Proudění vzduchu nosem za fyziologických a patologických stavů


The Physiology and Pathophysiology of the Nasal Airflow

The physiological nasal airflow with low resistance and low level of turbulences is necessary for normal nasal breathing. Pathological conditions (e.g. septal deviation/perforation) cause elevation of nasal resistance that patients feel like nasal obstruction. The nasal obstruction worsens quality of life. There are some possibilities how to simulate and study nasal airflow - mechanic models or computational fluid dynamics (CFD). Nowadays, CFD is dominant method for simulating nasal airflow. There is a potential to apply aerodynamic information to clinical rhinology and rhinosurgery.

Keywords

nasal airflow, computational fluid dynamics, laminar/turbulent airflow


Autoři: M. Plášek 1,2;  M. Bojko 3;  M. Masárová 1,2;  P. Matoušek 1,2;  P. Komínek 1,2
Působiště autorů: Klinika otorinolaryngologie a chirurgie hlavy a krku, Fakultní nemocnice Ostrava 1;  Katedra kraniofaciálních oborů, Lékařská fakulta, Ostravská univerzita v Ostravě 2;  Katedra hydromechaniky a hydraulických zařízení, Fakulta strojní, Vysoká škola báňská, Technická univerzita Ostrava 3
Vyšlo v časopise: Otorinolaryng. a Foniat. /Prague/, 67, 2018, No. 4, pp. 113-118.
Kategorie: Přehledový článek

Souhrn

Pro fyziologické proudění vzduchu nosní dutinou a bezproblémové nosní dýchání je důležitý nízký odpor a převážně laminární charakter proudění s minimem turbulencí. Patologické stavy (např. deviace/perforace nosní přepážky) způsobují zvýraznění turbulencí s nárůstem nosního odporu, který je pacienty vnímán jako nosní neprůchodnost. Nosní neprůchodnost negativně ovlivňuje každodenní aktivity pacientů a zhoršuje kvalitu života. Ke studiu nosní aerodynamiky jsou využívány mechanické či kadaverózní modely nosu, nebo je proudění vzduchu nosem studováno pomocí počítačového modelování tzv. CFD (computational fluid dynamics). CFD je v současnosti dominantní metodou ke studiu nosního proudění, využívá vytvoření 3D počítačového modelu nosní dutiny dle CT vyšetření. Narůstající znalosti nosního proudění mají potenciál využití v klinické praxi, především v rinochirurgii - přesnější zacílení operační léčby pacientů s nosní neprůchodností a hodnocení efektivity operací.

klíčová slova

proudění vzduchu nosem, počítačové modelování, laminární/turbulentní proudění

ÚVOD

Nos je z hlediska proudění vzduchu komplikovaná struktura. Normální průtok vzduchu nosem je v klidovém stavu cca 6 l/min. (10).

Pro fyziologické proudění vzduchu nosní dutinou je důležitý nízký odpor (asi 20 mm vodního sloupce) a převážně laminární charakter proudění s minimem turbulencí (12).

Vybočení či perforace nosní přepážky, hypertrofie dolních skořep i další anatomické variace mohou vést díky změnám proudění k nárůstu nosního odporu (zúžení nosní dutiny, zvýraznění turbulencí), který je pacienty vnímán jako nosní neprůchodnost. Současně může být nepříznivě ovlivněna funkce Eustachovy trubice, což vede k pocitům zaléhání a plnosti uší (6).

Senzitivní informaci o proudění vzduchu nosem zajišťuje nervus trigeminus (n. V). U pacientů, kteří chronicky užívají anemizační nosní kapky, dochází k poškození inervace sliznice, a tedy pocitu nosní neprůchodnost i přesto, že objektivně je nosní dutina prostorná (pacient necítí proud vzduchu) (14, 15). Nosní neprůchodnost neohrožuje nemocné na životě, ale negativně ovlivňuje každodenní aktivity pacientů a zhoršuje kvalitu jejich života (10).

Proudění vzduchu nosem bylo v minulosti studováno pomocí mechanických modelů nosu. V současné době je nosní proudění studováno především pomocí virtuálních modelů nosní dutiny za použití výpočetní techniky - tzv. computational fluid dynamics (CFD). Cílem článku je shrnutí současných znalostí o fyziologii a patofyziologii nosního proudění.

