Počítačové modelování nosního proudění za fyziologických podmínek - první zkušenosti


Computational Fluid Dynamics of Nasal Airflow Under Physiological Conditions - First Experience

Introduction: The pattern of the nasal airflow is crucial for normal nasal breathing as well as it can be a pathophysiological underlay of nasal symptoms (nasal obstruction, crusting etc). It is difficult to define one physiological airflow pattern because subjective symptoms of patients do not correlate with objective findings quite often. Nowadays, the computational fluid dynamics (CFD) is dominant way how to simulate and study nasal airflow.

Methods: For nasal airflow simulation 3D model of nasal cavity was created according to CT scans of nasal cavity (patient had no problems with nasal breathing). The 3D model was created with the cooperation with Technical University of Ostrava.

Results: Our first experience with CFD showed that there is a different airflow pattern between right and left nasal cavity. Major part of airflow was detected in inferior and inferior part of common meatus and also in the middle and in the middle part of common nasal meatus. These results support studies that declare differences in nasal aerodynamics among healthy adults.

Conclusion: CFD has a potential to be used in clinical practice especially in functional rhinosurgery.

Keywords:

computational fluid dynamics – 3D model – nasal airflow


Autoři: M. Plášek 1,2;  M. Bojko 3;  P. Koblížková 1;  P. Komínek 1,2;  P. Matoušek 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/, 68, 2019, No. 4, pp. 199-203.
Kategorie: Původní práce

Souhrn

Úvod: Charakter nosního proudění je zásadní pro bezproblémové nosní dýchání, stejně jako může být patofyziologickým podkladem symptomů nosních onemocnění (nosní neprůchodnost, sekrece, tvorba krust aj.). Je obtížné definovat jeden fyziologický charakter proudění, protože subjektivní potíže nemocných často nejsou v korelaci s objektivním nálezem. Pozornost je proto věnována studiu nosní aerodynamiky, pro které je v současnosti nejvíce využíváno počítačové modelování proudění, tzv. computational fluid dynamics (CFD).

Metodika: Pro simulaci nosního proudění byl ve spolupráci s Vysokou školou báňskou (VŠB) vytvořen 3D model dle CT vyšetření nosní dutiny pacientky, která neměla potíže s nosním dýcháním („fyziologická“ nosní dutina).

Výsledky: Dle získaných výsledků se liší proudění vzduchu v pravé a levé nosní dutině. Hlavní proud vzduchu lze pozorovat jak v dolním a dolní části společného průduchu, tak i ve středním a střední části společného průduchu. První výsledky se shodují se studiemi uvádějícími značné rozdíly v nosní aerodynamice mezi zdravými jedinci.

Závěr: Počítačové modelování proudění vzduchu má potenciál být využíváno v klinické praxi, především ve funkční rinochirurgii.

Klíčová slova:

počítačové modelování proudění – 3D model – nosní proudění

ÚVOD

Vzduch proudící nosní dutinou je za fyziologických podmínek zvlhčován, ohříván a zbavován nečistot. K zajištění těchto základních funkcí je zapotřebí správný kontakt vzduchu s nosní sliznicí (3, 4, 10). Z hlediska aerodynamiky je nos složitá struktura s řadou záhybů a štěrbinovitých prostorů, kterými vzduch proudí. Odpověď na otázku, zda převažuje laminární či turbulentní charakter proudu vzduchu v nose, je stále kontroverzní; laminární charakter proudu zajišťuje nízký odpor, zatímco turbulence jsou zapotřebí ke správnému kontaktu vzduchu se sliznicí. Dle Simmena a kol. převažují za fyziologických okolností laminární charakter (11). Fyziologický průtok vzduchu nosem je v klidovém stavu cca 6 l/min. při odporu menším, než 20 mm vodního sloupce (4, 10, 11).

Patologicko-anatomické změny nosní dutiny (vybočení/perforace nosní přepážky, hypertrofie sliznic) negativně ovlivňují nosní proudění, zvyšují odpor - působí nosní neprůchodnost a jsou nezřídka indikací k operaci (7, 8).

