The three-dimensional Finite Element analysis of an Obstructive Sleep Apnea Hypopnea Syndrome Patient's hyoid bone position changement with titrated mandibular advancement

ABSTRACT

Obstructive sleep apnea hypopnea syndrome（OSAHS）is characterized by repetitive sleep apnea, oxygen saturation decreased due to upper airway collapse.

There are many studies about position changes of hyoid in OSAHS patient, but whether if there is relevence between position change of hyoid and mandibular advancement, and even there is regulation in position change of hyoid are still in argue.Most of the past studies are two-dimensional, three-dimensional methods such as computerized tomography （CT）are still and interval.These methods can analyze one movement position of hyoid while Three-dimensional Finite Element analyse can analysis the whole process of position change of hyoid with mandibular advancement escaping from extra radiation and disturbance.

Three-dimensional finite element method is the most advanced and effective method of biomechanical analysis in medicine.This study obtained the accurate DICOM format of the image information of OSAHS patient's upper airway by using spiral CT scan and establish an accurate, flexible simulation OSAHS patient's upper airway model by using Mimics and Ansys software.Through loading of mandibular advancement, position change of hyoid can be simulated, which lay the foundation for the OSAHS patient's upper airway biomechanical analysis, as well as provide a theoretical basis for Oral appliance optimal design for OSAHS therapy, while exploring a new way of thinking for future research of OSAHS.

Objective:Construct a three-dimensional finite element model of the Upper airway and adjacent structure of an Obstructive sleep apnea hypopnea syndrome patient and regulate protrusion of mandibular, the position changes of hyoid and its relationship with the mandibular protrusion can be observed and analysized which providing theoretical basis for mechanism studies of treatment to OSAHS with mandibular protraction.

Methods:DICOM format image information of an OSAHS patient's upper airway obtained by thin-section CT scanning and digital image processing were utilized to construct a three-dimensional finite element model by Mimics and Ansys software.And then titrated mandibular advancement, the changes and the law of palatopharyngeal part observed by biomechanics and morphologic.

Results:A case of OSAHS and the adjacent upper airway structure of three-dimensional finite element model is constructed which is formed by solid 92 tetrahedral unit of a 10-node mesh.The model has cortical bone:562920 elements,544929 nodes; spongy bone:50141 elements,84869 nodes; muscle and upper airway:336789 elements,303134 nodes.After mandibular advancement, hyoid part of three- dimensional finite element of OSAHS change significantly.The main manifestations are:the hyoid move ahead and upward;the section of palatopharyngeal part which shape of oval reduce in transverse diameter while increase in sagittal diameter.Regression analysis has been taken between mandibular advancement and displacement of hyoid bone, which showed that they relevant greatly.A regression equation have been reached:y=-0.03+0.232x.

Conclusion:Establish accurate, flexible three-dimensional finite element model of the upper airway and vicinity structure of an OSAHS patient with the use of spiral CT technology and Mimics software, Ansys software.The model has good geometric similarity and good flexibility.Through mandibular advancement, palatopharyngeal part on OSAHS loading analysis of finite element model, the effective show great relevance between mandibular advancement and the hyoid displacement, which confirming that the study is feasibility, providing a theoretical basis for treatment of OSAHS with Mandibular advancement appliance and laying a good foundation for the following study of upper airway in OSAHS patients with biomechanical analysis.

Key words:obstructive sleep apnea hypopnea syndrome; hyoid; palatopharyngeal part of upper airway; three-dimensional finite element method

1引言

1.1 OSAHS概述

阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征（obstructive sleep apnea hypopnea syndrome, OSAHS）是指患者在每晚7小时睡眠当中，呼吸暂停及低通气反复发作30次以上，或者睡眠呼吸暂停低通气指数（AHI，即平均每小时睡眠中呼吸暂停加上低通气次数）大于或等于5次[1]。呼吸暂停（SA）是指睡眠过程中口鼻呼吸气流均停止10 s以上。低通气是指睡眠过程中呼吸气流强度（幅度）较基础水平降低50%以上并伴有血氧饱和度（SaO2）较基础水平下降≥4%。

OSAHS的临床表现主要为睡眠时打鼾，鼾声不规则、响亮，可有断续，甚至夜间憋醒。患者醒来后自觉憋气、心慌、夜尿增多，次日起床后头痛、白天嗜睡、易疲劳并出现记忆力下降等症状。国外资料显示，OSAHS在成年人中的患病率为2%～4%，是多种全身疾患的独立危险因素[2]。1994年，国内高雪梅等[3]对北京地区1621名（男765名，女856名）年龄12～92岁、平均身体质量指数（BMI）为22.6的人群进行睡眠呼吸问卷调查，结果显示，睡眠呼吸暂停的患病率为3.1%。流行病学调查表明，OSAHS可累及10%的中年男性和5%的中年女性[3]。这些足以说明OSAHS是一种常见病和多发病。OSAHS严重危害人们的健康，因严重影响患者生活质量并有潜在致命危险，越来越受到呼吸内科、耳鼻喉科、口腔科等多个医学学科的重视。

1.1.1 OSAHS的诊断

临床对OSAHS的诊断除了根据病史、症状、体征以外，PSG监测十分重要。整夜PSG监测被视为诊断OSAHS的“金标准”。PSG监测每夜7小时睡眠过程中呼吸暂停低通气反复发作30次以上，或AHI≥5次/h，呼吸暂停以阻塞性为主[1]。

本课题中，为保证样本纳入的准确，附加了具体纳入和排除标准。

纳入标准：（1）多导睡眠仪诊断为OSAHS，每夜呼吸暂停低通气反复发作20次/h或AHI≥5次/h的中度OSAHS男性患者；（2）口腔矫治器治疗有效，并已戴用矫治器6个月；（3）患者自愿接受自行调节式口腔矫治器，实验前签订知情同意书。

表1 SAHS的病情分度

排除标准：（1）气道阻塞等耳鼻喉疾病；（2）牙周疾病；（3）颞下颌关节紊乱综合征。

1.1.2 OSAHS的病因和发病机制

OSAHS的病因比较复杂，目前研究认为鼻咽部疾病、颌面部发育异常、遗传因素、神经内分泌因素、肥胖、吸烟、饮酒、性别、年龄、头颈部肿瘤等均可导致OSAHS发生。研究[4]证实上气道塌陷、狭窄及肥胖、性别、年龄是导致 OSAHS的主要危险因素，以肥胖和气道狭窄尤为重要。上气道解剖性狭窄是公认的最常见原因[5]，因此所有导致鼻腔、咽腔和喉腔任何部位狭窄的原因都可以成为OSAHS的致病因素。

（1）上气道狭窄：上气道是一个肌膜管，根据不同的参考平面，整个咽腔自上而下分为鼻咽、腭咽、舌咽和喉咽四个部分，其中腭咽和舌咽共同形成口咽。

鼻咽：上界为整个咽腔的顶，下界为硬腭水平，前方与后鼻道相通。各种导致鼻腔阻力增加的鼻腔疾病均可能是OSAHS发病的独立危险因素[6]，包括鼻瓣区狭窄、鼻中隔偏曲、慢性肥厚性鼻炎、过敏性鼻炎、鼻息肉、鼻腔肿瘤等。

口咽分为腭咽和舌咽两个部分。腭咽上界为硬腭水平，下界为软腭游离缘水平，前壁由软腭构成。软腭体积或厚度的异常增加都有可能使其侵入腭咽内，使腭咽减小，影响腭咽的通畅性，不仅是睡眠打鼾的重要原因，还可以阻塞上气道，导致OSAHS的发生。舌咽上界为软腭游离缘水平，下界为会厌上缘水平，前壁由大部分舌根构成。舌根肥大或舌根后坠等形态或位置的异常可能会影响舌咽的大小，局部气道出现狭窄。扁桃体肥大、软腭增厚、悬雍垂肥大及过长、咽壁增厚等均是其危险因素。

