Характеристика направления и скорости регионального воздушного потока при сочетании патологии носового клапана и носовой перегородки

АННОТАЦИЯ

Сложные виды искривления носовой перегородки в сочетании с патологией носового клапана вызывают у пациентов значительное затруднение носового дыхания. Однако мало данных об особенностях патологической аэродинамики в полости носа, к которой привело данное сочетание. Целью работы является изучение особенностей направления и скорости регионального воздушного потока в полости носа при сочетанной патологии носа.

В качестве материала взяты компьютерные снимки пациента оториноларингологического отделения ГКП на ПХВ «Городская Больница №5» с западением носового клапана и гребнем справа, и каудальным типом искривления носовой перегородки влево. При помощи пакета программных обеспечений Mimics Medical 12.0 и ANSYS FLUENT из снимков была создана 3Д модель полости носа с последующим моделированием виртуального воздушного потока. Результаты: в левой половине носа, где имеется западение носового клапана, гребень и вогнутая часть перегородки носа воздушный поток перенаправлен в верхний и средний этажи полости носа. Скорость потока в этой половине носа в три раза меньше, чем на той стороне, где имеется только выгнутая каудальная часть искривленной носовой перегородки.

Выводы: сочетание патологии носового клапана и носовой перегородки меняет естественное направление воздушного потока в полости носа, а также вызывает значительное различие в значениях скорости потока в двух половинах носа.

Введение. Как наиболее часто встречающаяся патология носа, искривление носовой перегородки (НП) представляет собой отклонение костной или хрящевой части перегородки от срединной линии, которое приводит к затруднению носового дыхания, носовым кровотечениям, рино- генным головным болям и синдрому гипоксического ночного апноэ [1].

В 1974 году Вайнио-Маттила в своем исследовании обнаружил, что среди случайно выбранных взрослых 33% людей страдают затруднением носового дыхания, из них 26% осмотренных имели искривление носовой перегородки [2].

Решением в данной патологии является хирургическое исправление деформации с приведением перегородки носа в срединное положение, а именно подслизистая резекция перегородки носа с дальнейшей пластикой искривленного участка (септопластика) [3].

Однако несмотря на то, что данное оперативное вмешательство является довольно часто выполняемой в структуре оториноларингологической службы, пациенты вновь возвращаются к врачу с теми же жалобами.

Например, согласно проведенному систематическому обзору, до 50% пациентов, перенесших септопластику, не удовлетворены результатами операции [4]

Мы считаем, что данная проблема связана с отсутствием «золотого» стандарта в определении показаний к оперативному вмешательству и что у врачей нет инструмента, который в точности определял бы особенности аэрации носовой полости с патологией.

На осмотре врач - оториноларинголог прежде всего оценивает тяжесть и степень жалоб пациента при помощи стандартизированных опросников NOSE и шкалы степени тяжести VAS [5]. Клиническое обследование носа- передняя риноскопия, выполняется врачом, где визуально оценивается состояние слизистой оболочки носа, анатомические особенности передней области носа.

Также в последнее время эндовиде- оскопическое исследование полости носа позволяет более точно описать анатомические особенности полости носа у каждого пациента индивидуально.

Компьютерная томография, магнитно-резонансная томография также являются методами визуальной диагностики анатомических особенностей носа; выдают высокоэффективные компьютерные изображения, однако ограничен в применении так, как не могут характеризировать функцию дыхания.

Наличие жалоб и искривления носовой перегородки не могут являться единственными показаниями к оперативному лечению [1,6]. Для оценки качества носового дыхания у пациента применяются некоторые функциональные тесты, один из них метод Cottle- достаточно простой тест, при помощи кусочка ваты визуально оценивается объем воздушного потока у входа в носовую полость при вдохе и выдохе, таким образом сравнивая и сопоставляя обе половины.

Результаты сомнительные, однако из-за простоты в применении широко используется в оториноларингологической практике [6]. Проведение таких функциональных тестов как риноманометрия в различных вариациях (передняя, срединная, задняя) дает информацию о парциальном давлении в полости носа и скорости объема потока во время дыхания. Также существуют другие назальные тесты, рекомендованные Международным Комитетом по Стандартизации (пикфлоуметрия, акустическая риноманометрия, 4-х фазная ринометрия, Odiosoft-Rhino) определяющие особенности воздушного потока в полости носа [6].

Однако ряд исследований, проведенных во всем мире, доказывают, что имеющиеся тесты не точны, так как мало коррелируют с жалобами пациента и не отображают все особенности воздушных паттернов в полости носа. [7,8,9,10].

