Вторник, 06 Февраль 2018 09:24

CFD-моделирование воздушных потоков при хирургии верхнечелюстной пазухи

Автор 
Оцените материал
(0 голосов)

УДК: 616.211-002.253: 616.216.1-002.3

 1Щербаклв Д.А., 1Крюков А.И., 2Красножен В.Н., 2Гарскова Ю.А., 3Саушин И.И., 4Екимова А.Е.

1ГБУЗ «Научно-исследовательский клинический

институт оториноларингологии им. Л.И. Свержевского» Департамента здравоохранения Москвы. Россия,

г. Москва, 117152, Загородное шоссе, д. 18 А, стр. 2. 2Казанская Государственная медицинская Академия- филиал ФГБОУ ДПО «Российская медицинская академия непрерывного профессионального образования» МЗ РФ. Россия, Казань, 420012. ул. Муштари, д. 11.

3Лаборатория гидродинамики и теплообмена ФГБУН

«Казанский научный центр» РАН, Россия, Казань, 420111, ул. Лобачевского, д. 2/31.

4ФГБОУ ВО «Тюменский Медицинский Государственный Университет» Минздрава России, Тюмень, Россия, 625023, ул. Одесская, 54.

 

 

CFD-моделирование воздушных потоков при хирургии верхнечелюстной пазухи


Резюме. Актуальность проблемы. Авторами обобщены результаты компьютерного моделирования воздушных потоков в полости носа и верхнечелюстной пазухе методом вычислительной аэродинамики (computational fluid dynamics — CFD).

Ключевые слова: вычислительная аэродинамика, компьютерное симулирование, хронический риносинусит.

Контактное лицо:

Щербаков Дмитрий Александрович

к.м.н., докторант ГБУЗ "Научно-исследовательский клинический институт оториноларингологии им. Л.И. Свержевского" Департамента здравоохранения Москвы. 117152, Москва, загородное шоссе, д.18А, стр. 2. Тел.: 8 (919) 951-48-39, e-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

 

1Sherbakov D.A., 1Kryukov A. I. 2Krasnozhen V.N.,

2Garskova Yu. A., 3Saushin I.I., 4Ekimova A.E. 1"Research and clinical Institute of otorhinolaryngology them. L. I. Sergeevskoe" of the Department of health of Moscow. Russia, Moscow, 117152, Zagorodnoe shosse 18 A, build.2

2Kazan State medical Academy-branch FGBOU DPO "Russian medical Academy of continuous education", Ministry of health of the Russian Federation. Russia, Kazan, 420012.

Mushtari street, 11.

3Laboratory of hydrodynamics and heat transfer INSTITUTE "Kazan scientific center" Russian Academy of Sciences, Russia, Kazan, 420111, Lobachevsky str., 2/31.

4Tyumen State Medical University. Tyumen, Russia, 625023, Odesskaya street, 54.

 

CFD-simulation of the air flows of surgery of the maxillary sinus


 Abstract. Background. This article summarizes the results of computer simulation of the air flows in the nasal cav- ity and the maxillary sinus by the computational fluid dynamics (CFD) method.

 Key words: computational fluid dynamics, computer simulation, chronic rhinosinusitis


Contact person:

 

Scherbakov Dmitrii Aleksandrovich

 

k.m.s., doctoral candidate of the L.I. Sverzhevskiy Research Institute of Clinical Otorhinolaryngology. 18À c2 Zagorodnoye Shosse, Moscow, Russian Federation, 117152, tel. (919) 951-48-39, e-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.



Введение. Патогенез хронического риносинусита (ХРС) является сложным и многофакторном механизмом, в основе которого лежат воспалительные изменения слизистой оболочки полости носа и околоносовых пазух (ОНП). Доказана роль эпителиальной дисфункции, при которой с одной стороны происходит нарушение мукоцилиарного клиренса, с другой утрата межкле-точных связей, способствующая лучшему проникновению патогенов в подслизистый слой, что не только поддерживает воспаление, но и может способствовать его усилению [14,15]. При ХРС регистрируется дисбиоз микробиоты в полости носа и ОНП, характеризующийся уменьшением разнообразия условно-патогенной микро- флоры, с преобладанием одного из семейств патогенных бактерий: Streptococcaceae,Pseudomonadaceae, Corynebacteriaceae,  или Staphylococcaceae [6].

