The investigation of analysis on OSAHS patient mandibular protrusion position of the tongue changing through 3-D FEM model

ABSTRACT

Objective:A three-dimensional finite element（FEM）model of the Upper airway and adjacent structure of an Obstructive sleep apnea hypopnea syndrome patient for OSAHS biomechanical analysis was constructed.And the changes of tongue part and airway of OSAHS patient were observed by biomechanics and morphologic with the mandibular protruding, which provided the basis for the treatment of Oral appliance for OSAHS patients.

Methods:DICOM format image informations 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, Imageware and Ansys software.And the changes and the law of tongue part and airway were observed with the mandibular protruding.

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 element.The model has bone cortical 562920 elements, and 544929 nodes, cancellous bone 50141 elements and 84869 nodes, muscle and upper airway 336789 elements and 303134 nodes.After titrated mandibular protruding, tongue part of three-dimensional finite element of OSAHS change accordingly.The main manifestations are that the tongue forward, the transverse diameter and cross-sectional area of retroglossal region are decreased correspondingly, the sagittal diameter is increased significantly after model loading.

Conclusion:The three-dimensional finite element model of the upper airway and vicinity structure of the OSAHS patient was established using spiral CT technology and combined using Imageware, Mimics software and Ansys software, which confirmed the 3-D FEM model could be established through CT.The model has good geometric similarity and good flexibility.The validity of FEM analysis was confirmed through the loading of different protruding position of mandible in FEM model, which provided the theoretical basis for the treatment of OSAHS with mandibular protruding appliance and laying a good foundation for the follow-up study of upper airway of OSAHS patients with biomechanical analysis.

Key words:Obstructive sleep apnea hypopnea syndrome; three-dimensional finite element method; Mandibular advancement; tongue

1引言

1.1研究背景及意义

阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征（Obstructive sleep apnea hypopnea syndrome, OSAHS）是指患者睡眠时上气道塌陷阻塞所引起的呼吸暂停并伴有通气不足、打鼾、频繁发生血氧饱和度下降、睡眠结构紊乱等病症[1]。此外，OSAHS与高血压也有一定的联系[2]，而且能提高心肌梗死、脑卒中和猝死[3]发病的危险程度[4]。OSAHS发病机制目前尚不明确，多数学者认为与上气道阻塞相关。导致上气道阻塞的最主要原因是上气道解剖性狭窄[5-7]，而大量研究证实上气道阻塞部位位于软腭和舌根后方的口咽部[8-10]。因此，要探讨OSAHS的发生机制先要对上气道进行深入研究。

对OSAHS患者阻塞部位的研究多采用X线头影测量法、计算机断层扫描技术（computer tomography, CT）和磁共振技术（magnetic resonance imaging, MRI）等影像学方法[11-15]。但要研究OSAHS患者上气道的受力变化、应力分析等情况时，三维有限元法就体现出了影像学方法所达不到的优越性。三维有限元法能够提供直观数字化的三维影像，利用相关软件对所获得的三维图像进行三维有限元分析，提供动态的解剖、功能学以及生物力学方面的信息[16]。

OSAHS治疗[17]主要分为手术治疗和非手术治疗，非手术治疗包括持续正压通气（CPAP）、口腔矫治器（OA）、减肥和药物治疗。口腔矫治器以简便、快捷、有效等特点[18]，广泛用于轻中度OSAHS患者[19]。国内外学者的研究显示[20-22]，下颌前伸口腔矫治器用于治疗轻中度OSAHS时，能有效消除患者睡眠中呼吸暂停及低通气。目前OSAHS治疗的下颌定位主要依赖于临床经验，有关口腔矫治器治疗OSAHS下颌前伸量的问题，不同学者有着不同观点。

本课题通过对OSAHS患者上气道拍摄螺旋CT，获得DICOM格式的图像信息，运用医学建模软件Mimics、逆向工程软件Imageware和有限元分析软件Ansys建立准确、可灵活模拟操作的OSAHS患者上气道及毗邻结构的三维有限元模型。对建立模型的下颌骨部分进行加载，分别模拟下颌位于下颌最大前伸量的20%、40%、60%、68%、70%、75%、80%、100%，观察OSAHS患者下颌前伸时舌体和舌后气道的位置及应力变化，以期深入了解OSAHS的发生机制以及为口腔矫治器的优化设计等提供理论依据，期望通过这种有效的计算机模拟方法为下颌定位标准提供参考价值，同时探索一种新的方法，为以后OSAHS的研究发展提供一种新的思路。

1.2阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征

睡眠呼吸暂停综合征主要以睡眠中反复出现呼吸暂停或低通气、低氧血症及高碳酸血症为特征。根据睡眠呼吸暂停的不同原因和表现分为[23]中枢性（CSAS）、阻塞性（OSAHS）和混合性（MSAS）三种。临床上以OSAHS最为常见，也是本课题所研究的重点。

OSAHS临床表现为睡眠时不均匀的响亮鼾声，呼吸暂停，夜间反复发生低氧血症、高碳酸血症和睡眠结构紊乱等，可导致白天易困倦、嗜睡、注意力不易集中，晨起头晕、头痛、乏力、口干以及反应迟钝、记忆力下降等。

1.2.1 OSAHS流行病学调查

Young等[24]的流行病学调查结果显示，OSAHS在美国成年男性中发病率为4%，女性发病率为2%，近年来呈上升趋势。高雪梅等学者[25]对北京地区鼾症和睡眠呼吸暂停综合征的流行病学调查结果显示，鼾症的患病率为13.4%，睡眠呼吸暂停的患病率为3.1%，男性多于女性，好发年龄在40岁以上，发病率随年龄的增长而增加，OSAHS发生与体重、性别、年龄等多种因素有关。一项后续研究[26]通过嗜睡表（epworth sleepiness scale, ESS）和睡眠呼吸状况表调查了30例35～53岁无自觉症状的成人睡眠呼吸状况，并进行多导睡眠监测（polysomnography, PSG），结果显示：AHI≥5次/h的有57%，其中AHI>15次/h的有10%（表示明显异常）；最低血氧饱和度（LSaO2）<90%的有40%，其中LSaO2<75%的有3%（表示严重低血氧）。这一研究结果提示，即使没有临床症状，中老年人的睡眠健康也值得警惕与关注。

1.2.2 OSAHS诊断与病情分度[27]

睡眠呼吸暂停：睡眠中口鼻气流停止超过10 s以上。

低通气：睡眠过程中呼吸气流强度较基础水平降低50%以上，并伴有SaO2较基础水平下降≥4%。

OSAHS诊断标准以阻塞性呼吸睡眠为主，临床上有典型的夜间睡眠时打鼾及呼吸不规律，白天过度嗜睡，经PSG监测提示每夜7 h睡眠中呼吸暂停及低通气反复发作在30次以上，或呼吸暂停低通气指数（apnea and hypopnea index, AHI）大于或等于5次/h。临床对OSAHS的诊断除考虑临床症状外，PSG仍为诊断OSAHS的“金标准”。病情分度见表1。

表1 OSAHS临床病情分度标准

1.2.3 OSAHS病因及发病机制

OSAHS的发病机制目前仍不十分明确，不同学科的学者从不同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的狭窄或阻塞。咽腔解剖结构异常和神经肌肉功能异常是导致上气道狭窄或阻塞的重要因素，二者共同作用导致了上气道功能异常[28]。有学者认为[7]，上气道及周围组织解剖形态异常是OSAHS重要的发病机制，也有学者认为[29-31]扩张肌肌电活性异常是导致OSAHS发生的主要原因，还有学者认为[32,5-6]上气道解剖性狭窄是OSAHS的主要发病机制。因此，要探讨OSAHS的发生机制先要对上气道进行深入研究。