喉咽由会厌上缘至环状软骨下缘，向下与食管连接，其前部为喉。声带麻痹、会厌水肿等是引起喉咽部狭窄的因素。

而在这三个部分中，目前研究[7]认为口咽部狭窄在OSAHS发病过程中最为重要。

（2）肥胖：肥胖是OSAHS的重要危险因素之一。OSAHS患者的脂肪堆积主要集中在颈部，即使BMI正常者亦可能存在上气道软组织的相对肥厚[8]。据统计[9-10], OSAHS患者有70%体重都是超常的。Martin和Welch等人认为，体重、BMI和上气道大小呈负相关[11-12]。肥胖可导致气道脂肪过度堆积和颈部脂肪压迫，肥胖伴OSAHS患者多有颈粗短，颈部和咽周脂肪垫过多可能是气道狭窄的重要原因。李向东、高雪梅等[13]研究发现咽旁的脂肪垫体积与体重、BMI呈正相关，脂肪垫间距与BMI呈负相关。这说明随着体重和BMI的增加，咽旁脂肪逐渐沉积而对气道的压迫更为明显。

（3）性别：OSAHS患者中，男性患者明显多于女性。男性OSAHS的发病率是女性的2～3倍[14]，目前认为这主要与两性之间激素水平差异有关，而且两性脂肪分布的差异也可能是造成这种患病差异的原因。胡宝明等[15]调查研究后认为，女性OSAHS患病率与其激素水平相关。生育期女性、绝经期未接受女性激素替代治疗的女性、绝经期接受女性激素替代治疗的女性的OSAHS患病率分别为0.6%、2.7%、0.5%，但是女性患者病情明显轻于男性患者。

（4）年龄：成年后，OSAHS患病率随年龄增长而增加；女性绝经期后患病率增加，70岁以后患病率又复趋于稳定。关于OSAHS与年龄的关系，黄席珍[16]研究表明30～60岁是OSAHS的高发年龄。

OSAHS的确切发病机制至今仍不明确，但上气道解剖性狭窄是公认的最常见的原因[17]。咽气道作为一个肌性管道，缺乏骨性或软骨性支架，然而呼吸又是一个正压、负压反复交替的过程。因此，上呼吸道任何原因造成的阻塞或通气不畅都可导致OSAHS的发生[5]。从生理解剖上看，上气道自上而下分为鼻咽、口咽和喉咽。舌骨作为舌体和其他相关肌肉的附着骨，其所处的口咽部是上气道阻塞的主要部位。下颌前伸类口腔矫治器治疗OSAHS的机理[17]正是使下颌前移，因而颏舌肌、舌骨舌肌等肌肉张力增大，从而带动舌根部及舌骨向前移，口咽部气道间隙增大，这使得口咽部组织因睡眠吸气期负压而产生塌陷的可能性明显减小，从而削弱了呼吸暂停发生的病理基础。

1.1.3 OSAHS的治疗

目前，OSAHS的治疗主要分为手术治疗和非手术治疗，其中非手术治疗包括经鼻持续正压通气（CPAP）、口腔矫治器治疗和药物治疗等。非手术治疗中CPAP是治疗OSAHS较为经典的方法，但是其价格昂贵，携带不便。相比较而言，口腔矫治器作为治疗OSAHS的另一种非手术方法，以其无创、经济、便携而越来越为大多数患者所接受，其应用效果也在临床上得到肯定[18]，是CPAP之外一种较好的保守疗法。但口腔矫治器和CPAP只能用于预防而不能治愈，需终生戴用，因此口腔矫治器的进一步发展方向将是在保证疗效的基础上更加舒适、便利。以AHI较治疗前降低50%或降至5次/h以下为标准，口腔矫治器的有效率可达80%以上[19]，所以口腔矫治器治疗轻、中度 OSAHS患者有效，对于重度患者，则可以配合CPAP达到治疗效果。

1.2口腔矫治器治疗OSAHS

1982年，Cartright和Samelson发明了第一种治疗OSAHS的口腔矫治器，1984年， Meier Ewert等首次将下颌前移矫治器用于治疗OSAHS。口腔矫治器作为OSAHS的一种保守治疗手段，已经应用20余年，因其避免了手术治疗的危险性和不良反应而得到广泛应用。[20-22]

目前，治疗OSAHS的口腔矫治器主要有以下几种类型：（1）舌牵引器。矫治器直接作用于舌体，靠真空负压原理将舌尖吸附在奶嘴样弹性塑料泡的口腔前庭盾，舌的前伸使腭咽、舌咽扩大。舌牵引器的使用远不如下颌前移矫治器广泛。（2）软腭作用器。它是通过将软腭上抬，加大软腭与舌背之间的空间，而不易产生鼾声。此类矫治器舒适度较差，现今使用较少。（3）下颌前移矫治器。它是目前应用最为广泛的一类矫治器，睡眠时通过将下颌被动地固定于向前向下的位置，进而使颏舌肌、舌骨舌肌等肌肉张力增大，并带动舌根部及舌骨向前移动，同时由于颏舌肌收缩带动舌体前移，狭窄的咽气道增大，增加上气道的稳定性，从而使睡眠呼吸紊乱得到缓解。改良Activator式矫治器、改良Twin-Block式矫治器、Herbst矫治器、Silensor矫治器、阻鼾器及软塑料复位器式矫治器等均属此类。

口腔矫治器主要应用于轻、中度OSAHS患者的治疗，其治疗[21]机理主要是利用形态学的特点，即增加气道体积，特别是口咽部气道体积，通过牵引下颌骨向前，抬高软腭，同时牵引舌主动或被动前移，使腭咽和舌咽的容积增加，软腭长度减小，软腭与舌体接触长度缩短，舌骨位置升高，减少舌体对软腭及悬雍垂的压迫，从而使后气道间隙扩大，消除上气道的阻塞。同时，通过刺激颞下颌关节的感受器，激活颏舌肌活性，缓解呼吸暂停，从而改善睡眠呼吸质量，进一步降低呼吸紊乱程度。

高雪梅等[23]研究中直接观察到阻塞点减少或消失，多点阻塞转为单点阻塞，这是矫治器能够治疗OSAHS的直接原因。Sanner等[24]在Müller动作时对上气道进行MRI成像，发现上气道的打开与下颌矫治器的有效治疗有关。弓煦等[25]在2007年的全国睡眠呼吸障碍学术会议上做了《OSAHS患者长期戴用口腔矫治器的情况调查》报告，指出长期使用口腔矫治器治疗患者耐受性高，疗效较好，能提高患者的生活质量，不适副作用较轻，86%的副作用能够在患者一段时间的适应后消退。近年来临床上使用的自行调节式口腔矫治器[25]能根据患者的自觉症状，在医师指导下由患者自行调节下颌前伸位置，减少了副作用，提高了患者的舒适度，取得了较好的临床疗效[18]。

综上所述，口腔矫治器作为除CPAP之外的一种有效保守治疗手段，正被越来越多的OSAHS患者所接受。通过睡眠质量问卷调查[25]发现，口腔矫治器大大改善了患者的生活质量。尽管如此，口腔矫治器还是会给患者带来一些不适，如何在取得最大治疗效果的同时，将副作用降到最低正是学者们努力的目标。本文从OSAHS患者的解剖和治疗机理入手，为今后的进一步研究奠定基础。

1.3三维有限元在OSAHS中的应用

有限单元法（Finite element method, FEM）是一种在工程科学技术中广泛应用的数学物理方法，它将待分析的连续实体离散成若干个单元，然后以各单元的结合体代替原连续体并逐个研究每个单元的力学性质，建立单元的刚度方程，最后根据给定的载荷条件将其组集成总体刚度方程，按照给定的边界位移条件求解总体刚度方程组，得到单元所有节点的位移，并据此计算单元的内力和应力[26]。

1956年Turner等提出有限元的概念以来，有限元理论及应用得到了迅速的发展。20世纪80年代以来，生物力学逐渐在口腔领域得到了越来越广泛的应用，使有限元为代表的数值分析方法在口腔医学领域得到了进一步发展。有限元法建立的模型更加接近客观实体，而且在模拟实验中，可以根据实验要求对模型进行模拟拉伸、弯曲、扭转、三点弯、抗疲劳等力学实验，进而分析模型的应力变化情况。[27-28]

