符合生理顺应性的OSAHS患者上气道及其周围软组织三维重建.pdf

17论 著影像研究与医学应用 2024年1月 第8卷第1期 符合生理顺应性的 OSAHS 患者上气道及其周围软组织三维重建陈柳洁1，肖 潭2（通信作者）（1 广州大学土木工程学院 广东 广州 510006）（2 广东石油化工学院建筑工程学院 广东 茂名 525000）Three-dimensional reconstruction of upper airway and surrounding soft tissues in OSAHS patients consistent with physiological complianceCHEN Liujie1,XIAO Tan2(Corresponding author)1 School of Civil Engineering,Guangzhou University,Guangzhou,Guangdong 510006,China;2 Architectural Engineering Institute,Guangdong University of Petrochemical Technology,Maoming,Guangdong 525000,China【Abstract】Objective The upper airway structure of the human is complicated.The deformation&displacement and interaction of the internal structures are not only reflected in the sagittal plane,but the change in other direction also affects the airway collapse and obstruction of the patient with obstructive sleep apnea hypopnea syndrome(OSAHS).Therefore,a three-dimensional model of the patients upper airway established is expected to accurately describe the natural sleep state and conforms to the physiological compliance,which is the basis for the biomechanical simulation analysis of the fluid-structure coupling in the upper airway,and has practical application value for clinical diagnosis and evaluation.Methods In this paper,CT data of the OSAHS patients upper airway in supine position during natural sleep were used to complete three-dimensional reconstruction with software,such as Mimics,Geomagic and HyperMesh etc.Results Three-dimensional finite element model of the upper airway(including nasopharynx airway and oral airway)and surrounding soft tissues(including soft palate,tongue and epiglottis)was established.The three-dimensional upper airway model is consistent with the real geometrical morphology and the physiological compliance of the patient with OSAHS during natural sleep.Conclusion The nasopharyngeal airway and oral airway were both established,which is conducive to the subsequent analysis of the impact of different respiratory patterns on OSAHS,and provides numerical model support for further exploring the mechanical mechanism of the airway obstruction during sleep in OSAHS patients.【Key words】Obstructive sleep apnea hypopnea syndrome;Nature sleep;Physiological compliance;Three-dimensional reconstruction;Digital medicine【摘要】目的：人体上气道结构复杂精细，其内部组织结构的变形位移及相互作用不仅体现在矢状面，其他方向的变化对阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征（OSAHS）患者气道的塌陷阻塞也存在影响。