В последние 10 лет среди ринологов повышен интерес к новейшему методу диагностики патологии дыхания носа, который основан на принципах вычислительной механике жидкости и газов (Computational Fluid Dinamics) [11]. Суть метода состоит в том, что из снимков компьютерной томографии полости носа и околоносовых пазух пациентов на специальном программном обеспечении проецируется 3Д модель носовых путей, затем данную модель транспортируют в программу, которая позволяет создать возможные воздушные потоки в пространстве [12].

Кроме того, компьютерная симуляция воздушных потоков позволяет установить следующие показатели потока: направление струи при вдохе и выдохе, их нарушения, температуру и парциальное давление в его различных отделах, распределение тепловых потоков, давление на стенки носа при вхождении воздушной струи [13], а также аэрацию пазух и другие физиологические параметры состояния слизистой полости носа [14].

А математическое вычисление переменных Airflow-OS, Heat Flux-OS, Airflow Partition-OS и CFDNR Ratio-OS поможет стандартизировать и скомпилировать шкалу значений для различных патологий носа [14]. Обладая огромным потенциалом в диагностике нарушении дыхания носа, метод CFD моделирования требует изучения в чувствительности и специфичности при различных патологиях носа, в особенности требующих хирургического вмешательства (искривление носовой перегородки, патологии носового клапана, гипертрофия раковин, т.д.) [12,13,14].

Изучены особенности скорости, направлений паттернов и другие показатели у здоровых людей и с различными нарушениями, в том числе аномалии назального клапана [15]. Кроме того, выявилась связь с субъективными жалобами [5], с ареалом обитания [16] и другими критерими. Garcia GJ и другие обнаружили у пациентов с передним, медиальным и каудальным искривлением НП значимую разность в скорости, парциальном давлении и направлении потока в вогнутой и выгнутой частях НП [17, 18]

Однако нет исследований пациентов с сочетанной патологией полости носа: аномалии носового клапана в сочетании со сложным типом искривления носовой перегородки.

В данном исследовании мы провели пилотное экспериментальное моделирование воздушных потоков носа у пациента с каудальным искривлением носовой перегородки в сочетании с гребнем НП и западением носового клапана.

Цель: изучить особенности направления и скорости регионального воздушного потока в полости носа у пациента с сочетанием патологий носового клапана и носовой перегородки (НП) при помощи виртуального CFD моделирования.

Материалы и методы.

Тип исследования: качественное аналитическое экспериментальное исследование- случай-контроль, по охвату -пилотное исследование; данное моделирование проводилось в июне 2019 года.

Способ отбора участника: для данного исследование были использованы данные пациента оториноларингологического отделения специализированной клиники г. Алматы ГКП на ПХВ «Городская больница №5».

Отбор был проведен среди пациентов отделения, поступивших на хирургическое лечение. Критерий включения в исследование- наличие сочетания патологий носового клапана и носовой перегородки.

Всего таких пациентов поступило 3 в период с 15 по 23 июня 2019 года в возрасте 32,37 и 44 года соответственно, все мужчины.

У 2-х поступивших больных в анамнезе имелись оперативные вмешательства на нос, поэтому в исследовании участвовал только один пациент. У данного пациента (44 года) клинически имелись жалобы на нарушение носового дыхания и частые простудные заболевания.

При осмотре врачом выявилось S-образное искривление носовой перегородки влево в каудальном отделе и гребневидное утолщение передненижней части НП.

Кроме того, имеется западение хряща крыла носа справа к перегородке носа (рисунок 1).

Были использованы сканы компьютерной томографии в коронарной, аксиальной и сагитальной проекциях на электронном носителе (шаг среза 0,6 мм, Siemens). Всего было проанализировано и тщательно обработано 800 изображений, чтобы получить модель с высокой точностью.

Методы исследования:

1. Подготовка геометрической модели:

В качестве материала исследования использовалась геометрическая модель полостей носа пациента, реконструированная из снимков компьютерной томографии при помощи пакета программного обеспечения Mimics Medical 12.0 by Materialise 2018 в Школе Инженерии Назарбаев Университет, департамент Механической Аэрокосмической Инженерии. (г. Нур-Султан).

Эксперимент проводился согласно методу «Система для анализа полости носа и параназальных синусов» [19].

Всего использовано 511, 300 и 511 срезов коронального, сагиттального и осевого изображений соответственно.

Диапазон радиоплотности вещества установлен от -128 до -1024 в единицах Ха- унсфилда (ЕХ) [20], [21].