三维有限元用于OSAHS患者气道流场方面的研究比较多。1998年，Shome等人[29]对OSAS患者的咽腔进行了三维重建，模拟患者吸气时的气流特性，并与治疗后OSAS患者的咽腔流场特性进行了比较。2004年，Allen等人[30]建立了OSA小儿上气道的三维有限元模型，对其中的气体流场进行了稳态模拟及分析。2006年，孙秀珍等[31]用表面重建的方法对人体上呼吸道进行三维重建并用有限元方法对整个腔体中的气体流动进行数值模拟及分析，证实所建模型较真实地反映了实际解剖结构形态。同年，Khaled F等[32]用有限元模型，准确地得出健康人清醒或睡眠状态下一个呼吸循环过程中任意时刻的鼻咽横断面积，并可动态地观测鼻咽横断面积的变化。2009年，王莹等[33]基于OSAHS患者与正常人上呼吸道螺旋CT影像数据及Weibel模型A的气管—支气管模型，建立了精确量化的上呼吸道生物力学模型，将患者与正常人的数值模拟结果进行比较，得出患者上呼吸道气流速度、压力和壁面剪切应力的分布以及数值均明显异于正常人。李松青等[34]建立了正常人群和OSAHS患者的上气道及其毗邻结构的三维有限元模型，首次进行软硬组织相结合的建模，该模型包括下颌骨、舌骨、上气道及其周围连接的肌肉组织结构，为本实验提供了经验和基础。

口腔医学领域中，有限元法在牙合模型以及气道流场分析方面应用较多，并且相对比较成熟。但有关上气道三维有限元模型建立的研究国内外都很少，而且目前运用三维有限元进行软组织重建的例子也很少，软硬组织的成功拟合也是一个技术难题。但基于有限元模型与解剖模型的高度几何相似度、生物相似性以及模型分析时可以方便地观察上气道在不同状态下的变化，我们拟建立上气道及其周围组织的三维有限元模型，通过对下颌骨加载不同的前伸量，模拟下颌前伸类口腔矫治器，观察舌骨位置的变化，为OSAHS的病因研究及临床治疗提供参考。

1.4本课题的研究意义

许多学者研究发现OSAHS患者在戴用口腔矫治器前后舌骨位置发生了变化。赵颖等[35]用X线头影测量法比较了31例OSAS患者和鼾症患者戴用 Snoreguard 治疗前后上气道及其周围结构的形态变化，发现戴用Snoreguard后舌骨向前向上移动。高雪梅等[36]认为口腔矫治器治疗机制得以实现的一个假说是通过“下颌→舌骨→舌”的相连改变扩大舌咽，进而扩大上气道。有学者认为[37]，通过矫治器为OSAHS患者提供稳定的下颌前移位置并避免舌骨的下移是这种方法取得良好疗效的重要因素。温伟生等[38]等通过对30例青年男性分别拍摄常规头影测量侧位片及仰卧位头颅侧位片，将舌骨位置与最小矢状咽径大小做相关分析，得出舌骨的位置可作为判定下咽气道大小的重要指标的结论。

以上研究表明，舌骨位置与上气道大小之间是有关联的，但通常口腔矫治器前伸和垂直打开下颌是治疗的主要途径。研究舌骨位置的变化是否与下颌前伸量之间存在某种直接或间接的联系，将对临床上下颌的前伸定位具有一定的指导意义。

关于下颌前伸对OSAHS患者舌骨位置影响的研究很多，有二维研究（X线头影测量）和三维研究（CT、MRI），但运用计算机虚拟技术研究下颌前伸对OSAHS患者舌骨位置影响的研究国内尚未见报道。三维有限元分析以其能对复杂的结构、形态、载荷和材料力学性能进行应力分析比较，成为口腔生物力学研究中的重要手段[37]。本课题拟用三维有限元分析方法研究自行调节式口腔矫治器对OSAHS患者舌骨位置的影响，为今后矫治器治疗机理提供一定依据。

2材料与方法

2.1有限元三维重建的发展

有限元分析法的基础是有限元模型的建立，模型的准确与否直接关系到研究的结果和意义。它可以对复杂几何形状物体进行建模，求得整体和局部的应力和位移值及其分布规律，并可以根据需要改变载荷与边界约束条件等力学参数，方便地对其应力大小和分布变化进行对比分析。该研究方法高效、精确，已成为非线性分析的一种实用、有效、方便的应力分析方法[38]。目前三维有限元法在国内外口腔研究中的应用已十分广泛，基于医学图像建立三维有限元模型已经成为人体生物力学研究的一个重要方向。

如今，有限元模型已广泛应用于人体生物力学的研究。随着计算机可视化技术的快速发展，特别是计算机断层射线扫描成像（CT）和核磁共振成像（MRI）技术中二维医学图像的清晰获取，使人体中不能被完全描述的内部信息、各脏器不易得到的相对空间中的位置关系，可以通过三维有限元模型的重建得到直观的表达，为医生临床实践提供直观的参照。这些因素促使三维重建技术在医学诊断及研究领域的应用日益增多。近年来，电子计算机技术的发展以及一些大型三维重建软件如Mimics的出现，使建立复杂、精确的三维有限元模型成为可能，有限元计算软件如Ansys、Abaqus的开发使有限元模型的建立更为简单。

目前有限元三维建模的方法主要有以下几种[39]：

（1）磨片切片法：通过切割模型，逐层测绘断层外形坐标，把截面图像输入计算机，进行图像处理及分析。此法会破坏模型，过程比较复杂，在切片时无法做到精确，主观性大，对一些复杂精细的结构无法准确表达。

（2）三维测量法：对模型采用扫描、全息照相的方法进行测量，获取三维数据，在计算机中建成三维模型。其缺点是成本较高，数据处理时间较长[40]；模型生成后还要进行数据转换，才能为有限元建模使用；只能得到表面数据，无法反映内在的组织结构特性。

（3）图像处理法：采用CT扫描拍摄胶片，再经摄像、图像采集等多种手段对CT断层片图像进行处理和转化，在反复操作过程中易因各种人为因素造成数据损失。

（4）DICOM数据直接建模法：此法简化了CT建模的程序，可直接进行数据的存取和传输，最大限度地保证信息和数据的完整和准确性，且数据和图像可重复使用。

本实验采用DICOM数据直接建模法，将图像信息直接导入Mimics软件，对DICOM数据进行直接建模。此法简化了CT建模的程序，避免因反复操作造成数据失真或丢失，真正实现了自动化辅助建模[41]。

2.2建立上气道及其毗邻结构的三维有限元模型

2.2.1样本来源

根据阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征诊断标准（2007年中华医学会呼吸病学分会制定），以及本实验的纳入和排除标准，选取一名经夜间多导睡眠仪（PSG）监测并确诊为OSAHS的男性患者，AHI为36次/h, Lowest SO2（%）为83.76%，经下颌前伸矫治器治疗有效并自愿停用矫治器3个月，停用期间未接受其他任何治疗。其主要症状有临床打鼾、憋气、呼吸暂停、白天嗜睡，排除了其他导致上气道阻塞的各种解剖或病理因素。

2.2.2设备条件与软件

设备：美国GE公司Lightspeed pro 16螺旋扫描CT和ADW 4.3工作站软件；Materialise Mimics 10.01扫描数据模拟重建软件（Materialise公司，比利时）; Imageware 10.0逆向工程软件（EDS公司，美国）; Ansys 8.0软件（Ansys公司，美国）。

Mimics是Materialise公司的交互式医学影像控制系统，即Materialise's interactive medical image control system。它是模块化结构的软件，其基础模块能够导入多种格式（特别是符合DICOM标准的格式）断层扫描图像，建立3D模型进行编辑，然后输出通用的CAD（计算机辅助设计）、FEA（有限元分析）、RP（快速成型）格式，可以在PC机上进行大规模数据的转换处理，是扫描（CT、MRI）等数据与快速成型STL文件格式、计算机辅助设计和有限元分析之间的工具界面。Mimics可以直接读取CT输出的图像信息，并对其进行直接建模，打破了以往CT、MRI等二维断层扫描技术的局限性，将这些图片进行三维重建，是连接断层扫描图片与快速原型制造的桥梁[42]。Mimics具有将影像图片转化成三维实体的功能，同时也具有将三维实体转化成影像图片的逆向工程功能。它提供了多个有限元软件的接口，通过这些接口可以将重建的三维模型输出。Mimics输出的面模型被读入有限元软件进行体网格的划分，从而利用力学求解器求解。本研究中，我们选用Ansys软件进行有限元模型的分析。Mimics三维重建后的模型是面网格格式的模型，所以被读入有限元软件中不能直接进行有限元分析。目前Mimics提供的接口主要有Patran、Nastran、Abaqus、Fluent和Ansys。