Nosní patologie často není v souladu se subjektivními potížemi nemocných. Někteří jedinci s významnými anatomickými variacemi nepociťují nosní neprůchodnost, a naopak pacienti, kteří mají objektivně malé anatomické změny, mohou trpět výrazným pocitem neprůchodnosti nosu (9, 12, 13). Je tedy zřejmé, že na pocitu neprůchodnosti nosu se podílejí další faktory, které je obtížné specifikovat. Zdá se, že u těchto „složitých“ pacientů může být nosní obstrukce způsobena změnami charakteru proudění vzduchu. Tyto aerodynamické změny je obtížné poznat při „klasických“ vyšetřeních nosní (ne)průchodnosti jako rinomanometrie a akustická rinometrie či hodnocení „peak nasal inspiratory flow (PNIF)“, kdy složitá anatomie nosní dutiny nedovoluje detailní studium nosní aerodynamiky. Pozornost je proto soustředěna na studium nosního proudění pomocí modelování (5, 12, 15).

V současné době lze nosní aerodynamiku (především kudy vzduch proudí) detailně studovat pomocí virtuálních modelů nosní dutiny za použití výpočetní techniky - tzv. computational fluid dynamics (CFD). Kromě lokalizace proudu vzduchu jsou zkoumány fyzikální parametry proudění (rychlost, odpor, průtok aj.) při fyziologických a patologických stavech (12, 14. 15) (obr. 1a a 1b).

Obr. 1a CT nosní dutiny - frontální řez.
Obr. 1a CT nosní dutiny - frontální řez.

Obr. 1b CT nosní dutiny - axiální řez.
Obr. 1b CT nosní dutiny - axiální řez.

Cílem článku je prezentovat vlastní zkušenosti s počítačovým modelováním nosního proudění za fyziologických podmínek.

METODIKA

Virtuální model nosní dutiny

Na Klinice otorinolaryngologie a chirurgie hlavy a krku FN a LF Ostrava byly vyhledány CT skeny nosní dutiny (CT Siemens, šířka řezu 1 mm) u pacientky (64 let, 173 cm, 75 kg), která neměla potíže s nosním dýcháním a objektivně na CT nebyly patologie ve smyslu deviace/perforace nosního septa, hypertrofie dolních skořep aj. (obr. 1a a 1b). Nosní dutina na CT byla tedy považována za „fyziologickou“. Dle elektronických dat z CT vyšetření byl pomocí počítače vytvořen virtuální 3D model nosní dutiny (obr. 2). 3D model s konstantními rozměry byl importován do prostředí programu Design Modeler (výrobce ANSYS Fluent) a v modelu byla vytvořena výpočetní síť pro následnou CFD simulaci (obr. 3).

Obr. 2 3D model nosní dutiny.
Obr. 2 3D model nosní dutiny.

Obr. 3 Výpočetní síť 3D modelu
Obr. 1. Obr. 3 Výpočetní síť 3D modelu

Vlastní modelování nosního proudění

Bylo modelováno jednosměrné proudění vzduchu („pouze nádech“) s konstantními fyzikálními vlastnostmi - izotermní, nestlačitelné médium (vzduch), bez uvažování tíhového zrychlení. Stěny modelu jsou pevné, bez uvažování pohybu a deformace (tedy bez reflektování slizničních změn). Charakter proudění byl turbulentní s nastavením tlakového spádu mezi vstupem (nosní vchod) a výstupem (choana) 120 Pa, což je hodnota běžně využívána např. při rinomanometrii.

Lokality měření

Za účelem posouzení aerodynamiky proudu v jednotlivých částech nosní dutiny a případných změn při průchodu nosní dutinou bylo definováno 7 oblastí (řezů ve frontální rovině dle CT), ve kterých byly hodnoceny výsledky (obr. 4, obr. 5).

Obr. 4 Frontální řezy v jednotlivých částech nosní dutiny 1-7.
Obr. 4 Frontální řezy v jednotlivých částech nosní dutiny 1-7.

Obr. 5 Vyhodnocení průtoku a rychlosti ve frontálních řezech
v m/s (2-7, kromě 1 - nosní vchod; modrá barva - nejpomalejší,
červená barva - nejrychlejší).
Obr. 5 Vyhodnocení průtoku a rychlosti ve frontálních řezech v m/s (2-7, kromě 1 - nosní vchod; modrá barva - nejpomalejší, červená barva - nejrychlejší).