Исследуемая область полости носа выбрана полуавтоматическим методом с участием ЛОР- специалиста.

На рисунке 2 изображена полученная 3Д модель полости носа.

2. Численное моделирование:

Для численного моделирования воздушных потоков данная геометрическая модель была транспортирована в коммерческую программу ANSYS Fluent 19.1 (USA, Pennsylvania) в файле STL.

Были установлены конкретные граничные условия (boundary conditions), полученные из литературы и специалистов [22].

Преддверие носа: давление на входе с манометрическим давлением ноль Паскаля; жесткие стенки с противоскользящим состоянием и выходным давлением с целевым объемным расходом 15 л / мин (что соответствует 3,075 Е-4 кг / с воздуха).

Создана 1 прозрачная модель в цветном режиме: линии от входа носа до носоглотки окрашены в разные цвета, значение которых имеются в верхнем углу справа с указанием значений в м/с.

Наука о жизни и здоровье №1, 2020

Способ представления и обработки данных: Оценка результатов численного моделирования проводилась визуально врачами-ринологами на программе ANSYS Fluent 19.1 в режиме просмотра.

Специалисты оценили направление и значение скорости потоков в каждой половине носа в трех коронарных плоскостях:

1. преддверие правой и левой половин носа

2. участки гребня НП в правой и левой половинах носа

3. выгнутая и вогнутая части наиболее искривленного участка НП

Этические принципы: у пациента взято информированное согласие на обработку его данных, а именно снимков компьютерной томографии и данных из истории болезни. Письмо -согласие, а также протокол исследования были одобрены на заседании Локально-этического комитета КазМУНО от 15 января 2019 года, протокол №1.

Результаты.

Характеристика конвективных потоков:

В данной модели полости носа есть две половины, которые разделены носовой перегородкой; линии воздушных потоков направлены от входа носа до носоглотки, однако наблюдается некоторая асимметричность половин за счет искривления НП влево. На данной модели видно, что тур- булирование потоков происходит в левом преддверии носа, где нет западения крыла носа, и в области выгнутой части НП, которое находится также слева. В остальных частях прослеживается линейные и дугообразные ламинарные потоки.

Преддверие носа: справа у входа в носовую полость линии воздушного потока закругляются вокруг зоны, где линии отсутствуют. Именно в этом месте на аксиальном срезе преддверия носа четко прослеживается западение правого хряща крыла к перегородке. Слева, где нет западения, воздушные потоки прослеживаются по естественному ходу.

Гребень: на уровне гребня воздушные потоки проходят по верхней и средней части носового хода; в нижней части ближе к гребню потоки свое направление не меняют, хотя интенсивность линий резко снижена.

Носовая перегородка: в выгнутой части НП воздушные линии проходят в основном по нижнему носовому ходу, верхняя часть имеет очень слабый ламинарный поток. В то же время в вогнутой части перегородки проходят в средней и верхней части полости носа.

Скорость потоков: согласно указанной цветовой градации воздушных линий, были проанализированы показатели скорости потока (velocity).

В начале, у самого входа в полость носа скорость потока равна практически нулю. Затем потоки, разделяясь на две части, двигаются с разной скоростью: справа 3,329 м/с, слева 6,658 м/с. Двигаясь в направлении общего потока, скорость потока слева падает у гребня и пик его достигает 2,129 м/с, когда справа скорость движения не меняется и равна также 3,329 м/с. Однако картина несколько меняется у каудального отдела носовой перегородки, а именно на месте наибольшего искривления. В выгнутой стороне (слева) НП скорость ускоряется до 6,658 м/с, а в вогнутой стороне (справа) v равно 3,329 м/с.

Обсуждение: В ранее проведенных исследованиях у здорового пациента выявилось, что [23] вне зависимости от фазы дыхания (вдох/выдох) около 50% воздушных масс двигается прямо по нижнему отделу носовой полости, и около 30% потока проходят по верхнему и среднему отделам в виде параболы. В нашем исследовании у пациента с сочетанной патологией носового клапана и сложного вида искривления носовой перегородки более 50% воздушных масс перемещаются через верхние и средние отделы носовой полости, движение имеет такую же параболическую форму, менее 20% потока движется также прямо по нижнем носовому ходы, что подтверждается ранее проведенными работами [24,25,26]. Такое отличие в распределении потоков объясняется наличием западения крыла носа справа, которое послужило преградой в естественном тур-булировании потоков у входа в носовую полость, соответственно произошло перераспределение потоков в верхние участки носа. Данное изменение направлений потоков рассматривается как патологическое, так как уменьшается площадь соприкосновения ингалируемого воздуха с поверхностью слизистой оболочки нижней носовой раковины, которое обеспечивает полости носа основные функции (увлажнение, очищение, согревание/охлаждение) [27] и усиливается давление на стенки носа.

