日大歯学 , 95（1）, 13-20, 2021

原著

上下顎前方移動および舌骨上筋群牽引術前後における数値流体力学解析を用いた上気道呼吸動態の変化
山

縣

加

夏

子

日本大学大学院歯学研究科歯学専攻 口腔構造機能学分野（指導：外木守雄 教授，篠塚啓二 助教）

要旨：閉塞性睡眠時無呼吸症の治療法である上下顎前方移動術（maxillo-mandibular advancement，以下 MMA）
および舌骨上筋群前方移動術（genioglossus advancement，以下 GA）の研究は，形態学的分析が主体で，上気道形
態の変化や呼吸生理学的機能の変化について評価は十分とはいえない。そこで本研究では，MMA+GA を行った症
例に数値流体力学（computational fluid dynamics，以下 CFD）解析を行い，術後に起こる上気道呼吸動態の変化を，気道断面積，気道内の気流速度，気道壁にかかる静圧および全圧，気道抵抗の変化について検討し，MMA＋GA の効果を評価した。その結果，MMA＋GA 術後に口蓋咽頭の上端から喉頭蓋の上端における気道の断面積は明らかな増大を認めた。また，気道内の流速は減少し，気流も安定し整流化していた。特に断面積の増大を認めた軟口蓋の最下点では，静圧力，全圧力が有意に減少し，気道内の抵抗も下がっていた。このことは，MMA+GA を行うことで，気道壁面を潰そうとする力が減少し，安定した潰れにくい気道になり，気道内換気が容易になったと示唆された。
また，CFD 解析は，術前に気道狭窄部位の確認や静圧の高い部位の確認ができ，気道閉塞が生じる可能性を警鐘することや，手術での移動量や方向の検討に有効な予測データを提供できるものと考えられた。
キーワード：数値流体力学，閉塞性睡眠時無呼吸症，上下顎前方移動術，舌骨上筋群前方移動術

Changes in the upper airways of airflow dynamics using computational fluid
dynamics analysis before and after maxillo-mandibular advancement andgenioglossus advancement
Kanako Yamagata
Nihon University Graduate School of Dentistry, Major in Oral Structural and Functional Biology(Directors: Prof. Morio Tonogi Prof. Keiji Shinozuka)

Abstract: Maxillo-mandibular advancement (MMA) and genioglossus advancement (GA) are surgicaltreatments for obstructive sleep apnea. Previous studies have focused on morphological analysis, yet changes inupper airway morphology and physiological respiratory function are still unknown. This study aimed to explore
the changes in the upper airway dynamics, such as cross-sectional area, airflow velocity, pressure andresistance in the upper airway, using computational fluid dynamics (CFD) analysis on patients who underwent
MMA+GA and to evaluate the effect of MMA+GA. The cross-sectional area of the upper airway from theupper boundary of the palatopharynx to the tip of the epiglottis was significantly increased postoperatively. In
addition, airflow velocity in the airway decreased, and airflow was stable and straightened. The static and totalpressures were significantly decreased, and airflow resistance was also reduced at the point of the tip of thesoft palate, whose cross-sectional area was mostly increased postoperatively. These findings suggest that
MMA+GA reduces the force that compresses the airway wall, helping the airway maintain its stability so that
it is unlikely to be compressed. Therefore, the procedures may facilitate ventilation in the airway. Moreover,
CFD analysis is effective in preoperatively identifying the location of airway stenosis and areas with high staticpressure. Thus, this analysis may help provide valuable prediction data that can be used in taking precautions
to prevent potential airway stenosis and in examining the amount and direction of movement during surgery.
Keywords: computational fluid dynamics，obstructive sleep apnea，maxillo-mandibular advancement，genioglossus advancement（受付：令和 3 年 1 月 15 日）
責任著者連絡先：山縣加夏子
日本大学歯学部口腔外科学第Ⅰ講座〒 101-8310 東京都千代田区神田駿河台 1-8-13