1.2.4 OSAHS治疗

治疗OSAHS的目的是降低患者发生心脑血管疾病的危险性和死亡率，减少生产和交通事故的发生，最终降低相关多系统病症的总患病率和死亡率，改善和提高患者生活和生命质量。一切治疗手段和技术都应该围绕这个最终目标，力求以最小的损伤和不良反应，取得最佳的治疗效果。

目前OSAHS [33]的主要治疗方法分为一般治疗、药物治疗、手术治疗和器械治疗。

一般治疗包括减肥、饮食控制、保持侧卧睡眠、抬高床头、戒酒戒烟、避免服用镇静剂等。

药物治疗对OSAHS的疗效不确定，目前只用于减轻临床症状而不作为常规治疗。

手术治疗主要以消除或减轻使上气道阻塞的各种异常解剖或病理因素、增加上气道稳定性为目的。为确保手术疗效，需要在术前对患者上气道的狭窄或阻塞部位做出准确定位。鼻手术的治疗适用于鼻中隔偏曲、鼻甲肥大、鼻息肉等；腭垂软腭咽成形术（UPPP）是目前最常用的手术方法，适用于口咽部狭窄；激光辅助咽成形术是利用激光进行咽部成形术，局部麻醉，可在门诊进行，降低手术风险，适用于口咽部狭窄；低温射频消融术适用于轻中度OSAHS患者和单纯性鼾症。常用的手术治疗方法主要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等。

器械治疗主要包括持续气道正压通气（CPAP）和口腔矫治器（OA）治疗。

持续气道正压通气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，它可起到防治气道萎缩、增加功能残气量、改善肺的顺应性及扩张上气道等作用，对绝大部分患者有较好疗效，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，使用不方便，限制了其应用。

口腔矫治器是目前临床应用较多的一种治疗OSAHS的方法。患者仅在睡眠时戴用，当晚即可见效，且具有治疗简单、无创、可逆、价格低廉、疗效良好等优点，患者易于接受。口腔矫治器主要是通过牵引下颌骨位置，抬高软腭，使舌根部主动或被动前移，使上气道体积增加，特别是腭咽和舌咽的容积增加，使舌后气道间隙扩大增宽，消除上气道的阻塞。口腔矫治器对轻中度OSAHS患者的疗效较好，对重度OSAHS患者治疗效果不佳，适于轻中度OSAHS患者和不能耐受手术治疗或无手术适应证的患者。

1.3舌体对OSAHS的影响

舌体由平滑肌组成，是从口腔底部向口腔内突起的器官，在参与言语、协调咀嚼、感受味觉和吞咽等功能中起着重要作用。舌前2/3位于口部，后1/3位于口咽部。舌背面向前开口的V字形界沟是口部与口咽部的分界，口部呈水平位位于口腔内，口咽部呈垂直位位于口咽的前壁。口咽部分为两个亚区：软腭游离缘以上为腭后区，舌根平面至会厌软骨的舌面为舌后区，这一区域的气道被称为舌后气道。

舌后气道上为舌根上平面，下为会厌游离缘的根部，前为舌根，后为咽后壁，左右两侧为咽侧壁[34]。其解剖结构具有可塌陷性，气道的容积受自身位置改变的影响，还受到颌骨框架的限制。舌的位置直接影响舌后气道的大小，舌体向后运动时舌所在位置直接改变了舌根与咽后壁之间的距离，舌后气道容积缩小[35-36]。在吸气过程中，肺被动扩张使得肺内气道处于舒张状态，肺外气道处于负压状态，这时容易引起局部塌陷，而舌的活动性较大，容易受到负压影响向后塌陷，引起舌后气道缩小阻塞。舌后气道狭窄导致患者头部位置变化后，可引起舌骨、舌体向下移位，加重上气道阻塞。高雪梅等学者[37]的研究显示，OSAHS患者舌咽的最小截面积和正常人相比有显著性差异。刘月华等学者[38]在行X线头影测量后发现，OSAHS患者舌体较大，位置直立，腭咽和舌咽的矢状径小于无鼾人群，软腭与舌体的接触长度增加。Kato等学者[21]认为，下颌前伸时通过下颌骨舌侧肌带动舌根前移开大口咽腔，并通过与舌根相连的舌腭弓稳定腭咽腔，从而降低关闭压。Cistulli P[35]指出OSAHS患者舌体大小及位置在维持上气道的开放中起着重要作用。因此，舌体与OSAHS的关系便成为诸多学者的研究内容。

1.4下颌前伸式口腔矫治器对OSAHS的影响

大量的研究表明，口腔矫治器可扩大上气道[39]并对治疗轻中度OSAHS有效。口腔矫治器治疗OSAHS的主要机制[40]是通过前伸下颌来扩张上气道，解除上气道阻塞达到治疗目的。Haskell等学者[41]研究指出，下颌前伸可有效减轻OSAHS患者的症状，这与下颌前伸后上气道容积增加，从而改善上气道的阻塞情况有关。高雪梅等学者[39]对OSAHS患者进行有效的口腔矫治器治疗，治疗前后摄取上气道的磁共振影像，比较上气道阻塞位点的变化，从腭咽、舌咽到喉咽扩张程度不等，阻塞点从多点变为单点，有些阻塞点完全消失，余留阻塞点大部分阻塞范围减少、程度减轻。Dort L C等学者[22]研究结果显示，在多导睡眠监测仪监测下，以消除睡眠中呼吸暂停及低通气症状为目标，运用可调式下颌前伸矫治器测定的目标前伸量可以有效地指导临床口腔矫治器的制作。

下颌前伸口腔矫治器治疗OSAHS时下颌定位是治疗的关键，下颌定位不当可导致治疗效果不明显或者患者口面部肌肉和关节不适[42-46]，这是影响患者不能接受或不能坚持长期戴用的重要因素之一。目前口腔矫治器治疗OSAHS的下颌定位主要依赖于临床经验，对口腔矫治器治疗OSAHS下颌前伸量的程度有着不同的观点。高雪梅等学者[47]提出下颌定位为患者下颌最大前伸量的68%左右。Gao X M等学者[48]对OSAHS患者上气道MRI研究结果显示，OSAHS患者下颌在逐步前伸的状态下，上气道大小始终处于递增状态，但从75%位置点开始，增长趋于平缓。而以往研究者认为下颌定位一般定位于患者下颌最大前伸量的50%~75%。Fleury B等学者[49]研究显示，口腔矫治器下颌定位不应使用临床上常用的经验性最大前伸的百分比，应对每位患者做个性化下颌前伸定位。近年来临床应用自行调节式口腔矫治器[50]，患者可根据自身自觉症状在医师经验位基础上和医师指导下自行调节到适宜的下颌位置，从而进行个性化的下颌定位，以达到治疗OSAHS的目的。

本课题分析下颌骨前伸对OSAHS患者舌体及舌后气道模型的影响，重点观测医师经验位（最大前伸量68%）和患者调节位（最大前伸量70%）时舌体及舌后气道的模型变化，为下颌定位的标准提供参考依据，尽可能寻找明确的量化坐标参数和生物力学参数，为口腔矫治器治疗OSAHS的生物力学和形态学改变提供理论依据。

1.5有限元方法在OSAHS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。

目前对OSAHS患者上气道的研究方法主要包括二维（X线头影测量）和三维研究（CT、MRI、三维有限元）。X线头影测量在上气道组织形态研究的早期被广泛应用，它对OSAHS的病因能起到一定的定性和定位作用，但观测指标有限，难以全面反映OSAHS的病理生理状态，对病因诊断存在局限性。CT和MRI作为三维影像可以通过长、宽、高三个方向对OSAHS患者上气道阻塞部位进行定性和定位。虽然CT和MRI属于三维研究技术，但它们是一种静态的影像学诊断技术，不能反映OSAHS患者上气道的受力变化、应力分析等情况，这就体现出了三维有限元法的优越性。