Imageware软件是逆向工程软件，由美国EDS公司出品，主要用来做逆向工程。它处理数据的流程遵循点—曲线—曲面原则，其主要处理流程包括点过程、曲线创造过程和曲面创建过程。首先利用三坐标测量仪器测出模型表面点阵数据，并用诸如圆柱面、球面、平面等特殊的点信息将点阵准确对齐，对点阵进行判断，去除噪音点，然后通过改变控制点的数目来调整曲线（控制点增多则形状吻合度好，控制点减少则曲线较为光顺），为后续模型建立做适当修改并判断和决定生成哪种类型的曲面。

Ansys 8.0软件由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国Ansys开发，Ansys软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析等，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线、截面（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。通过Mimics与Ansys的专用接口，可将附好材质的实体模型完整地导入Ansys 10.0，避免了数据转换导致的数据丢失与识别错误。

2.2.3 CT图像数据采集

设备：美国GE公司Lightspeed pro 16螺旋扫描CT。

摄片体位：仰卧位，身体两侧对称无偏斜，使下颌骨后缘与C2椎体前缘接近，上下齿自然对合，舌尖抵上切牙舌面，摄片过程中勿吞咽和咀嚼。

扫描参数：球管电压与电流120 kV/230 mA，对患者自颅顶至环状软骨下端进行连续扫描，扫描间距0.625 mm，扫描线与颌平面平行。保证拍摄过程中体位不变。共得到218层CT图像，以DICOM格式数据文件刻录存盘。

2.2.4上气道及其毗邻结构三维有限元模型的建立

将CT扫描所获得的DICOM格式数据文件导入Mimics 10.01软件中，由于该软件难以自动区分扫描方向，需手动设置相应视图方向，设定完成后顺利读入建模数据，此时可以看到轴状面、冠状面、矢状面的三个视图。

基于Mimics强大的图像分割工具，用户可以方便地选定目标组织。Mimics根据灰度值来区分不同组织，它可通过自带的阈值分割技术，对不同组织进行自动识别。灰度值大的组织，阈值就高，因此可以通过设定不同的阈值区间来识取不同的组织，识别出骨（bone）:226-3071、软组织（soft tissue）:-188-151及气道（airway）:-1024-（-490）。准确的阈值设置是提取组织的关键，可以结合视图，检查阈值为当前设定值时提取的组织是否合适。如果阈值最小值设置得太低，会提取许多噪点；反之，阈值最小值设置得太高，会有许多组织丢失[43]。

图1 CT的典型图层

由于CT对软组织识别的局限性，本课题中所需肌肉（颏舌骨肌、下颌舌骨肌、颏舌肌）分别建模有困难，因此对肌肉的建模采取如下简化方法：将肌肉作为一个整体进行建模，并将与气道接触处的肌肉边缘和气道的边缘重合，与下颌骨接触处的肌肉边缘由下颌骨的边缘确定，这一过程主要在Ansys软件内完成。下面以舌骨为例说明建模的过程。

（1）将CT数据导入Mimics软件中，初始界面如图2所示。对原始CT扫描图像进行筛选，选出所需组织所在的CT层面。

（2）点击Segmentation模块中的Threshold进行阈值选取，定义CT值为bone（CT），由此识取出所需的骨组织部分，如图3。

（3）如图6，获得骨组织的原始蒙罩后，就要具体提取舌骨部分，选择轴状面视图，并在舌骨部分选择区域生长，舌骨部分自动显示出黄色区域。

区域生长通过在灰度级中观察两个空间邻接像素之间或像素集合的平均灰度级间的最小差分，从而产生不同的区域。它能将具有相同特征的联通区域分割出来，并能提供很好的边界信息和分割结果。但是噪声和灰度不均一可能会导致空洞和过分割，所以为了不遗失所需组织，并避免给后续分析带来麻烦，有必要对空洞进行填充。

图2 Mimics初始界面

图3阈值选取

图4各组织的选取图

图5皮质骨和松质骨分离

图6区域生长

图7区域生长完成

（4）如图8，为了彻底提取出所需要的组织并方便后续计算，需要擦除其他不需要的部分，并对所需要组织进行空洞填充。

图8空洞填充前后

（5）对舌骨所在的所有层面重复以上操作后，初步的舌骨几何模型就可以建立了。

图9舌骨几何模型

需要注意的是，这里的舌骨几何模型还只是一个壳模型，不是实体模型，然而之后的分析需要对三维实体模型进行分析研究，因此，要进一步生成体模型，这时要借助其他建模软件。

在进行体模型生成之前，还需要对当前的面模型进行优化光滑处理，并对面单元进行校正，提高单元质量。Magics是Mimics自带的对模型进行重划分的FEA软件[44]，可以有效解决这个问题，大大简化了后续的计算分析。

（6）点击FEA模块中的Remesh按钮，自动调用Magics软件。

在工具栏中选择Smoothing和Triangle reduction，分别对模型进行光滑处理和重新划分网格并清除网格质量差的三角片，不仅最大化地优化了模型，而且减少了有限元的分析量[45]。

图10打开Remesh窗口

Mimics中的Boolean Operations（布尔运算）包括Unite（加）、Minus（减）和Intersect （相交），通过加运算可以实现气道、下颌骨、舌骨的整合。此时，Mimics三维重建后的模型是面网格格式的模型，读入到有限元软件中是不能直接进行有限元分析的。将其以．iges格式导出另存，导入到逆向工程软件Imageware中。

图11模型光滑

图12减少质量差的三角片

（7）从Mimics中将文件以．iges格式导出，之后导入Imageware软件，在Imageware中将点云连接成B-spline样条曲线，为之后在Ansys中进一步工作做准备。

图13点云

（8）选取部分点云。

（9）如图14所示，Creat-3D curve-3D B-spline打开线构建窗口。

（10）如图15，开始构建B-spline样条曲线。

（11）将所有点云连成B-spline样条曲线后，删除点云，只留下样条曲线并保存，所存文件即为下一步过程所要使用的．iges格式文件。

（12）曲面的创建。

（13）重复以上过程，将气道、下颌骨的松质骨和皮质骨、髁突与颞下颌关节盘以及肌肉分别连成B-spline样条曲线。对已生成面模型取点，对模型点云进行分层、对齐、去噪等处理后，在该软件中进行B样条曲线拟合、自由曲面拟合，拟合过程中可以改变曲线或点的位置，使生成的曲面更趋于光滑。此部分点云数量巨大，工作量繁重，生成的曲线以．iges格式保存并导入Ansys软件进行体模型建立。

（14）在Ansys 8.0软件中采用布尔运算等前处理方法将从Imageware中得到的曲线模型连接为面，进而生成体模型，即可得几何模型。肌肉模型则是利用Ansys中已建立好的骨、肌肉软组织、气道的面通过共面处理获得的简化肌肉模型，该模型真实还原了颏舌肌、下颌舌骨肌、颏舌骨肌等关键肌肉，根据CT片中生理解剖关系进行连接。生成的几何模型如图19所示。

（15）将体网格文件导回Mimics，将图像的CT值与单元材料属性建立函数关系从而给不同的下颌骨单元赋予不同的材质，各单元材料特性依据CT值—密度—弹性模量间的经验关系进行计算，其原理为CT扫描后的颅骨影像数据含有骨灰度值（CT值），在Mimics中，由经验公式根据灰度值可计算出密度，然后由密度求出弹性模量。

图14打开线构建窗口

图15构建B-spline样条曲线

图16打开线构建窗口

图17曲面构建

图18面模型

图19几何模型

表2材料属性

经验公式中，Gv（Grayvalue）代表下颌骨的灰度值（CT值）。

经经验公式得出，骨的弹性模量为2700 MPa，泊松比为0.3；肌肉的弹性模量为20 MPa，泊松比为0.45；由于气道为空腔结构，根据以往文献报道选取气道弹性模量为1 MPa，泊松比为0.49。网格采用自动与手动相结合的方式进行划分，单元采用10节点的Solid 92四面体单元，皮质骨、松质骨、肌肉及气道得到的单元数和节点数分别为：562920、50141、336789个单元，544929、84869、303134个节点。

图20有限元模型

（16）对该模型进行划分网格、加载约束条件后即生成如图20所示的包含上气道、舌骨、下颌骨及周围肌肉的三维有限元模型。为方便实验后数据的读取与结果的实现，全部采用模块化模型。

