Construction of the three-dimensional finite element model of the Upper airway and vicinity structure of an obstructive sleep apnea hypopnea syndrome patient
ABSTRACT
Obstructive sleep apnea hypopnea syndrome（OSAHS）, is a kind of recurring sleep apnea, oxygen saturation decreased, the upperairway obstructed complex syndrome[1].In the long run, the disease will lead to heart, brain, kidney and other complications, even sudden death.Therefore, OSAHS is a potentially fatal sleep breathing disorder disease.The pathogenesis of OSAHS is not yet very clear, generally considered the upper airway morphology and surrounding tissue abnormalities is important in the pathogen esis[2-8].Therefore, to study the upper airway of an OSAHS patient become an important aspect of the pathogenesis of OSAHS.Currently scholars often use imaging methods to study the upper airway of OSAHS patient including X cephalometric method, computer tomography technology（CT）and magnetic resonance imaging（MRI）to investigate the upper airway of OSAHS patients morphological and anatomical characteristics and position of local obstruction [9-14], to provide an objective basis for the clinical diagnosis and treatment options, but it is so far rare reported that the method of three-dimensional finite element analysis is used for OSAHS study.
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.This model lay the foundation for the OSAHS patient's upper airway biomechanical analysis, in order to understand the pathogenesis of OSAHS, as well as provide a theoretical basis for Oral appliance optimal design for OSAHS therapy, while exploring a new method of OSAHS research in order to provide a new way of thinking for future research of OSAHS.
Objective:To construct a three-dimensional finite element model of the Upper airway and adjacent structure of an Obstructive sleep apnea hypopnea syndrome patient for OSAHS biomechanical analysis.
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.
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 bone:24860 elements,4788 nodes; muscle:131530 elements,24992 nodes; upper airway:15672 elements,3178 nodes.
Conclusion:The joint use of spiral CT technology and Mimics software, Ansys software on the establishment of upper airway and vicinity structure of OSAHS patient is a fast and efficient method to establish an accurate, flexible three-dimensional finite element model of the upper airway and vicinity structure of an OSAHS patient.The model can be used for simulation operation of OSAHS patient's upper airway and vicinity structure.The model has good geometric similarity and good flexibility.this model can be used as the original model of OSAHS in future study of OSAHS and a good foundation of biomechanical analysis of OSAHS patients upper airway.