Proudění vzduchu v nosní dutině, modelování nosního proudění

Laminární a turbulentní proudění

Charakter a distribuce proudu vzduchu v nosní dutině mají zásadní vliv na nosní dýchání. Laminární proudění je způsob pohybu, při kterém jsou dráhy jednotlivých částic navzájem rovnoběžné, aniž by se mísily. Laminární proudění zůstává zachováno až do tzv. kritické rychlosti, kdy se mění na proudění turbulentní a částice se navzájem mísí. Pravděpodobnost přechodu laminárního proudění na turbulentní je ovlivněno kromě rychlosti proudění ještě průměrem trubice a vlhkostí vzduchu (10).

Teoreticky by čistě turbulentní charakter proudění umožňoval velmi dobrý kontakt částic vzduchu s celou plochou nosní sliznice k zajištění ohřívání a zvlhčování vzduchu (13). Na druhé straně, čistě laminární charakter proudění by byl spojen s minimálním odporem a snadným nosním dýcháním. In vivo je tedy zapotřebí jak laminární, tak turbulentní charakter proudu vzduchu (13). Ukazuje se, že pro bezproblémové nosní dýchání (nízký nosní odpor) je zapotřebí převaha laminárního proudění s menším podílem turbulencí (10, 13).

Charakter proudění (laminární/turbulentní) v nosní dutině za fyziologických i patologických stavů ani distribuce proudu vzduchu však stále nejsou detailně objasněny, proto je nosní aerodynamice věnována pozornost vědeckých studií.

Computational Fluid Dynamics (počítačová analýza
proudění vzduchu nosem).
Zdroj: www.oatext.com
Obr. 1. Computational Fluid Dynamics (počítačová analýza proudění vzduchu nosem). Zdroj: www.oatext.com

Modely pro studium nosní aerodynamiky

Ke studiu nosní aerodynamiky jsou využívány mechanické (např. kvádr rozdělený přepážkou na dvě části) (obr. 2a, b) či kadaverózní modely nosu, nebo je proudění vzduchu nosem studováno pomocí počítačového modelování - CFD (computational fluid dynamics). Jsou zkoumány fyzikální parametry proudu vzduchu (rychlost, průtok, charakter proudění aj.) při fyziologických a patologických stavech.

Obr. 2a Mechanický model nosní dutiny; 1 - nosní septum.
Dle Grützenmachera, 2006.

Tab. 1. Obr. 2b Mechanický model, simulace perforace nosního septa; 1 - nosní septum, 2 - perforace septa - zvýraznění turbulencí. Dle Grützenmachera, 2005.
Obr. 2b Mechanický model, simulace perforace nosního septa;
1 - nosní septum, 2 - perforace septa - zvýraznění turbulencí.
Dle Grützenmachera, 2005.

Výhodou počítačového modelování je možnost simulovat nejrůznější patologie v nosní dutině bez nutnosti vytváření jednotlivých modelů nosu. Vzhledem k tvorbě 3D virtuálních modelů dle CT vyšetření jsou oproti mechanickým modelům velmi blízké anatomickým poměrům reálných pacientů (7, 9, 14) (obr. 1).

Proudění vzduchu za fyziologických podmínek

Simmen a kol. v r. 1999 studovali proudění vzduchu nosem za fyziologických podmínek (13). Ke studiu byla využita hlava kadávera s nahrazením deviovaného septa transparentní rovnou replikou. Bylo prokázáno, že fyziologické proudění vzduchu v nosní dutině je převážně laminární. Hlavní proud vzduchu byl naměřen ve středním a společném nosním průduchu.

Proudění vzduchu při deviaci nosní přepážky a hypertrofii dolních skořep

Grützenmacher a kol. v roce 2006 použili pro hodnocení vlivu deviace nosní přepážky a hypertrofie dolních nosních skořep mechanické modely, tzv. Mink‘s boxes. Jednalo se o transparentní uzavřené kvádry s definovanými rozměry rozdělené na dvě části septem jako analogie nosní dutiny (obr. 2a). V modelu byly vytvořeny deviace v přední, střední a zadní části modelové nosní přepážky společně s dolní nosní skořepou na kontralaterální straně vyplňující 25 %, 50 % , nebo až 75 % lumen. Měření bylo provedeno za pomoci rinomanometrie a akustické rinometrie. Autoři prokázali, že kvůli deviaci septa, která stojí v cestě proudu vzduchu, dochází ke zvýraznění turbulentního proudění vzduchu, což klinicky může způsobit negativní ovlivnění nosní sliznice vedoucí ke zvýšení nosní rezistence, a tím nosní neprůchodnost. Autoři předpokládají, že ventrálněji umístěné vybočení přepážky mohou způsobovat výraznější klinické symptomy díky narušení proudu bezprostředně za nosním vchodem (5). Asymptomatické deviace nosní přepážky (často umístěné dorzálně) považovali za fyziologické bez nutnosti chirurgického zákroku (1, 5).