Изменение концентрации NO также может быть компонентом патогенеза ХРС. Так например, Dabholkar Y. G. et al. выявили значительное снижение уровня NO в полости носа у пациентов, страдающих ХРС без полипов [7]. Takeno S. et al. обнаружили повышенную концентрацию NО у пациентов с аллергическим риносинуситом [16].

Безусловно, анатомические осо- бенности строения полости носа и ОНП являются одним из механизмов формирования ХРС. Установлено, что у пациентов с ХРС в большинстве случаев диагностируется искривление перегородки носа [12, 13]. Примерно в 21,63% случаев наблюдается 3 тип искривления пере- городки носа по R.Mladina [11]. На- рушение скорости и направления воздушного потока, формирующиеся на фоне искривления перегородки носа, очевидно, способствует развитию патологических процессов в полости носа и верхнечелюстной пазухе (ВЧП), однако в настоящее время данный вопрос до конца не изучен [10,12].

Исследовать роль изменения аэродинамики в полости носа и ВЧП, а также оценить изменение концентрации NO у пациентов с ХРС и сопутствующим искривлением перегородки носа возможно методом численного моделирования воздушных потоков (CFD — computational fuid dynamics) [1,4,5,8,16].

 Цель работыНа основе метода вычислительной аэродинамики смоделировать воздушные потоки в полости носа и ВЧП в норме, при III типе искривления перегородки носа и после мобилизации крючковидного отростка.

 Материалы и методы. Исследование проводилось на базе ГБУЗ «Научно-исследовательский клинический институт оториноларингологии им. Л.И. Свержевского», отделения оториноларингологии АО МСЧ Нефтяник, ФБГОУ ВО «Тюменский государственный медицинский университет», Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева.

Для изучения нормальной аэ- родинамики, было включено 14 лиц обоего пола (средний возраст 31±16,7 лет) без патологии со стороны полости носа и ОНП, и без эпизодов острого риносинусита в течение последних 3 месяцев.

Отобрано 14 пациентов обоего пола (средний возраст 31±16,7 лет) с III типом искривления перегородки носа и явлениями хронического риносинусита вне обострения. Обязательное условие включения в исследование - возможность четкой дифференцировки всех структур, формирующих полулунную щель.

На основе компьютерных томограмм пациентов, создавали цифровые трехмерные модели воздушных пространств полости носа и ВЧП с обязательным включением каналов и соустий, сообщающих полость носа и ВЧП. Затем, с помощью программного комплексаAnsys Fluent, проводили цифровое моделирование воздушных потоков, возникающих в процессе дыхания, в построенных областях.Скорость воздушного потока между хоанами и обеими ноздрями была установлена на уровне 300 мл/с.Расчет концентрации NO в верхне-челюстных пазухах проводился на основе закона Фика для диффузиии вычислительной аэродинамики.Концентрация NO в полости носа была установлена на уровне 4*10-9-3*10-8 моль / с, в верхнечелюстной пазухе 1*10-10-3*10-10 моль / с [8].Было создано три рабочие мо-дели: 1). Околоносовые пазухи без патологии; 2). III тип искривления перегородки носа с явлениями хронического риносинусита вне обострения; 3). Состояние до и после компьютерного симулирования мобилизации крючковидного отростка  (медиализации средней носовой раковины на 2 мм и медиализации крючковидного отростка на 1,5 мм как модель использования разработанного нами инструмента для мобилизации крючковидного отростка).

Результаты и обсуждение.