TEL：03-3219-8102
FAX：03-3219-8103
E-mail：deka17032@g.nihon-u.ac.jp

13

日大歯学

緒

第 95 巻第 1 号

2.68）を対象とした。

言

本研究は日本大学歯学部倫理委員会の許可を得ている（倫理許可番号 : EP16 D007）。

閉塞性睡眠時無呼吸症（obstructive sleep apnea，以2． 手術術式

下 OSA）の要因のひとつに，解剖学的に狭窄もしくは閉塞した上気道があげられる。この閉塞を引き起こす要因

1） MMA ＋ GAには，一般的に肥満，鼻内疾患，アデノイド・口蓋扁桃（1）上顎に対する手術は，Le Fort Ⅰ型骨切り術，す肥大，巨舌など軟組織の要因があるが，小顎，過蓋咬合

なわち，犬歯窩部を梨状口側縁，下鼻甲介下部から，翼など硬組織の形態異常も原因のひとつとして考えられて口蓋窩に向かって水平に骨切り後，翼突上顎縫合部を離いる。顎骨および咬合状態と OSA に関する一連の研断し上顎骨体を分離した後，これを任意の前方位に移動

究で，骨格性下顎後退症に加え開咬を呈するもの，上顎する術式を用いた。本研究での前方への平均移動量は，が後方にあるものに上気道狭窄が起こりやすいことが報3.17 ± 1.07 mm で， 上 方 へ の 平 均 移 動 量 は 3.75 ±告されている1.35 mm であった（表 1）。

1-5）

。

6,7）

また，OSA の治療方法のひとつに睡眠外科手術がある（2）下顎に対する手術は，両側の下顎枝を矢状分割し，が，このうち，上下顎前方移動術（maxillo-mandibular

近位顎関節部骨と遠位下顎骨体部と分離して，下顎骨体

advancement，以下 MMA）と舌骨を牽引する舌骨上筋部を上顎と中心咬合位で嵌合するように前方に移動し群前方移動術（genioglossus advancement，以下 GA，た。本研究での前方への平均移動量は，9.20 ± 3.40 mm

両手術を同時に行うことを以後，MMA+GA と略する）であった（表 1）。

は，無呼吸低呼吸指数（apnea and hypopnea index，以すなわち MMA は，上下顎を一体として前方へ移動す

下 AHI）を減少し，睡眠の質を改善すると報告されている術式で，上気道が拡大すると考えられている術式である 8,9）。

る 6,9,10）。

しかし，これまでの研究では，形態学的分析が主体で，（3）GA は下顎骨内面に付着する舌骨上筋群を牽引し，上気道形態の変化と呼吸生理学的機能の変化は評価され

MMA と同様に上気道を拡大する効果がある 9）。本研究でて い な か っ た。 そ こ で 荻 澤 ら は，multi-detectorの前方への平均移動量は，6.33 ± 2.13 mm であった
（表 1）。

computed tomography（以下 MDCT）を用い，その上気

3． 計測方法

道呼吸動態変化について数値流体力学（computational

1） 資料採取，MDCT 撮影

fluid dynamics，以下 CFD）解析を行い，MMA の移動術 前， 術 後 1 年 経 過 時 に 治 療 を 目 的 に，Asteion

量および方向と術後の上気道の呼吸動態の変化を予測すSuper4 Edition（東芝メディカルシステムズ，大田原）をるモデルを確立し，シミュレーションが実際の事象を再用いて MDCT 撮影を行った画像を用い，顎骨形態，気現しているという報告をしている

道形態の評価を行うため 3 D モデルを作成した。MDCT。

10）

この CFD 解析法を用いて，MMA+GA の移動量およの撮影条件は，仰臥位で，頭位は frankfort horizontal

び 方 向 と 呼 吸 生 理 学 的 変 化 を 検 討 す る こ と は，

plane（FH 平面）を床と垂直にした。撮影中は患者に，咬MMA+GA の効果を解明するために重要なことであり，頭嵌合位で口唇を閉鎖し舌を口蓋につけるよう指示し，術前の資料から術後予測することが可能となって，治療方針の決定に有用な情報となり得ると考える。

表1

今回，本研究では，MMA ＋ GA 術後に起こる気道の変化について，術前後の上気道の断面積，気道内の気流
速度，気道壁にかかる静圧および全圧，気道抵抗の変化
を，CFD 解析を用いて検討し，MMA ＋ GA の効果を評価した。