近年来由于计算机生物力学的飞速发展，三维有限元法已被广泛应用于医疗领域，三维有限元法在对OSAHS进行研究方面也取得了一些进展。Shome B等学者[51]对OSAS患者咽腔进行三维重建，对OSAS患者经过不同治疗方法后的咽腔流场特性进行了对比。Svancara P等学者[52]在捷克人发元音“a”时建立了三维有限元模型上气道形态并予以分析。Allen等学者[53]建立了儿童上呼吸道三维有限元模型（包括口腔和咽腔），对气体流场进行稳态模拟及分析。Zhang等学者[54-56]建立了上气道模型，模型包括口腔、咽、喉和支气管，用于研究气道中微小粒子的传送和沉积作用。

Yaqi Huang等学者[57]建立正常人上气道有限元模型，用来研究咽部塌陷与解剖因素之间的相关性时指出，有限元模型可推动OSAHS病因研究与治疗方法的改进。孙秀珍等学者[58]重建了人体上呼吸道三维有限元模型并进行了流场数值的模拟研究，证实了重建上呼吸道结构和数值模拟方法的可行性。Yaqi Huang等学者[57]利用OSAHS患者上气道有限元模型预测上气道手术治疗OSAHS的效果，认为应用有限元模型可以假设验证上气道各种解剖因素对OSAHS的影响。Nithiarasu P等学者[59]对上气道有限元分析后认为口咽、喉咽更易狭窄。王莹等学者[60]建立了精确量化的上呼吸道生物力学模型，将OSAHS患者与正常人上呼吸道流场特性比较得出，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与正常人有明显的不同。这些研究者共同认为上气道解剖结构可以通过三维有限元模型真实地反映，上气道发生的生物力学变化可以运用有限元方法进行准确的分析。

本课题选用OSAHS患者CT图像，建立包括上气道、下颌骨、舌体、舌骨、颞下颌关节盘及气道周围软组织在内的三维有限元模型，将模型整合后建立OSAHS患者上气道及毗邻结构的三维有限元模型，并对整合后模型中的下颌骨部分，分别加载下颌位于下颌最大前伸量的20%、40%、60%、68%、70%、75%、80%、100%，观察下颌在位移加载时舌体位置及应力变化，舌后气道段最小截面处矢状径、横径的变化。

2材料与方法

2.1样本来源

按照中华医学会呼吸病学分会睡眠呼吸疾病学组阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征的诊断标准和病情分度的中度病情标准，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, LSaSO2为83.76%。曾用下颌前伸式口腔矫治器治疗有效，并自愿停用矫治器3个月，除口腔矫治器治疗OSAHS外，未做过针对OSAHS的其他任何治疗。其主要症状有临床打鼾、憋气、呼吸暂停、白天嗜睡，排除可能导致夜间气道阻塞的全身系统疾病，导致上气道阻塞的耳鼻喉疾病，严重牙体、牙周及颞下颌关节疾病。

2.2设备与软件

Lightspeed pro 16螺旋扫描CT和ADW 4.3工作站（GE公司，美国）；

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有限元分析软件（Ansys公司，美国）。

Mimics（materialise's interactive medical image control system）软件是由比利时Materialise公司开发的交互式医学影像控制系统。输入CT或MRI扫描数据，建立3D模型进行编辑，之后输出通用的计算机辅助设计（CAD）、有限元分析（FEA）、快速成型（RP）格式，在PC机上进行数据转换处理，是CT、MRI等扫描数据和快速成型STL文件格式、CAD（计算机辅助设计）和FEA（有限元分析）之间的工具界面。Mimics具有将影像图片和三维实体相互转化的功能。

Imageware软件是由美国EDS公司开发出品的逆向工程软件。它对已存在的产品、零件（或部件）的原型或模型进行三维扫描、数字化处理，以数字化处理的结果为基础，对其进行分析和修改，再通过制造技术对分析和修改的结果进行生产制造。主要功能是：点云对齐，点阵判断，去噪音点，使点云规则化、光滑化，为后续模型的建立判断生成哪种类型的曲线并做适当修改。

Ansys（Analysis system）软件是由美国Ansys公司开发，目前世界上最权威的大型有限元分析软件。Ansys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，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。

2.3三维有限元模型的建立

2.3.1 CT图像数据采集

采用美国GE公司Lightspeed（16排）CT机，对测试对象进行数据采集。摄片体位：测试对象取仰卧位，身体两侧对称无偏斜，使下颌骨后缘与C2椎体前缘接近，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。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，扫描过程中保证体位不变，保证输出的每张CT片的中心点都通过同一长轴。扫描参数：球管电压与电流120 kV/230 mA，层厚0.625 mm。共得到218层CT图像，如图1所示，以DICOM格式数据文件刻录存盘。

图1 OSAHS患者上气道CT图像

2.3.2三维有限元模型建立过程

将CT扫描所获得的DICOM格式数据文件导入Mimics 10.01软件，转换后可见矢状面、冠状面和横断面视图。在CT图像上分别确定需要进行三维成像的组织范围，如图2所示。

图2导入Mimics 10.01后的颅骨CT

在软件分割模块中利用各种组织的不同分割识别范围可以分别识别出骨密质（bone）:226-3071；气道（自定义）:-5-135；肌肉：-1024-（-490）。由于本课题所关注的颏舌骨肌、下颌舌骨肌、颏舌肌分别建模有困难，因此将肌肉作为一个整体进行建模，同时为了更接近真实解剖结构，建立了气道周围软组织模型；气道周围肌肉组织建立至颈椎结合面处，在Mimics软件中利用编辑功能选取对应的组织和区域，输出为．iges格式后输入反求工程软件Imageware 10.0进行线框模型的构建。根据结构要求进行每条线上控制点的移动获得比较光顺的B样条曲线，将所有模型曲线依然以．iges格式导入有限元分析软件Ansys中进行面、体模型的构建。本课题所建立的模型包括下颌骨（骨密质、骨松质）、颞下颌关节盘、舌骨、气道（从硬腭平面至第3颈椎平面处）、肌肉（包含软腭、硬腭、下颌骨—舌骨—气道—1~3颈椎连接的肌肉组织）。

下面以下颌骨面模型的建模过程为例说明。

对图片进行阈值选取（Thresholding）：根据重建组织密度范围选定所要重建组织的种类，该软件将自动得出该种组织的阈值范围，接受这一阈值范围后，便获得该种组织的原始蒙罩。具体操作方法：点击视图页面Segmentation进入Thresholding，将Min设置为226, Max设置为3071, Predifined thresholds set调节为bone（CT）值，对CT图像进行阈值分割，选出骨组织的灰度值，点Apply键进入下一步，如图3所示。

获得骨组织的原始蒙罩后，所有骨组织都被选出。要想获得我们感兴趣的那部分组织结构就要运用三维区域生长技术（3D Region Growing），选取欲重建的实体结构区域，进而得到新的蒙罩。具体操作方法：在刚才已经分割好的图片上点击region growing键，点击图片中的下颌骨组织，与下颌骨同样灰度值的组织变为黄色表示被选中，如图4所示。

图3阈值选择后骨组织的原始蒙罩

图4通过区域生长获得的新蒙罩

通过阈值分割及三维区域生长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，并在擦除多余组织过程中将产生的空洞填补。具体操作方法：通过Edit mask模块进入Erase，利用擦除功能将多余的组织擦除；再通过Edit mask模块进入Draw，利用填补功能将产生的空洞进行填补。这项工作需要对所需建模的组织断层图像边缘有清晰的认识，如图5所示。

