基于流固耦合方法分析OSAHS患者咽腔氣流動(dòng)力學(xué)變化和軟腭的運(yùn)動(dòng)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(yán)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(xué)界高度關(guān)注的疾病。目前，學(xué)者們普遍認(rèn)為OSAHS是由上氣道的解剖結(jié)構(gòu)狹窄或是上氣道擴(kuò)張肌的活力異常所引起，涉及多個(gè)醫(yī)學(xué)學(xué)科。而最近20年來，口腔矯治器(Oral appliance,OA)治療OSAHS被醫(yī)學(xué)界稱為口腔正畸學(xué)的一次革命。

2、口腔矯治器因經(jīng)濟(jì)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(yùn)用于臨床OSAHS的治療。但由于患者間存在著個(gè)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(duì) OA治療都有滿意的效果，且治療機(jī)制還并不是很清楚。因此，通過建立OSAHS患者上氣道生物力學(xué)模型可以幫助我們很好地理解上氣道的塌陷機(jī)制和患者對(duì)OA治療效果的評(píng)估

3、。
　　實(shí)驗(yàn)?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(xué)模型，利用流固耦合(Fluid–structure interaction,FSI)方法數(shù)值分析咽腔氣流動(dòng)力學(xué)變化和軟腭的運(yùn)動(dòng)特征，用于探討OSAHS發(fā)生機(jī)制及OA治療后的臨床效果評(píng)估。通過對(duì)比FSI和計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)兩種方法對(duì)咽腔氣流動(dòng)力學(xué)研究，以期找到更合適的方

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

5、ench13.0軟件進(jìn)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(jìn)行 FSI數(shù)值計(jì)算。最后，F(xiàn)SI計(jì)算的結(jié)果與CFD得到的結(jié)果進(jìn)行比較分析。
　　實(shí)驗(yàn)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(kuò)大了4933mm3，腭咽最狹窄處橫截面積擴(kuò)大了10mm2，左右側(cè)壁增大了8.7mm。流固耦合數(shù)值計(jì)算結(jié)果，在最大吸氣時(shí)刻，腭咽處的氣流速度由9.677m/s降低到7.020m/s，最大負(fù)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(shí)刻，腭咽處的氣流速度由10.44m/s降低到7.441m/s，最大負(fù)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(jì)算結(jié)果：在最大吸氣時(shí)刻，腭咽處的氣流速度由9.138m/s降低到6.754m/s，最大負(fù)壓由-60.78Pa降低到-35.20Pa；在最大呼氣時(shí)刻，腭咽處的氣流速度由9.571m/s降低到7.054m/s，最大負(fù)壓由-31.50Pa降低到-19.94Pa。對(duì)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(yùn)動(dòng)對(duì)氣流的影響，所以無論是吸氣還是呼氣峰值時(shí)，在腭咽氣道處 FSI數(shù)值計(jì)算結(jié)果有更大的氣流速度和負(fù)壓。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)論：
　　OSAHS患者在吸氣時(shí)腭咽氣道出現(xiàn)較大的負(fù)壓，壓強(qiáng)降較大，以及呼氣時(shí)軟腭向咽腔后壁的運(yùn)動(dòng)可能是引起咽腔塌陷的重要機(jī)制。OSAHS患者戴OA后，有效的擴(kuò)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(shí)刻，腭咽氣道的負(fù)壓和軟腭的運(yùn)動(dòng)均降低，使咽腔不易出現(xiàn)塌陷，從而減輕了