Key words:three-dimensional finite element method; Obstructive sleep apnea hypopnea syndrome; Mimics software; Ansys software
1引言
1.1阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征的研究进展
阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征（obstructive sleep apnea hypopnea syndrome, OSAHS），以往曾叫作阻塞性睡眠呼吸暂停综合征（obstructive sleep apnea syndrome, OSAS），是以睡眠时反复发作呼吸暂停或变浅、严重打鼾、白天嗜睡为特征的一种疾病。OSAHS患者最常见的症状是打鼾。与良性打鼾不同，OSAHS患者的打鼾主要合并有呼吸暂停，表现为鼾声时高时低，并可以完全中断，鼾声不规则出现，严重者可以憋醒。OSAHS对机体的危害，主要是使机体长期处于慢性缺氧状态，继而影响到呼吸、循环、神经、内分泌、运动、生殖等各大系统的功能。根据Young等[15]的流行病学调查结果，美国OSAHS的发病率男性为4%，女性为2%。我国患病率约为3.1%[16]，近年来发病率呈上升趋势。临床统计显示，未经治疗的OSAHS患者5年病死率高达11%~13%，全球每天约有3000人的死亡与OSAHS有关。作为一种发病率高且严重影响人类生活甚或威胁人的生命的疾病，OSAHS近年来已经引起了国内外学者的高度重视。
OSAHS诊断标准[17]:OSAHS是指每夜7小时睡眠过程中呼吸暂停及低通气反复发作在30次以上，或睡眠呼吸暂停低通气指数（apnea hypopnea index, AHI，即平均每小时睡眠中的呼吸暂停加上低通气次数）大于或等于5次/h。其中睡眠呼吸暂停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%。目前诊断OSAHS的“金标准”仍为多导睡眠图（PSG）, PSG检查要求训练有素的技术人员对患者进行整夜监测，监测内容包括呼吸运动、SaO2和脑电检查情况等。由于在睡眠实验室用PSG诊断既耗时，费用又高，大多数患者从未到医院诊治，因此积极开发其他方便、经济、快捷的检查方法，对于我国这样一个医疗资源有限的国家尤为重要。
OSAHS病情分度标准：我国OSAHS病情分度以AHI评价，即AHI 5～20次/h为轻度，21～40次/h为中度，40次/h以上为重度。
OSAHS的发病机制：关于OSAHS的发病机制至今仍不十分明确，不同学科的学者们从各个角度进行了研究和探讨，一般认为OSAHS患者睡眠时存在上气道狭窄或阻塞。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。理论上说，上呼吸道任何原因造成的阻塞或通气不畅皆可引发OSAHS[18]。睡眠时上气道塌陷、阻塞的发生受多种因素影响，其中上气道解剖性狭窄[2,6-7]和扩张肌肌电活性异常[19-21]为其重要原因。大量研究证实，绝大多数OSAHS患者上气道阻塞部位位于软腭和舌根后方的口咽部[22-24]。因此，上气道成为研究OSAHS发生机制的重要方面。
正常上气道解剖：人们习惯上以喉部环状软骨为界将呼吸道分为上、下呼吸道，上气道（如图1所示）包括鼻、咽和喉，是一个很复杂的多功能通道，其功能包括呼吸、吞咽和发声。上气道的形状由咽壁的结构决定。由于缺乏骨性支持，咽是在呼吸的通路中唯一可能塌陷的部位。咽全长约13 cm，上起自颅底，下止于第6、7颈椎交界水平，环状软骨下缘。横径在颅底处约3.5 cm，在咽与食管的连接处为1.5 cm。咽以硬腭和会厌尖游离缘为界划分为鼻咽、口咽和喉咽。鼻咽部解剖：鼻咽部位于颅中窝底部，咽穹与软腭之间。鼻咽部的垂直径为5.5~6 cm，前后径及横径随年龄增长而增大。口咽部解剖：口咽部位于咽门后方，软腭到会厌上缘平面之间。口腔可分为两部分，即腭咽和舌咽，硬腭平面至软腭尖为腭咽，软腭尖至会厌尖为舌咽。喉咽部解剖：喉咽部位于会厌上缘到环状软骨下缘之间，下与食管相连，后壁相当于第3颈椎的下部至第6颈椎的上部。前壁附着于舌骨和甲状软骨。
图1上气道解剖略图
OSAHS患者上气道的解剖性狭窄：OSAHS患者与正常人比较存在诸多颅颌面结构和气道形态的改变，包括骨性结构和软组织的异常[5,25-27]，存在一些使上气道阻塞的潜在危险因素，如上、下颌骨变短，下颌后缩，舌骨低位，扁桃体过大、软腭和腭垂过长、舌体增大、咽侧壁脂肪沉积过多等，上气道解剖结构的狭窄对睡眠中上气道的塌陷和闭合起到重要作用，是发生阻塞性呼吸暂停的病理学基础。理论上讲，上气道任何部位的狭窄或阻塞都可以引发睡眠呼吸暂停[18]。儿童OSAHS表现为上气道的解剖学狭窄，以腺样体及扁桃体肥大等导致的鼻咽及口咽上部气道狭窄为主，与成人OSAHS以腭咽、舌咽气道狭窄为主存在差异[28]。Leiter等[29]的研究结果显示，正常人的气道形态呈水平椭圆形，OSAS患者咽部气道呈前后径椭圆形。MRI 图像显示，咽侧壁肌肉组织增厚及塌陷性增强是造成上气道左右径及横截面积减小的主要原因。由于OSAHS上气道前后径无明显变化，腭咽、舌咽、下咽部前后径/左右径比值大于或等于1（正常人此比值小于1），上气道趋于圆形或以前后径为长轴的椭圆形。这与Rodenstein[30]、Schwab R J等[2]研究报道正常人上气道的截面是以左右径为长轴的椭圆形、OSAHS患者则是以前后径为长轴的椭圆形一致，这种形状的差异是由OSAHS患者上气道左右径减小所致。刘月华等[31]的研究结果显示，OSAHS患者上气道及其周围解剖结构存在不同程度的异常：（1）口咽部上气道间隙狭窄；（2）软腭和舌的长度、厚度及截面积明显大于健康组，软腭与舌重叠较多，且软腭和舌位均较正常直立；（3）口咽剩余面积较小，舌根部位置较低。