完成下颌骨选取及填补空洞后，在三维实体（3D Object）菜单栏导入新生成的下颌骨蒙罩并加以运算，以获得所选取的实体结构区域的三维重建模型。此时的三维模型只是面模型，表面并不光滑，需要进一步光滑化处理。在光滑化过程中需选取更适用于医学图像处理的轮廓内插法，通过矩阵减少、表面光滑、边减少、三角形减少等方式提高生成三维实体模型的质量。具体操作方法：点击软件右上图标中的Caculate 3D from Masks，生成三维面模型，运用上述方法在Mimics 10.01软件中分别重建出下颌骨、舌体、舌骨、上气道、颞下颌关节盘的三维面模型（如图6所示）。

图5下颌骨的骨密质、骨松质分离

图6三维面模型

将得到的实体以．iges格式导出另存。打开Imageware逆向工程软件并将其导入，此时得到的是所有组织的点云数据，对点云数据进行分层、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，同时在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。将生成的曲线以．iges格式保存，以便导入有限元模型进行体模型建立，如图7所示。

图7点云图、线框图

将从Imageware中得到的曲线模型在Ansys 8.0软件中运用布尔运算等前处理方式使模型连接为面，生成体模型，即可得几何模型。在几何模型构建过程中，需要区分不同组织和结构的边界，利用从下至上（Down to Up）的方式，利用B样条曲线生成自由曲面，然后生成体模型的方法建立上述各个组织模型。需要注意的是肌肉模型在建立过程中，因为肌肉要与各个组织连接，所以其连接与位置关系极其复杂。同时为了减小分析模型的大小，需要将模型建立为模块化模型，通过共面方式连接所有组织，共生成25个体模型。生成的几何模型如图8所示，然后对该模型进行网格划分，定义材料常数见表2。

表2模型定义材料常数

采用10节点Solid 92单元、自由网格划分，骨密质、骨松质、肌肉和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。

加载约束条件：在下颌骨密质骨牙位上施加位移载荷，得到有限元模型，如图9所示。

图8几何模型

图9有限元模型

2.3.3在模型构建中进行的假设与简化

将下颌骨模型分为骨密质和骨松质进行建模，因此模型的几何相似度比前期已有的模型要高。

将连接下颌骨和舌骨之间的肌肉作为整体模拟建模，未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，在今后分析计算中会带来微小的误差。

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。

2.4整体模型的下颌骨前伸加载

2.4.1加载方式及大小

量取志愿者下颌最大前伸量为13 mm，采用给定位移矢量加载，分别加载下颌骨前牙区水平前移位于下颌最大前伸量（13 mm）的20%（2.6 mm）、40%（5.2 mm）、60% （7.8 mm）、68%（8.84 mm）、70%（9.1 mm）、75%（9.75 mm）、80%（10.4 mm）、100%（13 mm）位移，其中重点观测患者调节位（最大前伸量的70%）和医师经验位（最大前伸量的68%）时舌体及舌后气道的变化。

医师经验位的确立：咬合重建时，将患者最大前伸量的68%作为医师经验下颌前伸位置。

患者调节位的确立：患者戴用自行调节式口腔矫治器于医师经验位一个月后复诊，医师教会患者自行调节上下颌牙托间牵引装置，患者在医师指导下经过一段时间根据自觉症状找到自身适宜的下颌前伸位置后再行复诊，经PSG监测有效的下颌前伸位即患者调节位。本研究志愿者的患者调节位为9.10 mm，位于下颌最大前伸量的70%。

2.4.2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；限制颞下颌关节盘的所有位移、下颌体部翼内肌和翼外肌附着部位所有位移，同时限制与颈椎连接部分肌肉表面的所有位移，参照北京大学赵雪岩等[61]的研究方法，为便于讨论，在模型的上气道表面选取舌后气道段最小截面处矢状径、横径作为观察指标，观察下颌不同前伸位置时舌体和舌后气道相应形态位移及应力变化。

2.5统计方法

采用SPSS 11.5统计软件包，以下颌不同的前伸加载量为自变量，以相对位置的舌体综合位移为应变量，运用线性回归分析，以P<0.05为差异有统计学意义。

3结果

3.1 OSAHS患者上气道及毗邻结构的三维有限元模型

采用薄层CT扫描技术，以DICOM格式将数据直接导入Mimics 10.01软件，利用软件对骨骼、气道等组织不同的灰度值进行边缘自动识别、填补空洞、生成3-D模型、网格划分等，得到了OSAHS患者下颌骨（骨密质、骨松质）、舌体、舌骨、上气道、颞下颌关节盘的三维实体模型。该模型以逆向工程软件Imageware能识别的格式保存后在Imageware中对点云数据进行降噪、对齐等处理，并对点云进行B样条曲线、自由曲面的光滑化处理及建模，将此时得到的模型导入Ansys 8.0软件进行前处理，获得体模型后进行网格划分，建立了OSAHS患者上气道及毗邻结构的三维有限元模型。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。实验所用材料参数参阅文献，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。经过计算机划分网格后，骨密质、骨松质、肌肉和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。建立的模型不仅具有较为良好的几何形态和相似性，还可方便地利用该模块化模型对模型进行修改，为后续研究打下基础。

3.2对所建模型进行相关力学相似性验证

分别在下颌骨模型上的磨牙、前磨牙及侧切牙加载300、150、60 N的力，限制下颌角、髁突和喙突的刚性位移后对下颌骨进行加载，获得平均应力，如图10所示。下颌骨最大位移位于前牙区及颏部；下颌骨两侧应力分布均匀，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至下颌支前缘、冠突及冠突后侧沿下颌切迹至髁突颈部三条应力轨迹线，说明建立的模型具有非常高的力学相似性，建立的模型有效。

图10建立模型的相似性验证

3.3下颌前伸对OSAHS患者舌体部三维有限元模型的影响

通过对模型中下颌骨模前牙区部分加载下颌最大前伸量（13 mm）的20%（2.6 mm）、40%（5.2 mm）、60%（7.8 mm）、68%（8.84 mm）、70%（9.1 mm）、75%（9.75 mm）、80%（10.4 mm）、100%（13 mm），发现舌根部及舌后气道发生改变，具体加载结果如下。

3.3.1加载20%（2.6 mm）

在加载20%（2.6 mm）的作用下，舌根部前移0.07 mm，舌体根部综合位移0.77 mm，舌后气道矢状径增大0.35 mm，横径减小0.17 mm，舌体的应力为0 MPa，如图11所示。

图11下颌前伸20%（2.6 mm）时舌体、舌后气道应力位移分布图

3.3.2加载40%（5.2 mm）

在加载40%（5.2 mm）的作用下，舌根部前移1.73 mm，舌体根部综合位移1.55 mm，舌后气道矢状径增大0.70 mm，横径减小0.34 mm，舌体的应力为0 MPa，如图12所示。

图12下颌前伸40%（5.2 mm）时舌体、舌后气道应力位移分布图

3.3.3加载60%（7.8 mm）

在加载60%（7.8 mm）的作用下，舌根部分层整体前移，舌体根部综合位移9.89 mm，舌后气道矢状径增大3.40 mm，横径减小0.76 mm，舌体的应力为0 MPa，如图13所示。

图13下颌前伸60%（7.8 mm）时舌体、舌后气道应力位移分布图

3.3.4加载68%（8.84 mm）

在加载68%（8.84 mm）的作用下，舌根部前移2.95 mm，舌体根部综合位移2.63 mm，舌后气道矢状径增大1.19 mm，横径减小0.75 mm，舌体的应力为0 MPa，如图14所示。

