OSAHS患者上气道流固耦合模型中软组织生物力学参数的研究进展

2017-7-28 10:07  来源:中华口腔正畸学杂志
作者:郑哲 刘洪 刘东旭 阅读量:839

    阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征(obstructivesleep apnea-hypopnea syndrome,OSAHS)是一种睡眠过程中反复出现上气道部分或完全塌陷、口鼻腔气流停止与再通的呼吸调节紊乱病,因发病率高且严重影响患者的生活质量而越来越受到人们的重视。OSAHS的病因复杂,目前还没有明确的定论。从力学角度而言,上气道开放与否取决于咽腔内外压力的关系以及气道壁的顺应性,当跨壁压(腔内压减腔外压)减少时,气道管径就会变小甚至闭塞。

    气道壁的顺应性是指气道壁在内外压力的作用下变形的能力,上气道周围软组织包括前壁的舌体与软腭,侧壁的咽旁组织,以及后壁的椎前筋膜等,正常生理情况下软腭等软组织在呼吸过程中并不容易内陷而阻塞咽腔,但OSAHS患者睡眠中软腭等软组织极易塌陷并经常导致咽腔阻塞,这说明OSAHS患者的软组织发生了病理性变化,特别是软腭等软组织的生物力学特性发生了改变。Rasani M等通过对舌取不同的弹性模量值探究呼吸过程中舌头弹性模量大小对其变形的影响,结果表明弹性模量越小,舌头越容易塌陷。因此,软组织的弹性模量等生物力学参数对其在气流作用下的变形及塌陷有较大的影响,合理确定软组织的生物力学参数能够更加真实地模拟软组织与周围流场的相互作用。

    流固耦合分析(fluid-structure interaction,FSI)是将流体分析与固体分析交叉耦合而生成的方法,它是研究可变形固体在流场作用下的各种行为以及固体变形对流场影响这二者相互作用的一门分析方法。2003年Payan等首次建立了上气道流场与软腭的流固耦合模型,随后又有学者建立了上气道流场与舌、咽侧壁,软腭等周围软组织的流固耦合模型。上气道FSI模型考虑流体和固体的耦合作用,赋予气道周围软组织接近人体的生物力学参数,设置合理的载荷条件与边界条件,模拟气流和气道壁及其之间的相互作用,与将气道壁假设为刚性壁面的单纯的流体力学模型相比,FSI比流体力学模型能更加真实地模拟上气道的变化,对研究OSAHS的发病机制与指导临床治疗有重要意义。在上气道流固耦合模型研究中,气道周围软组织生物力学参数的设定对于模型的真实性与可靠性至关重要。本文总结了近年来测量人上气道周围软组织的生物力学参数的测定方法,以期为更加精准的上气道FSI模型的建立提供帮助。

    一、上气道周围软组织的生物力学特性

    上气道软组织的生物力学特性一般用弹性模量、剪切模量、泊松比等参数来描述。弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标,其值越大,使材料发生一定弹性变形的应力也越大,即材料刚度越大,理想材料小形变时其值为应力与相应的应变之比。剪切模量包括储能模量与耗能模量,储能模量实质为杨氏模量,表示黏弹性材料在形变过程中由于弹性形变而储存的能量;耗能模量又称粘性模量,是指材料在发生形变时,由于粘性形变(不可逆)而损耗的能量大小,反映材料粘性大小。泊松比是指材料在单向受拉或受压时,横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值,也叫横向变形系数,是反映材料横向变形的弹性常数。大部分的FSI模型中主要是对舌与软腭生物力学参数进行设定。软腭与舌在呼吸过程中的变形对气道的塌陷起着关键作用,有研究表明腭咽与舌咽是最容易形成上气道气流阻塞的部位,是研究OSAHS成因的重点部位。因此在上气道FSI模型中软腭与舌的材料属性的设定对于构建真实的上气道塌陷模型有重要意义。软腭与舌属于软组织材料,其生物力学特性为不可压缩,不均匀,各向异性。非线弹性,既有固体的特点,同时也有流体的特点,表现为粘弹性。目前大部分FSI模型对软组织材料的特点进行了简化处理,即假设软组织为均质的,各项同性的符合胡克定律的弹性材料,其变形假定为小变形,本构关系为线性关系。

    Birch M等研究发现软腭在正常发音的状态下的应变为1.1,即10%的伸长量,属于小变形的范围。ChoulyF等运用舌的线弹性小变形理论成功建立舌的数字模型并通过了实验验证。Xu C等一在研究老鼠上气道的计算机模拟中使用线弹性的生物力学模型与使用超弹性的生物力学模型所得的结果之间的误差小于5%。这种假设可以简化运算,节省时间。对上气道软组织生物力学参数的测定可以使所建立的上气道FSI模型更接近真实的人体的状况,从而为探讨OSAHS的致病机制与指导临床治疗提供帮助。

    二、FSI上气道模型中周围的软组织的生物力学参数的测定方法

    1.基于组织学的计算

    Berry DA等基于Kuehn DP等一粥一对软腭的组织学成分的研究,将软腭前一后等距离地分成11层,每层中的肌腱,肌肉,脂肪,腺体,结缔组织以及其他组织所占的百分比与以往文献中记载的这些组织的弹性模量的乘积作为每一层的有效弹性模量。并根据软腭组织的相对不可压缩性推测了其泊松比的值,结果显示软腭的弹性模量从腭垂向前到软腭前部附着处逐渐增大。该方法考虑到了软腭前后向各个分层的弹性模量不同的生物学特性,但KuehnDP等对软腭组织学成分的研究对象是健康成年人,对于儿童,或者是OSAHS患者,结果可能有差异。另外,各种组织成分的弹性模量的测量数值部分从动物实验中获得,与人类的测量数值有一定的差异。其中腺体组织的弹性模量是研究者根据其他组织的测量结果推测所得,缺乏实验支持,有一定的随意性。