OSAHS患者上气道的肌肉：由于上气道无硬性结构支撑，上气道的扩张肌对维持上气道的开放起着十分重要的作用[32]。咽部肌肉关系复杂，解剖学上咽部扩张肌分为4组：（1）影响舌骨位置的肌肉，如颏舌肌、胸骨舌骨肌、颏舌骨肌、二腹肌等。（2）调节舌位置的肌肉，如颏舌肌、颏舌骨肌、舌骨舌肌、茎突舌肌。（3）调节软腭位置的肌肉，如腭帆张肌和腭帆提肌。（4）调节侧咽壁位置的肌肉，如咽上缩肌、咽中缩肌、咽下缩肌、咽提肌。这4组肌肉同时收缩时舌骨向下向前，前咽壁向外扩张，促进了上气道的开放。清醒状态下咽部气道的开放大部分归功于高级神经系统对神经肌肉的控制，睡眠时，咽部肌肉活力降低，如果此时伴有上气道解剖异常，一般就会发生气道狭窄或关闭。目前研究较多的是颏舌肌、腭帆张肌和腭帆提肌。
OSAHS患者上气道形态结构的研究方法：研究OSAHS患者上气道形态结构的方法很多，包括影像学方法、纤维鼻咽喉镜法、上气道压力测定法、声波反射技术等。现代影像技术可获得OSAHS患者上气道及其周围软组织结构和功能相关的高分辨解剖学信息，正在逐渐成为一种有力的研究工具。目前研究OSAHS较多采用的影像学方法有X线头影测量法、计算机体层扫描技术（CT）和磁共振技术（MRI），人们从影像学上获得了对该病的大量认识，基本观点为上气道形态异常是OSAHS的发病基础，再遇上功能障碍则发生阻塞。近年来随着计算机科学的不断进步，利用计算机进行虚拟医学研究已成为当今医学研究的一个热点。现在有限元分析法已经逐渐成为医学生物力学研究中最为重要的分析方法，目前国内外学者采用三维有限元的研究方法建立OSAHS患者上气道模型进行OSAHS研究还鲜见报道。基于此，本研究根据OSAHS患者上气道的CT临床资料，对患者的上气道结构进行三维重建，并在此基础上建立三维有限元数值模型，以期探索一种研究OSAHS的新的方法和途径，为促进OSAHS的生物力学分析打下基础。
OSAHS的治疗：尽管OSAHS发病率高，并发症多，对健康的危害大，但它可治且疗效肯定。合理、有效的治疗，不但可以减轻或完全缓解鼾声、呼吸暂停、睡眠低氧血症和睡眠结构紊乱，还可以控制或治疗OSAHS引发的多系统并发症，提高患者的生活质量。主要治疗方法包括一般治疗、药物治疗、器械治疗和手术治疗。
一般治疗：（1）减肥，肥胖与OSAHS 的发生有密切关系，如果体重下降2.5～5 kg, OSAHS患者的病情将明显改善；（2）保持侧卧位睡眠，采用可以改变体位的特制床及软质材料做成的球形支撑物等；（3）戒烟戒酒，控制烟酒可以提高机体对低氧刺激敏感性。另外，禁服镇静剂也十分重要。
药物治疗：药物主要是通过改变睡眠呼吸暂停综合征患者的睡眠时间、呼吸控制功能来减轻睡眠呼吸暂停的病情。但是目前药物对OSAHS的疗效还很不确定，故不作为常规治疗。
器械治疗：主要包括持续气道正压通气（CPAP）、口腔矫治器（OA）治疗。CPAP是在自主呼吸的条件下，在整个呼吸周期内人为地施以一定的气道正压，它可达到防治气道萎缩、增加功能残气量、改善肺的顺应性及扩张上气道等功能，对绝大部分患者有较好疗效，尤其对重症及手术失败的患者仍然有效。不少呼吸内科学者报道CPAP对轻、中、重度OSAHS均有效，认为CPAP是治疗OSAHS的首选方法[33-34]。但是仍有一定比例的患者难以适应在正压通气下入睡，且由于需要专门设备、专业技术人员进行操作而限制了其应用。OSAHS患者仅在睡眠时戴用口腔矫治器治疗，当晚即可见效，具有治疗简单、无创、可逆、价格低廉、疗效良好等优点，患者易于接受[35]。口腔矫治器主要是利用形态学的变化，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，增加气道体积，特别是口咽、腭咽和舌咽的容积增加，使后气道间隙扩大增宽，消除上气道阻塞。口腔矫治器对单纯鼾症和轻中度OSAS患者的疗效较好，对重度OSAS患者治疗效果不理想，矫治器宜与手术方法或与经鼻持续正压通气结合使用，以获得更好的效果[36]，适用于不能耐受CPAP或无手术适应证的部分患者。此外，少数行CPAP治疗者在短期出差时也可临时应用口腔矫治器。
手术治疗：手术治疗OSAHS的目的在于消除或减轻使上气道阻塞的各种异常解剖或病理因素，增加上气道的稳定性。手术需要在术前对患者上呼吸道的狭窄或阻塞部位做出正确的定位，以确保手术疗效。人们已经认识到：多平面阻塞在OSAHS的发病过程中起着关键作用。对不同阻塞部位的认识与把握带动了各种手术方式的发明及对UPPP等经典术式的改良，提高了疗效。常用的手术方法有扁桃体及腺样体切除术、鼻腔手术、悬雍垂—腭—咽成形术、舌成形术、舌骨悬吊术、气道造口术以及正颌外科方法。殷善开等[37]根据阻塞部位、手术难易程度、给患者造成的痛苦及患者的可接受度等，将外科临床治疗分成三个阶段：第一阶段包括鼻部重建手术、UPPP，以解决鼻及腭部阻塞：第二阶段首选舌根手术、舌前移、舌骨悬吊术和GAHM；第三阶段包括各类上下颌骨手术。需要第二阶段手术的患者大部分应先行第一阶段手术，即这些患者先进行第一阶段手术，第一阶段手术失败者再考虑第二阶段手术，这体现了手术治疗的有序性，但手术存在并发症，有的OSAHS患者不希望做手术，或者风险大等，制约了手术治疗在OSAHS中的应用。
总之，OSAHS是一种涉及多学科的疾病，应注重不同学科之间的密切联系与配合，才能取得良好的治疗效果。
1.2三维有限元分析方法在口腔医学中的应用
有限元法（finite element method, FEM）是一种实用、有效的理论应力分析方法。该方法首先把连续的弹性体分割为有限个单元，以其结合体来代替原弹性体，然后借助计算机进行数据的处理及运算，对连续体离散成的有限个单元进行力学分析，并由此获得整个连续体的力学性质特征。简言之，就是化整为零分析，积零为整研究[38]。