图14下颌前伸68%（8.84 mm）时舌体、舌后气道应力位移分布图

3.3.5加载70%（9.1 mm）

在加载70%（9.1 mm）的作用下，舌根部前移3.03 mm，舌体根部综合位移2.71 mm，舌后气道矢状径增大1.23 mm，横径减小0.60 mm，舌体的应力为0 MPa，如图15所示。

图15下颌前伸70%（9.1 mm）时舌体、舌后气道应力位移分布图

3.3.6加载75%（9.75 mm）

在加载75%（9.75 mm）的作用下，舌根部前移3.25 mm，舌体根部综合位移2.90 mm，舌后气道矢状径增大1.31 mm，横径减小0.64 mm，舌体的应力为0 MPa，如图16所示。

图16下颌前伸75%（9.75 mm）时舌体、舌后气道应力位移分布图

3.3.7加载80%（10.4 mm）

在加载80%（10.4 mm）的作用下，舌根部前移3.47 mm，舌体根部综合位移3.09 mm，舌后气道矢状径增大1.40 mm，横径减小0.68 mm，舌体的应力为0 MPa，如图17所示。

图17下颌前伸80%（10.4 mm）时舌体、舌后气道应力位移分布图

3.3.8加载100%（13 mm）

在加载100%（13 mm）的作用下，舌根部前移4.33 mm，舌体根部综合位移3.87 mm，舌后气道矢状径增大1.76 mm，横径减小0.86 mm，舌体的应力为0 MPa，如图18所示。

图18下颌前伸100%（13 mm）时舌体、舌后气道应力位移分布图

图19下颌不同位移舌根部的变化

由此可见，通过对三维有限元模型中的下颌骨模型加载下颌不同前伸位置，发现舌体根部随着下颌加载量的增加而向前移动，下颌前伸至60%（7.8 mm）时舌根部前伸量达到最大（9.89 mm），下颌前伸至68%（8.84 mm）时迅速下降至2.63 mm，之后再缓慢回升。下颌前移后舌后气道矢状径均增加、横径均减小，增加量大于减小量；随着下颌加载量的增加，横径与矢状径在60%达到最大变量，之后迅速下降再缓慢回升。下颌前移后舌体最大应力位于舌体与下颌骨的连接处，其余位置均不受力。

3.4三维有限元模型下颌前伸与舌体变化的相关性

运用SPSS 11.5统计软件，对下颌不同前伸加载量与相对位置的舌体综合位移的相关性进行线性回归分析。假设下颌不同前伸加载量为自变量x，相对位置的舌体综合位移为应变量y。统计结果显示，相关系数r=0.278，回归验证F=0.503, P=0.505>0.05，回归系数β=0.241，得出二者的回归系数方程为y=1.415+0.241x，下颌前伸与舌体综合位移间的相关系数仅为0.278，认为二者间相关性很低。若去除下颌位于60%（7.8 mm）的数值，对余下下颌不同前伸加载量与相对位置的舌体综合位移的相关性进行线性回归分析，得到相关系数r=1，回归验证F=658160.292, P=0.000<0.05，回归系数β=0.298，得出二者的回归系数方程为y=-0.002+0.298x，下颌前伸与舌体综合位移间的相关系数达到1，表示完全相关。

4讨论

OSAHS作为一类较复杂的综合征，由于患者睡眠中呼吸暂停、通气障碍，机体长期处于低氧状态，诱发心、脑、肾等并发症及全身性病变，造成患者生活质量不同程度下降，甚至威胁生命。随着其危害性逐步被人们认识且该病发病人数逐年增多，目前已受到医学界和相关学科的高度重视。OSAHS发病机制至今仍不十分明确，不同学科的学者们从各自的学科领域进行研究和探讨，一般认为OSAHS患者睡眠时存在上气道的狭窄或阻塞。呼吸是一个反复正压、负压交替的过程，而舌后气道又属于肌性管道，缺乏软骨或骨性支架。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后气道[62-63]。因此，对于OSAHS的发生机制，上气道形态学成为重要的研究方向。

4.1运用CT建立上气道及毗邻结构的三维有限元模型

现代影像技术可获得OSAHS患者上气道及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[64]。三维影像技术可以对上气道及其周围结构进行逐层立体显示，MRI与CT作为三维影像的形态学研究工具，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[65]。CT是目前国内外广泛应用的医学检测设备，采用卧位检查，接近睡眠时的体位，能够较真实地反映患者在睡眠体位时上气道情况和潜在的阻塞部位。对OSAHS研究采用CT检查方法相对简单易行，可反映患者上气道生理及病理状态下的阻塞情况，对选择治疗方案和评估手术疗效等都有着重要意义。CT智能化工作站可使CT在图像处理和数据传输方面更加便利，使CT在OSAHS的研究中更具优势。MRI技术避免了对人体的电离辐射损伤，并且具有软组织结构分辨率高、原生三维断面成像等优势，在上气道检查中应用也日趋广泛。但是MRI检查扫描需要时间较长，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[66]，这些因素使得它的应用没有CT普遍，但作为一种研究手段，MRI对软组织显影具有其他影像学检查所不具备的优势，与CT相结合可以发挥更大的优势。

近年来，有限元模型从二维结构分析发展到三维立体分析，建模方法由磨片切片法发展到利用医学影像技术进行断层扫描后使用计算机软件来构建。有限元法于1973年由Thresher首先应用于口腔医学后，便成为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。本课题是在OSAHS患者上气道CT扫描图片的基础上，结合三维CT成像处理软件Mimics 10.01，重建出真实的OSAHS患者上气道及毗邻结构的三维有限元模型。该面模型真实地显示了OSAHS患者上气道及周围软硬组织的结构及形态。建立的上气道及毗邻结构的三维有限元模型具有较好的形态相似性及力学相似性，便于后续加载获得精准的数据。

随着学者们研究发现OSAHS主要由上气道解剖结构异常所引起，运用三维有限元法对上气道的研究逐渐增多，主要集中在对上气道内流场数值的模拟，对组织形态变化的研究较少。2005年，Yaqi Huang等学者[57]建立正常人上气道有限元模型，用来研究咽部塌陷与解剖因素之间的相关性。2006年，孙秀珍等学者[58]对人体上呼吸道进行三维有限元重建和流场数值的模拟研究。2006年，Khaled F等学者[67]用三维有限元分析方法，通过对压力及气流的测量，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间的鼻咽横断面积，且可以动态地观测鼻咽横断面积的变化。2007年，Jeong等学者[16]根据CT数据建立了一个流体动力学模型，用来研究OSA患者咽腔内气流流场特性。2008年Nithiarasu P等学者[59]研究了稳定气流通过人上气道几何模型的切应力及压力，认为口咽、喉咽更易狭窄。2009年，赵雪岩等学者[61]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人上气道三维有限元模型，分析上气道在不同压力下动态解剖结构的变化。这些学者的研究证实三维有限元模型可以真实地反映上气道的结构及形态，有限元法是研究上气道的有效方法。

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，尤其是连接上气道、舌骨、下颌骨的肌肉组织，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[68-69]建立了健康成人和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、上气道及周围肌肉组织结构，为上气道软硬组织建模相结合的首次探索，为本课题提供了模型建立的经验。