Мы не считаем, что гребневидное утолщение премаксиллярного отростка твердого неба влияет на направление и скорость потока, так в данной области не наблюдалось значительных изменений.

Tan J at al выявили значительное ускорение скорости потока в преддверии носа у здорового испытуемого [16]. И в нашем исследовании максимальная скорость достигается у «здорового» клапана.

Несмотря на некоторое снижение скорости в переднем отделе полости носа в дальнейшем у выгнутой части данной НП скорость резко возрастает. Такие же результаты получили Ting Liu и остальные [28]: при каудальном типе искривления НП скорость потока достигает максимума в выгнутой части. Однако мы выявили значительное различие в пиковой скорости потока в различных отделах от данных литературы [28].

Так у предыдущих исследователях максимальная скорость в стороне выгнутой части НП cоставляло от 1,92 до 2,37 м/с, когда у нашего пациента этот показатель варьировал от 2,1 до 6,6 м/с. Возможно это объясняется наличием сочетания у данного испытуемого западения носового клапана и сложного вида искривления носовой перегородки, что и привело к излишнему турбу- лированию воздушных масс.

Мы полагаем, что недостатком данного исследования является отсутствие характеристик после каудального отдела искривления перегородки, а именно в носоглотке, так как данная область имеет очень важное значение в формировании многих функций (слуховая, резонаторная, т.п.)

Главным преимуществом работы является приобретений знаний о патологическом движении воздуха в такой сложной системе, как полость носа.

Выводы: сочетание патологии носового клапана и носовой перегородки меняет естественное направление воздушного потока в полости носа, а также вызывает значительное различие в значениях скорости потока в двух половинах носа.

В будущем требуется большее количество пациентов для проверки данного результата. Методика CFD моделирования потоков поможет клиницистам в принятии решении о хирургическом удалении основных анатомических деформаций полости носа, которые приводят к нарушению естественного физиологического движения воздуха.