有限元法有以下主要优点：
（1）有限元法能够给出所需模型任一部位的应力和位移状况。
（2）有限元法不仅能够给出数值结果，还能由计算机自动绘出立体图像。
（3）一旦生物医学模型被转化成数学力学模型，就可反复使用同一模型进行各种加载状况的计算，保证了模型的完全相似。
（4）同一种计算机程序，还可用来对多种不同的模型进行计算分析。
（5）由于使用了计算机手段，庞大数据的处理变得较为容易，计算结果准确，省时省力。
自1943年Courant首先提出有限元基本思想[39],1956年Turner将有限元法在航空工业首次运用成功起[40]，有限元法便被广泛应用于工程技术的各个领域。1973年Thresher[41]首先将有限元法应用于口腔医学，现已成为口腔生物力学研究领域中一种有效的分析工具，显示出极大的优越性，为口腔疾病治疗、医疗器械的优化设计等提供了理论依据。早期为二维有限元分析，随着生物力学及计算机技术的快速发展，三维有限元分析展现了广阔的应用前景。各种功能强大的有限元分析软件如NASTRAN、ASKA、SAP、Ansys、MARC、Abaqus等和三维设计软件如UG、Pro/E等的开发，使有限元分析技术得以应用于各种复杂问题的研究。目前，三维有限元应力分析方法在口腔生物力学中的应用越来越广泛，包括正常牙及颌骨三维有限元模型的建立及应力分析、在牙体牙髓病学中的应用、在口腔颌面外科中的应用、在口腔修复学中的应用和在口腔正畸学中的应用。
1977年Yettramm[42]首先建立上颌中切牙的二维有限元模型，1988年Tanne等[43]首次建立上颌中切牙的三维有限元模型，国内学者也纷纷运用有限元的方法建立了口腔正常牙及颌骨的三维有限元模型[44-45]，为口腔生物力学分析打下了基础。三维有限元分析法在牙体牙髓病学中的应用主要是龋洞的修复、充填材料对应力分布的影响及对根管治疗的研究等，国内外学者对此也做了很多的研究[46-47]。三维有限元分析法在口腔颌面外科中的应用主要集中于颌骨骨折和口腔种植领域，对此也有很多文献进行了报道[48-49]。选择合适类型的修复体、优化各种修复体的设计对义齿的成功修复至关重要。基牙及牙周组织的受力分析、修复材料特性对修复体的影响和修复体结构的力学分析等方面，也一直备受修复领域众多学者的关注。有限元法在此类临床问题模拟分析中的应用越来越广泛，也成为修复学的理论基础之一[50-52]。有限元法在正畸学领域的应用始于20世纪80年代，早期为二维有限元分析，现多进行三维有限元分析。目前生物力学在正畸学中重点研究的是矫治力传递所致应力分布及其规律，以探索矫治机制。三维有限元法作为一种有效的手段，可以逼真地建立三维牙体组织模型，并赋予其生物力学材料特性，使生物力学成为口腔正畸学的重要理论与临床技术基础，在临床操作时，为实现确定的矫治目标、施加正确的矫治力提供参考[53-54]。三维有限元分析方法，为研究口腔医学中的有关基础性问题、解决口腔医学中的临床实际问题、发展口腔临床技术手段提供了力学基础，在口腔生物力学的研究发展中正占有愈来愈重要的地位。
三维有限元法是目前口腔生物力学研究中最先进有效的一种生物力学分析方法，而建立高真实度和精确度的三维有限元模型是有限元分析的前提。近年来，三维有限元分析方法广泛应用于医学各学科许多疾病方面的研究，但应用于OSAHS的研究报道并不多见。基于此，本研究根据OSAHS患者上气道的CT临床资料，对OSAHS患者的上气道结构进行三维重建，并在此基础上建立三维有限元数值模型，为OSAHS患者上气道生物力学分析打下基础，以期深入了解OSAHS的发生机制以及为口腔矫治器治疗OSAHS的优化设计等提供理论依据，同时探索一种新的研究OSAHS的方法，为以后的研究提供一种新的思路。
2材料与方法
2.1设备条件与软件
美国GE公司Lightspeed pro 16螺旋扫描CT和ADW 4.3工作站；
Materialise Mimics 13.0扫描数据模拟重建软件（Materialise公司，比利时）；
Ansys 8.0软件（Ansys公司，美国）。
软件介绍：
Mimics（materialise's interactive medical image control system）软件如图2所示，是由比利时Materialise公司开发的交互式医学影像控制系统，它能输入各种扫描的数据（CT、MRI），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。本研究采用的Mimics 13.0软件是Materialise软件一个新版本。
图2 Mimics软件模块关系图
Ansys 8.0软件是目前世界上最权威的大型有限元分析软件，由美国的Ansys公司开发，能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换。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；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。
2.2样本来源
选取一名有临床打鼾、憋气、呼吸暂停、白天嗜睡病史，并经夜间多导睡眠仪（PSG）监测并确诊为OSAHS的男性患者，AHI为36次/h, Lowest SO2（%）为83.76%。按中华医学会呼吸病学分会阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征诊断标准诊断为OSAHS中度患者。未做其他任何治疗，排除其他导致上气道阻塞的各种解剖或病理因素，详细询问病史并做口腔检查，排除严重牙体、牙周及颞下颌关节疾病和其他全身性疾病。
2.3建模步骤
2.3.1 CT图像数据采集