本课题所建立的上气道及毗邻结构的三维有限元模型包含了上气道、舌体、舌骨、下颌骨、颞下颌关节盘及气道周围肌肉结构。该模型考虑了肌肉的牵拉作用对上气道产生的影响，有别于以往模型的建立。对所建立的模型进行模型验证，以下颌骨为例：采用文献数据在下颌骨模型上的磨牙、前磨牙及切牙上分别加载300、150、60 N的力，限制下颌角和髁突、喙突的刚性位移，对下颌骨进行加载，结果显示髁突颈部、冠突后侧、下颌角等部位为最大应力分布区，形成下颌骨体部至下颌角、下颌骨体部沿后牙牙槽嵴远端至下颌支前缘、喙突及喙突后侧沿下颌切迹至髁突颈部三条应力轨迹线。该结果与以往研究下颌骨应力分布区多位于髁突前斜面、冠突、下颌切迹等部位相一致[70-71]，说明本课题所建立的下颌骨模型有效，验证了这种建模方法的有效性。

综上所述，通过螺旋CT扫描OSAHS患者上气道获得精确的图像信息（DICOM格式），采用Mimics三维建模软件、Imageware逆向工程软件、Ansys有限元分析软件建立上气道及毗邻结构的三维有限元模型，在此基础上进行有限元模型的加载分析，以期深入了解OSAHS的发病机理以及为口腔矫治器的优化设计等提供理论依据，并探索一种新的方法和途径，借此寻找更为方便、经济、高效的手段，为OSAHS患者上气道生物力学的研究打下基础。

4.2加载下颌不同前伸位置对OSAHS患者舌体的影响

已有研究结果表明，OSAHS患者戴用下颌前伸矫治器引导下颌向前向下移位，进而打开上气道，可消除或缓解上气道病理性移位与坍塌所导致的气道阻塞，进而改善呼吸通气状况。下颌前伸量是口腔矫治器对OSAHS疗效研究中的重点，目前下颌前伸量的研究主要来源于临床经验，适宜的下颌前伸量研究应在一个合适的牵引方向下，使下颌在同一方向不同前伸量发生移动，从而观察上气道软组织应力分布特征和有效节点位移变化，三维有限元技术为解决此问题提供了一个新的研究方法。通过建立OSAHS患者上气道及毗邻结构的三维有限元模型，模拟外界作用条件进行加载分析，研究相应因素对模型的影响，具有方便、可靠、精确的特点，能够排除实物试验中各种不确定的干扰因素。

口腔矫治器治疗OSAHS时多采用下颌逐步前伸的方法，主要是为了减小下颌在被动前伸时牙列、颌骨、颅面和颞下颌关节的负面效应。本课题通过建立OSAHS患者上气道及毗邻结构的三维有限元模型，模拟口腔矫治器在治疗过程中下颌逐步前伸，对三维有限元模型的下颌骨部分进行加载，观察舌体及舌后气道的形态学变化。研究证实，随着下颌骨逐步前伸，舌后气道最小横截面处横径逐渐缩小、矢状径逐渐扩大，扩大趋势大于缩小趋势，总体来说，随着下颌逐步前伸，舌后气道呈逐步增大趋势。

本课题研究结果显示，在下颌骨模型加载下颌最大前伸量20%、40%、60%、68%、70%、75%、80%、100%的作用下，舌根部随着下颌前伸量的增加向前移动，在60%时达到最大之后迅速下降再缓慢回升；在下颌前伸60%时舌体模型发生了突变，出现分层整体位移，综合位移的应力最大处位于舌后气道处；舌体矢状径的应力最大处位于舌体与舌骨连接处，舌背部前移量达到最大，前移11.91 mm。随着下颌前伸量的增加，舌后气道矢状径明显增加，横径相应减少，增加量大于减小量，表明下颌前伸能有效地打开舌后气道；随着下颌前伸量的增加，舌后气道横径与矢状径在60%达到最大变量，之后迅速下降再缓慢回升；在下颌前伸60%时舌后气道模型发生了突变，舌后气道狭窄处横截面的矢状径整体前移3.40 mm，横径减小0.76 mm。这与本课题之前的研究[72]结果相同：下颌骨前移至8.0 mm时模型的应力分布状态突变，说明下颌在前伸7.8~8 mm处是矫治器加载时的敏感点或突变点，这一位移的作用还需更多临床数据来证实。

随着加载位移量增大，舌后气道形态发生改变，表现为舌后气道矢状径增加，气道形态变化有利于消除OSAHS患者在该段所致的狭窄和阻塞，表明能打开上气道达到治疗的目的。以往研究显示[48]，下颌逐步前伸状态下OSAHS患者上气道始终处于增大状态，但从75%开始增长趋于平缓，这一结果与本课题的结果略有不同。本研究表明从下颌前伸20%开始，舌后气道最小截面矢状径逐步增大、横径逐步减小，随着下颌加载量增加，矢状径与横径在60%达到最大变化量，之后迅速下降再缓慢回升。这一现象说明7.8~8.0 mm是下颌移动的一个敏感点，对临床有较明显的效果，这个结果可能与本课题所选取的最大前伸量有关。

在加载医师经验位（68%）和患者调节位（70%）时，舌根部分别前移2.95、3.03 mm，舌体根部综合位移分别是2.63、2.71 mm，舌后气道矢状径分别增大1.19、1.23 mm，横径分别减小0.75、0.60 mm，表明患者调节位与医师经验位相比能更有效地打开舌后气道，从而增强患者的依从性与口腔矫治器戴用时的舒适度，为更有效地治疗OSAHS提供帮助。但本课题研究表明，舌体前移与舌后气道打开的最大量位于下颌骨最大前伸量的60%，临床上对于下颌前伸位移的选择（最舒适位、最佳前伸位）是否统一，需要进一步临床试验加以证实。

运用SPSS 11.5软件，对下颌不同前伸加载量与相对位置的舌体综合位移的相关性进行线性回归分析，结果表明下颌前伸与舌体综合位移间的相关系数达到1，表示完全相关，进而得出二者的回归系数方程为：y=-0.002+0.298x。而包括60%（7.8 mm）的统计学分析结果表明，下颌前伸与舌体综合位移间的相关系数仅为0.278，认为二者间相关性很低。本结果表明下颌前伸时，舌体向前移位，这种趋势随下颌前伸增加而增加，也表明60%（7.8 mm）是下颌前伸加载的一个敏感点或突变点。

综上所述，三维有限元模型可以还原真实的OSAHS患者上气道及周围组织的结构及形态，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。本课题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患者上气道形态改变的研究提供了一种新方法。上气道形态变化除了下颌前伸的机械牵拉外，还应包括神经调节和其他未知因素的共同作用。

4.3研究展望

建立更为精确的有限元模型，为进行后续力学分析奠定基础，对下颌前伸引起的上气道各段形变进行分析；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；模拟睡眠状态下下颌前伸矫治器治疗OSAHS患者时上气道的形态改变及力学变化；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，以期通过计算机模拟来指导临床患者个性化矫治器的制作。

以本课题为基础，可以进行以下方面的研究：

（1）进行其他影响气道变化因素的研究，为进一步合理设计矫治器提供更为精确的理论依据；

（2）对现有临床矫治器的治疗效果进行生物力学评价，结合临床表现进行相关组织学方面的研究，对矫治器加以改进；

（3）对下颌骨、舌体、舌骨、肌肉、气道、颞下颌关节之间的运动关系进行动力学研究，努力确定出下颌骨移位与其他相关因素之间的相关性，为临床确定最佳矫治伸长量提供依据。