材料および方法
1． 対象
2012 年 9 月から 2017 年 8 月に咬合の改善を目的とし
日本大学歯学部付属歯科病院口腔外科での顎変形症の診断のもと，顎矯正手術を施行した患者のうち，MMA と
GA を同時に行い，術前および術後 1 年経過時に MDCTを撮影し，本研究の趣旨に同意が得られた 6 名（男性 1名，女性 5 名，平均年齢 32 歳± 8 歳，平均 BMI 20.63 ±14

MMA および GA による顎骨移動量

CFD による MMA＋GA 術後の上気道呼吸動態の変化

し，CFD メッシュを作成した。外鼻孔の外側から鼻腔に安静呼吸で嚥下を行わないようにした。

入り込む気流を正確に再現するために顔面前方部に入口

撮像範囲は，舌骨から頭頂までとし，管電圧 120 kV，
管電流 100 mA

令和 3 年 6 月

境界を設定，気道最下方部に出口境界を設定して計算

マトリックスサイズ 512 × 512 pixel でメッシュ（computational mesh）を作成した。メッシュ生

1 mm スライス撮影を行った。
2） CFD 解析方法

成においては鼻腔および口腔の複雑な構造を表現できる（1）気道の抽出

非構造メッシュ（unstructured mesh）を用い，6 面体メッ

対象患者 6 名の digital imaging and communications

シュとした（図 2）。複雑な空間形状にこのようなメッシュ

in medicine（DICOM）デ ー タ か ら INTAGE Volumeを生成するために，密な 6 面体メッシュと比較的粗な 6

Editor version 1.1（Cybernet）を用いて，空気の部分を面体メッシュの間を 4 面体（テトラ）メッシュでつなぐこ

体組織と区分し，気道を抽出した。上方は前頭洞を含み，とで，各メッシュの歪みを極力抑制し，3 次元形状のモ下方は喉頭蓋最上部，左右は上顎洞を含み，前方は顔面

デ ル 化 精 度 を 向 上 さ せ て い る。 メ ッ シ ュ 規 模 は total

前方空間を含め，後方は頚椎の位置で上気道を取り巻く

number of cell 約 1000 万，total number of vertices 約

軟組織は除外した。複雑な気道データのメッシュを作成

1000 万～ 1100 万とした。

するためには全ての形状を多数の小さな三角形の集まり（3）CFD 解析における境界条件の設定と し て 表 現 す る 必 要 が あ り，3 次 元 形 状 の standard