Harriri a kol. v roce 2015 měřili snížení nosní rezistence redukcí hypertrofie dolních nosních skořep analýzou dynamiky proudění vzduchu za použití výpočetní techniky (CFD). Výsledky prokázaly zmenšení nosní rezistence u pacientů, kteří podstoupili redukci hypertrofických dolních nosních skořep (turbinoplastika/mukotomie). Nebyl pozorován statisticky významný rozdíl ve zmenšení nosní rezistence při provedení redukce na dolní oproti mediální ploše skořepy (7).

Studie Mlynskeho a kol. se v roce 2000 zabývala analýzou nosního proudění po zákrocích na nosních skořepách v porovnání se simulacemi nosního proudění v plastických modelech nosu s podobnými anatomickými poměry jako u reálných pacientů. Výsledky rinomanometrie a akustická rinometrie vykazovaly významnou korelaci s výsledky z experimentálních modelů. Hlavní proud vzduchu byl pozorován v dolním a společném průduchu (obr. 3). Funkční vyšetření nosní průchodnosti (rinomanometrie, akustická rinometrie) by dle autorů mělo být standardem diagnostického algoritmu před operací nosu a v hodnocení efektu operační léčby (8, 9).

Obr.
3 Počítačový model (frontální řez), hlavní proud vzduchu v dolním a společném průduchu; modrá barva - nejnižší
průtok, červená barva - nejvyšší průtok.
Zdroj: www.oatext.com

Proudění vzduchu nosem při perforaci nosní přepážky

Mlynski a Grützenmacher v r. 2004 studovali vliv perforace nosní přepážky na proudění vzduchu nosem. Měření probíhalo na mechanických modelech (Mink‘s boxes), stejně jako ve studii o proudění vzduchu při deviacích nosní přepážky. Byl hodnocen vliv různé lokalizace perforace (přední, střední, zadní část nosní přepážky) i různé velikosti perforace (5-20 mm) na charakter proudění vzduchu nosem. Výsledky studie prokázaly změnu laminárního proudu vzduchu na turbulentí při “nárazu” proudu na přední okraj perforace, kontaktem se zadním okrajem perforace se turbulence navíc akcentují (obr. 2b, obr. 4). K turbulentímu proudění dochází již při rychlosti 70 ml/s, při rychlosti 300 ml/s je proud pouze turbulentní. Ventrálně umístěné perforace naruší proud vzduchu “dříve”, větší perforace je spojena s vyšším nárůstem turbulencí - autoři proto předpokládají, že větší perforace lokalizována v přední části přepážky může vést k výraznější klinické symptomatologii (dehydratace nosní sliznice, tvorba krust, recidivující epistaxe, nosní obstrukce eventuálně i bolest). Pískot při nádechu je způsoben vibracemi proudícího vzduchu a je pozorován u perforací menší velikosti, cca do 1 cm. U větších perforací nedosáhne proud vzduchu dostatečné rychlosti k tvorbě vibrací, proto u těchto perforací není pískot typický (3, 4).

Obr. 4 Mechanický model, simulace perforace nosního
septa; 1 - perforace septa, 2 - laminární proud vzduchu, 3 - turbulentní
proud vzduchu.
Dle Grützenmachera, 2005

Ve studii Cannona a kol. z roku 2013 byla použita analýza proudění vzduchu pomocí počítačového modelování (CFD - computational fluid dynamics) s využitím virtuálních modelů, které byly získány na základě CT vyšetření reálných pacientů s perforací nosního septa. Hlavní proud vzduchu byl prokázán ve střední a společném průduchu (obr. 5). Bylo prokázáno zrychlení proudu vzduchu s nárůstem turbulencí až o 60 % mezi perforací velikosti 1 cm a 2 cm - ve shodě se studií Mlynskeho a kol. byla prokázána výraznější alterace laminárního proudění u větších perforací uložených ventrálně. Relativně menší narušení fyziologického proudění způsobovaly perforace v horní části nosní přepážky (2).

Obr. 5 Počítačový model (frontální řez), hlavní proud vzduchu
ve středním a společném průduchu; modrá barva - nejnižší
průtok, červená barva - nejvyšší průtok.
Zdroj: www.oatext.com

DISKUSE

Charakter a distribuce proudu vzduchu v nosní dutině mají zásadní vliv na nosní dýchání. Pro fyziologické proudění vzduchu nosní dutinou je důležitý nízký odpor (cca 20 mm vodního sloupce) a převážně laminární charakter proudění s minimem turbulencí (12). Čistě turbulentní charakter proudění by umožňoval velmi dobrý kontakt částic vzduchu s celou plochou nosní sliznice k zajištění ohřívání a zvlhčování vzduchu, ale s příliš velkým odporem .Na druhé straně, čistě laminární charakter proudění by byl spojen s minimálním odporem a snadným nosním dýcháním, ovšem bez dostatečného kontaktu vzduchu se sliznicí (12, 13).

