口腔矫治器对OSAHS患者咽腔气流及上气道壁形变影响的研究

张郁 李永明 安志彬

·论著·

口腔矫治器对OSAHS患者咽腔气流及上气道壁形变影响的研究

张郁 李永明 安志彬

目的通过建立OSAHS患者戴用口腔矫治器前后咽腔的三维有限元生物力学模型，利用流固耦合方法数值分析咽腔气流及上气道壁的变化，探讨OSAHS的口腔矫治器治疗机制。方法对1例确诊为中度OSAHS的成人患者戴矫治器前和戴矫治器3个月后分别行上气道及周围组织MRI检查。将以DICOM格式存储的扫描数据导入三维重建软件Mimics 17.0、NX 8.5，Geomagic Studio12.0对上气道及软腭进行三维重建，应用ANSYS Workbench 13.0软件进行网格划分，赋予各部分材料属性，最终建立上气道的流固耦合有限元模型。将所得的模型导入CFX-ANSYS软件中进行FSI数值计算。结果患者戴OA后，在最大吸气时刻，腭咽处的气流速度由9.677 m/s降低到7.020 m/s，最大负压由-64.18 Pa降低到-37.88 Pa，气道壁的最大形变量由0.629 mm减小到0.244 mm。在最大呼气时刻，腭咽处的气流速度由10.44 m/s降低到7.441 m/s，最大负压由-36.25 Pa降低到-23.79 Pa，气道壁的最大形变量由0.648 mm减小到0.310 mm。结论OSAHS患者戴OA后，在最大吸气和最大呼气时刻，腭咽气道的负压和气道壁的形变均降低，使咽腔不易出现塌陷，从而减轻了患者的打鼾和呼吸暂停症状。

阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征；上气道；生物力学；流固耦合

阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征(obstructive sleep apnea-hypopnea syndrome,OSAHS)由于具有较高的发病率以及相关严重的并发症，影响着人们的生活质量，现已成为医学界高度关注的疾病。口腔矫治器(oral appliance,OA)因经济适用，而且能取得与持续气道正压通气(continuous positive airway pressure,CPAP)同样的治疗效果，依从性也较CPAP好而被大量应用于临床上轻中度OSAHS的治疗[1]。但由于患者间存在着个体差异及其上气道形态结构异常的多样性，其治疗机制还并不是很清楚。因此，本研究通过三维重建软件重建OSAHS患者戴用OA前后咽腔的三维有限元生物力学模型，利用流固耦合(fluid-structure interaction,FSI)方法数值分析咽腔气流动力学及上气道壁位移的变化，探讨OSAHS的口腔矫治器治疗机制。

1 资料与方法

1.1 一般资料 在知情同意的原则下，选择1例经PSG诊断为中度OSAHS的男性患者，40岁，体重指数(BMI)=24.7 kg/m2，患者呼吸暂停低通气指数(AHI)为24.1次/h，最低血氧饱和度为82%。临床症状：睡眠时打鼾并伴有反复觉醒，自觉憋气，晨起头痛，白天过度嗜睡，情绪障碍等。受试者近期无上呼吸道急慢性感染病史，既往无颌面部、上呼吸道外伤史和手术史。口腔检查：牙齿排列较整齐、轻微牙龈炎、无牙齿缺失、牙齿松动度≤Ⅰ度，软腭过长Ⅰ度，舌体正常，无扁桃体肥大。口外颞下颌关节检查：开口型和开口度正常，双侧关节区无压痛，关节活动度基本一致。纤维鼻咽喉镜检查结果示：患者鼻甲黏膜表面光滑，色泽正常，鼻道内无分泌物或新生物，未见明显鼻中隔偏曲，鼻甲正常无肥大，后鼻孔两侧大小对称。