测试对象取仰卧位，身体置于床面中间，下颌骨后缘与C2椎体前缘接近，头部两侧对称，勿吞咽和咀嚼，上下齿自然对合，舌尖抵上切牙舌面。采用美国GE公司Lightspeed（16排）CT机进行扫描，扫描参数：层厚0.625 mm，连续扫描，球管电压与电流120 kV/230 mA。扫描范围：甲状软骨至眼眶下缘。颌平面垂直向下，扫描线与颌平面平行进行连续扫描。扫描过程中保持测试对象头部位置固定，头部固定后射线方向与测试对象上气道相对位置保持不变，保证输出的每张CT片的中心点都通过同一长轴，即每张图像坐标位置相对恒定。共得到CT图像218层，所得图像以DICOM格式数据文件刻录存盘。典型层如图3所示。
2.3.2建立三维有限元模型的过程
将CT扫描所获得的DICOM格式数据文件导入Mimics13.0软件（如图4所示）中，经过转换后即可打开为三个视图——矢状面、冠状面和横断面，在CT图像上确定需要进行三维成像的组织范围。
图3 OSAHS患者上气道CT图像
在软件的分割模块中可以利用各种组织的不同分割识别范围分别识别出骨（bone）:226-3071、软组织（soft tissue）:-188-151及气道（自定义）:-1024-（-490），通过区域生长法将各个边缘识别出来。过程为：
（1）点击，分别拖动能够设置灰度值的按钮，选择能够将组织识别清晰的阈值（如上），点击“关闭”。
图4 Mimics 13.0界面
（2）点击，在经上述步骤所建立的mask上画一条线，贯通感兴趣的组织，此步骤称为“区域生长”；经过区域生长处理后的软组织如图5所示。
图5经过区域生长处理后的软组织图片
（3）通过阈值分割只能确定所有相似的组织，但是对于本课题感兴趣的组织而言还需要将多余的部分擦除，为此，在该软件中再利用Edit mask模块中的擦除功能将多余的组织擦除，这项工作耗费时间、工作量大且需要对所需建模的组织断层图像边缘认识清晰。
经过上述编辑方法编辑的图像还无法用于建模，仍需要将图像中由于阈值分割而形成的空洞和不光滑边缘进行填充，填充后的图片如图6所示。
图6经过空洞填充后的软组织图片
填充组织后，利用软件自带的计算功能，即可重建出各个组织的三维实体模型。由于本课题所关注的四块肌肉（颏舌骨肌、下颌舌骨肌、颏舌肌及舌体）分别建模有困难，因此对肌肉的建模采取如下简化方法：将四块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由气道的边缘确定，舌体的边缘由下颌骨的边缘确定，所生成模型利用布尔运算将各个几何模型合体，模型如图7所示。
2.4三维有限元模型的建立
在Mimics13.0软件的Remesh模块中对上述模型进行网格划分工作。通过Fixing模块中的光顺处理、减少尖锐面及去除零碎面等工作后，将模型中存在的小的碎片、碎面及模型中的尖角等去除，这项工作对后续网格划分极为关键，需要反复做多次才可。模型的光顺处理结束后即可进入网格划分阶段。在此阶段，需要先将几何模型划分为面网格，然后利用Mimics13.0软件自带的转换功能将面网格转化为体网格，将体网格输出为Ansys软件可以识别的格式即可导入有限元分析软件中进行有限元模型的构建。在此模型构建过程中，为了能够利用此模型观察到气道的变化情况，可将模型中的气道也先划分网格，在今后的有限元分析中再定义该模型的材料属性为气道。将三种模型导入Ansys 8.0软件中，所得骨—肌肉—气道的有限元模型如图8所示。
图7上气道各组织几何模型
图8上气道各组织有限元模型
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，骨、肌肉、气道得到的单元数和节点数分别为：24860、131530、15672个单元，4788、24992、3178个节点。
在本项目中，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）将下颌骨模型全部作为皮质骨进行建模，未对其中的松质骨进行单独建模，因此，该模型会给今后的计算分析带来微小的误差。
（2）将连接下颌骨和舌骨之间的肌肉作为整体建模，没有对肌肉和骨之间的连接骨膜进行建模，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微小的误差。
（3）设定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。
3结果
本研究采用薄层CT扫描技术，对按标准筛选出的OSAHS患者的上气道及其周围结构进行连续薄层扫描，层厚0.625 mm，共得到图片218张。所得CT图片的数据信息经过 Mimics13.0图像处理软件处理，将所需的组织如骨骼、肌肉、气道等通过不同的灰度值进行边缘自动识别，将薄层CT横断面扫描图片进行边缘化处理，得到了OS-AHS患者上气道及其周围结构的三维实体模型，再经Ansys 8.0三维有限元专用软件处理，建立了包含下颌骨、舌骨、上气道、上气道周围肌肉及软组织的OSAHS患者上气道三维有限元模型。设定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。实验各材料的参数参见国内外相关研究，选取皮质骨弹性模量为13700 MPa，泊松比为0.30；肌肉弹性模量为1 MPa，泊松比为0.45。三维有限元分析是基于连续介质理论，假设单元内应力、应变一样，随节点增多和单元变小，分析结果更接近实际。本模型在单元的处理上，规定采用10节点的Solid 92四面体单元，提高了模型的相似性和准确度。经过计算机按要求划分网格后，骨、肌肉、气道得到的单元数和节点数分别为：24860、131530、15672个单元，4788、24992、3178个节点。模型具有较为良好的几何形态，可任意旋转至各观察角度，亦可进行任意剖面的分割以观察模型内部情况，另外还可通过布尔运算灵活进行模型的部分删减和添加。
4讨论