CFD 解析には FINE/Open with OpenLabs version

triangulated language（以下 STL）を作成した（図 1）。

7.2（NUMECA）を用い，鼻腔から上気道の空気の流れを（2）CFD メッシュの作成

解析する為に圧縮性流体の Navier–Stokes 式を解く解析

STL から HEXPRESS version 7.2（NUMECA）を使用法を用いた。乱流モデルは Spalart-Allmaras 方程式でこ

図1

3 次元形状の術前後上気道（症例 1）
DICOM データより抽出した気道の STL データ。
上段：術前，下段：術後

図2

15

気道メッシュモデル（側方面観）（症例 1）
6 面体を主とした非構造メッシュを用いて作成した気道メッシュモデル。

日大歯学

第 95 巻第 1 号の研究の気流の流れにおける粘性の影響を表す最大

MDCT 撮影と同時に行い，鼻腔通気度測定ガイドライ

Reynolds 指数は 10000 ～ 25000 とした。境界条件は入口

ン 11）に沿って，アンテリオール・マスク法により測定しで質量流量を固定して出口で静圧を固定した。質量流量

た。計測時の諸条件は MDCT 撮影と同一とした。鼻腔は後述する鼻腔通気度測定より得られた体積流量 V

通気度計測より得られた体積流量 V（cm3/s）は CFD 解析（cm3/s）から求めた質量流量（massflow rate）を用いた。

での質量流量を算出するために使用した。
4） 統計学的解析

空気は perfect gas と仮定して室温 25℃の空気密度を
ρ=P（大気圧 Pa）/R（287.03 J/Kg・K）× T（273.15＋t ℃）

術前後の気道断面積，流速，静圧力，全圧力，気道抵から求めた。質量流量は測定された体積流量とρ=P/RT

抗に関する統計学的解析は Paired t-test を用いて有意差から求められた空気密度より massflow rate=ρV · 10－6

検定を行った（SPSS version 24.0，International Businessを用いて算出した。出口境界条件は各ケースの相対的評

Machines，Armonk，NY，USA）。なお，p ＜ 0.05 を有価を容易にするために 100836 Pa に固定した。

意差ありとした。

（4）CFD モデルを用いた上気道の断面積，気流速度，

結

静圧，全圧，気道抵抗の測定
CFD モデルより作成した気道を図 3 に示す。測定した果

1． CFD 解析

境界断面は，1 を両鼻合流部，2 は口蓋咽頭の上端，4 は1） 気道断面積

軟口蓋の最下点，3 を境界断面 2 と 4 の中間点，6 は喉

6 断面境界における手術前後の変化を表 2 および図 4

頭蓋の上端，5 を境界断面 4 と 6 の中間点を設定した。
この 6 つの境界断面における断面積をそれぞれ測定し

表2

術前後の気道断面積

た。また，手術前後に最も断面積の変化が大きかった境
界断面において，入口境界から出口境界までの気流の速度，流体が外界に及ぼす圧力である静圧力，静圧力と動圧力の和である全圧力，気道の換気の程度を示す気道抵
抗をそれぞれ計測し比較検討した。気道抵抗は R=⊿P（静圧 差 ）/Q の 式 に て 算 出 し，Q は massflow rate で，0.2408 g/s とした。
3） 鼻腔通気度測定
MPR3100（ 日本光電社製，東京）を用いて，術前後で

図4
図3

気道断面積の計測部位（症例 1）
1 は両鼻合流部，2 は口蓋咽頭の上端，4 は軟口蓋の最下点，
3 を境界断面 2 と 4 の中間点，6 は喉頭蓋の上端，5 を境界断面 4 と 6 の中間点を設定した。

16

術前後の気道断面積
1 は両鼻合流部，2 は口蓋咽頭の上端，4 は軟口蓋の最下点，
3 を境界断面 2 と 4 の中間点，6 は喉頭蓋の上端，5 を境界断面 4 と 6 の中間点を示す。
*P ＜ 0.05，**P ＜ 0.01

CFD による MMA＋GA 術後の上気道呼吸動態の変化

令和 3 年 6 月に示す。術前後で比較すると，両鼻合流部 1 は，有意差

鼻腔内および上気道全体において，気流の整流化を認めを認めなかった（P=0.67）。口蓋咽頭の上端 2 から喉頭蓋た。また，6 症例における，最も断面積の変化のあったの上端 6 では，術後，断面積の明らかな増大を認め，特軟口蓋の最下点での術前後の流速を比較すると平均値に軟口蓋の最下点 4 で最も拡大していた（P ＜ 0.01）。

2.20 m/s から 1.49 m/s へと速度の減少を認めた（図 6）。

2） 気流速度3） 静圧

図 5 に症例 1 の CFD 解析による気流速度の分布を可図 7 に症例 1 の CFD 解析による吸気時の静圧分布の視化したものを示す。これは，入り口境界の等間隔点群

結果を示す。軟口蓋の最下点における静圧力は，術前でからの流線であり，速度の大きさをカラーで示している。

100842 Pa なのに対して術後では 100836 Pa の静圧力で副鼻腔にはほとんど気流は流れないことが分かる。術前

あ っ た。6 症 例 の 静 圧 を 術 前 後 で 比 較 す る と， 平 均 値

では鼻腔内および軟口蓋の最下点付近で流速が大きく，

10844 Pa から 100838 Pa へ統計学的に有意に減少してい

鼻腔内においては 4.1 m/s の速度，また軟口蓋の最下点た（図 8）。また，外部圧力と気道内との静圧の差（静圧差付近では 2.9 m/s の速度が生じており，流速が速いとこΔP）を比較するために，入口境界である外鼻孔と出口境

ろ が 収 束 し て い た。 術 後 に 同 様 の 部 位 は そ れ ぞ れ界の喉頭蓋先端との静圧差を調べた結果，症例 1 におい

2.7 m/s および 1.0 m/s と明らかに流速が減速しており，て，術前で 25 Pa の圧力差なのに対して術後では 6 Pa の上気道全体で流速が均一化して，鼻腔内および軟口蓋の圧力差であった。6 症例における，静圧差の術前の平均最下点の速度の速い部分がほぼ無くなっていた。さらに，

