道三维有限元模型（图3）。

为了简化分析计算与建模方便，在模型的构建中进行了如下假设与简化：1）将下颌骨模型全部作为皮质骨进行建模，未对其中的松质骨建模；2）将连接下颌骨和舌骨之间的肌肉作为整体建模，没有对骨膜进行建模，只是在模型中对肌肉与骨的连接部分进行了共面处理，在今后的分析计算中也会带来误差；3）设定模型中各材料和组织为连续、均质和各同向性的线弹性材料。

1.2 整体模型的下颌骨前伸加载分析

1.2.1 对模型进行相关力学相似性的验证 验证条件：牙尖交错位，限制下颌角和髁突、喙突的刚性位移。在侧切牙、前磨牙和磨牙上分别加载60、150、300 N的力，验证结果为3条应力轨迹线与经典文献一致[6]，说明建立的模型具有非常高的力学相似性，模型有效。

1.2.2 约束条件 设定上气道后壁不动，舌骨-肌肉-下颌骨连接为一整体、均质弹性体；将肌肉末端、舌骨内侧与相应上气道进行连接。对下颌骨的髁突、喙突限制所有自由度，下颌角肌肉附着处限制x、z方向位移，不限制下颌前伸。

1.2.3 加载 参照文献[3]，设定前伸量的范围为2～

8 mm；加载时在前牙列上模拟佩戴矫治器后施加前伸的位移量，分别从原始位加载下颌平移前伸2、4、6、8 mm，依次定义为工况一、工况二、工况三、工况四。在模型的上气道表面分别选取会厌尖横截面的横径和矢状径[7]为观察指标，位移数值增加记录为

正值，减小记录为负值，观察下颌骨不同前伸量相应形态位移和应力变化。

2 结果

通过对三维有限元模型中的下颌骨模型加载发现上气道舌咽部平面发生改变，在工况一、二、三、四作用下，舌咽部会厌尖横截面横径数值变化明显增加，最大增加到0.70 mm；舌咽部会厌尖横截面矢状径随加载顺序呈减小趋势，其最大减小到0.15 mm（表2）。

在综合位移图中可见，气道舌咽会厌尖截面积也随着下颌前伸量呈逐渐增加趋势。加载模型后，主应力分布位置未发生明显改变，主要集中于上气道前壁区肌肉牵拉处，但应力值随着前伸距离增加不断增加，S1主应力从最初的0.33 MPa增至1.33 MPa（表2，图4～5）。

3 讨论

3.1 利用Mimics 10.0、Imageware 10.0和Ansys 8.0软

件构建三维有限元模型的特点

上气道的生物力学和形态学研究成为研究OSAHS的重要方面，以往对上气道软组织结构的建模多未涉及气道与下颌骨等周围结构[7-8]或使用软件单一[9-10]。本研究利用Mimics 10.0、Imageware 10.0和Ansys 8.0软件构建上气道及周围结构三维有限元模型，利用软件的各自特点和优势，不仅减少了工作量，而且保证了模型的准确性和质量，同时为后期分析计算结果提供了保证。利用Imageware软件和Ansys软件的处理可保证模型的光顺与原点云数据的高拟合度，对于其上的颏孔等解剖结构未进行简化，为后续的加载和肌肉力附着点提供了准确的依据。根据CT图片的具置在Ansys中进行肌肉简化模型的生成，因此模型具有非常高的几何相似性。再在Mimics软件中自动赋值给骨和肌肉，实现了较准确地模拟模型中力学的基础。然后对建立模型进行力学相似性验证，说明建立的模型有很高的力学相似性，建模有效。

3.2 下颌前伸对OSAHS上气道舌咽部三维有限元模

型的加载分析

以往对上气道的模型加载分析，研究的重点都集中在对上气道内气流压力的变化引起上气道形态改变[11]和手术治疗方面[8]，而对于下颌前伸与上气道形态的加载分析没有涉及。基于此，本实验通过模拟下颌前伸矫治器治疗OSAHS的机理，通过对已建立OSAHS上气道有限元模型加载，使下颌逐步前伸，观察和分析舌咽部的生物力学和形态学改变，主要表现为下颌前伸后，咽部肌肉趋于绷紧状态，上气道体积增加并纠正咽部松弛和塌陷，依据本实验结果，在工况一、二、三、四下，横径明显增加，在舌咽部矢状径随加载呈减小趋势，可能是由于本研究中采取下颌骨平移方式加载，下颌垂直方向上打开不明显所致。加载发现；气道舌咽会厌尖截面也随着下颌前伸过程呈逐渐增加趋势，最大截面出现在工况四作用下，可能说明在下颌骨平移前伸时，相对于矢状径，横径对上气道打开作用更为明显。4种工况下应力分布位置未发生明显改变，主应力主要集中于上气道前壁区肌肉牵拉处，但随着前伸距离的增加，应力值不断增加，S1主应力从最初的0.33 MPa增至1.33 MPa。

本研究中，随着加载距离的增加，上气道舌咽部形态发生改变，表现为舌咽部横径和横截面增加，有利于消除OSAHS患者该段的狭窄和阻塞，打开上气道，达到治疗OSAHS的作用。实验过程中发现：随着下颌前伸距离增加，其应力区的应力更为集中，故使用下颌前伸治疗OSAHS时，建议初次前伸距离不宜过大，最好根据需要逐步增加，尽可能在最大减少患者不适感的情况下获得疗效。

有限元分析作为一种生物力学的模拟研究方法，其结果的准确性依赖于建模的质量、分析中边界条件与加载设置等[12]。而上气道作为一种软组织多而

解剖复杂的肌性管道，其中肌肉运动对气道影响也至关重要，但目前由于各方面条件限制，达到完全真实的模拟也存在很多困难。本研究根据解剖位置直接生成肌肉等结果，模型简化和加载方式的单一可能会造成结果计算中产生误差，希望随着研究深入，在后续中加以改进，使三维有限元在OSAHS研究中发挥更大的作用。

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