    2.体外力学实验

    Birch MJ等通过体外单轴应力松弛实验的方法,测量了10个取自正常人尸体的软腭的弹性模量、泊松比。该实验将软腭置于37℃生理盐水中,并将软腭分成10个解剖区域,测得不同区域的弹性模量与泊松比,其测量结果在软腭后界与腭垂区域与Berry DA等的结果一致,但是在软腭前部附着区域较小。以尸体为标本进行体外力学实验方法的主要限制是体外软组织的生物力学参数不能完全代替体内参数,因为软组织离体后材料性质会发生一些变化,并且软组织在被切除后不再受神经的支配,从而忽略了舌肌等肌肉处于激活状态时对生物力学参数的影响。Shibata A等运用弹性传感系统在活体上测量舌肌收缩与松弛状态下的等价的弹性模量,结果显示舌的等价弹性模量具有个体差异,舌肌收缩下舌的弹性模量是舌肌松弛情况下的4倍。这种方法对于区别舌表面的硬度的改变是由于舌肌收缩还是由于肿瘤等病理性改变引起的有重要意义,由于该实验测得数据只是舌上面积为380 mm2局部区域的弹性模量,舌不同部位肌肉排列走向不同,弹性参数也有差异,该测量值不能代表整个舌的各个部位的弹性模量值。

    3.磁共振弹性成像技术(magnetic resonance elastography,MRE)

    Nye E、Cheng S、Brown EC等采用磁共振弹性成像技术(magnetic resonance elastography,MRE)的方法测量上气道周围软组织的剪切模量。在磁共振弹性成像中,把特定种类的机械振动放于受试者表面,所产生的剪切波传播进入患者的深层组织,采用一种能够测量波速的图像采集序列推断出组织的硬度(剪切模量),可以用来体内测量软组织的粘弹性参数,已有文献报道使用MRE测量乳腺,肝脏,心脏,大脑,肺与骨骼肌的粘弹性。Nye E、Cheng S、Brown EC等使用该方法在受试者清醒状态自主呼吸时体内测得活体的舌与软腭的粘弹性参数云图,Brown EC等还测量了舌的各向同性的剪切模量与各向异性的剪切模量。相比于简化的弹性参数,这些研究中测得的舌与软腭的粘弹性参数更加符合人体软组织的材料特性;另外或体内无直接接触比体外尸体测得的数值更加接近人体的真实情况,且减小了由于直接接触引起的肌肉的反射性收缩。其限制是使用MRE的方法测量软组织的粘弹性会因为测试频率的不同而得到不同的结果,只有采用相同的测量频率结果之间才具有可比性;此外,将MRE用于测量软腭与舌的粘弹性之前,没有实验可以证实该方法是否可以用于这种新的软组织。

    4.有限元曲线拟合

    Subramaniam DR等测量了唐氏综合征伴OSAHS患者,麻醉状态下仰卧位时上气道在不同CAPA通气压力下压力与横截面积的关系,然后利用有限元的方法逐渐改变初始的剪切模量的值,通过曲线拟合,获得最优化的剪切模量值,并根据杨氏模量与剪切模量以及泊松比的关系式计算出杨氏模量的值,同时对比数字模拟预测的压力一气流曲线与试验测得的曲线,验证数字模型的可靠性。

    这种方法是在患者麻醉状态下测得的,麻醉状态下上气道软组织的顺应性与睡眠状态下相似,有研究表明在睡眠状态下,OSAHS患者由于上气道开大肌的活性比正常人降低得更多,或者是上气道结构更加不稳定,导致睡眠过程中上气道塌陷更容易发生,睡眠过程中软组织的参数与清醒状态下也有所不同,临床上OSAHS患者在睡眠中发生呼气道阻塞的比较多,因此研究睡眠过程中的参数对OSAHS患者的发病机理与诊断更有意义;另外该方法经过了体外实验验证,模型预测的结果与试验测得的结果相一致。其限制为该研究中实际上气道外部的压力会随着肺部体积的变化而发生变化,但是在模拟中将上气道的外部压力假设为不变的值;此外,该研究对象为唐氏综合征伴OSAHS患者,其软组织的测量数据可能与单纯的OSAHS患者或健康人有差异。Carrigy NB等也利用有限元的方法测量了腭咽与口咽周围软组织的弹性模量的取值范围,但是缺乏实验验证。

    三、研究展望

    近年来,上气道周围软组织生物力学参数的获得,使FSI数字模型更加真实准确地模拟上气道的运动状态与塌陷机制,为探究OSAHS的发病机理与诊断治疗做出了积极贡献。由于OSAHS患者夜间软组织发生生理性的松弛以及神经抑制作用。其管壁顺应性增加,导致睡眠、清醒、麻醉以及睡眠的不同时相(快速动眼睡眠与非快速动眼睡眠),上气道周围软组织的生物力学特点是不同的,但建立睡眠状态下的上气道数字模型很少,在这些状态下的相应参数的测定也比较少。此外,该参数可能还受到OSAHS以及OSAHS不同的严重程度,性别、年龄、体位和BMI值的影响。在将来的研究中可以建立基于个体特异性的上气道3D精确模型,并通过无侵入性测量针对每个个体在特定状态下的上气道周围组织生物力学参数,建立个体特异性的上气道生物力学模型,并经过实验与临床验证,从而为每位OSAHS患者的病因诊断与治疗提供可靠依据。

编辑: 陆美凤

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