The change of glossopharyngeal part of the Three- dimensional Finite Element Model of an Obstructive Sleep Apnea Hypopnea Syndrome Patient during titrated mandibular advancement

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 pathogenesis [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, Imageware and Ansys software.Through the analysis of finite element model of the load, which 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.And then titrated mandibular advancement, the changes and the law of glossopharyngeal part observed by biomechanics and morphologic.

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, Imageware and Ansys software.And then titrated mandibular advancement, the changes and the law of glossopharyngeal 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 w hich is formed by solid 92 tetrahedral unit of a 10-node mesh.The model has bone: 214725 elements,317305 nodes; muscle: 38826 elements, 60018 nodes; upper airway: 22590 elements,30720 nodes.After titrated mandibular advancement, glossopharyngeal part of three-dimensional finite element of OSAHS change signficately.The main manifestations are: After loading model, the transverse diameter and cross- sectional area of tongue pharyngeal were increased significantly, although the sagittal diameter was decreased correspondingly.The cross-sectional area of epiglottis tip of glossopharyngeal airway parts was increased Largest when mandibular advanced at 8 mm.the principal stress is mainly distributed in anterior wall of the upper airway, with the increasing of distance, the location of principal stress concentration did not change significantly.The tongue pharynx stress increased during titrated mandibular advancement.

Conclusion:The joint use of spiral CT technology, Imageware and Mimics software, Ansys software on the establishment of upper airway and vicinity structure of OSAHS patient, which confirmed by CT to establishment accurate, flexible three-dimensional finite element model of the upper airway and vicinity structure of an OSAHS patient.The model has good geometric similarity and good flexibility.The glossopharyngeal part of finite element model of OSAHS was analysises by titrated mandibular advancement, the effective show the relationship between mandibular advancement and the glossopharyngeal part, 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 follow-up study of upper airway in OSAHS patients with biomechanical analysis.

Key words:three- dimensional finite element method; Obstructive sleep apnea hypopnea syndrome; Mandibular advancement; Biodynamics; Mimics software; Imageware 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）是以睡眠时反复发生上气道阻塞，进而引起呼吸暂停和通气不足，导致血氧饱和度下降、睡眠结构紊乱、认知功能障碍等一系列临床表现的综合征，可导致患者生活质量不同程度下降。OSAHS患者最常见的症状是打鼾，主要合并有呼吸暂停。Young[15]的流行病学调查结果显示，美国OSAHS的发病率男性为4%，女性为2%。近年来，OSAHS发病率呈上升趋势。高雪梅等[16]对人群进行睡眠呼吸问卷调查，结果显示，北京地区鼾症患病率为13.4%，睡眠呼吸暂停患病率为3.1%，二者的发病年龄均在42岁左右，男性多于女性，患病率随年龄增长而增高。一项后续研究对经睡眠呼吸状况表和嗜睡表（epworth sleepiness scale, ESS）调查确定为无自觉症状的30名35～53岁成人的睡眠呼吸状况进行多导睡眠图（polysomnogrphy, PSG）监测，结果发现，57%者AHI≥5次/h，其中10%明显异常（AHI>15次/h）;40%者最低血氧饱和度（LSaO2）低于90%，其中3%严重低血氧（LSaO2<75%）[17]。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。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。最近20多年的研究证实，人类许多疾病的发生和发展与睡眠呼吸障碍密切相关，已经引起了国内外学者的高度重视。

根据OSAHS的诊断标准[18]，多导睡眠图（PSG）目前依然是诊断OSAHS的“金标准”。以AHI指数对OSAHS病情进行分度：5～20次/h为轻度，21～40次/h为中度，40次/h以上为重度。但由于在睡眠实验室用PSG诊断既耗时又费钱，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导致OSAHS发生[2]。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[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，对上气道的研究成为探究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。如图1所示，上气道包括鼻腔、咽腔和喉，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。以硬腭为界分割鼻咽、口咽，以会厌尖游离缘为界划分为口咽和喉咽。鼻咽部解剖：鼻咽部位于颅中窝的底部，咽穹与软腭之间。鼻咽部的垂直径约为5.5 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，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，后壁相当于第三颈椎的下部至第六颈椎的上部。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[25-27,5]，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发生睡眠呼吸暂停[28]。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[29]。Leiter等[30]的研究发现，OSAS患者咽部气道呈前后径椭圆形，有别于正常气道的水平椭圆形。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减小的主要原因。这与Rodenstein[31]、Schwab[32]等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患者是以前后径为长轴的椭圆形一致，这种差异可能是由OSAHS患者上气道左右径减小所致。刘月华等[33]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人，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。由此可见，舌咽部是上气道的重要组成部分，此段的组织移位和塌陷等是导致OSAHS发病的重要原因，对于舌咽部的形态学研究已成为OSAHS诊断、治疗、疗效评定的重要方面之一。