Nosní proudění je možné simulovat na mechanických modelech nebo pomocí počítačového modelování (CFD - computational fluid dynamics). CFD je v současnosti dominantní metodou ke studiu nosní aerodynamiky využívající vytvoření 3D počítačového modelu nosní dutiny dle CT vyšetření pacienta. Výhodou je především možnost simulace velkého množství patologií bez nutnosti tvorby jednotlivých (např. mechanických) modelů nosu a podobných anatomických poměrů jako u pacientů (7, 9, 14).

Většina autorů se shoduje, že pro bezproblémové nosní dýchání je nutné převážně laminární proudění vzduchu s menší podílem turbulencí, které jsou zapotřebí k dobrému kontaktu vzduchu se sliznicí (4, 5, 9, 10, 13). Mlynski i Grützenmacher prokázali zvýraznění turbulentního proudění při deviaci nosního septa a nárůst nosní rezistence. Nejvýraznější narušení proudění vzduchu u perforací nosního septa způsobují dle Cannona a Mlynskeho větší (>1cm) a ventrálně umístěné perforace (2, 3, 4, 14).

Rozporuplná zůstává oblast hlavního proudu vzduchu. Dle Simmena a Cannona byl hlavní proud vzduchu naměřen ve společném a středním nosním průduchu, což ale není v souladu s poznatky Mlynskeho, který pozoroval hlavní proudu vzduchu v dolním a společném průduchu (9, 13). Zhao ve své práci tvrdí, že nelze definovat pouze jeden fyziologický způsob nosního proudění, ale že v této oblasti existuje u zdravých jedinců velká interindividuální variabilita (15). Tímto může být částečně vysvětleno, proč někteří jedinci s významnými anatomickými variacemi v nosní dutině (vybočení/perforace nosní přepážky, hypertrofie sliznic) nepociťují nosní neprůchodnost, a naopak pacienti, kteří mají objektivně malé anatomické změny, mohou trpět výrazným pocitem neprůchodnosti nosu.

Z klinického úhlu pohledu je zajímavé, že 24-50% pacientů trpí nosní obstrukcí i po operaci deviované nosní přepážky. Vysvětlením může být fakt, že některé deviace nosního septa neovlivňují zásadním způsobem proudění v nosní dutině. U těchto pacientů je tedy s největší pravděpodobností nosní obstrukce způsobena jinou patologií (např. v oblasti nosní chlopně) (5). Mnohé deviace nosního septa jsou asymptomatické (především v dorzální části septa) a lze je považovat za fyziologické bez nutnosti operace (5, 6, 8). Nebezpečí představuje rozsáhlá redukce dolní skořepy se vznikem výrazných turbulencí s vysycháním nosní sliznice, tvorbou krust a nosní neprůchodností (“empty nose syndrom”) (7).

Výsledky počítačového modelování mají potenciál být využívány k přesnějšímu zacílení operační léčby pacientů s nosní neprůchodností a zároveň lze CFD využít k posouzení efektu rinochirurgie v léčbě nosní neprůchodnosti (7, 9, 14). Další studium aerodynamiky nosního dýchání na virtuálním modelu a srovnání výsledků s vyšetřením nosní průchodnosti (nosního odporu) u pacientů  před a po nosních operaci (septoplastika, turbinoplastika) může mít významný vliv na klinickou praxi.

ZÁVĚR

Fyziologické proudění vzduchu nosem je nezbytné pro bezproblémové nosní dýchání. Deviace nebo perforace nosní přepážky, hypertrofie dolních skořep aj. způsobují změny nosního proudění s nárůstem nosního odporu, který je pacienty vnímán jako nosní neprůchodnost.

Ke studiu nosní aerodynamiky jsou využívány mechanické či kadaverózní modely nosu, nebo je proudění vzduchu nosem studováno pomocí počítačového modelování - CFD (computational fluid dynamics). Počítačové modelování je v současnosti dominantní metoda pro studium nosního proudění.

Většina autorů se shoduje, že pro bezproblémové nosní dýchání je nutné převážně laminární proudění vzduchu s menší podílem turbulencí. Rinomanometrie a akustická rinometrie by měly patřit mezi standardní vyšetření před operačním zákrokem.