- nosní vchod (rovina 5 mm za vstupem do nosní dutiny),

- nosní chlopeň (rovina procházející předním okrajem laterální nosní chrupavky),

- přední část nosních skořep (rovina 5 mm za začátkem dolní skořepy),

4 - střední část nosních skořep (rovina 25 mm za začátkem dolní skořepy, na rozhraní předních a zadních čichových sklepů),

- zadní část nosních skořep (rovina 35 mm za začátkem dolní skořepy),

- choana (rovina procházející choanou, 88 mm za vstupem do nosní dutiny),

- nosohltan (rovina v prostoru nosohltanu za choanou, 97 mm za vstupem do nosní dutiny).

Pro hodnocení výsledků bylo použito tradiční anatomické rozdělení nosních průduchů - společný (mezi septem a nosním skořepami, dolní/střední a horní část), dolní (prostor pod dolní skořepou) a střední (prostor pod střední skořepou). Horní průduch byl zachycen pouze na řezu 5.

VÝSLEDKY

Hlavní proud vzduchu

Z charakteru proudění v levé nosní dutině je ve vstupní a středové oblasti modelu dominantní tok vzduchu směřován do horní části společného průduchu, zatímco v pravé nosní dutině je hlavní proud vzduchu směřován do dolní a střední části společného průduchu. Následně v zadní oblasti modelu je tok vzduchu koncentrován více do středního a střední části společného nosního průduchu (obr. 5)

Nejvyšší odpor vzduchu

Velikost odporu je rovna poklesu tlaku proudícího vzduchu, rozdíl mezi jednotlivými řezy byl hodnocen v procentech (tab. 1). Z vyhodnocených tlakových rozdílů byl největší odpor v oblasti nosní chlopně - mezi rovinami 1 (nosní vchod) a 2 (nosní chlopeň) až 3 (přední část nosních skořep). Dále nosní odpor při průchodu nosní dutinou postupně klesal a nejmenší odpor byl naměřen mezi choanou a nosohltanem (tab. 1, obr. 5).

Tab. 1. Vyhodnocení odporu mezi jednotlivými řezy v procentech
Vyhodnocení odporu mezi jednotlivými řezy v procentech

Tab. 2. Vyhodnocení max. a středních rychlostí v jednotlivých řezech.
Vyhodnocení max. a středních rychlostí v jednotlivých
řezech.

Lokalizace nejrychlejšího proudu vzduchu

Nejvyšší rychlosti bylo dosaženo v rovině nosního vchodu - 11,8 m/s. Proud vzduchu byl postupným průchodem nosní dutinou zpomalován a v rovině nosní chlopně byla nejvyšší rychlost 8,3 m/s. V oblasti přední části nosních skořep byla maximální rychlost 4 m/s (přibližně poloviční), zde bylo místo s nejvyšší rychlostí odlišné v pravé a levé části nosní dutiny (levá část nosní dutiny - střední průduch, pravá část nosní dutiny - střední část společného průduchu oblasti). V rovině střední části nosních skořep byla situace podobná, proud byl dále zpomalován na 3,7 m/s. V oblasti zadní části nosních skořep tomu bylo obdobně, pouze nejrychlejší proud v levé části byl situován více do středové oblasti. V oblasti choany byla rychlost již „jen“ cca 2 m/s a v rovině nosohltanu bylo patrné rovnoměrné rozložení rychlosti po průřezu - cca 1 m/s (tab. 2, obr. 5).

DISKUSE

Charakter a distribuce proudu vzduchu v nosní dutině mají zásadní vliv na nosní dýchání. Nosní proudění je možné simulovat na mechanických modelech nebo pomocí počítačového modelování proudění (CFD - computational fluid dynamics). CFD je v současnosti dominantní metodou ke studiu nosní aerodynamiky, využívající vytvoření 3D výpočetního modelu nosní dutiny dle CT vyšetření pacienta. Výhodou je možnost simulace jak fyziologického proudění, tak simulace velkého množství patologií bez nutnosti tvorby jednotlivých (např. mechanických) modelů nosu a podobné anatomické poměry jako u pacientů (7, 9, 11).

