三维有限元在阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征中的应用

有限元法（finite elementmethod，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[1][17]。该研究方法属于无创测试，不会损坏对象模型的完整性，可重复利用；可以进行加载复杂条件下的应力分析，已经成为口腔生物力学研究领域中一种有效分析工具，显示出极大的优越性，为口腔疾病治疗、医疗器械的优化设计等提供理论依据。

1973年Thresher[1][18]首先将有限元法应用于口腔医学，有限元法已经成为口腔生物力学研究领域中一种有效分析工具，显示出极大的优越性，为口腔疾病治疗、医疗器械的优化设计等提供理论依据。随着各种功能强大的有限元分析软件如NASTRAN、ASKA、SAP、ANSYS、MARC、ABAQUS等和三维设计软件如UG、Pro/E等的开发，使三维有限元分析法展现了广阔的应用前景。

有限元分析法能否客观、准确、真实地反映应力的分布状况，关键是能否建立恰当的模型，模型的几何相似性、力学相似性、网格的划分直接影响计算的结果。三维有限元建模大多采用CT图像处理法。通过确定建模范围后，设置一定参数对被测对象进行CT扫描，将一系列连续组织断层图像输入微机，经图像处理与造型处理后，利用反求工程技术快速地建立三维几何模型（可以在二维屏幕上显示出组织的三维结构，能更加真实、形象地再现各组织的空间结构），将建立的三维几何模型转入有限元软件进行网格划分和确立加载边界条件，建立三维有限元模型，为口腔医学的科研提供有效的信息。其基本过程如下图所示。

模型重建流程

目前采用三维有限元方法来研究OSAHS的报道并不多见。1998年，Shome[19]等对阻塞性睡眠呼吸暂停病人的咽腔进行了三维重建，采用有限元分析法模拟吸气时气流特性，比较了层流和紊流两种状况下的压力降，计算了在不同方程模型下，不同吸入量时的压力降。对比了鼾症患者经过不同方法治疗前后的咽腔流场特性。2004年，Allen[20]等人根据MRI医学图像建立了包括口腔和咽腔的小儿上呼吸道三维有限元模型，采用有限体积法，利用FLIJENT软件对气体流场进行了稳态模拟及分析。Zhang[21-23]等人建立了包括口腔、咽、喉和支气管的上气道模型，研究了微小粒子在气道中的传送和沉积作用。孙秀珍等作了人体上呼吸道三维有限元重建与流场数值模拟的研究[24]，采用表面重建的方法对5例健康志愿者（上呼吸道常规体检均未见明显异常，均无打鼾史）的上呼吸道进行三维重建和相应的有限元分析，得到的有限元模型在形态上能够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数值模拟，模拟的结果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。2005年，Yaqi Huang等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[25]，指出有限元模型是一种研究理解OSAHS及其各种不同治疗方法的重要工具。2006年，Khaled F和Mansour等利用有限元模型测量咽部横断面积[26]，证实了有限元模型能够准确地计算在清醒或睡眠状态下一个呼吸循环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，YaqiHuang等通过建立OSAHS患者上气道有限元模型预测上气道手术治疗OSAHS的效果[27]。得出的结论是：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，并且可以完成OSAHS患者的个性化治疗。2008年，Chen H等人通过三维计算机辅助模型分析研究患者长期戴用口腔矫治器的副作用[28]，表明计算机辅助模型体系能测量记录并从不同角度形象化地反映牙齿的位置和移动。2009年王莹，孙秀珍[24]等将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均明显异于正常人情况。李松青、杨随兴[29-31]等分别使用CT图像对OSAHS患者进行了三位有限元模型的建立和相关的加载，为后续继续研究提供了条件。

有限元法作为一种与现代计算机技术相结合的理论分析方法，在口腔生物力学中的应用是先进的、有效的，三维有限元法与传统的实验应力分析方法相比主要有以下优点：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，因而不管研究对象的几何形状、材料性质、支持条件和加载方式多么复杂，都能进行分析并且能迅速得出结果。

综上所述，OSAHS的影像学研究方法从最初的二维走向了三维影像研究，再到三维有限元分析的产生和发展，早期的X线虽能对OSAHS的病因和治疗提供一定的定性和定位作用，但因为观察指标的局限性，缺乏对空间形态变化的表现，很难全面反映OSAHS的病理生理状态，对病因研究也存在局限性；CT，MRI等三维影像能显示上气道及其周围结构三维方面的立体信息，更能全面准确、清晰地反映实体结构和组织，也可以通过其自带的重建软件对图像进行三维重建，多用于诊断和评价，但很难通过加载分析观察加载后模型应力和动态变化机制；三维有限元分析和计算机模拟技术已经成为一种成熟的形态学研究方法，基于三维影像技术建立的三维有限元模型，能相对准确地反映真实实体结构的信息，通过三维加载分析，可进行模型的生物力学分析和变化机制，动态观察加载后变化机制；随着有限元软件的功能改进，有限元方法必将有更大发展，为OSAHS的发病机制和治疗原理提供证据，为口腔相关疾病的科学研究和临床诊断治疗做出更大贡献。