Výsledky počítačového modelování proudění vzduchu mají potenciál být využity v klinické praxi, především v rinochirurgii k přesnějšímu zacílení operační léčby pacientů s nosní neprůchodností.

Podpořeno MZ ČR - RVO - FNOs/ 2018.

Adresa ke korespondenci:

MUDr. Marek Plášek

Klinika ORL a chirurgie hlavy a krku

Fakultní nemocnice Ostrava

17. listopadu 1790

708 52 Ostrava

e-mail: marek.plasek@fno.cz


Zdroje

1. Cannon, D. E., Frank, D. O. et al.: Modeling nasal physiology changes due to septal perforations. Otolaryngol. Head Neck Surg., 148, 2013, 3, s. 513-518.

2. Cole, P., Chaban, K. et al: The obstructive nasal septum. Eur. Arch. Otolaryngol., 114, 1988, s. 410-412.

3. Fairbanks, D. N.: Closure of nasal septal perforations. Eur. Arch. Otolaryngol., 106, 1980, s. 509-513.

4. Grützenmacher, S., Mlynski, R. et al.: The nasal airflow in noses with septal perforation: A model study. ORL, 67, 2005, s. 142-147.

5. Grützenmacher, S., Robinson, K. et al.: First findings concerning airflow in noses with septal deviation and compensatory turbinate hypertrophy - a model study. ORL, 68, 2006, s. 199-205.

6. Grützenmacher, S., Lang, G. et al.: The combination of acoustic rhinometry, rhinoresistometry and flow simulation in noses before and after turbinate surgery: a model stud. ORL J. Otorhinolaryngol., 65, 2003, s. 341-347.

7. Harriri, B. M., Rhee, J. S. et al.: Identifying patients who may benefit from inferior turbinate reduction using computer simulations. Laryngoscope, 125, 2015, s. 2635-2645.

8. Illum, P.: Septoplasty and compensatory inferior turbinate hypertrophy: long-term results after randomized turbinoplasty. Eur. Arch. Otorhinolaryngol., 254, 1997, s. 89-92.

9. Mlynski, G., Grützenmacher, S. et al.: A method for studying nasal airflow by means of fluid dynamics experiments. Z. Med. Phys., 10, 2000, s. 207-214.

10. Önerci, T., Shimzu, T., Mlynski, R. et al.: Nasal physiology and pathophysiology of nasal disorders. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2013, s. 280-300, 323-356.

11. Passali, D., Spinosi, M. C. et al.: Surgical treatment of nasal septal perforation - expert opinion. Acta Otorhinolaryngol. Esp., 68, 2017, s. 191-196.

12. Sičák, M., Vokurka, J., Barta, T. et al.: Rinológia - choroby nosa a prinosových dutín, prvé vydanie. Kozák-press, 2006, s. 13-30, 33-41.

13. Simmen, D., Heinz, B. et al.: A dynamic and direct visualization model for the study of nasal airflow. Arch. Otolaryngol. Head Neck Surg., 125, 1999, s. 1015-1021.

14. Weinhold, I., Mlynski, G. et al.: Numerical simulation of airflow in the human nose. Eur. Arch. Otolaryngol., 261, 2004, s. 452-455.

15. Zhao, K., Jiang, J. et al.: What is normal nasal airflow. A computational study of 22 healthy adults. Int. Forum Allergy Rhinol., 4, 2014, 6, s. 435-446.

Štítky
Audiologie a foniatrie Dětská otorinolaryngologie Otorinolaryngologie

Článek vyšel v časopise

Otorinolaryngologie a foniatrie

Číslo 4

2018 Číslo 4

Nejčtenější v tomto čísle

Tomuto tématu se dále věnují…


Kurzy

Zvyšte si kvalifikaci online z pohodlí domova

Pacient na antikoagulační léčbě v akutní situaci
nový kurz
Autoři: MUDr. Jana Michalcová

Kopřivka a její terapie
Autoři: MUDr. Petra Brodská

Uroinfekce v primární péči
Autoři: MUDr. Marek Štefan

Roztroušená skleróza a plánování těhotenství
Autoři: MUDr. Radek Ampapa

Alergenová imunoterapie v léčbě inhalačních alergií
Autoři:

Všechny kurzy
Kurzy Doporučená témata Časopisy
Přihlášení
Zapomenuté heslo

Nemáte účet?  Registrujte se

Zapomenuté heslo

Zadejte e-mailovou adresu se kterou jste vytvářel(a) účet, budou Vám na ni zaslány informace k nastavení nového hesla.

Přihlášení

Nemáte účet?  Registrujte se