1　引言

上气道（upper airway）是指鼻咽顶至环状软骨下端之间的上呼吸道，它是人体内气体进出的通道。特殊的解剖结构，使其成为阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征（obstructive sleep apnea and hypopnea syndrome，OSAHS）发病的重要部位。上气道中的咽部是气道中的软性管道，其上的鼻腔和其下的气管都由骨性或软骨性结构支撑，而咽部缺乏骨性或软骨性结构的支撑，因此咽部的解剖结构决定了咽部是OSAHS患者上气道发生阻塞的重要区域。呼吸道畅通，呼吸运动才可正常进行，如果通道受阻，就会引发病变。OSAHS发生的主要机制是在睡眠期间由于多种原因引起上气道阻塞或通气不畅，造成呼吸暂停，导致低通气及睡眠紊乱。上气道通畅或塌陷是上气道内负压与上气道扩张肌功能相互拮抗的结果。吸气时横膈肌及肋间肌的扩胸作用产生上气道内负压，同时上气道扩张肌随呼吸周期有节律地收缩对抗负压以维持上气道通畅。由各种不利因素导致上气道负压大于扩张肌收缩力时，则上气道塌陷。大量研究证实，绝大多数OSAHS患者气道阻塞部位位于上气道中软腭和舌根后方的口咽部。因此，对上气道的研究成为研究OSAHS发生机制的重要方面。OSAHS由于发病率逐年升高，对健康的危害越来越大，具有潜在的致死性，近年来受到了医学界的广泛重视，而作为健康人群的上气道研究也逐渐得到重视。只有以健康人群的上气道研究为对照，才能显示OSAHS患者上气道的异常。深入研究健康人群与OSAHS患者上气道的差异，才可能找到OSAHS可能的致病原因，为治疗提供指导。

睡眠呼吸暂停综合征（sleep apnea syndrome，SAS）由美国学者Guilleminault于1976年首次提出，其定义为：在大约7小时的睡眠中，反复发生呼吸暂停在30次以上或平均每小时睡眠呼吸暂停超过5次以上。睡眠呼吸暂停可分为三种类型，即阻塞型、中枢型、和混合型，其中以阻塞型最多见。临床上绝大多数呼吸暂停患者同时伴有低通气（hypopnea）。低通气指口鼻腔呼吸气流降低50%以上，并伴有4%以上的血氧饱和度下降。近年来学者们多采用阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征（OSAHS）这一概念[1]。OSAHS以睡眠期间上气道反复发生阻塞引起呼吸暂停为特征，导致低通气及睡眠紊乱，一般表现为睡眠打鼾、低氧血症及白天嗜睡等，在人群中发病率较高，严重影响患者的生活质量和身体健康。Young的流行病学调查结果显示[2]，在美国OSAHS的发病率男性为4%、女性为2%，尤其以中老年肥胖男性居多。高雪梅等的调查结果显示，我国OSAHS的患病率约为3.1%[3]。临床统计结果显示，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至威胁患者生命的疾病，OSAHS近年来已经引起了国内外学者的高度重视。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，可以认为OSAHS是一种有潜在致死性的睡眠呼吸紊乱性疾病。OSAHS患者工作效率下降，占用医疗资源和交通事故的发生率也明显高于正常人群，因而其危害性逐渐引起了人们的高度重视，对OSAHS患者的诊治工作也日益受到医学界的重视。OSAHS的发生受多种因素的影响，其中上呼吸道解剖性狭窄是其主要发病原因之一[4]。一般认为上气道形态及其周围组织结构异常是OSAHS重要的发病机制[5]。上气道任何部位的狭窄或阻塞都可以导致OSAHS的发生。因而许多学者对OSAHS的研究集中在上气道狭窄或阻塞。大量研究证实，绝大多数OSAHS患者气道阻塞的部位主要位于软腭和舌根后方的口咽部，并在多数情况下为阻塞性呼吸暂停的始发部位和主要阻塞部位，因此口咽部成为众多学者研究OSAHS的重点内容。由于上气道位置隐蔽、解剖结构复杂，借助二维或三维影像学检查可对上气道大小及其周围结构进行定量分析，有助于确定上气道的狭窄或阻塞部位，为制订正确的治疗方案提供重要参考。20世纪80年代以来，人们对上气道形态的认识，随着多种影像学研究手段的介入而逐步深入。针对上气道的狭窄或阻塞，目前学者们采用的影像学研究方法主要包括X线头影测量法、计算机体层扫描技术（CT）和核磁共振技术（MRI），借助这些影像学研究手段来探讨OSAHS患者上气道的解剖形态特点及阻塞部位[6-9]。与OSAHS患者相比，健康人群的上气道及周围组织形态则缺乏研究。曾祥龙、高雪梅指出[10]，无鼾人群上气道形态是OSAHS研究的基础，只有以无鼾人群为背景，才能显示OSAHS患者上气道的异常。无鼾人群上气道的性别差异、增龄变化等对OSAHS患者群体也具有非常重要的参考意义。无鼾人群上气道及周围组织形态存在与OSAHS患者类似的解剖特点，反映了上气道随各种生理因素的变化而变化；同时又存在与OSAHS患者的显著差异，反映了解剖形态异常是重要的致病因素。既往研究证明，健康人群和OSAHS患者的上呼吸道各部位测量值存在明显差异[11-12]。健康人群上气道结构正常值可以为OSAHS的进一步研究及临床诊断治疗提供参考依据。既往国内外缺乏专门针对无鼾人群上气道的研究，现有的大部分资料来自研究OSAHS时设立的对照组，仅有少数研究主要以无鼾人群作为研究对象。以往的研究文献中，虽然有些研究建立了上气道及周围结构的正常参考值，但大多以研究OSAHS时设立的对照组作为数据来源，不仅样本量小，而且各研究间采用的方法不同，加上种族和地区差异，使得这些参考值相互之间缺乏可比性。