2.3条件假设及边界约束

2.3.1模型的实验条件假设

为了简化分析计算与建模方便起见，在模型的构建中进行了如下假设与简化：

（1）将连接下颌骨和舌骨之间的肌肉作为整体建模，没有对连接肌肉和骨之间的骨膜进行建模，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会带来微小的误差。

（2）所有组织都假定为各向同性、均质材料。

2.3.2整体模型边界约束及下颌骨前伸加载

（1）加载方式及大小：采用给定位移矢量加载，选定下颌骨矢状正中最前点作为模拟位移加载点，对下颌骨加载前伸位移，分别模拟下颌位于下颌最大前伸量的20%、40%、60%、68%（医师经验位[45-47]）、70%、75%、80%、100%以及患者调节位。临床上测量患者下颌最大前伸量为13.00 mm，患者调节位为9.10 mm，故模拟的下颌前伸位移分别为2.60、5.20、7.80、8.84、9.10、9.75、10.40、13.00 mm。

（2）边界条件：假设模型材料和组织为均质连续、各向同性的线弹性材料；材料受力变形为小变形；假设各部分结构在加载下不发生相对滑动；限制与颈椎相连的肌肉部分的位移，对下颌骨限制与髁突相连的关节盘表面的位移，限制下颌角部位的位移。

参照北京大学赵雪岩等[48]的研究方法，在模型的上气道选取软腭末端横截面的横径及矢状径变化作为观测指标。由于截面的面积无法取得，我们对矢状径与横径分别取权重，得出一个气道综合变化因子，以此代表气道截面的变化，对不同下颌前伸位置进行疗效评测。由于目前没有文献证实矢状径与横径对气道的影响比重，故对二者分别取0.5的权重，假设气道综合变化因子为M, M=0.5△矢状径+0.5△横径，选取M作为相应上气道测量指标并观察腭末端横截面的变化。以舌骨矢状正中最前点为舌骨位置变化观测点，观察下颌骨不同工况下舌骨位移变化及应力变化，分析下颌前伸量与舌骨位置变化之间的相关性。

3结果

3.1建立OSAHS患者上气道及其毗邻结构的三维有限元模型

采用螺旋CT扫描技术，以DICOM数据直接建模法建立模型。首先将CT图像以DICOM格式导入Mimics 10.01软件中，利用软件自带的阈值分割技术，根据灰度值对不同组织进行自动识别，进而区分骨骼、肌肉、气道等不同组织。之后通过边缘识别、空洞填补、3D模型生成、网格划分等程序，建立了包含下颌骨、舌骨、舌体、软腭、上气道、上气道周围肌肉及软组织的三维模型。在Imageware中遵循点—曲线—曲面原则，对模型点云数据进行降噪、对齐，并对点云进行B样条曲线、曲面创建、自由曲面的光滑化处理及建模，并将得到的面模型导入Ansys 8.0软件进行前处理，获得体模型并进行网格划分。由于实体模型软组织建模的复杂性及其与周围组织连接困难，故将连接下颌骨和舌骨以及气道之间的肌肉作为一个整体进行建模，对模型中肌肉与骨的连接部分进行共面处理，建立了OSAHS患者上气道及其周围结构的三维有限元模型。由于实验分析需要，要对模型进行材质赋予。为了简化计算分析，假设模型中各材料和组织为连续、均质和各向同性的线弹性材料。实验各材料的弹性模量参阅文献并与Mimics软件赋值相结合，采用10节点的Solid 92四面体单元，提高了模型的相似性和准确度，分析结果更接近实际。计算机按要求划分网格后，所划分的网格单元采用10节点的Solid 92四面体单元划分单元和节点，皮质骨、松质骨、肌肉及气道得到的单元数和节点数分别为：562920、50141、336789个单元，544929、84869、303134个节点。

3.2模型验证

对建立的下颌骨模型加载前伸位移，其相应的应力和位移验证结果如图21所示。下颌骨最大位移位于前牙区；下颌骨整体应力分布均匀，两侧应力分布对称，其中髁突颈部、冠突后侧、下颌角为应力集中区，形成从下颌骨体部至下颌角、下颌骨体部沿后牙牙槽嵴远端到下颌支前缘、冠突及冠突后侧沿下颌切迹至髁突颈部三条应力轨迹线。

图21下颌骨模型验证图

3.3下颌逐步前伸对OSAHS患者舌骨位移变化及应力变化的影响

对三维有限元模型中的下颌骨模型前牙区分别加载下颌前伸2.60、5.20、7.80、8.84、9.10、9.75、10.40、13.00 mm时，发现舌骨位置及舌骨所受应力均发生改变，由于主要观察舌骨在矢状方向和垂直方向的变化，故选取Y 轴和Z轴进行观察。具体加载结果如下：

加载下颌前伸2.60 mm时，舌骨整体位移在舌骨体正中最大，为0.60 mm，其两侧由于解剖因素，稍不对称；在Y 轴方向上，舌骨各部分均沿Y 轴负向移动，其中舌骨体正中移动0.10 mm；在Z轴方向上，舌骨各部分均沿Z轴正向移动，舌骨体正中位移最大，为0.57 mm。舌骨平均应力最大为2.51。

加载下颌前伸5.20 mm时，舌骨整体位移在舌骨体正中最大，为1.20 mm，其两侧由于解剖因素，稍不对称；在Y 轴方向上，舌骨各部分均沿Y 轴负向移动，其中舌骨体正中移动0.377 mm；在Z轴方向上，舌骨各部分均沿Z轴正向移动，舌骨体正中位移最大，为1.14 mm。舌骨平均应力分布未变，最大为5.03。

加载下颌前伸7.80 mm时，舌骨整体位移在舌骨大角处最大，为12.587 mm，舌骨体正中最小，为5.689 mm，其两侧对称；在Y 轴方向上，舌骨体上方及舌骨大角沿Y 轴负向移动，其中舌骨体下部沿Y 轴正向移动；在Z轴方向上，舌骨体前部均沿Z轴正向移动，舌骨体正中位移最小，为5.49 mm。舌骨平均应力分布改变，变化最大为2.65。

加载下颌前伸8.84 mm时，舌骨整体位移在舌骨体正中最大，为2.05 mm，其两侧由于解剖因素，稍不对称；在Y 轴方向上，舌骨各部分均沿Y 轴负向移动，其中舌骨体正中移动最大，为0.69 mm；在Z轴方向上，舌骨各部分均沿Z轴正向移动，舌骨体正中位移最大，为1.94 mm。舌骨平均应力分布未变，最大为8.59。

加载下颌前伸9.10 mm时，舌骨整体位移在舌骨体正中最大，为2.10 mm，其两侧由于解剖因素，稍不对称；在Y 轴方向上，舌骨各部分均沿Y 轴负向移动，其中舌骨体正中移动0.66 mm；在Z轴方向上，舌骨各部分均沿Z轴正向移动，舌骨体正中位移最大，为2.00 mm。舌骨平均应力分布未变，最大为8.79。

加载下颌前伸9.75 mm时，舌骨整体位移在舌骨体正中最大，为2.26 mm，其两侧由于解剖因素，稍不对称；在Y 轴方向上，舌骨各部分均沿Y 轴负向移动，其中舌骨体正中移动0.71 mm；在Z轴方向上，舌骨各部分均沿Z轴正向移动，舌骨体正中位移最大，为2.14 mm。舌骨平均应力分布未变，最大为9.92。

加载下颌前伸10.40 mm时，舌骨整体位移在舌骨体正中最大，为2.41 mm，其两侧由于解剖因素，稍不对称；在Y 轴方向上，舌骨各部分均沿Y 轴负向移动，其中舌骨体正中移动0.76 mm；在Z轴方向上，舌骨各部分均沿Z轴正向移动，舌骨体正中位移最大，为2.28 mm。舌骨平均应力分布未变，最大为10.05。

加载下颌前伸13.00 mm时，舌骨整体位移在舌骨体正中最大，为3.01 mm，其两侧由于解剖因素，稍不对称；在Y 轴方向上，舌骨各部分均沿Y 轴负向移动，其中舌骨体正中移动0.98 mm；在Z轴方向上，舌骨各部分均沿Z轴正向移动，舌骨体正中位移最大，为2.85 mm。舌骨平均应力分布未变，最大为12.56。