CFD lze charakterizovat jako numerické modelování mnoha fyzikálních jevů, které je úzce spojeno s modelováním určité formy pohybu matematickými prostředky. Pohyb tekutin souvisí s řešením nejrůznějších fyzikálních vlastností - laminární a turbulentní proudění, stlačitelné a nestlačitelné proudění, stacionární a nestacionární, izotermní a neizotermní proudění, atd. K řešení proudění je možno využít řadu komerčních programových systémů. V našem případě je využito prostředí programu ANSYS Fluent. Dílčí kroky spočívají v sestavení správného výpočtového modelu. Je nutné najít všechny vstupní údaje v platných normách, sestavit vstupní data pro program, kterým lze výpočtový model řešit, provést řešení u terminálu, správně interpretovat výsledky pro další použití a ve všech fázích provádět účinné kontroly všech vstupů a výstupů. Neméně významnou částí je vyhodnocení výsledků, je zapotřebí mít jasně definovány oblasti nosní dutiny (1, 2, 6).

V již publikovaných studiích, které se věnují CFD, např. Zhao a kol. tvrdí, že nelze definovat pouze jeden fyziologický způsob nosního proudění, ale že v této oblasti existuje u zdravých jedinců velká interindividuální variabilita (14, 15).

Důležitým faktorem pro pocit nosní (ne)průchodnosti je kromě proudění také senzitivní inervace nosní sliznice. U pacientů, kteří dlouhodobě užívají anemizační nosní kapky a spreje, dochází k poškození inervace nosní sliznice. Pacienti necítí proud vzduchu a udávají pocit nosní neprůchodnosti. Avšak na pocitu neprůchodnosti se u těchto pacientů podílí také zvýšená náplň cévních prostor - tedy tzv. „rebound fenomén“ (tzv. medikamentózní rýma, často používaný je terminologicky nesprávný pojem sanorinismus) (9, 10).

Odpověď na otázku, zda převažuje laminární či turbulentní charakter proudu vzduchu v nosní dutině, je stále kontroverzní. 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. Dle Simmena a kol. převažuje za fyziologických okolností laminární charakter, na druhé straně při modelování nosního proudění je často pracováno s převážně turbulentním prouděním vzduchu (9, 11, 14).

Dosud provedené studie se neshodují na tom, ve které oblasti nosní dutiny proudí hlavní část vzduchu. Ve studiích Simmena a kol. byl hlavní proud vzduchu naměřen ve střední části společného průduchu, což ale není v souladu s poznatky Mlynskeho a kol., kteří pozorovali hlavní proud vzduchu v dolní časti společném průduchu (7, 8, 11). Naše výsledky ukazují, že hlavní proud vzduchu je odlišný v pravé a levé části nosní dutiny. V levé nosní dutině je ve vstupní a středové oblasti modelu dominantní tok vzduchu směřován do horní části společného průduchu, zatímco v pravé nosní dutině je hlavní proud vzduchu směřován do dolní a střední části společného průduchu. Následně v zadní oblasti modelu je tok vzduchu koncentrován více do středního a střední části společného nosního průduchu. Z vyhodnocených tlakových poměrů je největší odpor v oblasti nosní chlopně (tab. 2, obr. 5).

V současnosti je chirurgická terapie nosní neprůchodnosti (septoplastika, turbinoplastika) zaměřována převážně na dolní a dolní část společného nosního průduchu. Dle výsledků nejen naší práce (Zhao a kol.) fyziologicky značná část proudu vzduchu proudí také střední části společného nosního průduchu. Nabízí se otázka, zda nezaměřit chirurgickou terapii nosní neprůchodnosti i do této oblasti nosní dutiny.

Přes náročnost na čas a kvalitní výpočetní techniku může další studium aerodynamiky nosního dýchání pomocí CFD a srovnání výsledků s vyšetřením nosní průchodnosti (rinomanometrie), stejně jako simulace proudění při patologických stavech (deviace/perforace nosního septa, hypertrofie dolních skořep) může u pacientů najít aplikaci v klinické praxi, především v rinochirurgii, k přesnějšímu zacílení operační léčby pacientů s nosní neprůchodností.

ZÁVĚR

Počítačové modelování proudění - CFD (computational fluid dynamics) je v současnosti dominantní metoda pro studium proudění v nosní dutině.

Proud vzduchu se fyziologicky liší mezi pravou a levou nosní dutinou. Hlavní proud vzduchu lze pozorovat jak v dolní, tak střední části společného průduchu.

Nejvyšší odpor proudu lze pozorovat v oblasti nosní chlopně, změny v této oblasti jsou tedy klíčové pro nosní (ne)průchodnost - např. plastické zákroky v oblasti špičky nosu.