1.2 实验设备 (1)西门子1.5T超导型MRI。(2)计算机配置：戴尔Precision M6800； Windows 7 Professional 64位操作系统；CPU：4核；内存：2x8GB 1 600 MHz DDR3L；集成英特尔82579M/V 10/100/1 000千兆位以太网；256GB 2.5英寸SATA固态硬盘。(3)实验应用的相关软件：Mimics 17.0软件(Materialise,Belgium)；NX 8.5软件(SIEMENS UGS PLM)；Geomagic Studio12.0软件(RaindropGeoMagic公司，美国)；ANSYS Workbench 13.0软件(美国ANSYS)；CFX-ANSYS软件(美国ANSYS)。

1.3 研究方法

1.3.1 PSG检查和MRI扫描:中度OSAHS患者戴OA前和戴后3个月，分别行PSG检测及上气道和周围组织三维MRI扫描。扫描范围：以眶上缘为上界，下界为会厌根，从上到下进行连续扫描，范围包括整个鼻腔和咽腔以及软腭、舌、咽侧壁等周围组织。总扫描时间5∶09 min，扫描层数：256层，层厚：0.6 mm，扫描层数和层厚均满足上气道重建的要求。

1.3.2 模型的建立:①以DICOM格式存储的扫描数据导入三维重建软件：Mimics 17.0，NX8.5，Geomagic

Studio12.0对上气道及软腭进行三维重建，应用ANSYS Workbench 13.0软件进行网格划分，赋予各部分材料属性，最终建立咽腔和软腭的流固耦合有限元模型。将所得的模型导入CFX-ANSYS软件中进行FSI数值计算。②考虑到该患者鼻腔结构正常无其他的狭窄和病变，以及OA矫治作用主要在咽腔部分，本实验主要关注咽腔内气流特性和软腭的运动，同时，鼻腔具有较大的刚度，对气流的影响较小，气道的气流参数不是特别敏感，所以建模省去鼻腔部分，保留了后鼻孔以下的咽腔部分。患者戴用OA前后咽腔的流固耦合有限元模型建立的结果。见图1。

戴OA前戴OA后

图1 戴OA前后气道流固耦合模型

1.3.3 数值模拟：戴OA前气道壁共生成722 482个单元和1 059 029个节点；流体区域气道共生成944 525 个单元和169 427个节点。戴OA后气道壁共生成863 098个单元和1 262 541个节点；流体区域气道共生成1 146 478个单元和205 299个节点。

1.4 观察内容 采用FSI分析了OSAHS患者戴OA前后对咽腔内流场的影响。主要结果有咽腔形态学变化、FSI的咽腔内气流特性以及气道壁的形变。

2 结果

2.1 OA治疗前后咽腔形态学变化 从流固耦合模型可以看出，该OSAHS患者未戴OA前，狭窄区域主要是位于腭咽和舌咽，而悬雍垂对应的咽腔界面是最狭窄处；戴用OA后，狭窄区域得到改善，咽腔的形态结构发生变化集中在腭咽和舌咽，气道的扩大主要是左右侧壁而非前后壁。见表1。

表1 咽腔形态学的变化

2.2 FSI结果

2.2.1 戴OA前后咽腔气流特性比较:在吸气峰值时刻：戴OA前，气流速度最大值出现在腭咽处，同时此处出现最大的负压，最大负压不仅存在于腭咽，还累及部分舌咽，而在舌咽和喉咽处可观察到气流回流现象。戴OA后，随着气道狭窄处腭咽和舌咽的横截面积的增加，最大气流速度明显减小，而最大负压只出现在腭咽，且绝对值明显减小。在呼气峰值时刻：戴OA前，腭咽处同样出现最大气流速度，负压最大；戴OA后，与吸气趋势一样，而最大气流速度和最大负压相比于治疗前都明显减小，最大负压出现在悬雍垂咽气道，而同时在喉咽下界也能观察到最大的负压。对比吸气峰值和呼气峰值时刻，无论是戴或不戴OA，腭咽处最大气流速度在呼气时大于吸气时，而该处的负压力却是相反的趋势。见图2、3，表2。