OSAHS患者上气道的肌肉：由于上气道无硬性结构支撑，所以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[34]。咽部肌肉关系复杂，解剖学上咽部扩张肌分为四组：（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。这四组肌肉同时收缩时舌骨向下向前，使前咽壁向外扩张，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。

研究OSAHS患者上气道形态结构的方法主要包括影像学方法、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患者上气道及周围软组织结构和功能相关的高分辨解剖学信息，正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），人们通过影像学方法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发病的基础，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方法对OSAHS患者上气道进行研究仍鲜见报道。

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模型，加载下颌骨逐步向前，观察下颌骨逐步前伸后舌咽部发生的变化，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能够治疗且疗效肯定，选择合适有效的治疗方法，不仅可以减轻或完全缓解打鼾、呼吸暂停、睡眠低氧血症和睡眠结构紊乱等，而且能控制或治疗OSAHS导致的相关并发症，直接或间接提高患者的生活质量。其主要治疗方法有一般治疗、药物治疗、手术治疗和器械治疗。一般治疗包括减肥、保持侧卧睡眠和戒酒戒烟等。目前药物对OSAHS的疗效还很不确定，故不作为常规治疗方法。手术治疗OSAHS的目的在于消除或减少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。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。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作用，对绝大部分患者有较好的疗效，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。

OSAHS患者仅在睡眠时戴用口腔矫治器治疗，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[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，从而增加气道体积，特别是口咽部，腭咽和舌咽的容积增加，使后气道间隙扩大增宽，消除上气道的阻塞。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，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。

以往研究结果显示：口腔矫治器可以扩大上气道[36-42]。矫治器可为口咽获得23%额外的体积，咽腔总体积增加13.5%。从腭咽到舌咽乃至喉咽，都可见不同程度的扩张；上气道阻塞大为减少或减轻，阻塞点从多点转为单点，甚至完全消失，遗留的阻塞点多数范围减小、程度减轻；矫治器可明显增大上气道截面积，主要在腭咽和舌咽。但在矢向径与横向径的增加比例上，各研究者有所出入。此外，戴入口腔矫治器后，舌骨上移，舌体由直立变平卧前伸；软腭向前下垂。需要指出的是，尽管戴口腔矫治器时OSAHS患者的上气道大小、形态有较大改变，但与无鼾正常者相比仍然存在差异。

下颌定位是OSAHS口腔治疗的核心问题，下颌定位不当时，疗效不明显或者患者口面肌肉、关节不能适应。确定下颌新位置是成功治疗OSAHS的重要因素之一，受到国内外临床医学家的普遍重视。目前，下颌定位主要依赖临床经验（表1）[43]。高雪梅、曾祥龙、傅民魁等对疗效显著的38例附咬合蜡的石膏模型进行测量[44]，下颌前伸量平均为（612±115）mm，稍小于患者的最适前伸量[（617±117）mm]，为患者下颌最大前伸量[（913±210）mm]的68%左右，上、下切牙略成反覆盖关系。但目前关于口腔矫治器治疗OSAHS的前伸量在国内外争议较多，以往研究患者的重新定位一般位于患者下颌最大前伸量的50%～75%之间。

表1下颌前移类矫治器的下颌定位及疗效

下颌定位依赖于口腔矫治器施加后下颌骨前伸来实现，使患者下颌重新定位，临床治疗时下颌前伸标准常难以达到一致。本实验将重点分析下颌骨前伸对OSAHS患者舌咽部模型的影响，为下颌定位标准提供参考依据，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。