Nejvyšší rychlost byla naměřena v oblasti nosního vchodu s postupnou dececelrací směrem do nosohltanu.

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

Poděkování

Podpořeno MZ ČR - RVO - FNOs/ 2018.

Prohlášení o střetu zájmu

Autor práce prohlašuje, že v souvislosti s tématem, vznikem a publikací tohoto článku není ve střetu zájmů a vznik ani publikace článku nebyly podpořeny žádnou farmaceutickou firmou. Toto prohlášení se týká i všech spoluautorů.

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. Bojko, M., Kozdera, M., Kozubková, M.: Investigation of viscous fluid flow in an eccentrically deposited annulus using CFD methods. EPJ Web of Conferences, 45, 2013, s. 1-6.

2. Bojko, M., Kocich, R.: CFD analysis of the plate heat exchanger - Mathematical modelling of mass and heat transfer in serial connection with tubular heat exchanger. AIP Conference Proceedings, 1745, 2016, 1, s. 1-4.

3. Chometon, F., Ebbo, D., Gilléron, P. et al.: A numerical simulation of the aerodynamics of the nasal cavity. Ann Otolaryngol Chir Cervicofac, 117, 2000, 2, s. 98-104.

4. Grützenmacher, S., Lang, G., Mlynski, G.: Flow simulation, rhinoresistometry and acoustic rhinometry in nasal models before and after turbinate surgery. 65, ORL, 2003, s. 341-347.

5. Keyhani, K., Scherrer, P., Mozzel, M.: Numerical simulation of airflow in the human nasal cavity. J Biomech Eng, 117, 1995, 4, s. 429-441.

6. Kozubková, M., Blejchař, T., Bojko, M.: Modelování přenosu tepla, hmoty a hybnosti, VŠB TUO, 2011, s. 174.

7. Mlynski, G., Grützenmacher, S., Plontke, S.: A method for studying nasal airflow by means of fluid dynamics experiments. Z Med Phys, 10, 2000, 3, s. 207-214.

8. Mlynski, G., Grützenmacher, S., Plotnke, S. et al.: Correlation of nasal morphology and respiratory function. Rhinology, 39, 2001, 4, s. 207-214.

9. 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.

10. Plášek, M., Matoušek, P., Komínek, P. et al.: Proudění vzduchu nosem za fyziologických a patologických stavů. Otorinolaryng a Foniat /Prague/, 67, 2018, 4, s. 113-118.

11. Simmen, D., Heinz, B., Moe, K. et al.: A dynamic and direct visualization model for the study of nasal airflow. Arch Otolaryngol Head Neck Surg, 125, 1999, 9, s. 1015-1021.

12. Weinhold, I., Mlynski, G.: Numerical simulation of airflow in the human nose. Eur Arch Otolaryngol, 261, 2004, 2, s. 452-455.

13. Zborayová, K.: Nosní obstrukce - objektivizace a možnosti léčebného ovlivnění. Disertační práce, Hradec Králové, 2009.

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

15. Zhao, K., Dalton, P.: The way the wind blows: implications of modeling nasal airflow. Curr Allergy Asthma Rep, 7, 2007, 2, s. 117-125.

Štítky
Audiologie a foniatrie Dětská otorinolaryngologie Otorinolaryngologie

Článek vyšel v časopise

Otorinolaryngologie a foniatrie

Číslo 4

2019 Číslo 4

Nejčtenější v tomto čísle

Tomuto tématu se dále věnují…


Kurzy

Zvyšte si kvalifikaci online z pohodlí domova

Co je dobré vědět o IPF
nový kurz
Autoři:

Nová éra v léčbě migrény
Autoři: MUDr. Eva Medová, MUDr. Tomáš Nežádal, Ph.D.

Imunitní trombocytopenie (ITP) u dospělých pacientů
Autoři: prof. MUDr. Tomáš Kozák, Ph.D., MBA

Význam nutraceutik u kardiovaskulárních onemocnění

Pěnová skleroterapie
Autoři: MUDr. Marek Šlais

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

VIRTUÁLNÍ ČEKÁRNA ČR Jste praktický lékař nebo pediatr? Zapojte se! Jste praktik nebo pediatr? Zapojte se!

×