符合生理順應性的OSAHS 患者上氣道及其周圍軟組織三維重建

陳柳潔，肖 潭（通信作者）

（1 廣州大學土木工程學院 廣東 廣州 510006）

（2 廣東石油化工學院建筑工程學院 廣東 茂名 525000）

阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征（obstructive sleep apnea hypopnea syndrome，OSAHS）的發生受多種因素的影響，目前大多數研究人員認為上氣道解剖性狹窄和局部軟組織易塌陷性的增強是OSAHS 發生的主要原因[1-2]。因此，準確判斷上氣道阻塞平面、阻塞形態及阻塞的嚴重程度對OSAHS 的診治尤為關鍵。

目前，計算機技術是常見的醫學診斷治療輔助的手段，其核心問題是醫學圖像三維建模。即需先從醫學影像設備輸出規定格式的圖像數據，對其進行必要的數據處理以獲得清晰的二維斷層圖像[3-5]，并按照疾病診斷的需要進行有效的圖像分割，提取組織器官和病灶的信息，進而重建出對應的三維模型[6-8]。

1 資料與方法

1.1 一般資料

本文研究對象為一名33 歲男性OSAHS 患者，漢族，睡眠打鼾20 余年。右側扁桃體Ⅲ度腫大，左側扁桃體Ⅱ度腫大，舌根肥厚，Friedman 分級Ⅲ級（舌體肥厚，只能見一部分軟腭，懸雍垂根部、腭弓及扁桃體不可見）。經多導睡眠監測儀PSG 檢測呼吸暫停低通氣指數（apnea-hypopnea index，AHI）為102.1 次/小時，最低血氧飽和度為52%，確診為重度OSAHS 合并重度低氧血癥。本研究符合《赫爾辛基宣言》中的倫理準則，患者已簽署知情同意書。

1.2 實驗設備

本文臨床檢測及實驗在中山大學第六附屬醫院睡眠呼吸障礙診療中心完成，CT 圖像數據通過全球最先進Toshiba Aquilion ONE 640 層動態器官容積CT（圖1）采集獲得。設備具有0.5 mm 探測器，160 mm 的超寬覆蓋范圍，以640 層寬體探測器單次檢查覆蓋人體器官的三維動態影像采集方式，0.35 s 掃描一圈。

2 結果

2.1 基于640 層CT 掃描機的數據采集

為使得患者能盡快進入自然睡眠狀態，并排除鎮靜藥物的影響，前一天要求患者整夜不睡，不服用精神興奮類的藥物、飲料，檢查前不服用安定類精神鎮靜藥物。讓患者在CT 機上呈仰臥位自然睡眠，待患者開始打鼾，且輕喚其名不醒，進入睡眠狀態后，使用Aquilion ONE 640 層CT 掃描機，對患者從顱底至環狀軟骨進行動態容積掃描。掃描時間10 s，層厚0.5 mm，范圍160 mm，窗寬、窗位分別為230、40 HU。掃描獲得21 狀態序列CT 數據，通過DICOM 格式導入Mimics 軟件，生成重組矢狀面、冠狀面及橫斷面連續斷層圖像，選取其中一個呼氣末吸氣前的狀態進行建模，見圖2。

圖2 OSAHS 患者仰臥位時自然睡眠狀態上氣道CT 掃描圖像

2.2 基于Mimics 的圖像分割與生成蒙板

本研究使用Mimics 分割CT 圖像數據并生成蒙板，結果見圖3。具體操作如下：首先將CT 掃描獲得的DICOM 格式數據文件導入Mimics 21.0 軟件；利用軟件自帶的閾值分割技術將所需的組織包括氣道、軟腭、舌、會厭等通過不同的灰度值進行邊緣自動識別，并經過區域生長等方法將邊緣識別清晰；建立合適的蒙板方便層間添加和刪除，將所需組織在CT 圖片中逐層進行識別與處理；通過計算輪廓線，及時觀察蒙板邊緣及內部的空洞，并進行空腔填充等操作。

圖3 OSAHS 患者CT 掃描圖像分割

醫學圖像的準確與有效分割還依賴于醫學專業解剖知識與臨床經驗，本研究從圖像分割到最后的三維實體重建過程，均在工程人員與臨床醫生的互相配合下完成。

2.3 基于Geomagic 的逆向建模與曲面優化

本研究通過Geomagic Studio 12.0 完成上氣道及其周圍軟組織的逆向建模與曲面優化，如圖4 所示。具體操作如下：首先將經過Mimics 分割后的文件導入Geomagic Studio 中（模型單位設為mm）；對建立的三角面片模型利用網格醫生命令進行檢查，對自相交、尖狀物等異常情況進行處理，并填補孔洞；通過探測輪廓線功能提取模型的輪廓線并構建模型曲面片，檢測與修復交叉路徑；最后完成格柵構造與曲面擬合，分別重建出上氣道、軟腭、舌、會厭的曲面圖像。