1.2有限元法及其在OSAHS研究中的应用

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[45]。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[46],1956年Turner将有限元法在航空工业首次运用成功起[47]，有限元法便被广泛应用于工程技术的各个领域。但在医学领域，由于曲面的任意性和解剖结构的复杂性，加之人体组织的复合型和边界的不准确性，使用有限元软件很难完全对实体模型材质进行定义，近年来，通过不断的研究和改进，医学有限元的建模主要有以下几种方法：

（1）磨片切片法：通过制作模型切片、磨片和人工测量标本的方法，对断层逐层进行坐标测绘，利用计算机对截面数据进行汇总和处理。这种方法很难对精细结构进行准确表达，建模过程中人工影响因素多，主观性大，容易出现较大误差，耗费较多人力物力，且属于破坏性建模，目前已经很少使用。

（2）三维测量法：将模型测量数据输入计算机建成三维模型，继而使用数据接口将CAD模型转到CAE软件中进行数值分析[48]。三维测量法分直接法和间接法两种，目前多采用非接触式激光扫描，其具有速度快、精度高、不与所测物体直接接触等优势。但这种方法采集成本高，采集后数据处理时间长，需进行数据转换方能使用，其不足之处为只能测量实物表面数据，缺乏对材料和组织特性的反映，故该方法不适用于实体结构的建模。

（3）CT图像处理法和DICOM数据直接建模法：CT图像处理法是目前最受欢迎的建模方式，在口腔组织的建模方面也取得很好成绩[49-51]，其主要有以下几步：①通过被测对象的CT图像获取原始数据。②将CT图像导入计算机，以图像格式存储，方便后期获取二维图像的数据。③形成轮廓线位图，绘制成各断面的轮廓线矢量图。④基于图像轮廓线，建立三维有限元网格模型。CT重建流程如图2所示。

图2 CT图像处理法重建模型流程

但由于建模过程中“拍摄胶片和胶片扫描”等人为因素，人们仅能使用部分CT 数据，造成实体数据信息的损失。DICOM数据直接建模法能直接读取CT数据信息，不必生成胶片，数据信息可依照DICOM 标准，即American College of Radiology National Electrical Manufacturers Association联合颁布的标准中的存盘或传输技术减少实体数据损失，其相应过程为：（1）三维数据的扫描。（2）DICOM数据的读取。（3）图像的分割。（4）轮廓提取并生成轮廓线。（5）将轮廓线输入有限元软件，使用相应的前处理模块进行几何模型生成和网格划分，然后建立三维有限元模型。

自1973年Thresher[52]首先将有限元法应用于口腔医学后，三维有限元分析法在口腔生物力学中的应用越来越广泛，如在正常牙及颌骨三维有限元模型的建立及应力分析、牙体牙髓病学、口腔颌面外科、口腔修复学、口腔正畸学中都得到广泛的应用。1977年Yettramm[53]首先建立了上颌中切牙的二维有限元模型，1988年Tanne等[54]首次建立了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方法建立了口腔正常牙及颌骨的三维有限元模型[55-56]，为口腔生物力学分析打下基础。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[57-58]。三维有限元分析法在口腔颌面外科的应用主要是颌骨骨折和口腔种植领域，对此也有很多文献进行了报道[59-60]。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影响的研究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，成为修复学的理论基础之一[61-63]。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探讨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，为实现确定的矫治目标、施加正确的矫治力提供参考[64-65]。

目前采用三维有限元方法来研究OSAHS的报道并不多见。近年来，Yaqi Huang等[66]建立正常人上气道有限元模型来研究解剖因素对咽部塌陷的影响。国内学者孙秀珍等[67]建立了健康志愿者的上气道三维有限元模型，并进行了流体分析。赵雪岩等人[68]利用CT扫描数据，建立健康成年志愿者的上气道三维有限元模型，模拟气道气压对上气道模型表面施加动态加载，分析解剖结构和生理过程之间的关系。李松青、曲爱丽等建立了正常人群和OSAHS患者的上气道及其周围结构的三维有限元模型[69-70]，为上气道软硬组织建模的探索，为本研究提供了原始经验并创造了条件。