图2 戴OA前后在吸气和呼气峰值时气流速度矢量图分布

图3 戴OA前后在吸气和呼气峰值时气道内压力分布图

气流特性结果吸气峰值时气流特性变化戴OA前戴OA后呼气峰值时气流特性变化戴OA前戴OA后入口压力(Pa)-1．009-1．00230．0130．01最低压力(Pa)-64．18-37．88-36．25-23．79压力差(压降)(Pa)63．17136．87866．2653．80最大气流速度(m/s)9．6777．02010．447．441

2.2.2 戴OA前后气道壁形变比较:戴OA后气道壁的形变量较戴OA前均变小。戴OA前，吸气峰值时，在喉咽的前壁出现最大的形变，形变量为0.629 mm；呼气峰值时，在舌根区域狭窄处出现最大的形变，且较吸气相的稍大，形变量为0.648 mm，相应的舌咽和喉咽后气道壁的位移也较大，对比速度分布图可以知道在喉咽和舌咽部分因出现气流回流现象，该部分的气流不稳定性导致气道壁发生较大的形变。 戴OA后，因为咽腔形态结构的变化导致该部位气流量的变化，吸气峰值时刻气流在进入咽腔时对腭咽上部的后气道壁产生较大的压力，在该处出现较大的形变，形变量为0.244 mm，较戴OA前小，而同时在喉咽处前后气道壁的形变量均较小；呼气峰值时，同样在喉咽和舌咽的前壁出现最大的形变，形变量为0.310 mm，而较戴OA前，累及的范围也较小。见图4。

图4 戴OA前后在吸气和呼气峰值时气道壁形变的分布(单位:mm)

3 讨论

咽腔气道形态结构与OSAHS的发生发展密切相关。本实验通过模型测量表明，OSAHS患者咽腔最狭窄处位于腭咽后区，其次是舌后区。通过对流固耦合模型的容积、横截面积和径线测量，戴OA后，咽腔狭窄部分(腭咽和舌咽)的横截面积和整个咽腔容积均增加，咽腔径线的增加主要是在左右侧壁，前后壁变化较小[2,3]。咽腔空间的扩大，保证了气流能较平稳的通过狭窄部位。高雪梅[4]利用MRI成像研究OSAHS患者戴用口腔矫治器后的上气道形态学变化的研究表明:口腔矫治器可以扩大上气道，经矫治器治疗可以增大口咽部容积约为23%，咽腔总体积可以增加13.5%左右，并认为OA治疗后上气道的扩张主要在侧壁而不是前壁。

数值模拟研究上气道气流特性时，大部分研究认为OSAHS的发生主要在吸气阶段。本实验FSI数值方法模拟研究气道内的流场变化。在吸气阶段，上气道气流量随着时间的推移逐渐增大，在吸气峰值时达到最大，当过了吸气峰值时，气流量逐渐减小。在吸气峰值时，空气流经咽腔狭窄处，由拉法尔喷管效应可知该处气流速度会增大，而本实验该患者咽腔最狭窄处位于腭咽后区，所以在腭咽后区气道发现最大的气流速度，主要靠近咽腔后壁，并由腭咽垂直向下传到喉咽区域，当空气流经舌咽和口咽处时，该处出现了气流的回流现象，从而减缓了该处的气流速度，使该处出现不稳定的气流，湍流强度增大。该患者戴OA后，腭咽处的喷射气流速度明显减小，由9.677 m/s降到7.020 m/s，而相应区域的回流气流也减弱。患者未戴OA时，最大的负压出现在腭咽和部分舌咽，而咽腔气道向内的压力主要是由气道周围组织的压力与咽腔内较低的静压力产生，所以咽腔向内的压力在咽腔塌陷中发挥着重要的作用。当咽腔狭窄部位出现较高的气流速度时，咽腔内的负压达到最大值，使气道壁向气道内形变，如果此时气流所产生的压力相对较小，不足以抵抗气道壁向气道内的挤压，该处的咽腔横截面积就会减小，形成阻塞。患者戴用OA后，随着气流速度的减小和回流的减弱，负压由之前-64.18 Pa降到-37.88 Pa。因此，戴OA后最大负压的减小降低了吸气阶段气道塌陷的可能，戴OA后患者AHI的次数下降也论证了腭咽处气道内气流更平稳。