至今，在OSAHS的诊断和治疗方面，诊断OSAHS的“金标准”仍为多导睡眠图（polysomnography，PSG），此检查要求训练有素的技术人员在实验室对OSAHS患者进行整夜睡眠监测，监测内容包括呼吸运动、SaO2和脑电检查情况等。目前治疗OSAHS的方法有：（1）一般治疗，包括减肥、改变睡眠体位、戒烟戒酒；（2）器械治疗，常用的有正压通气治疗；（3）口腔矫治器治疗；（4）药物疗法；（5）手术疗法等。总体可分为非手术治疗和手术治疗两类。在非手术治疗中，经鼻或口鼻面罩持续无创气道正压通气治疗（continuous positive airway pressure，CPAP）的原理是通过机械泵将空气压缩、湿化后经患者戴用的鼻面罩以正压（范围2～20 cmH2O）输入上气道，此法是目前治疗OSAHS最有效的非手术方法，但由于需要专门设备、专业技术人员进行操作而限制了其应用。在非手术治疗中采用较多、较易被患者所接受的方法是口腔矫治器治疗。口腔矫治器（OA）被广泛用于治疗轻、中度OSAHS患者，其优势在于安全、无创伤、治疗可逆、体积小、使用方便并且价格低廉，其中以下颌前移式口腔矫治器最为常用。其治疗原理可能是：通过前伸下颌，改变下颌、舌、软腭和腭垂的位置关系，稳定下颌和舌，增加舌肌张力，从而达到扩大和稳定气道的目的。下颌前移可以影响上气道的形态，使得包括腭咽和舌咽在内的多个区域出现三维方向的形态变化，这种变化构成了口腔矫治器治疗OSAHS的形态基础[13]。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。常用的手术方法有扁桃体及腺样体切除术、鼻腔手术、舌成形术、腭垂—腭—咽成形术、气道造口术以及正颌外科手术。手术治疗OSAHS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，以确保手术的疗效，但手术存在并发症且手术的疗效尚不十分满意，尚不能治愈所有类型的OSAHS患者。目前诊断OSAHS的“金标准”PSG，既耗时，费用又高，大多数患者从未到医院诊治，使得以多导睡眠监测为基础的OSAHS研究很受限，因此人们希望寻找一种更加简便有效的手段研究OSAHS，为OSAHS的治疗提供指导，为口腔矫正器治疗OSAHS提供有力的理论支持。而且随着OSAHS发病人数逐年增多，其危害性越来越被人们所认识，积极寻找其他方便、经济、快捷的研究方法，对目前我国人口众多、医疗资源有限的现状尤为重要。目前研究OSAHS较多采用的影像学研究方法如X线头影测量法、CT和MRI，因其对人体有一定放射线损害，有时需诱导患者进入睡眠以诱发阻塞性睡眠呼吸暂停，操作上存在一定不便，且重复性差，因而给研究OSAHS带来许多困难，因此人们希望寻找一种可以重复操作的手段来研究OSAHS。近年来随着计算机运算速度的加快及计算方法的不断进步，利用计算机进行数字化医学研究已成为当今医学研究的一个热点。基于计算机技术的理论应力分析方法——三维有限元分析方法因具有实验应力分析方法无可比拟的优越性而被学者们大量运用。目前，有限元分析法已经逐渐成为力学研究中最为重要的分析方法，在生物力学研究中得到了广泛的应用。有限元分析法作为理论应力分析方法，其基本原理是将连续的结构分割为有限个单元，以单元的组合体替代原结构，进行力学分析。与实验应力分析方法相比，其特点和优点在于被分析的结构可具有任意形状、不同的组成材料和各种边界条件，一旦建立了有限元模型，可方便地探讨各种不同的加载状况。与传统实验应力分析相比，有限元分析方法具有很多的优点：（1）可以准确地表达和分析任何复杂几何形状和边界条件的研究对象；（2）可以对同一模型中力学性质不同的材料进行分析；（3）可以对模型进行复杂载荷的分析；（4）模型可以反复使用而不改变其力学性质；（5）可根据研究需要对模型进行修改，并保证模型和加载条件的同一性；（6）借助计算机处理庞大的数据，计算结果准确，省时省力。运用有限元分析方法建立的模型与实物具有空间结构及解剖形态的相似性，模型可任意旋转观察、切割及调整，已在口腔医学领域广泛应用。而快速、准确地建立组织结构高度相似的三维有限元模型是有限元研究的首要问题，是进行三维有限元分析的基础。由于上气道结构复杂，目前国内外学者采用三维有限元的研究方法建立上气道模型进行OSAHS的研究还鲜见报道。(https://www.daowen.com)