値は 41.83 Pa であったが，術後の平均値は 23.50 Pa と有

図5

術前後の気流速度の分布（症例 1）
左：術前，右：術後

図7

術前後の静圧分布（症例 1）
左：術前，右：術後

図6

術前後の気流速度
術前後の変化率は－31.58 であった。

図8

術前後の静圧力術前後の変化率は－0.007 であった。

17

日大歯学

第 95 巻第 1 号

体の運動に関する方程式（オイラー方程式，ナビエ - ス

意な減少を認めた（表 3）。
4） 全圧

トークス方程式，またはその派生式）をコンピュータで

図 9 に症例 1 の CFD 解析による吸気時の全圧分布の解くことによって流れを観察する数値解析・シミュレー

結果を示す。軟口蓋の最下点における全圧力は，術前でション手法である 12）。これまでに CFD 解析に関する研100838 Pa なのに対して術後では 100836 Pa の全圧力で究は脳動脈瘤コイル塞栓術後の閉塞状態の予測に有用なあった。6 症例の全圧力は，術前で平均値 100852 Pa にパラメーターを開発するもの 13）やステント留置による血対して術後で 100840 Pa であり，統計学的に有意に減少

行力学的変化を解析 14），人工肺の血流や圧力損失の検していた（図 10）。また，入口境界である外鼻孔と出口境

討 15）など活発に行われている。口腔顎顔面領域では，口界の喉頭蓋先端との全圧力の差（全圧差）を調べた結果，

蓋垂軟口蓋咽頭弁形成術前後 12）や顎矯正手術，上下顎前症例 1 において，術前で 26 Pa から術後で 7 Pa に大きく

方移動術前後 10,16,17）および口腔内装置の装着による気流

減圧していた。
（図 9）。

の変化 18）を検討した報告や持続陽圧呼吸療法を行った状

5） 気道抵抗態での呼吸時の定時流れ解析による圧力損失の検討 19）な

軟口蓋の最下点における気道の抵抗 R は術前で平均値

ど OSA に関連する報告もされてきている。CFD 解析は173.71 Pa・s/g から術後で 97.59 Pa・s/g に統計学的に有セファロや CT 等の静的な評価と比較し，非侵襲的で，意に減少した（表 3）。

かつ，動的評価が行えることで近年注目されている。今考回，MMA+GA を施行した術前後の CFD 解析を行い，察

断面積の違いにより生じる生理学的な変化，すなわち，
気流速度，静圧，全圧，抵抗を詳細に検討できたことか

1． CFD 解析の有用性について

らその有用性が示唆された。

CFD 解析は，偏微分方程式の数値解法等を駆使して流2． CFD 解析の結果について
表3

気道断面積については，術前と比較し術後 1 年経過時

術前後における静圧力の差と気道抵抗の差において，口蓋咽頭の上端から喉頭蓋の上端までの断面積は有意に増加し，特に軟口蓋の最下点で著しかった（P ＜ 0.01）。このことから，MMA＋GA は気道を拡大する効果を持つことが示唆され，上顎を前方移動させることで気道の前後径が拡大し，下顎の前方移動で気道の幅径が増大すると報告した Okushi ら 6）の研究結果と一致した。
流速について，症例 1 では，最も狭窄していた鼻腔内における流速は 4.1 m/s から 2.7 m/s に減少し , さらに整流化していた。また，上気道全体でも流速が均一化して，軟口蓋の最下点の速度の速い部分がほぼ無くなってい図9

術前後の全圧分布（症例 1）
左：術前，右：術後図 10 術前後の全圧力
術前後の変化率は－0.009 であった。

18

CFD による MMA＋GA 術後の上気道呼吸動態の変化

令和 3 年 6 月

た。軟口蓋の最下点における 6 症例の術前後の流速を比や方向を検討する手段として有用性が高いことが示唆さ

較すると平均値 2.20 m/s から 1.49 m/s へと速度の減少れた。今後，症例数をさらに増やし，予測値との差異をを認めた。気流速度が減速することで気道にかかる圧が反映した修正をモデル計算にフィードバックすること正常化され，OSA の治療に効果があることが示唆された。