近年来，随着计算机技术和三维有限元软件技术的日趋成熟，有限元建模的精度明显提高，建模速度明显加快，材料性质的赋值更符合临床实际，有限元的开放性可根据需要适当编辑和删减，减少后续工作量并方便后期研究。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分析方法，但应用于OSAHS的研究报道并不多见，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。基于此，本研究根据OSAHS患者上气道的CT获得的DICOM数据，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模型进行加载分析，为OSAHS患者上气道生物力学分析打下基础，以期深入了解OSAHS的发病机制、口腔矫治器治疗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OSAHS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 10.01扫描数据模拟重建软件（Materialise公司，比利时）；

Imageware 10.0软件（EDS公司，美国）；

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3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的工具界面。Mimics软件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。

Imageware软件是由美国EDS公司出品的逆向工程软件，它是对已存在的产品、零件（或部件）的原型或模型，运用先进的测试技术，进行三维扫描、数字化处理，并以数字化处理的结果为基础，对其进行分析和修改，最后通过先进的制造技术对其分析修改的结果进行生产制造。对外形复杂，还有一些天然的东西（如雕塑）及复杂的曲面，快速建模，再进行设计。由此可以看出，逆向工程技术与传统的产品设计方法不同。该软件被广泛地应用于通用机械、汽车、模具、航空航天、电子和计算机零部件行业等诸多领域，主要用于大规模点云数据的处理，并可实现由下而上（down to up）的建模。

图3 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显示、截面显示（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

按中华医学会呼吸分会阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征的诊断标准和中度病情标准，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, LSO2%）为83.76%。曾经下颌前伸矫治器治疗有效并自愿停用矫治器3个月，并未做其他任何治疗。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，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疾病。

2.3建模步骤

2.3.1 CT图像数据采集

采用美国GE公司Lightspeed（16排）CT机扫描测试对象取材相关部位（甲状软骨至眼眶下缘）进行数据采集，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，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。扫描参数如下：球管电压与电流120 kV/230 mA，层厚0.625 mm，连续扫描，扫描线与颌平面平行。扫描过程中保证体位不变。共得到218层CT图像，以DICOM格式数据文件刻录存盘，其CT典型层如图4所示。

图4 CT图层

2.3.2建立三维有限元模型

将CT扫描所获得的DICOM格式数据文件导入Mimics 10.01软件中，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（如图5所示）。

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、-5-135及气道（自定义）:-1024-（-490），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与气道的边缘重合、舌体的边缘由下颌骨的边缘确定，这一过程主要在Ansys软件内完成。下面以舌骨建模过程为例来说明。

2.3.2.1首先对图片进行阈值选取（Thresholding），根据重建组织密度范围的不同，选定所要重建组织的种类，该软件会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，如图6。方法为：点击视图页面中Segmentation中的Thresholding，将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。

图5 Mimics 10.0界面

2.3.2.2获得该种组织的原始蒙罩后，所有骨组织都被选取。要想获得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。方法：在刚才已经分割好的图片上点击Region Growing）键，之后点击图片中的舌骨组织，则舌骨组织变为黄色表示被选中，如图7所示。

图6通过选择阈值选取舌骨

图7通过区域生长获得舌骨蒙罩

2.3.2.3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。因此，利用软件中Edit mask模块中的擦除功能（Edit）将多余的组织擦除，这项工作耗费时间长、工作量大、要对所需建模的组织断层图像边缘认识清晰，且在识别过程中将产生的空洞填补。图8为舌骨擦除多余组织及填补空洞前后的图片。

图8填充空洞前后的CT片

图9舌骨3D模型

2.3.2.4选取舌骨及填补空洞以后，需要在三维实体（3D Object）菜单栏导入新生成的蒙罩并加以运算，获得所选取的实体结构区域的三维重建模型。

方法：点击软件右上图标中的Calculate 3D from Masks，生成三维面模型。此时的三维模型只是面模型，表面并不光滑，需要进一步进行光滑化处理，如图9所示。

2.3.2.5在The Calculate 3D界面修补图像，应选取更适用于医学图像处理的轮廓内插法，通过减少矩阵、表面光滑、边减少、三角形减少等方式以提高生成三维实体模型的质量。因此，需要在Mimics 10.01的Remesh模块中对上述模型进行减少矩阵、表面光滑、边减少、三角形减少工作，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。