建立符合生理顺应性的患者上气道三维实体模型是进行 OSAHS 患者上气道流固耦合生物力学仿真分析的基础。方法：采用自然睡眠仰卧位状态下 OSAHS 患者上气道 CT 数据，通过 Mimics、Geomagic 及HyperMesh 软件开展患者上气道结构的三维实体模型重建工作。结果：获得患者上气道（含鼻咽与口腔气道）及其周围软组织（含软腭、舌体、会厌）三维有限元模型，该模型符合患者自然睡眠期真实几何形态与生理顺应性，有效表征上气道及其周围软组织的空间结构关系。结论：该模型包含鼻咽气道与口腔气道，有利于后续分析研究不同呼吸模式对 OSAHS 发生的影响，为进一步探讨患者睡眠期间发生气道阻塞的力学机制提供数值模型支撑。【关键词】阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征；自然睡眠期；生理顺应性；三维重建；数字医学【中图分类号】R445.3 【文献标识码】A 【文章编号】2096-3807（2024）01-0017-04阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征（obstructive sleep apnea hypopnea syndrome，OSAHS）的发生受多种因素的影响，目前大多数研究人员认为上气道解剖性狭窄和局部软组织易塌陷性的增强是 OSAHS 发生的主要原因1-2。因此，准确判断上气道阻塞平面、阻塞形态及阻塞的严重程度对 OSAHS 的诊治尤为关键。目前，计算机技术是常见的医学诊断治疗辅助的手段，其核心问题是医学图像三维建模。即需先从医学影像设备输出规定格式的图像数据，对其进行必要的数据处理以获得清晰的二维断层图像3-5，并按照疾病诊断的基金项目：广州市科技计划项目（202002030115）。18 论 著影像研究与医学应用 2024年1月 第8卷第1期 需要进行有效的图像分割，提取组织器官和病灶的信息，进而重建出对应的三维模型6-8。1 资料与方法1.1 一般资料本文研究对象为一名33岁男性OSAHS患者，汉族，睡眠打鼾 20 余年。右侧扁桃体度肿大，左侧扁桃体度肿大，舌根肥厚，Friedman 分级级（舌体肥厚，只能见一部分软腭，悬雍垂根部、腭弓及扁桃体不可见）。经多导睡眠监测仪 PSG 检测呼吸暂停低通气指数（apnea-hypopnea index，AHI）为 102.1 次/小时，最低血氧饱和度为 52%，确诊为重度 OSAHS 合并重度低氧血症。本研究符合赫尔辛基宣言中的伦理准则，患者已签署知情同意书。1.2 实验设备本文临床检测及实验在中山大学第六附属医院睡眠呼吸障碍诊疗中心完成，CT 图像数据通过全球最先进Toshiba Aquilion ONE 640 层动态器官容积 CT（图 1）采集获得。设备具有 0.5 mm 探测器，160 mm 的超宽覆盖范围，以 640 层宽体探测器单次检查覆盖人体器官的三维动态影像采集方式，0.35 s 扫描一圈。图 1 Toshiba Aquilion ONE 640 层动态器官容积 CT2 结果2.1 基于 640 层 CT 扫描机的数据采集为使得患者能尽快进入自然睡眠状态，并排除镇静药物的影响，前一天要求患者整夜不睡，不服用精神兴奋类的药物、饮料，检查前不服用安定类精神镇静药物。让患者在 CT 机上呈仰卧位自然睡眠，待患者开始打鼾，且轻唤其名不醒，进入睡眠状态后，使用 Aquilion ONE 640 层 CT 扫描机，对患者从颅底至环状软骨进行动态容积扫描。扫描时间10 s，层厚0.5 mm，范围160 mm，窗宽、窗位分别为 230、40 HU。扫描获得 21 状态序列 CT 数据，通过 DICOM 格式导入 Mimics 软件，生成重组矢状面、冠状面及横断面连续断层图像，选取其中一个呼气末吸气前的状态进行建模，见图 2。（a）（b）（c）注：（a）为冠状面，（b）为横断面，（c）为矢状面。图 2 OSAHS 患者仰卧位时自然睡眠状态上气道 CT 扫描图像2.2 基于 Mimics 的图像分割与生成蒙板本研究使用 Mimics 分割 CT 图像数据并生成蒙板，结果见图 3。具体操作如下：首先将 CT 扫描获得的DICOM 格式数据文件导入 Mimics 21.0 软件；利用软件自带的阈值分割技术将所需的组织包括气道、软腭、舌、会厌等通过不同的灰度值进行边缘自动识别，并经过区域生长等方法将边缘识别清晰；建立合适的蒙板方便层间添加和删除，将所需组织在 CT 图片中逐层进行识别与处理；通过计算轮廓线，及时观察蒙板边缘及内部的空洞，并进行空腔填充等操作。医学图像的准确与有效分割还依赖于医学专业解剖知识与临床经验，本研究从图像分割到最后的三维实体重建过程，均在工程人员与临床医生的互相配合下完成。（a）（b）（c）注：（a）为冠状面，（b）为横断面，（c）为矢状面。图 3 OSAHS 患者 CT 扫描图像分割2.3 基于 Geomagic 的逆向建模与曲面优化本研究通过 Geomagic Studio 12.0 完成上气道及其周围软组织的逆向建模与曲面优化，如图 4 所示。