Computational Fluid Dynamics and Experimental Methods of Nasal Airflow in Rhinological Patients

Abstract

Krooninen nenän tukkoisuus on yleinen ongelma, jonka konservatiivinen hoito perustuu lääkitykselle. Mikäli lääkitys ei auta, voidaan käyttää harkinnan mukaan leikkaushoitoa. Lääkärin arvion lisäksi rinometrisia mittauksia on käytetty potilaiden objektiiviseen arviointiin. Suosituimmat näistä menetelmistä ovat akustinen rinometria ja aktiviinen anteriorinen rinomanometria. Nämä objektiiviset menetelmät pyrkivät vähentämään päätöksenteon subjektiivisuutta. Kuitenkin potilaan subjektiivisten oireiden ja objektiivisten tutkimusten välillä ei ole aiemmin huomattu olevan hyvää korrelaatiota.

Yksityiskohtaisempi ja uudempi keino nenän tukkoisuuden tutkimisessa ovat tarkat kolmiulotteiset kuvantamistutkimukset. Suosituimmat näistä menetelmistä ovat tietokonetomografia (TT) ja kartiokeilatietokonetomografia (KKTT). Yksinkertaisimmillaan kuvantamisia voidaan katsoa kaksiulotteisesti edestä taaksepäin nenäkäytävien visuaalisen ymmärtämyksen lisäämiseksi, vaikkakin nenäkäytävissä on monimutkainen kolmiulotteinen geometria. Lisäksi nenäkäytävissä tapahtuvaa ilmavirtausta voidaan tutkia virtaustekniikan menetelmillä potilaskuvista. Virtausmekaniikan menetelmät ovat laajasti käytössä insinööritieteiden aloilla, mutta rinologisten potilaiden tutkimisessa näitä menetelmiä ei ole juurikaan hyödynnetty. Tämän työn tarkoituksena on tutkia virtausten kokeellisen ja laskennallisen menetelmien kykyä nenän ilmavirtauksen arvioinnissa sekä tutkia objektiivisten ja potilaan subjektiivisten arviointien korrelaatioita ennen ja jälkeen nenäleikkausten.

Tämän väitöskirjatyön potilasjoukko kärsi kroonisesta nenän tukkoisuudesta ja limakalvojen turvotuksesta alakuorikkojen alueella. Ensimmäisessä osajulkaisussa tutkittiin potilaskuvien perusteella tehtyjä 3D-tulosteita. Kartiokeilakuvauksen perusteella tehdyt 3D-tulosteet kuvattiin valmistamisen jälkeen uudestaan. Täten tutkittiin 3D-printtausten onnistumista volumetria- ja lineaarimittauksilla sekä aktiivisen anteriorisen rinomanometrian tuloksilla. Toisessa osajulkaisussa tehtiin silikonimalli virtauskentän nopeuden partikkelimittauksiin (PIV). Näitä partikkelimittauksia verrattiin virtausten numeerisen laskennan (CFD) tuloksiin. Kolmannessa osatyössä alakuorikkokirurgian tuloksia arvioitiin volumetriamittauksilla potilaskuvien perusteella ja verrattiin potilaiden subjektiivisiin arvioihin. Neljännessä ja viidennessä osatyössä samalle potilasjoukolle tehtiin virtauksen numeeriset laskennat (CFD) sekä verrattiin objektiivisten virtauslaskentojen ja subjektiivisten vasteiden korrelaatioita.

Tässä väitöskirjatyössä havaittiin, että kokeelliset ja laskennalliset virtausmenetelmät antoivat hyviä tuloksia kliinisiin tarkoituksiin ja näitä menetelmiä voidaan käyttää nenän ilmavirtauksen mallinnuksessa. Nenäkäytävien fyysisten mallien tuottamisessa ja mittausten toteuttamisessa on kuitenkin edelleen kehitettävää. Virtausten numeerista laskentaa voidaan käyttää nenän ilmavirtauksen arviointiin. Nämä laskennat osoittivat eroja ennen ja jälkeen leikkausten. Lisäksi virtausten numeerisen laskennalla saadun seinämäjännityksen pintaintegraalin aleneman ja subjektiivisten oireiden paraneman välillä oli korrelaatio nenäleikkausten seurauksena.