加载下颌前伸分别为2.60、5.20、7.80、8.84、9.10、9.75、10.40、13.00 mm时，舌骨矢状正中最前点的位移分别为0.59502、1.19、5.885、2.0231、2.0826、2.2313、2.3801和2.9751，除7.80 mm位点突然增大外，舌骨矢状正中最前点位移呈递增趋势。

综上结果显示，除加载下颌前伸7.80 mm以外，随下颌加载前伸量增大，舌骨整体位移增大，舌骨体正中位移增大；在Y 轴方向上，舌骨各部分均沿负向移动，位移量随加载量增大而增大，在13.00 mm时达到最大；在Z轴方向上，舌骨各部分均沿正向移动，舌骨正中位移最大，随加载量增大而增大。整个加载过程中，舌骨应力分布基本不变。加载下颌前伸7.80 mm时，舌骨各项参数都达到最大。舌骨整体位移增大至12.587 mm，在舌骨大角处最大，舌骨体正中最小，为5.689 mm；在Y 轴方向上，舌骨体上方及舌骨大角沿Y 轴负向移动，其中舌骨体下部沿Y 轴正向移动，舌骨呈旋转变化；在Z轴方向上，舌骨各部分均沿正向移动，舌骨正中位移最小，舌骨应力分布也不同于其他加载位置。

3.4下颌逐步前伸对OSAHS患者口咽部上气道壁的影响

对三维有限元模型中的下颌骨模型前牙区加载下颌前伸2.60、5.20、7.80、8.84、9.10、9.75、10.40、13.00 mm，参照北京大学赵雪岩等[48]的研究方法，在模型的上气道选取软腭末端横截面的横径及矢状径变化作为观测指标，观察气道截面变化。具体加载结果如下：

加载下颌前伸2.60 mm时，上气道腭咽软腭末端截面在X轴位移云图上，右侧沿X轴正向移动了0.04652 mm，左侧沿X轴负向移动了0.04015 mm，气道截面在X轴方向上减小了0.08667 mm，即气道横径减小了0.08667 mm。上气道腭咽平面在Y 轴位移云图上，气道前后壁均沿Y轴负向移动，前壁前移了0.5568 mm，后壁前移了0.2017 mm，即气道矢状径减小了0.3551 mm。矢状径减小值大于横径减小值。

加载下颌前伸5.20 mm时，上气道腭咽软腭末端截面在X轴位移云图上，右侧沿X轴负向移动了0.1678 mm，左侧沿X轴正向移动了0.0931 mm，气道截面在X轴方向上增大了0.2609 mm，即气道横径增加了0.2609 mm。上气道腭咽平面在Y 轴位移云图上，气道前后壁均沿Y 轴负向移动，前壁前移了1.114 mm，后壁前移了0.1668 mm，即气道矢状径增大了0.9472 mm。矢状径增大值大于横径增大值。

加载下颌前伸7.80 mm时，上气道腭咽软腭末端截面在X轴位移云图上，右侧沿X轴正向移动了0.6168 mm，左侧沿X轴正向移动了0.5158 mm，气道截面在X轴方向上减小了0.101 mm，即气道横径减小了0.101 mm。上气道腭咽平面在Y 轴位移云图上，气道前后壁均沿Y 轴负向移动，整体前移，矢状径变化为0.653 mm。

加载下颌前伸8.84 mm时，上气道腭咽软腭末端截面在X轴位移云图上，右侧沿X轴正向移动了0.1581 mm，左侧沿X轴负向移动了0.2839 mm，气道截面在X轴方向上减小了0.442 mm，即气道横径减小了0.442 mm。上气道腭咽平面在Y 轴位移云图上，气道前后壁均沿Y 轴负向移动，前壁前移了1.893 mm，后壁前移了0.2835 mm，即气道矢状径增大了1.6095 mm。

加载下颌前伸9.10 mm时，上气道腭咽软腭末端截面在X轴位移云图上，右侧沿X轴正向移动了0.1629 mm，左侧沿X轴负向移动了0.2923 mm，气道截面在X轴方向上减小了0.4552 mm，即气道横径减小了0.4552 mm。上气道腭咽平面在Y 轴位移云图上，气道前后壁均沿Y 轴负向移动，前壁前移了1.949 mm，后壁前移了0.2911 mm，即气道矢状径增大了1.6579 mm。

加载下颌前伸9.75 mm时，上气道腭咽软腭末端截面在X轴位移云图上，右侧沿X轴正向移动了0.1745 mm，左侧沿X轴负向移动了0.3131 mm，气道截面在X轴方向上减小了0.4876 mm，即气道横径减小了0.4876 mm。上气道腭咽平面在Y 轴位移云图上，气道前后壁均沿Y 轴负向移动，前壁前移了2.088 mm，后壁前移了0.3127 mm，即气道矢状径增大了1.7753 mm。

加载下颌前伸10.40 mm时，上气道腭咽软腭末端截面在X轴位移云图上，右侧沿X轴正向移动了0.1861 mm，左侧沿X轴负向移动了0.3340 mm，气道截面在X轴方向上减小了0.5201 mm，即气道横径减小了0.5201 mm。上气道腭咽平面在Y 轴位移云图上，气道前后壁均沿Y 轴负向移动，前壁前移了2.227 mm，后壁前移了0.3335 mm，即气道矢状径增大了1.8935 mm。

加载下颌前伸13.00 mm时，上气道腭咽软腭末端截面在X轴位移云图上，右侧沿X轴正向移动了0.2326 mm，左侧沿X轴负向移动了0.4175 mm，气道截面在X轴方向上减小了0.6501 mm，即气道横径减小了0.6501 mm。上气道腭咽平面在Y 轴位移云图上，气道前后壁均沿Y 轴负向移动，前壁前移了2.784 mm，后壁前移了0.4169 mm，即气道矢状径增大了2.3671 mm。

综上结果显示，患者上气道是以前后径为长轴的椭圆形，气道腭咽软腭末端截面最大位移出现在下颌前伸13.00 mm时，其中横径最小、矢状径最大；随着下颌逐步前伸，截面横径呈减小趋势、矢状径呈增大趋势，截面的形状更趋于长轴位于矢状方向的椭圆形。

运用SPSS 13.0软件，对下颌前伸加载量与相应位置的舌骨整体位移的相关性进行回归分析，假设下颌前伸加载量为自变量x，相应位置的舌骨整体位移为应变量y。统计结果中，相关系数r=0.290，回归验证F=3.678, P=0.062>0.05，回归系数β=0.461，从而得出二者的回归系数方程为：y=1.211+0.461x。此时，下颌前伸加载量与舌骨整体位移间相关系数仅为0.290，可以认为二者间相关性很低。若剔除7.80 mm时的数值，对余下的下颌前伸加载量与相应位置的舌骨整体位移的相关性进行回归分析，得到相关系数r=0.999，回归验证F=11219009.06, P=0.000<0.05，回归系数β=0.232，从而得出二者的回归系数方程为：y=-0.03+0.232x。此时，下颌前伸加载量与舌骨整体位移间的相关系数达到0.999，几乎完全相关。

此外，对下颌前伸加载量与舌骨矢状正中最前点位移进行回归分析，包括7.80 mm位置数值时，二者相关系数仅为0.402。排除7.80 mm位置数值时，二者相关系数高达0.999。

表3 OSAHS患者下颌前伸模拟计算最大分析值

注：“↑”代表增加，“↓”代表减少。

4讨论

国内外资料显示，OSAHS在成年人中的患病率为2%~4%，是多种全身疾患的独立危险因素[47]。OSAHS严重危害人们的健康，导致心脑血管病，而心脑血管病已居全球疾病死因的首位。

OSAHS的发病机制至今仍不十分明确，但上气道解剖性狭窄是公认的最常见原因[1]。舌骨位置改变是OSAHS发病的一个重要因素也已被大家公认[5]。高雪梅等[36]认为口腔矫治器治疗机制得以实现的一个假说是通过“下颌→舌骨→舌”的相连改变扩大舌咽，进而扩大上气道。

目前，对OSAHS患者上气道形态的研究多采用X线、CT和MRI等影像学手段，但X线、CT、MRI技术只是OSAHS的一种影像学诊断技术，难以对患者进行数值模拟及分析。通过三维有限元技术，可以对患者解剖结构建模，赋予结构材质，模拟数值加载，从而对复杂的形态结构的力学性能进行应力分析，进而比较上气道的受力变化、应力分析等情况。因此，有限元法无疑具有更大的优势。它不仅能够提供直观的三维影像，还能利用相关软件对所获得的三维图像进行三维有限元分析，从而为研究分析带来极大的便捷。

