基于流固耦合方法分析OSAHS患者咽腔氣流動力學變化和軟腭的運動特征.pdf

1、阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征(Obstructive sleep apnea-hypopnea syndrome,OSAHS)由于具有較高的發(fā)病率以及相關(guān)嚴重的并發(fā)癥，影響著人們的生活質(zhì)量，現(xiàn)已成為醫(yī)學界高度關(guān)注的疾病。目前，學者們普遍認為OSAHS是由上氣道的解剖結(jié)構(gòu)狹窄或是上氣道擴張肌的活力異常所引起，涉及多個醫(yī)學學科。而最近20年來，口腔矯治器(Oral appliance,OA)治療OSAHS被醫(yī)學界稱為口腔正畸學的一次革命。

2、口腔矯治器因經(jīng)濟適用，而且能取得與持續(xù)氣道正壓通氣(Continuous positive airway pressure,CPAP)同樣的治療效果，依從性也較CPAP好而大量運用于臨床OSAHS的治療。但由于患者間存在著個體差異及其上氣道形態(tài)結(jié)構(gòu)異常的多樣性，并不是所有患者對 OA治療都有滿意的效果，且治療機制還并不是很清楚。因此，通過建立OSAHS患者上氣道生物力學模型可以幫助我們很好地理解上氣道的塌陷機制和患者對OA治療效果的評估

3、。
　　實驗?zāi)康?
　　通過三維重建軟件重建OSAHS患者戴用OA前后咽腔的三維有限元生物力學模型，利用流固耦合(Fluid–structure interaction,FSI)方法數(shù)值分析咽腔氣流動力學變化和軟腭的運動特征，用于探討OSAHS發(fā)生機制及OA治療后的臨床效果評估。通過對比FSI和計算機流體動力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)兩種方法對咽腔氣流動力學研究，以期找到更合適的方

4、法用于研究上氣道生物力學特征。
　　試驗方法：
　　應(yīng)用多導(dǎo)睡眠呼吸監(jiān)測(Polysomnograph,PSG)對一名成人中度OSAHS患者未戴OA時進行監(jiān)測和戴后3個月進行復(fù)查，并對該名患者未戴OA時和戴OA3個月后的上氣道及周圍組織進行MRI掃描。將以DICOM格式存儲的掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維重建軟件：Mimics17.0，NX8.5，Geomagic Studio12.0對上氣道及軟腭進行三維重建，應(yīng)用ANSYS Workb

5、ench13.0軟件進行網(wǎng)格劃分，賦予各部分材料屬性，最終建立咽腔和軟腭的流固耦合有限元模型。將所得的模型導(dǎo)入CFX-ANSYS軟件中進行 FSI數(shù)值計算。最后，F(xiàn)SI計算的結(jié)果與CFD得到的結(jié)果進行比較分析。
　　實驗結(jié)果：
　　成功建立了中度OSAHS患者較完整的上氣道和軟腭的FSI有限元模型?；颊叽鱋A后，睡眠呼吸暫停低通氣指數(shù)（Apnea hypopnea index,AHI）從25.1次/h降低到1.8次/h，咽腔

6、容積擴大了4933mm3，腭咽最狹窄處橫截面積擴大了10mm2，左右側(cè)壁增大了8.7mm。流固耦合數(shù)值計算結(jié)果，在最大吸氣時刻，腭咽處的氣流速度由9.677m/s降低到7.020m/s，最大負壓由-64.18Pa降低到-37.88Pa，氣道壁的最大形變量由0.629mm減小到0.244mm，軟腭的整體位移由0.883mm減小到0.519mm。在最大呼氣時刻，腭咽處的氣流速度由10.44m/s降低到7.441m/s，最大負壓由-36.25

7、Pa降低到-23.79Pa，氣道壁的最大形變量由0.648mm減小到0.310mm，軟腭的整體位移由0.944mm減小到0.594mm。CFD數(shù)值計算結(jié)果：在最大吸氣時刻，腭咽處的氣流速度由9.138m/s降低到6.754m/s，最大負壓由-60.78Pa降低到-35.20Pa；在最大呼氣時刻，腭咽處的氣流速度由9.571m/s降低到7.054m/s，最大負壓由-31.50Pa降低到-19.94Pa。對比CFD方法研究結(jié)果，F(xiàn)SI方法考

8、慮到了氣道壁的形變和軟腭運動對氣流的影響，所以無論是吸氣還是呼氣峰值時，在腭咽氣道處 FSI數(shù)值計算結(jié)果有更大的氣流速度和負壓。
　　實驗結(jié)論：
　　OSAHS患者在吸氣時腭咽氣道出現(xiàn)較大的負壓，壓強降較大，以及呼氣時軟腭向咽腔后壁的運動可能是引起咽腔塌陷的重要機制。OSAHS患者戴OA后，有效的擴大了狹窄區(qū)域的橫截面積以及咽腔的容積；在最大吸氣和最大呼氣時刻，腭咽氣道的負壓和軟腭的運動均降低，使咽腔不易出現(xiàn)塌陷，從而減輕了