方法：直接点击Remesh按钮，进入自动网格划分模块，在此模块中重复进行组织的smoothing, ruducing edge（points）, remesh，生成以-remesh命名的模型。将该模型导出，另存为．iges格式即可。

运用同样的方法分别重建出各个组织的三维实体模型。本项目中肌肉的边界不清晰，给几何体的构建带来非常大的困难，因此在Mimics软件中只生成下颌骨、舌骨、气道的模型，在之后的步骤中再根据CT图片的具体位置进行肌肉简化模型的构建。所生成模型利用布尔运算将各个几何模型合体，模型如图10所示。

在Mimics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，在该软件中对点云数据逐层进行B样条曲线拟合，并利用软件自带的调整曲线的曲率、控制点的位置等方法使曲线光顺，同时生成Loft曲面，用测量模块检验曲面与点云之间的差距，本项目的最大差值为0.0013 mm，能够保证模型具有较高的几何相似性。在该软件中只进行线的拟合，并将几何特征以．iges格式保存以导入Ansys 8.0软件从而生成体模型。

在Ansys软件中将导入的线框格式的骨、气道模型通过前处理模块进行面模型的构建，检查所有模型的连贯性后即可生成体模型。图11为在Ansys软件中通过线、面构建的骨、气道、肌肉模型，其中肌肉模型按照CT中的几何位置采用下颌骨、舌骨、气道已有的表面进行连接生成。为方便后续研究数据提取，所有模型均为模块化模型。

图10在Mimics软件中生成的骨、气道模型

本项目的材料特性采用Mimics软件自动赋值与文献数据相结合的方式，骨的弹性模量为2700 MPa，泊松比为0.3；肌肉弹性模量为20 MPa，泊松比为0.45；气道弹性模量为1 MPa，泊松比为0.49（软件识别的最大值为0.5，但是Ansys软件只能赋值为小于0.5）。采用自动与手动相结合的方式进行所有体模型的网格划分，单元类型采用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：214725、38826、22590个单元，317305、60018、30720个节点。有限元模型见图11右下。

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，而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，在今后的分析计算中也会带来误差。

图11几何模型及有限元模型

（3）设定模型中各材料及组织为连续、均质和各同向性的线弹性材料。

2.4整体模型的下颌骨前伸加载

对建立的模型进行相关力学相似性的验证：在下颌骨模型上根据文献数据，分别在磨牙、前磨牙及侧切牙上分别加载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，获得平均应力（如图12所示）。在该模型中能够明显看到髁状突颈部、喙突后侧、下颌角、磨牙区为应力集中区，形成从下颌体部至下颌角、下颌体部沿后牙牙槽嵴远端下颌升支前缘至喙突、喙突后侧沿乙状切迹至髁状突颈部三条应力轨迹线，与以往文献结论一致，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12下颌骨有限元模型及平均应力轨迹

边界约束：实验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。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前伸2、4、6、8 mm，依次定义为加载1、加载2、加载3、加载4，参照北京大学赵雪岩等[72]研究文献，在模型的上气道表面分别选取会厌尖横截面的横径及矢状径作为研究指标，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及应力变化。

3结果

3.1阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征患者上气道及其周围结构的三维有限元模型

采用层厚0.625 mm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3D模型、网格划分等程序，得到了OSAHS患者上气道、下颌骨、舌骨的三维实体模型。通过Imageware及Ansys 8.0软件实现自下而上的实体模型建立。由于实体模型软组织建模复杂及其与周围组织连接困难，我们人为地建立与下颌骨、舌骨相连接的肌肉束，定义为弹性体。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Mimics软件赋值与国内外相关研究，选取骨弹性模量为2700 MPa，泊松比为0.30；肌肉弹性模量为20 MPa，泊松比为0.45；气道弹性模量为1，泊松比为0.49。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，分析结果更接近实际。经过计算机划分网格后，骨、肌肉、气道得到的单元数和节点数分别为：214725、38826、22590个单元，317305、60018、30720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三维有限元模型的影响