で，モデルの精度をさらに向上させ，手術での最適な各

また，本研究では，注目する気道狭窄部周辺の解析条部位の移動量の検討に有効な予測データを提供できるものと考えられた。

件をそろえるために，喉頭蓋先端の出口境界の静圧を固定する境界条件を用いて CFD 解析を行っている。これ

結により，術前後の静圧力，全圧力の比較が可能となった。
静圧について，術前後で比較すると，6 症例の平均値は論

本研究の結果から，以下の結論を得た。

100844 Pa から 100838 Pa と有意に減圧していた。この

1． MMA+GA を行うことで，気道の断面積が拡大し，ことは，気道壁面を潰そうとする力が減少し，安定した気道内の流速が減少して，気道にかかる静圧，全圧

潰れにくい気道になったことを意味している。また，入が減少し，潰れにくい気道となって気道内の抵抗が口境界である外鼻孔と出口境界の喉頭蓋先端の静圧差が下がり，呼吸が楽になることが示唆された。

大きいと，気道内の陰圧による軟口蓋や舌根部を引き込

2． CFD 解析は，術前に気道狭窄部位の確認や静圧の高む力が大きくなり，力学的に咽頭付近の気道狭窄を促進い部位の確認ができ，気道閉塞が生じる可能性を警する要因となると考えられている

鐘することや，MMA＋GA の移動量や方向を検討す。全 6 症例の解析結20）る手段として有用性が高いことが示唆された。

果において，術前では平均値 41.83 Pa であった静圧差が，術後で平均値 23.50 Pa に大きく減少している。この結果
から，静圧差による力学的な気道狭窄促進リスクが，手本研究遂行にあたり，格別たるご指導ご鞭撻を賜りました日本
大学歯学部口腔外科学第Ⅰ講座の外木守雄教授に謹んで心から感謝申し上げます。本研究をご指導およびご高閲賜りました帝京大
学戦略的イノベーション研究センター流体および構造解析・設計
応用研究部門の田沼唯士教授に謹んで深く感謝申し上げます。
最後に，本研究を通じて多大なるご協力と助言を賜りました本
学部口腔外科学第Ⅰ講座の篠塚啓二助教を始め，同講座の皆様に深く感謝いたします。
本論文に関して，開示すべき利益相反はありません。

術によって低減されたことが分かる。
さらに，症例 1 において，術前の入口境界である外鼻孔と出口境界の喉頭蓋先端との全圧差は 26 Pa から術後で 7 Pa に大きく減圧していた。このことより，手術の効
果により気道が広くなったことが示唆された。
気道抵抗は，定義された気体の体積を指定された時間内に押し出すために必要な特定の圧力を表し，抵抗が高いと気流が流れにくいことを示しており，気道抵抗 R が文

吸気の難易度を決定する重要な指標である。本研究の結果では，術前の気道抵抗は平均値 173.71 Pa・s/g から術

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後平均値 97.59 Pa・s/g に有意（P ＜ 0.05）に減少し，減少
率は 44％であった。これは気道内換気が容易になったこと，すなわち呼吸が楽になったことを示唆している。
OSA 患者で，気道が狭窄もしくは閉塞する原因のひと
つには，気道にかかる流速，静圧などの圧力の上昇が考えられる。本研究の結果から，MMA+GA を行うことで，気道の断面積が拡大し，気道内の流速が減少して，気道にかかる静圧，全圧が減少し，潰れにくい気道となって気道内の抵抗が下がり，呼吸が楽になることが示唆された。これは，睡眠外科治療として，口蓋垂軟口蓋咽頭形成術を施行し，同部を流れる流速や圧力が減少したことで，AHI が明らかに低下したという報告 12）や口腔内装置を用いることで，流速や全圧，抵抗が低下し，AHI が改
善 し た 報 告 18）と 同 様 の 結 果 で あ っ た。 し た が っ て
MMA＋GA は OSA に対する有効的な治療法である根拠となり，いままでの報告 8,9）とも一致する結果となった。
また，今回の結果から CFD 解析は，術前に気道狭窄
部位の確認や静圧の高い部位の確認ができ，気道閉塞が生じる可能性を警鐘することや，MMA＋GA の移動量

19

日大歯学

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第 95 巻第 1 号

人，種村 浩 , 梅田靖之 , 安田竜太 , 当麻直樹 , 霜坂辰一 , 鈴
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