2005年，哈佛大学医学院学者Yaqi Huang等用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[14]，建立的模型是二维结构的有限元模型，包含的组织有硬腭、软腭、舌体、咽腔及会厌软骨等，他指出有限元模型是一种推进研究理解OSAHS及其各种不同治疗方法的重要工具。2005年国内学者孙秀珍等做了人体上呼吸道三维有限元重建与流场数值模拟的研究[15]，采用表面重建的方法利用CT扫描数据对5名健康志愿者（上呼吸道常规体检均未见明显异常，均无打鼾史）的上呼吸道进行了三维重建和相应的有限元剖面，得到的有限元模型在形态上能较真实地反映出上呼吸道的解剖结构特征；应用此模型对上呼吸道的流场进行了数值模拟，模拟的结果能够较好地符合实际资料，证实了重建上呼吸道结构和数值模拟方法的可行性。它的特点是可以排除物模试验中各种不确定的干扰因素，能捕捉到通过实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年北京大学工学院生物医学工程系的荣起国、赵雪岩等学者做了阻塞性睡眠呼吸暂停综合征的生物力学研究[16]，利用CT扫描数据，将所获得的DICOM影像学数据以CT无损压缩的方式导入Mimics 10.0软件和Ansys软件，建立了一个由硬腭水平位置至气管约第2、3软骨下端的人体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，计算结果表明在OSAS事件发作期，最易发生塌陷的部位是软腭后区，其次是舌后区和会厌后区；正常的上气道解剖结构在异常的压力作用下仍然可能发生狭窄和塌陷；OSAS事件发作期的呼吸过程中，软腭后区、舌后区、会厌后区等各个平面的前后径变化均大于左右径的变化，这些结论与既往的研究结果一致。他们的研究结果还包括解剖结构异常不是OSAS发病的必要条件，这与既往众多学者的研究结果不一致。究竟解剖结构异常是不是OSAS发病的必要条件，此二者何为因何为果，需要在今后继续深入研究去证实。

这些研究结果都是以健康人的上气道为研究对象，Yaqi Huang等采用MRI扫描数据建立了健康人上气道的二维有限元模型，研究解剖因素对咽部塌陷的影响。他们所建模型的缺陷是二维结构，不能反映真实的上气道形态，因而所得结果对OSAHS的研究意义有限。孙秀珍等建立的人体上呼吸道的三维有限元模型，只包含了上气道及相邻的黏膜等软组织，是为了应用此模型对上呼吸道的流场进行数值模拟，找出气流的流动与上呼吸道状态之间的规律性关系，进而为临床提供一种理论判断方法，这对有关上呼吸道疾病的早期预测、预防以及矫正手术的量化分析具有一定的研究价值。荣起国、赵雪岩等建立的人体上气道三维有限元模型，包含了头颈部所有的肌肉软组织及骨骼结构，采用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。在这些OSAHS研究课题中，所有研究者的目光都集中在上气道内气流压力的变化引起气道的形态改变上，关注的重点是气道气流压力变化对上气道的影响方面，而对OSAHS发病机理及引起气道结构形态改变的外力因素没有涉及。这些上气道模型的缺陷在于仅仅着眼于患者气流的变化，而对引起气流变化的原因没有涉及，因此对发病机理的研究没有特别显著的推动作用。我们拟建立的健康成人上气道及周围结构的三维有限元模型是以CT扫描图像为数据，建立包括下颌骨、舌骨、气道及周围软组织等在内的有限元模型，后续研究中直接加力于下颌骨及舌骨上，观察上气道的形态变化，利用三维有限元方法研究OSAHS的发病机理，为口腔矫治器治疗OSAHS提供理论依据。

综上所述，由于OSAHS的发病率逐年升高，对人们健康的危害性越来越严重，而在OSAHS的检查、诊断、治疗方面仍然存在许多不能令人满意之处，并且作为OSAHS的研究基础，对健康成人上气道形态结构的研究还远远不够，现有OSAHS所建立的有限元模型还有许多不足，因此我们拟采用三维有限元的研究方法，运用计算机图像处理功能，结合薄层CT断层扫描技术，建立健康成人上气道及周围结构的三维有限元模型，利用此模型研究健康成人上气道的形态和功能变化，并结合OSAHS患者上气道及周围结构的三维有限元模型进行对比观察，研究OSAHS可能的发病机制，为治疗提供理论指导，并为临床采用口腔矫治器治疗OSAHS提供更加丰富的理论依据，借此寻找一种更为方便、经济、高效的方法研究OSAHS，并探索一种新的方法和途径。