具体操作如下：首先将经过 Mimics 分割后的文件导入Geomagic Studio 中（模型单位设为 mm）；对建立的三 19论 著影像研究与医学应用 2024年1月 第8卷第1期 角面片模型利用网格医生命令进行检查，对自相交、尖状物等异常情况进行处理，并填补孔洞；通过探测轮廓线功能提取模型的轮廓线并构建模型曲面片，检测与修复交叉路径；最后完成格栅构造与曲面拟合，分别重建出上气道、软腭、舌、会厌的曲面图像。图 4 OSAHS 患者上气道及其周围软组织曲面图像2.4 基于 HyperMesh 的有限元网格划分本研究将上述经 Geomagic Studio 逆向重建的上气道及其周围软组织曲面模型导入 SolidWorks 2020，通过曲面缝合生成实体模型，运用布尔运算得到感兴趣的解剖结构实体模型；然后将实体模型导入 HyperMesh，利用HyperMesh 对复杂上气道结构进行六面体网格及四面体网格划分，在划分上气道复杂边界网格时，利用多种网格划分技术完成较高质量的三维网格划分，得到上气道及其周围软组织三维有限元模型如图 5 所示，相应模型的单元及节点信息如表 1 所示。表 1 上气道及其周围软组织有限元模型的单元及节点信息Part气道软腭舌体会厌总计单元293 22420 567177 53618 638509 965节点310 453 4 840 20 557 4 462340 312 （a）（b）注：（a）为直立位视图；（b）为仰卧位视图。图 5 上气道及其周围软组织三维有限元模型3 讨论OSAHS 的发生与上气道结构形态密切相关。蒋奕等9对 53 例清醒状态 OSAHS 患者行 CT 扫描。结果显示，除 3 例上气道解剖结构正常外；31 例单区狭窄，14 例两区同时狭窄，3 例三区同时狭窄，2 例四区同时狭窄。陈怀宏等10研究 OSA 患者诱导睡眠内镜下各平面阻塞率差异有统计学意义（P 0.001）。其中，软腭平面阻塞率为 98.15%，口咽侧壁阻塞率为 81.48%，舌根阻塞率为 40.74%，会厌平面阻塞率为 11.11%。李树华等11对 54 例睡眠状态 OSAS 患者行 CT 扫描，发现 24 例一个平面狭窄；14 例相邻两个解剖区域共同狭窄；1 例三个区域同时狭窄；3 例四个解剖区域同时狭窄。吴振恭等12对 10 例 OSAHS 患者行模拟打鼾、Mullers 检查以及药物诱导睡眠内镜检查。研究结果发现三种状态下上气道阻塞平面及形态改变具有差异性及多样性特点。其中，清醒模拟睡眠状态主要表现为双平面狭窄，诱导睡眠状态则主要表现为多平面狭窄。可见，同一患者气道阻塞形态随着不同睡眠时相亦可发生动态20 论 著影像研究与医学应用 2024年1月 第8卷第1期 变化。患者无论处于清醒状态或睡眠状态，最易发生阻塞的部位依次为软腭后区、舌后区、悬雍垂后区以及会厌后区13-15。要全面了解 OSAHS 的发病机制及深入探讨与临床诊治相关的问题，需要对上气道解剖结构形态与功能之间的交互关系进行定量分析。从力学场交互角度看，软腭、舌体及会厌在呼吸气流作用下发生的变形位移会影响气道流场分布，气道流场的改变又会影响软组织的变形位移，最终导致软组织塌陷阻塞，发生OSAHS。因此，对 OASHS 患者的上气道结构进行三维重建，应同时考虑重建上气道及其周围的软组织，尤其是已有研究证实的软腭、舌及会厌等以瓣区形态存在的易塌陷软组织，以便后续更好分析研究气道流场与软组织固体场之间的交互作用关系。另一方面，从已有研究报道并结合临床实际观察，患者清醒状态与自然睡眠状态下的气道形态有差异，即使是重度 OSAHS 患者，其睡眠呼吸暂停也仅发生在睡眠期，可见患者清醒状态或诱导睡眠状态下的气道形态无法代表真实自然睡眠状态下的气道形态。因此，建立患者真实自然睡眠状态下的上气道三维数值模型，有利于获得更接近于发生 OSASH 时气道及组织结构的几何形态。本文首先开展临床实验，创建 OSAHS 患者仰卧位自然睡眠状态并行 CT 扫描，建立了患者上气道及其周围软组织三维有限元模型。首先，模型包含完备的上气道口腔及鼻腔流体场以及软组织软腭、舌、会厌，所重建的三维有限元模型符合患者生理顺应性，能准确反映患者自然睡眠期上气道及其周围软组织的真实三维空间结构和形态。为自然睡眠期的真实喉腔力学物理环境下，研究上气道的流场特征及气道阻塞机制提供有效的数值仿真模型。该模型适用后期根据研究场景的需要对模型进行反复修改与调整，研究 OSAHS的不同影响因素，为患者病情诊断及个性化治疗提供量化技术支撑。另外，所建模型在保证原有结构形态的同时，建模过程对不同组织结构的尖角等问题进行有效处理，模型总计包含约 51 万单元及 34 万节点，有利于保证后续力学仿真分析的可行性及控制计算成本。本研究将 OSAHS 患者上气道及其周围易塌陷软组织纳入建模范围，有利于后续研究评估影响 OSAHS发生的因素，联合临床医学与力学的手段更全面地探索 OSAHS 的发病机理。【参考文献】1 段祥强，郑宏良.OSAHS 发病机制与治疗方式选择的探讨 J.临床耳鼻咽喉头颈外科杂志，2017，31(17):1376-1380.2 何权瀛.阻塞性睡眠呼吸暂停的主要危险因素及其发病机制 J.中华全科医师杂志，2019，18(6):610-612.3 刘成林.医学超声图像三维重建和可视化方法研究 D.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2021.4 方威扬，林东鑫，寇万福，等.医学图像三维重建系统的研究进展 J.中国医学物理学杂志，2022，39(7):823-827.5 郭艺辉.医学图像信息可视化关键技术研究与探讨 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