通过对三维有限元模型中的下颌骨模型加载下颌前伸2、4、6、8 mm，发现上气道舌咽部平面发生改变，如表1及图13-18所示。具体计算结果如下：

在加载1作用下，气道舌咽会厌尖截面处横径增加0.04 mm、矢状径减小约0.3 mm，截面略变为椭圆形，同时应力最大为0.33 MPa，位于上气道后壁区刚性固定处。

在加载2作用下，气道舌咽会厌尖截面处横径增加0.09 mm，矢状径减小约0.078 mm，截面增加，应力增加，最大为0.85 MPa，主要集中在上气道前壁区肌肉牵拉处。

在加载3作用下，气道舌咽会厌尖截面处横径增加约0.13 mm，矢状径减小约0.11 mm，截面增加，平均应力增加至0.99 MPa，主应力集中位置未发生明显改变。

图13下颌前伸2 mm时系统、舌骨、舌咽部应力、位移分布图

图14下颌前伸4 mm时系统、舌骨、舌咽部应力、位移分布图

图15下颌前伸6 mm时系统、舌骨、舌咽部应力、位移分布图

图16下颌前伸8 mm时系统、舌骨、舌咽部应力、位移分布图

图17舌咽部在各加载状况下的第一主应力表现

图18舌咽部在各加载状况下的第三主应力表现

在加载4作用下，气道舌咽会厌尖截面处横径增加0.7 mm，矢状径减小0.15 mm，截面增加，平均应力增加至1.33 MPa，主应力区未发生明显变化，主要集中在上气道前、侧壁区。

表2上气道舌咽部平面在不同加载下的主要改变

在加载1、2、3、4作用下，舌咽部横径明显增加，最大增加了0.7 mm；舌咽部矢状径随加载顺序呈减小趋势，最大减小0.15 mm；从综合位移图中可以看出，气道舌咽会厌尖截面积也随下颌前伸量呈逐渐增加趋势，可能说明在舌咽部，相对于矢状径，横径对气道打开作用更为明显。

图19舌咽部横径、矢状径在不同加载下的主要改变

图20舌咽部S1主应力值（MPa）变化示意图

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前伸2、4、6、8 mm，发现上气道舌咽部平面横径和横截面积均增加，矢状径减小；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。但随着前伸距离增加，应力值不断增加，S1主应力从最初的0.33 MPa增至加载4下的1.33 MPa，第三主应力S3也随加载距离递增。

4讨论

OSAHS是一类复杂的综合征，由于患者睡眠中呼吸发生暂停，通气发生障碍，机体处于长期低氧状态，继而诱发心、脑、肾等并发症及全身性病变，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发病人数逐年增多，OSAHS目前已受到医学界和相关学科的高度重视。

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，而呼吸又是一个正压、负压反复交替的过程。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[26,5]。因此，对上气道的形态学研究成为研究OSAHS发生机制的重要方面。

4.1 CT技术与三维有限元的结合

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[71]。三维影像技术对上气道及其周围结构立体逐层显示，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[72]。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患者治疗方案的选择、手术疗效的预估具有重要意义。螺旋CT及其智能化工作站使CT图像处理及数据传输更为方便，使CT在OS-AHS的研究中显示了它的独特优势。MRI技术避免了放射线照射，软组织分辨率高，能够多层面多方位成像，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也较多，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[73]，这些因素使得它的应用不及CT普遍，但作为一种研究手段，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。

近年来，有限元模型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。有限元分析自1973年Thresher[52]首先应用于口腔医学后，已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，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。基于此，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，并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。

4.2利用Mimics 10.01、Imageware 10.0和Ansys软件构建三维有限元模型的特点

本研究中我们采用薄层CT扫描技术扫描OSAHS患者上气道，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 10.01软件所得影像真实可靠，能够全面准确地再现上气道复杂的结构，该操作过程使图像失真、信息丢失的可能性降到了最低限度。以往建立三维有限元模型常采用CT胶片扫描或照相技术，容易引起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、质量，进而影响到计算结果的准确性。

利用Mimics 10.01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，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 10.01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。通过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，同时在建模过程中只简化了下颌骨的松质骨，对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，因此模型具有非常高的几何相似性。再利用Mimics软件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。然后利用模型进行相关力学相似性的验证，证明建立的模型具有非常高的力学相似性，建立的模型有效。