1978年美国Gruileminault首次提出阻塞性睡眠呼吸暂停综合征（obstructive sleep apnea syndrome, OSAS）的概念，现更名为阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征（obstructive sleep apnea hypopnea syndrome, OSAHS），指上呼吸道各段在睡眠时发生阻塞，导致呼吸暂停10 s或10 s以上，每小时5次，或每夜7 h睡眠中有30次以上，并伴有缺氧的症状。OSAHS对机体的危害，主要是使机体长期处于慢性缺氧状态，继而影响到呼吸、循环、神经、内分泌、运动、生殖等各大系统的功能。近年来，随着多学科研究的深入，OSAHS被认为可能是高血压、肺心病及脑梗死等心脑血管系统疾病的病因所在，患者由于睡眠期间长期低氧继而诱发全身性病变，引起心、脑、肾等并发症，甚至猝死。因此，OSAHS是一种有潜在致死性的睡眠呼吸紊乱性疾病。由于该病发病人数逐年增多，其危害性逐步被人们认识，并逐渐受到医学界的高度重视。
4.1 OSAHS的发病机制
关于OSAHS的发病机制至今仍不十分明确，不同学科的学者们从各个角度进行了研究和探讨，一般认为患者睡眠时存在上气道的狭窄或阻塞。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。理论上说，上呼吸道任何原因造成的阻塞或通气不畅皆可引发OSAHS[18]。睡眠时上气道塌陷、阻塞的发生受多种因素影响，其中上气道解剖性狭窄[2,6-7]和扩张肌肌电活性异常[19-21]为其重要原因。大量研究证实，绝大多数OSAHS患者上气道阻塞部位位于软腭和舌根后方的口咽部[22-24]。因此，上气道成为研究OSAHS发生机制的重要方面。
4.2研究OSAHS患者上气道形态结构功能的技术方法
对上气道形态结构功能的检查评价是研究OSAHS的关键步骤。研究OSAHS患者上气道形态结构功能的技术方法有很多[55]，包括：（1）上气道内镜检查，属有创检查，清醒和睡眠状态均可进行结构和功能评价。（2）声波反射技术。（3）上气道压力测定。（4）影像学检查，包括X线头影测量分析、CT、MRI，其中MRI还可进行功能评价。X线头影测量分析主要进行静态测量，CT和MRI既可采集静态图像，也可进行动态观察；上气道内镜主要进行腔内动态观察。
（1）上气道内镜检查主要是指由耳鼻喉科或呼吸科医师进行的纤维或电子鼻咽镜检查，可动态观察患者上气道内腔立体结构的形态及表面特征。上气道内镜结合Müller检查法（FNMM）可进行气道塌陷性检查，还可利用计算机辅助图像分析技术进行定量研究。内镜检查的缺陷是需要侵入体内，其对气道可能有扩张作用，增加上气道的阻力；另外，检查前的局麻可能对上气道的特性产生影响，更重要的是无法整夜观察气道周围的组织结构。
（2）声波反射技术的原理是利用声波在咽部传导过程中通过不同几何截面通道时，反射波的振幅和时程不同的特性，测算出咽喉部不同部位的截面积大小，从而可以反映出咽喉部各个断面的通气状况，具有操作简便、快速、无辐射（有能力同时评估整个气道）等优点。但是声波反射技术不能留下客观的可供手术参考的图像资料，故对需要手术的患者，其检查价值有一定的局限性。
（3）上气道压力测定法是根据放置于上气道的测压导管在每次呼吸暂停时测量不同部位压力的变化，判断阻塞部位。压力测定法的最大优点是能进行整夜检查，对患者睡眠干扰小，并可与多导睡眠监测同步进行。但其也有缺陷：首先，上气道测压虽然可测知阻塞平面，但无法获知阻塞平面的形态；其次，测压系统所显示的阻塞平面只是最低平面，无从知道阻塞平面上方是否确实存在阻塞。
（4）现代影像技术可获得OSAHS患者上气道及其周围软组织结构和功能相关的高分辨解剖学信息，正在逐渐成为一种有力的研究工具。目前学者们对OSAHS患者上气道的研究多采用影像学方法，主要包括二维影像技术和三维影像技术。人们从影像学上获得了对该病的大量认识，基本观点就是上气道形态异常是OSAHS的发病基础，再遇上功能障碍则发生阻塞。
二维影像技术主要是指X线头影测量法，其作为一种传统的形态学研究方法较早地应用于OSAHS的研究中，具有简便、定位准确、可重复的优点，且已形成一整套标志和测量体系，利于研究比较。但是X线头影测量法多局限在X线侧位片检查，对OSAHS患者上气道两侧方向不同的区别难以表现出来，观测指标有限，且因影像放大、重叠等因素导致测量数据存在较明显误差，难以准确反映OSAHS的病理生理状态，对其病因诊断存在较大局限性[56-57]。
三维影像技术对上气道及其周围结构显示较好，磁共振（magnetic resonance imaging, MRI）与CT均为三维水平的形态学工具，是较早用于认识OSAHS的手段之一，可以较准确地反映真实的上气道[58]。CT是目前国内外广泛应用的检查设备，其操作方便，功能完善，采用卧位检查，接近睡眠时的体位，能够较真实地反映睡眠中上气道的情况和潜在的阻塞部位。对OSAHS的研究采用CT检查方法相对简单易行，无创无痛，可反映OSAHS患者上气道生理及病理状态下的阻塞情况，检测结果对OSAHS患者治疗方案选择、手术疗效预估具有重要意义。近年来随着科学技术的发展，螺旋CT及其智能化的工作站为图像处理及数据传输提供了极为方便的手段，使得CT在OSAHS研究中显示了其独特优势。MRI技术避免了放射线照射，软组织分辨率高，有多层面、多方位成像的优势，在上气道检查中的应用也日趋广泛，但是MRI扫描需要时间较长，扫描过程中可能受到的干扰因素较多，不易观察到每个呼吸周期上气道的动态变化，且费用昂贵等[59]，这些因素使得它的应用不及CT普遍。作为一种研究手段，由于MRI对软组织的显影具有其他影像学检查所不具备的优势，相信在今后的研究中可以与CT相结合发挥更大的作用。
OSAHS理想的定位诊断研究技术应具有操作方便、非侵入性或患者耐受良好、准确且可重复性好、可以在睡眠中进行动态观察、没有X线暴露、价格低廉等特点。目前上述各种定位诊断研究技术尚不能完全满足这些要求，因此还需要不断改善现有的检查方法及发展新技术，以便更好地了解OSAHS的病理生理，为不同的患者选择个性化的治疗方案。