5结论

（1）本课题基于OSAHS患者上气道CT扫描图片，结合三维CT成像处理软件Mimics 10.01，重建出真实的OSAHS患者下颌骨（骨密质、骨松质）、颞下颌关节盘、舌骨、气道（从硬腭平面至第3颈椎平面处）、肌肉（包含软腭、硬腭、下颌骨—舌骨—气道—1~3颈椎连接的肌肉组织）模型，基于此面模型建立的有限元模型具有更好的形态相似性及力学相似性，便于后续加载获得更准确的数据。所建立的上气道及毗邻结构的三维有限元模型考虑了肌肉的牵拉作用对上气道产生的影响，有别于以往模型建立，将下颌骨模型分为骨密质和骨松质进行建模，因此模型的几何相似度比前期已有的模型要高。

（2）本课题对OSAHS患者包含上气道及毗邻结构的三维有限元模型采用加载下颌前伸。通过观察OSAHS患者三维有限元模型舌体及舌后气道的形态学改变，证实下颌前伸对OSAHS患者舌后气道形态产生影响。随着下颌逐步前伸，舌后气道最小截面矢状径逐渐伸长，横径逐渐缩小，最大位移出现在下颌最大前伸位的60%，为下颌前伸矫治器治疗OSAHS的机理和后续的生物力学分析提供了依据与参考。

（3）本课题对医师经验位（68%）、患者调节位（70%）和最佳前伸位移（60%）进行观察发现，舌体前移与舌后气道的打开由大到小分别为60%、70%、68%。从患者主观因素出发患者调节位（70%）更为舒适，从患者的依从性等方面考虑患者调节位（70%）能增加患者戴用时间和戴用频率，更能为有效治疗OSAHS提供帮助。临床上对于下颌前伸位移的选择（最舒适位、最佳前伸位）是否统一，需要进一步临床试验加以分析。

中英文缩略词表

参考文献

[1] Liu Y, Lowe A A, Fleetham J A, et al.Cephalometric and physiologic predictors of the efficacy of an adjustable oral appliance for treating obstructive sleep apnea[J].Am J Orthod Dentofacial Orthop，2001,120:639-647.

[2] Pepperell J C, Ramdassingh-Dow S, Crosthwaite N, et al.Ambulatory blood pressure after therapeutic and subtherapeutic nasal continuous positive airway pressure for obstructive sleep apnoea:a randomised parallel trial[J].Lancet,2002,359（9302）:204-210.

[3] Yaggi H K, Concato J, Kernan W N, et al.Obstructive sleep apnea as a risk factor for stroke and death[J].N Engl J Med,2005,353（19）:2034-2041.

[4] Doherty L S, Kiely J L, Swan V, et al.Long-term effects of nasal continuous positive airway pressure therapy on cardiovascular outcomes in sleep apnea syndrome[J].Chest,2005,127（6）:2076-2084.

[5] Rama A N, Tekwani S H, Kushida CA.Sites of obstruction in obstructive sleep apnea[J].Chest, 2002,122:1139-1147.

[6] Ikeda K, Ogura M, Oshima T, et al.Quantitative assessment of the pharyngeal airway by dynamic magnetic resonance imaging in obstructive sleep apnea syndrome1[J].Ann Otol Rhinol Laryngol, 2001,110:183-189.

[7] Caples S M, Gami A S, Somers V K.Obstructive sleep apnea[J].Arm Intern Med,2005,142（3）:187-197.

[8] Schwab R J, Gefter W B, Pack A I, et al.Dynamic imaging of the upper airway during respiration in normal subjects[J].J Appl Physiol,1993,74:1504-1514.

[9] Chen N H, Li K K, Li S Y, et al.Airway Assessment by Volumetric Computed Tomography in Snorers and Subjects With Obstructive Sleep Apnea in a Far - East Asian Population[J].Laryngoscope, 2002,112（4）:721-725.

[10]Kryger M H, Roth T, Dement W C.Principles and practice of sleep medicine[M].4th ed.Philadelphia:Elsevier Saunders,2005:983-1000.

[11]Tangugsorn V, Skotvedt O, Krogstad O, et al.Obstuctive sleep apnea Part I.Cervico-craniofacial skeletal morphology[J].Eur J Orthod,1995,17:45-67.

[12]Lane F, Donnelly.Obstructive Sleep Apnea in Pediatric Patients:Evaluation with Cine MR Sleep Studies[J].Radiology,2005,236:768-778.

[13]Pépīn J L, Veale D, Ferretti G R, et al.Obstructive Sleep Apnea Syndrome:Hooked Appearance of the Soft Palate in Awake Patients ephalometric and CT Findings[J].Radiology,1999,210:163-170.

[14]高萍，李五一，党玉庆，等．OSAHS不同呼吸时相上气道变化的多层螺旋CT 评价[J]．中国临床医学影像杂志，2008,19（8）:536-540.

[15]高雪梅，曾祥龙，傅民魁，等．阻塞性睡眠呼吸暂停综合征上气道阻塞点的磁共振研究[J]．现代口腔医学杂志，2000,14（3）:185-187.

[16]Jeong S J, Kim W S, Sung S J, et al.Numerieal investigation on the flow characteristics and aerodynamic froce cf the upper airway of patient with obstructive sleep apnea using computational fluid dynamics [J].Medical Engineering&Physics,2007,29（6）:637-651.

[17]李延忠．睡眠呼吸障碍性疾病[M]．山东：山东科学技术出版社，2005:208-304.

[18]Cuccia A M, Caradonna C.Mandibular advancement devices:indications and predictors of treatment outcome[J].Minerva Stomatol,2007,56（9）:427-443.

[19]傅民魁．口腔正畸专科教程[M]．北京：人民卫生出版社，2007:689.

[20]刘月华，王飞，兰庭超，等．口腔矫治器治疗阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征——计算机辅助下颌前伸定位[J]．实用口腔医学杂志，2007,23（5）:611-655.

[21]Kato J, Isono S, Tanaka A, et al.Dose-dependent effects of mandibular advancement on pharyngeal mechanics and nocturnal oxygenation in patients with sleep-disordered breathing [J].Chest, 2000,117:1065-1072.

[22]Dort L C, Hadjuk E, Remmers J E.Mandibular advancement and obstructive sleep apnoea:a method for determining effective mandibular protrusion[J].Eur Respir J,2006,27:1003-1009.

[23]许世雄，Chew Y T, Low H T，等．下呼吸道重开的生物流体力学研究：实验模拟[J]．生物物理学报，2000,26（2）:380-386.

[24]Young T, Palta M, Dempsey J, et al.The occurrence of sleep-disordered breathing among middle-aged adults[J].N Engl J Med,1993,328:1230-1235.

[25]高雪梅，赵颖，曾祥龙，等．北京地区鼾症和睡眠呼吸暂停综合征的流行病学研究[J]．口腔正畸学，1997,4（3）:162-165.

[26]李长涛，戴嵘，高雪梅，等．OSAS患者颅面上气道形态学与睡眠呼吸功能的相关性研究[J]．中国医刊，2006,41（6）:25-27.

[27]中华医学会呼吸病学分会睡眠呼吸疾病学组．中枢性睡眠呼吸暂停低通气综合征诊治指南（草案）[J]．中华内科杂志，2003,42（8）:587-594.

[28]Isono S, Feroah T R, Hajduk E A, et al.Anatomy of the pharyngeal airway in sleep apneics:separating anatomic factors from neuromus- cular factors[J].Sleep,1993,16:S80-S84.

[29]Schwartz A R, Bennett M L, Smith P L, et al.Therapeutic electrical stimulation of the hypoglossal nerve in obstructive sleep apnea[J].Arch Otolaryngol Head Neck Surg,2001,127（10）:1216-1223.

[30]Bradford A, McGuire M, O'Halloran K D.Does episodic hypoxia affect upper airway dilator muscle function? Implications for the pathophysiology of obstructive sleep apnea[J].Respir Physiol Neurobiol, 2005,147（2-3）:223-234.