4.3三维有限元方法研究OSAHS的现状及意义

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[66]建立正常人上气道有限元模型来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。2006年国内学者孙秀珍等[67]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。2009年，北京大学学者赵雪岩等人[68]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加载，分析解剖结构和生理过程之间的关系。2010年，李松青、曲爱丽等建立了正常人群和OSAHS患者的上气道及其周围结构的三维有限元模型[69-70]，为上气道软硬组织有限元分析的探索，为本研究提供了原始经验并创造了条件。

随着有限元技术的发展，建模方法由二维发展到三维，更能体现实体组织结构，孙秀珍和赵雪岩等对上气道软组织结构进行了建模，但未涉及气道与下颌骨等周围结构的关系，对下颌前伸与上气道关系未进行探讨分析。李松青等建立了涉及下颌骨等周围结构的第一个有限元模型，本实验根据实验需要和以往经验进行改进，对软硬组织进行整合和拟合，遂建立了最新的上气道三维有限元模型。本研究建立的OSAHS患者上气道及其周围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，为后续试验的力学加载奠定了基础，为研究OSAHS患者上气道生物力学分析打下了基础。后期可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，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。

对上气道的模型加载分析，孙秀珍与赵雪岩等均是从计算流体力学的角度研究气体流场，研究的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，而未涉及下颌前伸与气道形态结构改变的加载分析，未对下颌定位对上气道的生物力学等进行研究。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，为口腔矫治器治疗OSAHS提供理论依据，从这样的逐步前伸过程中可以看到上气道形态结构变化趋势和改变，为后续研究打下基础。

4.4下颌前伸对OSAHS上气道舌咽部三维有限元模型的加载分析

以往研究结果已证明，OSAHS的上气道软组织发生病理性位移和坍陷，致使上气道阻塞，下颌前伸矫治器作为治疗OSAHS的一种有效手段，目前多认为其作用机理为：引导下颌前下移位，进而打开上气道，消除或缓解阻塞，改善呼吸通气状况，达到治疗目的。

下颌定位的前伸标准是口腔矫治器治疗OSAHS的研究热点之一，目前对下颌定位研究往往源于临床经验，对下颌定位前伸标准和最佳下颌前移位的争论不断，下颌前伸牵引的量化指标和正常参考范围也理应成为其中指标之一，探讨适宜前伸距离，理想状况下必须选择在一个合适的牵引方向下，使下颌在同一方向不同前伸距离发生移动，继而动态观察上气道软组织应力分布特征和有效节点位移变化。而三维有限元技术为解决此问题提供了一个新的研究方法。通过建立的OSAHS患者的上气道及周围结构的三维有限元模型，并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。

临床上采用口腔矫治器治疗OSAHS患者时，为减轻下颌被动前伸时对牙列、颌骨、颅面和颞下颌关节的负面效应，多提倡使用下颌逐步前伸。本实验通过模拟下颌前伸矫治器使下颌逐步前伸的OSAHS的三维有限元模型的加载，通过下颌逐步前伸，观察上气道舌咽部生物力学改变和形态学变化，证实下颌前伸引发了上气道在三维方向的改变和下颌前伸机制治疗OSAHS的有效性，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坍陷。但局部组织结构的位移特点不尽相同。

依据本实验结果，在加载1、2、3、4作用下，横径明显增加，最大增加了0.7 mm；舌咽部矢状径随加载顺序相应减少；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，最大界面出现在加载4作用下，可能说明相对于矢状径，横径对面的影响作用更为明显。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前伸2、4、6、8 mm，发现上气道舌咽部平面横径和横截面增加，矢状径减小；加载模型后，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。但随着前伸距离增加，应力值不断增加，S1主应力从最初的0.33 MPa增至加载4下的1.33 MPa，第三主应力S3也随加载距离递增。