三维有限元法是目前口腔生物力学研究中最先进有效的一种生物力学分析方法，而建立高真实度和精确度的三维有限元模型是有限元分析的前提。近年来，三维有限元分析方法广泛应用于医学各学科许多疾病的研究，但应用于OSAHS的研究目前报道并不多见。基于此，本研究根据OSAHS患者上气道的CT临床资料，对患者的上气道结构进行三维重建，并在此基础上建立三维有限元数值模型，以期深入了解其发病机理以及为口腔矫治器治疗OSAHS的优化设计等提供理论依据，并探索一种研究OSAHS的新的方法和途径，借此寻找更为方便、经济、高效的研究手段，为促进对OSAHS患者上气道的生物力学分析打下基础。
三维有限元建模大多采用CT图像处理法。确定建模范围后，设置一定参数对被测对象进行CT扫描，将一系列连续组织断层图像输入微机，经图像处理与造型处理后，利用反求工程技术快速地建立三维几何模型（可以在二维屏幕上显示出组织的三维结构，能更加真实、形象地再现各组织的空间结构），将建立的三维几何模型转入有限元软件进行网格划分并确立加载边界条件，建立三维有限元模型，为口腔医学的科研提供有效的信息。其基本过程如图9所示。
图9模型重建流程
4.3口腔医学中有限元模型的建立方法
有限元法1973年由Thresher[41]首先应用于口腔医学后，逐渐成为口腔生物力学研究领域中一种有效的分析工具，显示出极大的优越性，而建立高真实度和精确度的三维有限元模型是有限元分析能否实现的关键。有限元模型现在已从简单的二维结构分析扩展到三维立体分析，建模方法也由传统的磨片切片法发展到借助影像技术进行断层扫描，并使用计算机软件来构建。
4.3.1磨片切片法
磨片切片法建模一般包括模型的选取、模型切割、截面图像输入计算机、图像处理及图像分析等过程。该法往往难以表达比较复杂以及细微的结构，二维模型的建立大多较复杂，主观性大，耗费大量人力，误差来源多，且属于破坏性建模，目前已较少采用。
4.3.2三维测量法
对牙颌模型进行扫描、全息照相，获取三维数据，在计算机中建成三维模型，再使用一定的数据接口，把CAD模型转到CAE软件中进行数值分析，生成的有限元模型的精度与数据采集的精度密切相关。目前常用非接触式激光扫描，该方法不与所测物体直接接触，测量精度高、速度快，能够反映牙颌模型的表面形态[60]。目前该方法的发展趋势是利用非接触方式从患者口腔直接提取数据，再用于全瓷冠修复的CAD/CAM设计，方向是提高口腔修复体的自动化生产程度和生产效率[61]，其缺点是只能得到表面数据，无法反映组织内在的材料特性。此外，该方法成本较高，数据处理时间较长。
4.3.3 CT图像处理法
CT扫描建模的一般过程为：（1）获得建模的原始数据。（2）输出二维图像。以前的方法多将胶片进行扫描、摄像，把图像信息转为数值信息输入计算机。目前较新的方法是把CT 数据转化为BMP 格式输入计算机。（3）借助图形软件绘制外轮廓线位图。（4）在轮廓线的基础上建立三维有限元网格模型[62]。CT扫描建模的优点：（1）不损坏模型。（2）分辨率高，适用于任何复杂形态和各种密度的三维结构。（3）扫描图像解剖结构清晰可辨，精确度高。（4）实用、简单、误差小，可重复使用。
4.3.4基于医学图像通信标准数据建模法
CT建模虽然使用了CT扫描产生的数据，但是并未真正深入到CT数据的本质。有学者研究开发了基于医学图像通信标准（digital imaging and communications in medicine, DICOM），以存储格式的图像处理软件，此类软件不仅可以直接读入CT机输出的数据文件，将其存储在计算机中，还可以改善CT图像质量；采用高斯滤波进行图像平滑以减少噪声，同时采用sobel 梯度算子检测边缘。患者完成CT扫描后，不必生成胶片，大量的数据信息可依照DICOM标准进行网上传输或文件存取。口颌组织建模时，一般过程为：（1）CT或MRI扫描。（2）DICOM数据的读取。（3）图像分割。（4）轮廓提取并生成轮廓曲线。（5）完成有限元建模。此法简化了以往CT建模的程序，直接进行数据的存取和传输，避免了数据和信息的丢失，实现了高度自动化的计算机辅助有限元建模[69]。
本研究通过螺旋CT扫描获得精确的OSAHS患者上气道DICOM格式的图像信息，采用Mimics三维建模软件和Ansys有限元分析软件建立OSAHS患者上气道的三维有限元模型，为促进OSAHS的生物力学分析打下基础。
4.4建立OSAHS患者上气道三维有限元模型的技术路线及优点
本研究采用薄层CT扫描技术扫描OSAHS患者上气道，所得影像真实可靠，能够全面准确地再现上气道复杂的结构，且获得的上气道形态、结构完整，数据精确。以往建立三维有限元模型常采用CT胶片扫描或照相技术，容易导致图像的细节和信息在采集过程中发生丢失，不仅工作繁重而且建模差异较大，影响模型的准确性和质量，而且影响计算结果的准确性。我们采用层厚为0.625 mm的薄层连续无间隔扫描，最大限度地保证了信息的完整，保证了解剖结构的准确，确保在此基础上建立的三维有限元模型高度的几何相似性。利用螺旋CT自带的工作站上的数字图像传输技术，直接由CT机输出扫描图像信息到图像工作站，所得全部断层图像清晰、真实，这样的操作过程使图像失真、信息丢失的可能性降到了最低限度，充分保证了所采集上气道及其周围组织结构的图像信息与解剖结构高度的相似性。
以往采用较多的三维有限元模型的建立过程为：利用螺旋CT对研究目标的组织结构进行连续扫描，所得图像刻录成光盘保存备用。将光盘内储存图像信息转换为选定软件可以识别的格式保存，以一个选定的标志点为原点，建立三维空间坐标系，联机情况下在数字化仪中实时逐层读取目标组织结构的各边缘及感兴趣部位关键点的三维坐标，以x、y、z坐标的形式记录并保存读取的三维坐标；然后利用所选用的程序将输出的边缘数据中所有以x、y、z坐标储存的每一层坐标按Ansys文件格式写为Ansys程序文件，输入计算机后生成目标组织各边缘的关键点；使用软件中由关键点生成线的命令，得到扫描的各层组织结构的各边缘的外形线，连接每层间的关键点呈线段；使用由线生成面的命令，根据线生成光滑的曲面，得到每一扫描层面的大致情况；用由面生成体的命令得到两扫描层之间的体，用此方法可形成若干个彼此相连的体，使用体相加等布尔运算命令可得到各组分的实体模型，至此建立了目标结构完整的三维实体模型；选用一种或几种单元类型，输入材料的物理参数和单元大小，由Ansys软件对实体模型进行自动网格化处理，得到三维有限元模型。采用这种方法建模，过程复杂，模型的修改存在一定难度，并且对实验者的计算机专业知识及软件知识要求较高，普通的临床医生应用困难。