如果说咽腔气道壁向气道内塌陷是由吸气阶段气道内的负压产生，那么呼气阶段气道内的正压可以使气道空间扩大降低气道塌陷的可能。然而通过本实验研究发现，在呼气峰值时，腭咽后区咽腔也相应的出现负压，相对于吸气峰值时，此时的负压较小。而其他研究表明，在呼气阶段，咽腔也易于发生塌陷。Akan等[5]通过动态影像学观察正常人呼吸时，软腭向咽腔后壁的运动发生在呼气阶段；Zhu等[6]通过流固耦合的方法研究正常人的软腭运动，软腭在吸气阶段基本保持不动，而呼气阶段软腭朝向咽腔后壁运动，且运动量较大。软腭作为咽腔气道前壁其后缘游离于咽腔内，它的形态、位置变化和运动可能引起软腭后区的咽腔狭窄。相对于正常人，OSAHS患者腭咽气道更狭窄，所以软腭形态位置变化和较大的运动可使腭咽气道进一步减小，进而发生阻塞。王莹[7]对2例轻度OSAHS患者行鼻腔矫正手术后软腭的运动特征进行研究：手术后，软腭的形态和大小也发生变化，腭咽处的狭窄得到改善，由于腭咽处气流结构的改建，驱动软腭运动的作用力减小，无论是吸气还是呼气阶段，软腭的位移均小于术前，软腭形态变化和位移减小缓解了呼吸时咽腔气流受限的情况，从而形成一个良性循环。Eckert等[8]研究发现，正常人和OSAHS患者在睡眠时上气道扩张肌的活力较清醒时的低。Pierce等[9]研究指出上气道肌肉的放松与OSAHS患者上气道的狭窄存在相关性。当上气道扩张肌的活力增高时，有利于上气道保持通畅；而当肌肉放松时，肌肉较松弛，使上气道更易阻塞。Zhu等[6]对软腭设置不同的材料属性，弹性模量大的软腭运动的幅度也大。因此，在呼气阶段，软腭的放松使其向咽腔后壁运动的幅度增大，进而减小了该处的横截面积。患者戴OA后主要是通过机械性的前移下颌骨和带动舌向前以扩大软腭和舌根后气道，在扩大气道的同时，气道周围的肌肉也因被动的拉伸而使气道肌肉张力增加，而软腭在此时由于肌肉的牵拉其活动度也变得较小，气道壁的形变量也相应减小，所以气道和软腭肌肉张力变化也可能是OA治疗成功的原因。

FSI考虑到了气道壁的形变对腭咽处气流量的影响，气道壁的形变使腭咽腔内气流量的减小加速了该处气道内负压下降，由之前的分析可知气道内负压的下降增加了气道塌陷的可能。 Zhao等[10]利用流固耦合和CFD两种方法对比研究发现：在吸气相与CFD方法相比，腭咽和口咽气道的各个截面有更大的气流速度和更低的压力。本实验呼气相结果分析可知，戴OA前，软腭向咽腔后壁的运动也可能引起腭咽气道塌陷，戴OA后软腭的运动减小，增加的气道肌肉张力降低了气道壁弹性形变，从而降低了气道塌陷的可能。FSI方法分析咽腔气道塌陷机制较CFD方法更贴近OSAHS患者上气道的真实生理特性和生物力学特征。

1 Sharples LD,Clutlerbuck-James AL,Glover MT,et al.Meta-analysis of randomized controlled trials of oral mandibular advancement devices and continuous positive airway pressure for obstructive sleep apnoea-hypopnoea.Sleep Medicine Reviews,2016,45:108-124.

2 于申,刘迎曦，孙秀珍.鼻腔手术对OSAHS患者治疗效果的数值分析.计算力学学报，2013,30：39-41.