KKTT- ja TT-kuvien tarjoamaa dataa ei hyödynnetä nykyisin täysimääräisesti kliinisessä työssä. Nenän TT-kuvista voisi saada laskenta-arvion potilaan nenän tukkoisuudesta. Virtausten numeerinen laskenta (CFD) antaisi mahdollisuuden tällaiseen automatisoituun potilaan nenän ilmavirtauksen ja subjektiivisen tuntemuksen arviointiin. Jatkossa virtauslaskennan käyttökelpoisuutta voidaan parantaa, mikäli potilasseurannassa kerätään enemmän tietoja laskentatuloksiin vaikuttavista potilaskohtaisista ominaisuuksista.

Chronic nasal congestion is a common problem in the general population. Conservative treatment of nasal congestion is usually based on medication. However, those patients not responsive to medication can be surgically treated. In addition to the careful assessment of the clinical status of rhinological patients, rhinometric measurements have traditionally been used as objective methods for evaluating the nasal cavities. The most common rhinometric measurements are acoustic rhinometry and active anterior rhinomanometry. All objective measures aim to help the clinician and increase objectivity. However, the correlation between objective and subjective measures is known to be inadequate.

A more detailed and relatively new way of analysing nasal congestion is based on evaluating accurate three-dimensionally imaged nasal cavities. Nowadays, the most used accurate imaging methods are computed tomography (CT) and cone beam computed tomography (CBCT) scans. In its simplest form, the analysis of these images can be done two dimensionally from anterior to posterior using visual inspection. Despite the practicality of two-dimensional analysis in observing images, nasal cavities and nasal airflow are complex in three-dimensional geometry. Nasal airflow within the nasal cavities can be studied with fluid mechanics methods, which are common in engineering sciences, but until recently these methods have not been used for analysing rhinological patients. The aim of this dissertation is to examine the applicability of computational and experimental methods for measuring nasal cavity airflow and to study the relationship between objective volumetric and nasal airflow variables and the subjective responses of patients pre- and postoperatively.

In all studies, the inclusion criteria for patients were chronic nasal congestion with bilaterally enlarged inferior turbinates. In the first study, imaging data of five preoperative patients were replicated in nasal 3D prints. The success of replication was studied by comparing in vivo and in vitro results in CBCT scan measurements and in active anterior rhinomanometry. In the second study, the preoperative imaging data of one patient were selected for producing a silicone model for the Particle Image Velocimetry (PIV) measurements and for comparing the obtained results with CFD calculations. In the third study, inferior turbinate surgery results were evaluated preoperatively and at 12 months postoperatively by conducting volumetric and cross-sectional measurements of the operated area. In the fourth and the fifth studies, nasal airflow of inferior turbinate surgery patients were studied with CFD calculations preoperatively and at 12 months postoperatively. The CFD results were compared to the subjective severity of nasal obstruction Visual Analogue Scale (VAS) and Glasgow Health Status Inventory assessments.

The experimental methods (plastic 3D prints and PIV experiments) produced good results for clinical purposes and those methods can be used in modelling nasal airflow. Further improvement is, however, needed in producing the physical models. It was found that CFD calculations can be used to study nasal cavity airflow, as these calculations were able to reveal differences in nasal airflow after surgery. Furthermore, changes in CFD objective results and subjective nasal patency VAS score had a significant correlation with wall shear forces in the operated area after inferior turbinate surgery.

CFD is a promising tool for nasal airflow analysis that could be used in clinical practice after an improvement in CFD workflow. Further, imaging data have a lot of unused potential in the evaluation of patients. CFD requires patient imaging and enables new possibilities for analysing patients and the correlations with the patients’ subjective nasal patency. In addition, future clinical evaluation of patients should aim to collect the patient data needed for CFD calculations as boundary conditions. This would help to ensure the correct boundary conditions for a detailed study of the nasal airflow against the patients’ subjective feeling of nasal patency.