4.1 DICOM数据直接建模法建立上气道及其毗邻结构的三维有限元模型

随着计算机可视化技术的快速发展，特别是计算机断层射线扫描成像（CT）和核磁共振成像（MRI）技术中二维医学图像的清晰获取，人体不能被完全描述的内部信息以及各脏器不易得到的相对空间中的位置关系，可以通过三维有限元模型的重建得到直观的表达，为医生临床实践提供直观的参照。这些因素促使三维重建技术在医学诊断及研究领域的应用日益增多。有限元分析法的基础是有限元模型的建立，模型的准确与否直接关系到研究的结果和意义。目前，有限元三维建模的方法主要有磨片切片法、三维测量法、图像处理法和DICOM数据直接建模法。

三维有限元用于OSAHS患者气道流场方面的研究比较多。1998年，Shome等人[29]对OSAS患者治疗前后咽腔进行三维重建，模拟吸气时的气流特性，并对流场特性进行比较。2004年，Allen等人[30]建立了小儿OSAHS患者上气道的三维有限元模型，对其气体流场进行了模拟及分析。2006年，孙秀珍等[31]用表面重建的方法对人上气道进行三维重建并用有限元方法对腔体的气体流场进行数值模拟及分析，得出了三维重建能够真实反映实际解剖结构形态的结论。同年，Khaled F等[32]用有限元模型，动态地观测鼻咽横断面积的变化。2009年，王莹、孙秀珍等[33]基于OSAHS患者与正常人上呼吸道螺旋CT影像数据及Weibel模型A的气管—支气管模型，建立了精确量化的上呼吸道生物力学模型，并将患者与正常人的数值模拟结果进行比较，得出患者上呼吸道气流速度、压力和壁面剪切应力的分布以及数值均明显异于正常人。

以上建立的上气道相关模型多以研究上气道内流体动力学为主，较少涉及上气道形态的动态变化，且几乎较少包括上气道周围组织，尤其是连接上气道、舌骨及下颌骨之间的肌肉组织，而上气道周围组织在上气道形态变化方面起主要作用。2010年，赵燕玲等[49]建立了正常人群和OSAHS患者上气道及其毗邻结构的三维有限元模型，该模型涵盖了下颌骨、舌骨、上气道及其周围连接的肌肉组织结构，为上气道软硬组织建模相结合的首次探索，为本实验提供了原始经验和创造了条件。

本实验采用DICOM 数据直接建模法，将图像信息直接导入Mimics软件，对DICOM数据进行直接建模。此法简化了CT建模的程序，避免了因反复操作造成数据失真或丢失，真正实现了自动化辅助建模[41]。本实验所建立的上气道及周围组织模型包含了下颌骨、舌骨、舌体、颞下颌关节盘及口咽部肌肉、上气道及与其相连的肌肉结构等。假设各部分结构在加载下不发生相对滑动，限制与颈椎相连的肌肉部分的位移，对下颌骨限制与髁突相连的关节盘表面的位移，限制下颌角部位的位移。实验中，将下颌骨模型中的密质骨和松质骨分别进行单独建模，模型相比以前更精确。采用10节点的Solid 92四面体单元划分单元和节点，皮质骨、松质骨、肌肉及气道得到的单元数和节点数分别为：562920、50141、336789个单元，544929、84869、303134个节点。相较以往的模型，网格划分更为精细，节点更多，模型更为精确。而且本次实验中所加入相关软组织更多，观察相对更为全面。对下颌骨整体加载前伸位移分别为2.60、5.20、7.80、8.84、9.10、9.75、10.40、13.00 mm。

DICOM 数据直接导入与三大软件Mimics 10.01、Imageware 10.0、Ansys 8.0的共同应用，避免了数据反复操作过程中的误差或丢失，同时也简化了以往研究中对CT断层图像处理和转化以提取其边缘轮廓线等繁琐过程，为建立高真实度和精确度的三维有限元模型提供了硬件基础。利用有限元分析法，对该模型加载下颌骨位置变化，观察上气道大小、形态产生的变化，为OSAHS患者上气道形态及病因研究提供一种新的方法，增加对下颌前伸矫治器治疗OSAHS机制的认识，为临床上矫治器的优化设计提供依据。

4.2加载下颌前伸对OSAHS患者舌骨的影响

临床上成功利用口腔矫治器治疗OSAHS的机理[50-51]是使舌骨位置前移，引导舌体及下颌骨前移，舌体前移使舌体后气道间隙增加，从而解除上气道的阻塞，达到治疗的目的。高雪梅等[36]认为口腔矫治器治疗机制得以实现的一个假说是通过“下颌→舌骨→舌”的相连改变扩大舌咽，进而扩大上气道。刘月华等[52]用X线头影测量技术对OSAHS患者舌骨位置进行研究，指出OSAHS患者的发病与舌骨位置异常有关。

Djupesland等[53]报道绝大多数OSAHS患者舌骨在C4～C6水平，而正常人大多在C3～C4水平。口腔颌面外科及耳鼻喉科使用舌骨悬吊术即通过舌骨位置的前移来治疗OSAHS。Battagel等[54]对58例OSAHS患者分别于正中咬合位和最大适宜前伸位拍摄X线头颅侧位片，发现下颌前伸引起舌骨位置变化的数值和方向变化范围很大。2009年，李松青等[26]研究OSAHS患者使用自行调节式口腔矫治器中舌骨位置的变化情况，得出下颌前移后，舌骨向前上移动的方向和距离是治疗OSAHS成功的一个观测点的结论。

本实验中对所建立的有限元模型中的下颌骨整体加载前伸位移分别为2.60、5.20、7.80、8.84、9.10、9.75、10.40、13.00 mm。结果显示，随下颌加载前伸量增大，舌骨整体位移增大，均为正向，舌骨正中位移最大；Y 轴方向上，舌骨各部分均沿负向移动，位移量随加载量增大呈增大趋势；在Z轴方向上，舌骨各部分均沿正向移动，舌骨正中位移最大，随加载量增大而增大。整个加载过程中，舌骨应力分布基本不变，平均应力逐渐增大。而在加载位点中，下颌前伸7.80 mm时，舌骨向上向前的位移突然增大，而舌骨应力突然减小，接近2.60 mm时的舌骨平均应力值。

运用SPSS 13.0软件，对下颌前伸加载量与相应位置的舌骨整体位移的相关性进行回归分析，统计学分析结果表明，下颌前伸加载量与舌骨整体位移间的相关系数仅为0.290，相关度很小。而不包括7.80 mm加载量时，统计学分析结果表明，下颌前伸加载量与舌骨整体位移间的相关系数达到0.999，几乎完全相关，进而得出二者的回归系数方程为：y=-0.03+0.232x。本结果一方面说明下颌前伸时，舌骨向上向前移动，且这种趋势随下颌前伸增加而增加；另一方面也说明7.80 mm是下颌前伸加载的一个重要拐点。

4.3加载下颌前伸对OSAHS患者腭咽部软腭末端气道平面的影响

咽气道是一个肌性管道，缺乏骨性或软骨性支架，而呼吸又是一个反复正压、负压交替的过程。因此，上呼吸道任何原因造成的阻塞或通气不畅都可导致OSAHS的发生[54]。口腔矫治器治疗OSAHS的原理主要是使下颌前移、上气道扩张，从而解除堵塞，因此对下颌前伸状态上气道形态变化的研究成为口腔矫治器治疗OSAHS机理的重要方面。

目前，对下颌前伸状态上气道形态变化的研究主要是对矢状径、横径及截面积的测量。Rodenstein 等[55]研究认为，OSAHS患者上气道是以前后径为长轴的椭圆形，这种形状差异可能是由上气道横径减小所导致。本研究结果显示，在OSAHS患者上气道腭咽部，气道呈矢状径大于横径的扁椭圆形，同Rodenstein等的研究一致，因此本研究参照北京大学赵雪岩等[48]选取上气道腭咽部为主要气道观测平面，在模型的上气道表面选取软腭末端横截面的横径及矢状径变化作为观测指标。