随着加载距离递增，舌咽部发生的生物力学改变特征，提示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，气道形态的变化有利于消除OSAHS患者该段狭窄和阻塞，能打开上气道，达到治疗OSAHS的作用。同时在实验过程中发现，随着下颌前伸距离增加，其应力区的应力更为集中，可引起患者的不适，故下颌前伸时初次不宜过大，最好能逐步增加，尽可能在最大减少患者不适感的情况下保证疗效。但对于下颌逐步前伸时所追加距离、最佳舒适位和最佳前伸位是否统一仍需要进一步的临床试验加以分析。

本实验还考察了包含下颌骨、舌骨、肌肉和气道在内的整体应力变化及随着前伸量不同各部分之间引起的应力变化，主要考察了舌骨的变化：随着下颌前伸，舌骨上的应力主要集中在与下颌、气道相连的肌肉处，而且应力大小随前伸量的增加而增大，证实了舌骨随着肌肉的牵拉主要沿前上方移动，因此在设计矫治器时可以考虑舌骨位置变化的趋势以取得较好的效果。

随着下颌前伸量的增加，整体模型的受力都在增加，尤其以下颌骨为甚。由于下颌骨的弹性模量是肌肉和气道组织的数百倍，故承担大部分应力，具有应力遮挡作用，由结果可以看出：当前伸量超过6 mm以上时应力遮挡严重，提示在设计矫治器时应避免前伸量过大。同时下颌骨前伸时，其上的应力线与垂直加载作用下的应力线有了较明显的变化：喙突后侧沿乙状切迹至髁状突颈部的应力明显增加，而下颌体部至下颌角的应力分布明显降低，提示在设计矫治器时要考虑到颞下颌关节的受力，确定适当的前伸量。

4.5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加载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伸矫治器治疗OSAHS患者时上气道的形态改变和力学行为，可以考虑其他加载方式，观察其他相应指标的改变。

以本实验为基础，可以进行以下方面的工作：

（1）继续其他影响骨、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，对矫治器加以改进设计；

（3）继续对下颌骨、舌骨、肌肉、气道之间的运动关系进行动力学研究，努力确定出肌肉力与下颌骨移位之间的代数关系，为临床确定最佳矫治伸长量提供依据。

5结论

（1）本研究以16排螺旋CT断层影像作为数据来源，利用工作站上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，避免了传统CT胶片的图像转换成数据时，人为因素造成的信息丢失，保持了原始图像信息的完整，降低了图像失真度；Mimics软件实现了CT图像与三维模型的转换，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，提高了建模的效率和可操作性。

（2）本次建模过程中涉及下颌骨、舌骨的硬组织结构和肌肉、上气道等软组织，必须将软硬组织模型拟合，交界准确自然。本实验使用Mimics联合Imageware软件、Ansys有限元分析软件重建OSAHS患者上气道的三维有限元模型，在Mimics软件中只生成下颌骨、舌骨、气道的模型，根据CT图片的具体位置再进行肌肉整体模型的模拟；利用反求工程软件Imageware 10.0对点云数据进行处理，完成降噪、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，在有限元模型上对软硬组织进行建立和分析；然后将几何特征以．iges格式保存，导入Ansys 8.0软件以生成体模型，并根据需要进行网格划分，生成有限元模型。本研究对建立模型进行相关力学相似性的验证，证明了建立的模型具有非常高的力学相似性，建立的模型有效。

（3）通过对模型边界约束后加载分析发现：三维下颌骨模型加载下颌前伸2、4、6、8 mm时，上气道舌咽部平面发生改变，主要表现为舌咽部横径、气道舌咽会厌尖截面呈逐渐增加趋势；加载模型后主应力主要集中于上气道前壁区肌肉牵拉处，位置未发生明显改变，但应力值不断增加，提示下颌前伸可打开上气道，消除阻塞，有利于OSAHS治疗，为OSAHS上气道的后续有限元和生物力学研究奠定了基础，同时验证了有限元研究方法的有效性。

（4）本研究用下颌逐步前伸的方法对OSAHS上气道有限元模型进行加载，通过观察OSAHS患者舌咽部三维有限元模型的变化和生物力学改变，为下颌前伸矫治器的治疗机理提供证据，是从口腔医学角度对OSAHS的有限元建模和加载分析研究，为后期下颌前伸矫治器的优化设计和后续OSAHS有限元和生物力学分析提供了依据。

中英文缩略词表

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（杨随兴 封 净 曲爱丽）