我们建立OSAHS患者上气道及其周围结构的三维有限元模型采用的方法是先将CT扫描所获得的DICOM格式数据刻录存盘，后将DICOM格式数据文件导入Mimics 13.0软件。经过转换后即可打开为三个视图：矢状面、冠状面和横断面。在CT图像上确定需要进行三维成像的组织范围，利用软件自带的阈值分割技术，通过规定组织的灰度值范围将所需的组织如骨骼、肌肉、气道、软组织等通过不同的灰度值进行边缘自动识别，并通过区域生长等方法将边缘识别清晰，将所需组织在CT图片中逐张进行识别与处理，包括填充其中的空洞等工作。经三维图像计算生成三维实体模型，分别重建出下颌骨、舌骨、上气道及周围结构的三维实体模型图像。在Mimics 13.0的Remesh模块中将上述几何模型导入，通过修理功能完成模型的光滑处理、减少尖锐面及去除零碎面等工作后，利用软件的网格划分功能进行网格划分，将划分好网格的模型导入材料模块即可根据模型原有的灰度值进行自动赋值。将赋值后的模型输出为Ansys软件可以识别的格式，即可导入有限元软件中进行加载运算。
4.5 OSAHS上气道及其比邻结构建模的意义
目前采用三维有限元方法来研究OSAHS的报道并不多见。2005年，哈佛大学医学院学者Yaqi Huang等[63]建立正常人上气道有限元模型研究解剖因素对咽部塌陷的影响，指出运用有限元法研究OSAHS的可行性及有限元模型是一种推进研究理解OSAHS的重要工具，但是他们所建立的模型是二维有限元模型，临床预测治疗效果有一定局限性。2006年国内学者孙秀珍等[64]建立了健康志愿者的上气道三维有限元模型，该模型可以排除物模试验中各种不确定的干扰因素，能捕捉到通过试验很难观测到的现象，进而可以为OSAHS的研究提供一种高效的分析方法。但是该模型只把上气道纳入建模范围，而我们建立的模型除了将上气道纳入建模范围以外，还把上气道的毗邻结构（如下颌骨、舌骨等）都纳入了建模范围，这样所建立的模型更有利于系统对影响OSAHS上气道改变的因素进行排选，便于OSAHS患者的个性化治疗。2009年，北京大学学者赵雪岩等人[65]利用CT扫描数据，建立一个由硬腭水平位置至气管约第2、3软骨下端的健康成年志愿者的上气道三维有限元模型，采用睡眠呼吸暂停综合征（OSAS）事件发作期间上气道内典型压力曲线和最大压力曲线，分别对模型上气道表面施加动态载荷，分析解剖结构和生理过程之间的关系。以上均是从计算流体力学的角度研究气体流场，研究重点都集中在上气道内气流压力的变化引起气道形态改变上，而未涉及引起气道结构形态改变的外力因素。本研究所建立的OSAHS患者上气道及其毗邻结构的三维有限元模型是从口腔科的角度建立包括下颌骨、舌骨、上气道及其周围结构的三维有限元模型，目的是后期借助此模型利用三维有限元方法分析研究下颌骨、舌骨的位置变化对上气道大小形态的影响，可以在后续的实验研究中在下颌骨或舌骨上进行加载，观察上气道大小形态变化，更有利于系统对影响OSAHS上气道改变的因素进行排选，便于患者的个性化治疗。本研究建立的OSAHS患者上气道及其毗邻结构的三维有限元模型可以作为今后深入研究OSAHS的原始模型，为后续试验的力学加载奠定基础，为患者上气道生物力学分析打下基础。有限元研究的最终目的在于为临床提供生物力学基础和理论依据，因此如果把得出的计算结果结合临床观察来进行分析，可以起到相辅相成的作用。
4.6研究展望
建立精确的有限元模型是进行后续力学分析的基础，在后续试验的有限元分析中，可对其进行力学加载以研究上气道在载荷作用下的各种应力及变形行为。为了模拟人在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，可以考虑前移下颌骨作为加载方式，观察下颌骨的位置改变对舌骨位置和上气道大小形态改变的影响。
5结论
（1）本研究以16排螺旋CT断层影像作为数据来源，一是能准确地分辨出局部组织结构，使用头面部16排螺旋CT直接扫描患者头颅咽喉颈部，缩短了曝光时间，减少了X线对患者身体的伤害，影像真实可靠；二是利用工作站的数字图像传输技术，以医学数字成像和通信标准DICOM格式输出，保持了原始图像信息的完整，避免了以往CT胶片图像转换成数据时产生的数据丢失，使图像失真度降到最低。
（2）本实验采用较为成熟、容易操作的Mimics 13.0软件，该软件是比利时Materialise公司交互式医学图像控制系统，它可以根据灰度值的差异直接识别CT断层图像的信息进行快速三维重建。利用Mimics 13.0重建OSAHS患者上气道三维有限元模型，不但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，而且尽可能地减少了主观因素所造成的数据和信息的丢失，提高了模型的几何精度和结构相似性。Mimics软件实现了CT图像与三维模型的转换，在可视化的界面下对模型进行修改，缩短了建模时间，提高了建模的效率和可操作性。
（3）应用螺旋CT技术并联合使用Mimics三维建模软件、Ansys有限元分析软件建立OSAHS患者上气道及其毗邻结构三维有限元模型，是一种快速有效、可灵活模拟操作的建立OSAHS患者上气道及其毗邻结构三维有限元模型的方法，建模效率高、速度快；模型的几何相似性较好，使用灵活；输入计算机的图形、图像和数据可以重复使用。此模型可以作为今后深入研究OSAHS的原始模型，为研究OSAHS患者上气道生物力学分析打下良好的基础。模型能够较真实地模拟实际情况，可任意旋转至各观察角度，亦可进行任意剖面的分割以观察模型内部情况，另外还可通过布尔运算灵活进行模型的部分删减和添加。
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（李松青 赵燕玲 曲爱丽）