圖4 OSAHS 患者上氣道及其周圍軟組織曲面圖像

2.4 基于HyperMesh 的有限元網格劃分

本研究將上述經Geomagic Studio 逆向重建的上氣道及其周圍軟組織曲面模型導入SolidWorks 2020，通過曲面縫合生成實體模型，運用布爾運算得到感興趣的解剖結構實體模型；然后將實體模型導入HyperMesh，利用HyperMesh 對復雜上氣道結構進行六面體網格及四面體網格劃分，在劃分上氣道復雜邊界網格時，利用多種網格劃分技術完成較高質量的三維網格劃分，得到上氣道及其周圍軟組織三維有限元模型如圖5 所示，相應模型的單元及節點信息如表1 所示。

表1 上氣道及其周圍軟組織有限元模型的單元及節點信息

圖5 上氣道及其周圍軟組織三維有限元模型

3 討論

OSAHS 的發生與上氣道結構形態密切相關。蔣奕等[9]對53 例清醒狀態OSAHS 患者行CT 掃描。結果顯示，除3 例上氣道解剖結構正常外；31 例單區狹窄，14 例兩區同時狹窄，3 例三區同時狹窄，2 例四區同時狹窄。陳懷宏等[10]研究OSA 患者誘導睡眠內鏡下各平面阻塞率差異有統計學意義（P＜0.001）。其中，軟腭平面阻塞率為98.15%，口咽側壁阻塞率為81.48%，舌根阻塞率為40.74%，會厭平面阻塞率為11.11%。李樹華等[11]對54 例睡眠狀態OSAS 患者行CT 掃描，發現24 例一個平面狹窄；14 例相鄰兩個解剖區域共同狹窄；1 例三個區域同時狹窄；3 例四個解剖區域同時狹窄。吳振恭等[12]對10 例OSAHS 患者行模擬打鼾、Muller's 檢查以及藥物誘導睡眠內鏡檢查。研究結果發現三種狀態下上氣道阻塞平面及形態改變具有差異性及多樣性特點。其中，清醒模擬睡眠狀態主要表現為雙平面狹窄，誘導睡眠狀態則主要表現為多平面狹窄。可見，同一患者氣道阻塞形態隨著不同睡眠時相亦可發生動態變化。患者無論處于清醒狀態或睡眠狀態，最易發生阻塞的部位依次為軟腭后區、舌后區、懸雍垂后區以及會厭后區[13-15]。要全面了解OSAHS 的發病機制及深入探討與臨床診治相關的問題，需要對上氣道解剖結構形態與功能之間的交互關系進行定量分析。從力學場交互角度看，軟腭、舌體及會厭在呼吸氣流作用下發生的變形位移會影響氣道流場分布，氣道流場的改變又會影響軟組織的變形位移，最終導致軟組織塌陷阻塞，發生OSAHS。

因此，對OASHS 患者的上氣道結構進行三維重建，應同時考慮重建上氣道及其周圍的軟組織，尤其是已有研究證實的軟腭、舌及會厭等以瓣區形態存在的易塌陷軟組織，以便后續更好分析研究氣道流場與軟組織固體場之間的交互作用關系。另一方面，從已有研究報道并結合臨床實際觀察，患者清醒狀態與自然睡眠狀態下的氣道形態有差異，即使是重度OSAHS 患者，其睡眠呼吸暫停也僅發生在睡眠期，可見患者清醒狀態或誘導睡眠狀態下的氣道形態無法代表真實自然睡眠狀態下的氣道形態。因此，建立患者真實自然睡眠狀態下的上氣道三維數值模型，有利于獲得更接近于發生OSASH 時氣道及組織結構的幾何形態。

本文首先開展臨床實驗，創建OSAHS 患者仰臥位自然睡眠狀態并行CT 掃描，建立了患者上氣道及其周圍軟組織三維有限元模型。首先，模型包含完備的上氣道口腔及鼻腔流體場以及軟組織軟腭、舌、會厭，所重建的三維有限元模型符合患者生理順應性，能準確反映患者自然睡眠期上氣道及其周圍軟組織的真實三維空間結構和形態。為自然睡眠期的真實喉腔力學物理環境下，研究上氣道的流場特征及氣道阻塞機制提供有效的數值仿真模型。該模型適用后期根據研究場景的需要對模型進行反復修改與調整，研究OSAHS的不同影響因素，為患者病情診斷及個性化治療提供量化技術支撐。另外，所建模型在保證原有結構形態的同時，建模過程對不同組織結構的尖角等問題進行有效處理，模型總計包含約51 萬單元及34 萬節點，有利于保證后續力學仿真分析的可行性及控制計算成本。本研究將OSAHS 患者上氣道及其周圍易塌陷軟組織納入建模范圍，有利于后續研究評估影響OSAHS發生的因素，聯合臨床醫學與力學的手段更全面地探索OSAHS 的發病機理。