3 臧洪瑞,刘迎曦,张罗.鼻腔扩容术对上气道流场改变的数值模拟.中国耳鼻咽喉头颈外科,2014,21:85-88.

4 高雪梅.阻塞性睡眠呼吸暂停综合征矫治后的上气道磁共振影像改变.中华口腔医学杂志,1999,34:26-29,67.

5 Akan H,Aksöz T,Belet U,et al.Dynamic upper airway soft-tissue and caliber changes in healthy subjects and snoring patients.AJNR Am J Neuroradiol,2004,25:1846-1850.

6 Zhu JH,Lee HP,Lim KM,et al.Passive movement of human soft palate during respiration:A simulation of 3D fluid/structure interaction.J Biomech,2012,45:1992-2000.

7 王莹.鼻腔结构矫正手术对OSAHS患者上气道流场影响的数值分析.医用生物力学,2010,25:266-272.

8 Eckert DJ,Malhotra A,Lo YL,et al.The influence of obstructive sleep apnea and gender on genioglossus activity during rapid eye movement sleep.Chest,2009,135:957-964.

9 Pierce R,White D,Malhotra A,et al.Upper airway collapsibility,dilator muscle activation and resistance in sleep apnoea.Eur Respir J,2007,30:345-353.

10 Zhao MY.Using two-way fluid-structure interaction to study the collapse of the upper airway of OSA patients.Applied Mechanics and Materials,2014,553:275-280.

EffectsoforalcavityapplianceonpharyngealcavityairflowdynamicsanddeformationsofupperairwaywallinpatientswithOSAHS

ZHANGYu,LIYongming,ANZhibin.

DepartmentofStomatology,People’sHospitalofHanzhongCity,Shanxi,Hanzhong723000,China

ObjectiveTo establish pharyngeal cavity fluid-structure interaction finite element models with or without oral appliance (OA) by means of three-dimensional reconstruction software to analyze the changes of pharyngeal cavity airflow dynamics and upper airway wall by using fluid structure interaction method in patients with obstructive sleep apnea hypopnea syndrome (OSAHS),and to explore the action mechanism of OA in treatment of OSAHS.MethodsThe changes of upper airway and surrounding tissues in an adult patient with moderate OSAHS before wearing OA and on 3 months after wearing OA were examined by MRI. The DICOM format images were imported into 3D reconstruction software-Mimics 15.0,NX 8.5,Geomagic Studio 10.0.Mimics 15.0 software to reconstruct the model of upper airway and soft palate,then to establish the pharyngeal cavity and upper airway wall fluid-structure interaction (FSI) finite element models by using ANSYS Workbench 13.0 software,finally the FSI finite element model was imported into the software ANSYS-CFD to carry out FSI numerical calculation.ResultsAfter wearing OA,FSI numerical calculation results showed that at the peak of inspiration, the maximum airflow velocity in the area of palate and pharynx was decreased from 9.677m/s to 7.020m/s,and the maximum negative pressure was reduced from -64.18Pa to -37.88Pa,moreover, the maximum deformation degree in upper airway wall was decreased from 0.629mm to 0.244mm.At the peak of expiration,the maximum airflow velocity in the area of palate and pharynx was decreased from 10.44m/s to 7.441m/s,the maximum negative pressure was reduced from -36.25Pa to -23.79Pa,and the maximum deformation degree in upper airway wall was decreased from 0.648mm to 0.310mm.ConclusionAfter wearing OA in patients with OSAHS,at the peak of inspiration and expiration,the negative pressure and deformation degree in upper airway are decreased, so that the pharyngeal cavity is less prone to collapse,thereby,which can relieve the symptoms of snoring and apnea of patients.

obstructive sleep apnea-hypopnea syndrome; upper airway; biomechanics; fluid-structure interaction

723000 陕西省汉中市人民医院口腔科

10.3969/j.issn.1002-7386.2017.19.008

R 783

A

1002-7386(2017)19-2915-04

2016-11-11)