Возможность прогнозировать характеристики валового потока обеспечивает базовое поле потока для сравнения. Это способствует установлению четко определенных прогнозов потока и может использоваться в качестве сравнения для будущих более крупных исследований.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. 1. Orlandi R.R. A systematic analysis of septal deviation associated with rhinosinusitis. Laryngoscope 2010 Aug; 120(8):1687-95.
2. 2. J. VainioMattila, Correlations of nasal symptoms and signs in random sampling study, Acta Otolaryngol Suppl. 1974; 318:1-48.
3. 3. Most S.P., Rudy S.F., Septoplasty: Basic and Advanced Techniques, Facial Plast Surg Clin North Am. 2017 May; 25(2):161-169
4. 4. Tsang CLN, Nguyen T., Sivesind T., Cervin, Long-term patient-related outcome measures of septoplasty: a systematic review, A Eur Arch Otorhinolaryngol. 2018. May 275(5):1039-1048.
5. Hsu H.C. and al., Evaluation of nasal patency by visual analogue scale/nasal obstruction symptom evaluation questionnaires and anterior active rhinomanometry after septoplasty: a retrospective one-year follow-up cohort study, Clin. Otolaryngol. 2017, 42, 53–59
6. Clement PAR, Gordt, The International Standardization Committee on the Objective Assessment of the Nasal Airway in Riga, Consensus report on acoustic rhinometry and rhinomanometry, 2 nd Nov. 2016, Rhinology. 2005;43:169-79
7. Guilherme J. M. Garcia, Benjamin M. Hariri, Ruchin G. Patel, and John S. Rhee, The relationship between nasal resistance to airflow and the airspace minimal cross-sectional area, J Biomech, 2016 Jun 14;49(9):1670-1678.
8. Hsu H.C., Tan C.D., Chang C.W., Chu C.W., Chiu Y.C., Pan C.J., Huang H.M., Evaluation of nasal patency by visual analogue scale/nasal obstruction symptom evaluation questionnaires and anterior active rhinomanometry after septoplasty: a retrospective one-year follow-up cohort study. Clin Otolaryngol. 2017 Feb; 42(1):53-59.
9. Desvant C., Guislain J., Vandenhende-Szymanski C., Mortuaire G., The correlation between active anterior rhinomanometry results and nasal obstruction symptoms scores after inferior turbinate reduction: A prospective cohort study about sixty-five patients. Clinical Otolaryngology, (2018). 43(4), 1153–1156.
10. Sipila J., Suonpaa J., Silvoniemi P., et al. Correlations between subjective sensation of nasal patency and rhinomanometry in both unilateral and total nasal assessment. ORL J Otorhinolaryngol Relat Spec 1995; 57(5):260–3.
11. Burgos M.A., Sanmiguel-Rojas E., Del Pino C., Sevilla-García M.A., Esteban-Ortega F., New CFD tools to evaluate nasal air flow. Eur Arch Otorhinolaryngol. 2017 Aug; 274 (8):3121-3128.
12. Ball C., Uddin M., Pollard A., 2008. High resolution turbulence modelling of airflow in an idealised human extra-thoracic airway. Comput. Fluids 37, 943-964.
13. De Yun Wang, Heow Peuh Lee, Bruce R. et al., Impacts of Fluid Dynamics Simulation in Study of Nasal Airflow Physiology and Pathophysiology in Realistic Human ThreeDimensional Nose Models, Clin Exp Otorhinolaryngol. 2012 Dec; 5(4): 181–187.
14. Leong S.C., Chen X.B., Lee H.P., Wang D.Y., A review of the implications of computational fluid dynamic studies on nasal airflow and physiology. Rhinology. 2010 Jun; 48(2):139-45.
15. Wang T., Chen D., Wang P., Chen J., Deng J., Investigation on the nasal airflow characteristics of anterior nasal cavity stenosis, Brazilian Journal of Medical and Biological Research, 2016; 49(9): e5182.
16. Tan J., Han D., Wang J., Liu T., Wang T., Zang H., Li Y., Wang X., 2012. Numerical simulation of normal nasal cavity airflow in Chinese adult: a computational flow dynamics model. European Archives of Oto-Rhino-Laryngology 269, 881-889.
17. Garcia G.J., Rhee J.S., Senior B.A., Kimbell J.S., The nasal septum deviation index (NSDI) based on CBCT, 2010 Jan-Feb; 24(1):e46-53.
18. Garcia G.J., Rhee J.S., Senior B.A., Kimbell J.S., Septal deviation and nasal resistance: an investigation using virtual surgery and computational fluid dynamics, Am J Rhinol Allergy. 2010 Jan-Feb; 24 (1): e46-53.
19. Schildkraut et al., System for paranasal sinus and nasal cavity analysis, Patent Number US009974503B2, USA, May 22, 2018
20. Cherobin G.B., Voegels R.L., Gebrim EMMS, Garcia GJM, Sensitivity of nasal airflow variables computed via computational fluid dynamics to the computed tomography segmentation threshold. PLoS One. 2018 Nov 16; 13(11).
21. W. De Vos, J. Casselman and G. Swennen, Cone-beam computerized tomography (CBCT) imaging of the oral and maxillofacial region: A systematic review of the literature, International Journal of Oral and Maxillofacial Surgery, vol. 38, no. 6, pp. 609-625, 2009.
22. Chen X.B., Lee H.P., Chong V.F., Wang de Y. Assessment of septal deviation effectson nasal airflow: a computational fluid dynamics model. Laryngoscope 2009; 119:1730–6.
23. Xiong G.X., Zhan J.M., Jiang H.Y., Li J.F., Rong L.W., Xu G. Computational fluid dynamics simulation of airflow in the normal nasal cavity and paranasal sinuses. Am J Rhinol 2008; 22: 477-482
24. Wang K., Denney T., Morrison E., and Vodyanoy V. Numerical simulation of air flow in the human nasal cavity. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc 6: 5607–5610, 2005.
25. Celine C., Redouane F., Marc D. In vitro experiments and numerical simulations of airflow in realistic nasal airway geometry. Ann Biomed Eng 34: 997–1007, 2006.
26. Chung S.K., Son Y.R., Shin S.J. and Kim S.K. Nasal airflow during respiratory cycle m J Rhinol 20: 379-384, 2006
27. Niels Mygind, Ronald Dahl, Anatomy, physiology and function of the nasal cavities in health and disease, Advanced Drug Delivery Reviews Volume 29, Issues 1–2, 5 January 1998, Pages 3-12
28. Ting Liu, Demin Han, Jie Wang, Jie Tan, Hongrui Zang, Tong Wang, Yunchuan Li & Shunjiu Cui, Effects of septal deviation on the airflow characteristics: Using computational fluid dynamics models, Acta Oto-Laryngologica, 2012; 132: 290-298.