[31]季俊峰，周玫，江满杰，等．阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征患者上气道扩张肌肌电活性的研究[J]．医学研究生学报，2006,19（9）:806-813.

[32]Schwab R J, Gupta K B, Gefter W B, et al.Upper airway and soft tissue anatomy in normal subjects and patientswith sleep-disordered breathing[J].Am J Respir Care Med,1995,152（5pt1）:1673-1689.

[33]陆再英，钟南山．内科学[M]．第7版．北京：人民卫生出版社，2008:138-140.

[34]缪东生，张希龙．睡眠呼吸疾病诊疗技术[M]．北京：人民军医出版社，2009:25-33.

[35]Cistulli P.Craniofacial abnormalities in obstructive sleep apnoea:Implications for treatment[J].Respirology,1996,3:167-174.

[36]童茂荣，赵滢寅，夏锡荣．影响阻塞性睡眠呼吸暂停患者上气道口径的解剖因素[J]．江苏医药杂志，2000,26（9）:680-682.

[37]高雪梅，曾祥龙，傅民魁，等．阻塞性睡眠呼吸暂停综合征患者上气道大小的磁共振研究[J]．北京医科大学学报，1999,31（5）:450-453.

[38]刘月华，曾祥龙，傅民魁，等．阻塞性睡眠呼吸暂停综合征患者颅颌面形态的X线头影测量研究[J]．北京医科大学学报，1998,30（3）:242-245.

[39]高雪梅，曾祥龙，傅民魁，等．口腔矫正器治疗阻塞性睡眠呼吸暂停综合征的上气道阻塞点变化[J]．实用口腔医学杂志，1999,15（6）:407-410.

[40]刘月华，曾祥龙，傅民魁，等．口腔矫治器治疗阻塞性睡眠呼吸暂停综合征[J]．中华口腔医学杂志，1996,31（1）:12-15.

[41]Haskell J A, McCrillis J, Bruce S, et al.Effects of mandibular advancement device（MAD）on airway dimensions assessed with Cone-Beam computed tomography[J].Semin Orthod,2009,15（2）:132-158.

[42]Pantin C C, Hillman D R, Tennant M.Dental side effects of an otral device to treat snoting and obstructive sleep apnea[J].Sleep,1999,22:237-240.

[43]Clark G T, Sohn J, Hong C N.Treating obstructive sleep apnea and snoring:assessment of an anterior mandibular positioning device[J].J Am Dent Assoc,2000,131:751-771.

[44]Lindman R, Bondemark L.A review of oral devices in the treatment of habitual snoring and obstructive sleep apnea[J].Swed Dent J,2001,25:39-51.

[45]曾祥龙，高雪梅．阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征的口腔医学研究现状[J]．北京大学学报：医学版，2009,1:10-15.

[46]高雪梅，曾祥龙．阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征的口腔医学进展[J]．诊断学理论与实践， 2009, （6）:598-601.

[47]高雪梅，曾祥龙，傅民魁，等．口腔矫治器治疗OSAS的下颌定位[J]．口腔正畸学，2000,7（1）:20-22.

[48]Gao X M, Ohtsuka L, Ono T, et al.Effect of titrated mandibular advancement and jaw opening on the upper airway in awake nonapneicmen:A magnetic resonance imaging and cephalometric study [J].Am J Orthod Dentofacial Orthop,2004,125:191-199.

[49] Fleury B, Rakotonanahary D, Petelle B, et al.Mandibular advancement titration for obstructive sleep apnea:optimization of the procedure by combining clinical and oximetric parameters[J].Chest,2004,125:1761-1767.

[50]唐洁，范俊恒，张佐，等．自行调节式口腔矫治器对OSAHS患者的治疗效果[J]．江苏医药， 2011,37（9）:1051-1053.

[51]Shome B, L P Wang, M H Santare, et al.Modeling of Airflow in the Pharynx with Application to Sleep Apnea[J].Journal of Biomechanical Engineering,1998,120（3）:416-422.

[52]Svancara P, Horcek J.Numerical modeling of production of crech vowel /a/ based on FE model of vocal tract[J].In Proc ICVPB,2004.

[53]Allen G M, Shortall B P, T Gemcl.Computational Simulations of Airflow in an Invitro Model of the Pediatric Upper Airways[J].Journal of Biomechanical Engineering,2004,126（5）:604-613.

[54]Zhang Z.Aerosoltransport and deposition in a triple bifurcation bronchial airway model with local tumors[J].Inhalation Toxicology,2002,14（11）:1111-1133.

[55]Zhang Z.Micro-particle transport and deposition in a human oral airway mode[l J].Journal of Aerosol Science,2002,33（512）:1635.

[56]Zhang Z.Airflow structures and nano-particle deposition in a human[J].Journal of Computation Physics,2004,198（1）:178-210.

[57]Yaqi Huang, David P White, Atul Malhotro.The Impact of Anatomic Manipulations on Pharyngeal Collapse:Results From a Computational Model of the Normal Human Upper Airway[J].Chest, 2005,128:1324-1330.

[58]孙秀珍，于驰，刘迎曦，等．人体上呼吸道三维有限元重建与流场数值模拟[J]．航天医学与医学工程杂志，2006,19（2）:129-133.

[59]Nithiarasu P, Hassan O, Morgan K.Steady flow through a realistic human upper airway geometryh [J].Int J Numer Meth Fluids,2008,57:631-651.

[60]王莹，孙秀珍，刘迎曦，等．OSAHS患者与正常人上呼吸道流场特性比较[J]．大连理工大学学报， 2009,49（4）:476-481.

[61]赵雪岩，黄任含，楼航迪，等．阻塞性睡眠呼吸暂停综合征的生物力学研究[J]．北京大学学报：自然科学版，2009,45（5）:737-742.

[62]刘月华，曾祥龙，傅民魁，等．阻塞性睡眠呼吸暂停综合征与上气道及颅面结构的相关研究[J]．中华医学杂志，1998,78（11）:849.

[63]叶京英，韩德民，张永杰，等．阻塞性睡眠呼吸暂停综合征患者上气道的形态学研究[J]．中华耳鼻咽喉科杂志，2000,35:278-281.

[64]马靖，王广发．阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征的上气道检查[J]．诊断学理论与实践，2009,8 （6）:582-588.

[65]郭学军，王成林，刘鹏程．病理性鼾症的影像学诊断及其进展[J]．中国CT和MRI杂志，2007,5 （1）:51-52.

[66]胡娟，唐光健．阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征及其影像学研究[J]．国际医学放射学杂志， 2009,32（5）:429-433.

[67]Khaled F Mansour, James A Rowley, M Safman Badr.Measurement of Pharyngeal Cross-Sectional Area by Finite Element Analysis[J].Appl Physiol,2006,100:294-303.

[68]赵燕玲，曲爱丽，杨随兴，等．健康成人上气道及周围结构的三维有限元模型的构建[J]．宁夏医学杂志，2009,32（4）:329-331.

[69]李松青，哈若水，杨随兴，等．阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征患者的上气道及周围结构三维有限元模型的构建[J]．宁夏医学杂志，2010,33（4）:314-316.

[70]胡凯，周继林，洪民，等．建立模拟功能状态下的下颌骨有限元模型[J]．口腔颌面外科杂志， 1997,7:183-187.

[71]Vollmer D, Meyer U, Joos D, et al.Experimental and finite element study of a human mandible[J].J Craniomaxillofac Surg,2000,28（2）:91-96.

[72]封净．下颌逐步前伸对阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征患者腭咽部形态影响的三维有限元分析[J]．银川：宁夏医科大学，2010:24-27.

（唐 洁 龚 淼 张 佐）