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。(https://www.daowen.com)

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。