Tsuiki等[56]对10例OSAHS患者清醒状态下仰卧位下颌分别处于正常位置、前伸33%、67%位置和最大前伸位时的头颅定位侧位片进行了研究，发现下颌前伸至67%或最大前伸位时，口腔矫治器可使腭咽部上气道的矢状径显著增大，但考虑到颞下颌关节耐受等问题，可以用67%的下颌前伸替代最大下颌前伸。本实验中，患者上气道是以前后径为长轴的椭圆形，随着下颌逐步前伸，截面矢状径呈增大趋势。气道腭咽软腭末端截面最大位移出现在下颌前伸13.00 mm时，气道截面矢状径达到最大，这点与Tsuiki等的研究结果一致。

近年对上气道形态的研究发现[57]，实际上横向扩张是更为主要的变化。高雪梅等[58]通过磁共振研究下颌逐步前伸时上气道的形状改变，验证了下颌前伸主要扩张上气道侧壁。而本实验结果显示，随着下颌逐步前伸，截面横径呈减小趋势，且截面的形状更趋于长轴位于矢状方向的椭圆形。本实验中下颌前伸13.00 mm时，气道截面横径最小，矢状径最大，这与以上观点不同，可能与观察角度和截面不同有关。

本研究进一步证实OSAHS患者上气道是以前后径为长轴的椭圆形。随着下颌逐步前伸，截面横径呈减小趋势，而截面矢状径呈增大趋势，且截面的形状更趋于长轴位于矢状方向的椭圆形。下颌最大前伸位时，气道截面横径最小，矢状径最大。由于截面横径减小，矢状径增大，所以具体截面的变化无法预知。由于目前没有文献证实矢状径与横径对气道的影响比重，故对二者分别取0.5的权重，在本实验中，13.00 mm时具有最大截面，但考虑到患者颞下颌关节的耐受，还需要对患者下颌前伸进一步定位。

下颌前伸7.80 mm时，舌骨向上向前的位移突然增大，舌骨应力突然减小，接近2.60 mm时的舌骨平均应力值。同时相应的气道腭咽软腭末端截面在此加载位置时，横径较前面加载位置开始减少，矢状方向上气道整体前移，但矢状径变化不大，根据权重假设，此时的气道截面是所有位置中仅次于2.60 mm时的。因此，推断此加载位点可能是一个拐点，但可能临床效果并不是很好。在此位点上的相应变化的具体机制，也有待今后进一步研究探讨。

4.4医师经验位和患者调节位各项指标的对比

医师经验位的确定：咬合重建时，将患者最适前伸量/最大前伸量的68%作为医师经验下颌定位[59-60]。患者调节位的确定：医师经验位确立后，教会患者根据自身情况及自觉症状通过自行调节上下颌牙托间牵引装置力量大小的方法调节下颌位置，经过一段时间调节，患者下颌完全到达了自觉最佳的位置，即患者调节位。患者戴用自行调节式口腔矫治器后4个月（即医师经验位确立后3个月）选择经PSG监测有效的患者，拍摄头颅侧位片。该片下颌位置即为患者调节位。在本研究中我们应用医师经验位，即下颌加载量为8.84 mm。患者调节位在本实验中为9.10 mm，与下颌最大前伸量的70%重复。

按照本实验所设定的综合测评对上气道腭咽软腭末端平面的横径和矢状径分别取权重，得出每个加载位置时的相应综合变化因子M。M随下颌前伸逐渐增加，说明下颌前伸量越大，相应气道的截面越大，则治疗OSAHS的疗效越好。我们也可以观察到，随下颌前伸，舌骨向上向前移动，同时舌骨的平均应力也在增大。此实验中，患者调节位舌骨向上向前的位移量均大于医师经验位，且舌骨的应力分布变化不明显，舌骨平均应力相对较大。

按实验的结果，前伸量越大，气道截面越大。而患者调节位的优越性在于其在尽可能保证疗效的同时，还兼顾到患者的舒适度。这也正是Fleury等[61]认为OSAHS患者的治疗中，下颌的前伸定位应个体化，而不是简单经验位治疗的原因。

综上所述，三维有限元模型可以真实地反映OSAHS患者上气道及毗邻组织的结构及形态，有限元方法是研究上气道及周围组织形态受力后发生变化的有效生物力学方法。本实验对所建立的三维有限元模型进行载荷分析，所得数据真实、有效，为下颌前伸状态下OSAHS患者舌骨位置变化和上气道形态改变研究提供了一种新方法。

4.5研究展望

引进更先进的建模软件及技术，建立更为精确的有限元模型，为今后力学分析奠定基础；模拟睡眠状态下，下颌前移矫治器治疗OSAHS患者时上气道的形态改变和力学行为；添加矫治器的生物力学模型，更好地模拟矫治器戴入口腔后上气道形态发生的变化；寻找下颌骨位移变化与上气道大小形态改变间的量化关系，指导临床患者矫治器的前伸定位。

5结论

（1）本实验基于OSAHS患者上气道CT扫描图片，利用DICOM数据直接建模法结合建模软件Mimics 10.01重建出接近真实的OSAHS患者下颌骨、舌骨、舌体、口咽部相关肌肉、颞下颌关节盘、上气道及其相连组织等的面模型。DICOM数据直接建模法简化了CT建模的程序，避免了对CT断层片图像进行处理和转化的反复操作，直接将数据进行存取和传输，保证了信息和数据的完整和准确性，且数据和图像可重复使用。首次将下颌骨模型中的密质骨和松质骨分别进行单独建模，模型相比以前更精确。

（2）本实验所建立的上气道及毗邻组织三维有限元模型，包含了颌骨、舌骨、舌体、口咽部相关肌肉、颞下颌关节盘、上气道及其相连组织等，考虑了肌肉牵拉作用对上气道产生的影响。其中建立的肌肉模型包括气道与下颌骨间肌肉、下颌骨与舌骨间肌肉、舌骨与舌体间肌肉、舌骨与气道间肌肉，通过这些肌肉将舌骨、舌体、下颌骨、上气道连接为一个连动的整体。载荷结果显示，随着下颌逐步前伸，舌骨整体呈垂直向上、水平向前的运动，舌骨体正中位移最大，且在下颌最大前伸时达到最大，舌骨应力分布基本不变，平均应力逐渐增大；对上气道腭咽部软腭末端截面分析证实，患者上气道是以前后径为长轴的椭圆形，且随着下颌逐步前伸，截面的形状更趋于长轴位于矢状方向的椭圆形。气道腭咽软腭末端截面最大位移出现在下颌最大前伸时，其中横径最小、矢状径最大。按照本实验中的权重假设，随着下颌逐步前伸，气道截面横径呈增大趋势，在下颌最大前伸时达到最大。随着下颌逐步前伸，舌骨整体呈垂直向上、水平向前的运动，气道截面横径呈增大趋势，证实舌骨的位置可作为判定下咽气道大小的重要指标的结论。

（3）下颌前伸加载量与舌骨整体位移间的相关系数达到0.999，几乎完全相关。二者的回归系数方程为：y=-0.03+0.232x。本结果验证了口腔矫治器治疗OSAHS的机理是使舌骨位置前移，并进一步证实下颌前伸与舌骨向前向上移动正相关。

（4）本实验所设定的综合变化因子M，随下颌前伸逐渐增加，说明下颌前伸量越大，相应气道的截面越大，则治疗OSAHS的疗效越好。同时，舌骨向上向前移动，舌骨的平均应力也在增大。患者调节位在尽可能保证疗效的同时，兼顾到患者舒适度。这也正是Fleury提倡下颌前伸定位应个体化，而不是简单的经验位治疗的原因。

图22诊断流程

图23加载下颌前伸2.60 mm时，舌骨和气道位移云图及舌骨平均应力图

图24加载下颌前伸5.20 mm时，舌骨和气道位移云图及舌骨平均应力图

图25加载下颌前伸7.80 mm时，舌骨和气道位移云图及舌骨平均应力图

图26加载下颌前伸8.84 mm时，舌骨和气道位移云图及舌骨平均应力图

图27加载下颌前伸9.10 mm时，舌骨和气道位移云图及舌骨平均应力图

图28加载下颌前伸9.75 mm时，舌骨和气道位移云图及舌骨平均应力图

图29加载下颌前伸10.40 mm时，舌骨和气道位移云图及舌骨平均应力图

图30加载下颌前伸13.00 mm时，舌骨和气道位移云图及舌骨平均应力图

中英文缩略词表

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（龚 淼 范俊恒 曲爱丽）