Моделирование воздушных пространств полости носа и ВЧП позволило получить цифровую модель, включающую всю верхнечелюстную пазуху, соответствующую поло- вину полости носа и носоглотку. Цифровое моделирование воздушных потоков, возникающих при дыхании, между полостью носа и верхнечелюстной пазухой, показало отсутствие массообмена между указанными полостями. Скорость воздушных потоков между структурами остиомеатального комплекса при дыхании не превышала 0,01 м/с (Рис. 1).

При выполнении вычислительной аэродинамики, у пациентов с III типом искривления перегородки носа,в 68% случаев настороне искривления отмечалось увеличение скоростей воздушных потоков в полости носа и патологическая вентиляция верхнечелюстной пазухи, зарегистрировано снижение концентрации NO в пазухе. На стороне, противоположной искривлению, в полости носа установлено снижение скоростей воздушных потоков, в верхнечелюстной пазухе выявлено повышение концентрации NO (Рис. 2).

Цифровое моделирование воз- душных потоков после мобилизации крючковидного отростка предложенным нами способом показало отсутствие массобмена и изменений в скоростях и между ВЧП и полостью носа. Так как разработанная методика мобилизации крючковидного отростка с использованием специально созданного инструмента способствует расширению полулунной щели без изменений размеров естественного соустья ВЧП.

 Наши наблюдения совпадают с результатами работы G. Xiong et al. [17], которые одними из первых смоделировали движение воздуха в полости носа при дыхании и обнаружили отсутствие активной вентиляции ОНП пазух. Многие авторы отмечают важную роль нормального строения структур остиомеатального комплекса и постоянной концентрации оксида азота в ВЧП в норме и описывают патологические состояния, возникающие при излишней вентиляции ОНП после ФЭРС, в том числе вторичную мукоцилиарную дисфункцию ОНП [2,3,9]. Нами разработан инструмент, позволяющий выполнять медиализацию крючковидного отростка, расширяя полулунную щель, но не изменяя размеры естественного соустья ВЧП. При этом цифровое моделирование показало отсутствие массообмена между ВЧП и одноименной половиной полости носа и ускорения воздушных потоков в среднем носовом ходе. Поэтому при проведении оперативного лечения пациентов с III типом искривления перегородки носа с явлениями ХРС наряду с септопластикой целесообразно выполнение мобилизации крючковидного отростка, что позволит нормализовать аэродинамику в полости носа и верхнечелюстной пазухе.

Выводы.

1.    При III типе искривления перегородки носа изменения аэродинамики при дыхании обусловливают нарушение продукции оксида азота верхнечелюстными пазухами и приводят к вымыванию оксида азота на стороне противоположной искривлению и чрезмерному накоплению оксида азота на стороне искривления перегородки носа, что является одним из возможных факторов развития хронического риносинусита.

2.  Мобилизация крючковидного отростка позволяет избежать развития патологического массообмена газов между пазухами и полостью носа благодаря сохранению нормальных размеров естественных соустий.

3.Рекомендовано выполнение одномоментной мобилизации крючковидного отростка при выполнении операции септопластики при хирургической коррекции III типа искривления перегородки носа.


Литература

1.         Григорькина Е.С. Компьютерное 3D-моделирование травмирующего воздействия на верхнюю челюсть / Григорькина Е.С., Кузьмин А.В., Сер- геев С.В. // Практическая медицина. – 2015. – №87. – С. 76-78.

2.         Едранов С.С. Методология клинико-экспериментального исследования посттравматической репарации верхнечелюстного синуса / Едранов С.С. // Российский стоматологический журнал. – 2015. – №19. – С. 62-66.

3.         Едранов С.С. Роль оксида азота в повреждении и репарации слизистой оболочки верхнечелюстной пазухи / Едранов С.С. // Российский стома- тологический журнал. –2012. – №6. – С. 38-42.

4.         Красножен В.Н. Вычислительная аэродинамика полости носа и верхнечелюстной пазухи / Красножен В.Н., Щербаков Д.А., Саушин И.И. и др. // Folia Otorhinolaryngologiae et Pathologiae Respiratoriae. – 2017. – Vol. 23, № 3. – Р. 73-79.

 5.         Щербаков Д.А. CFD-моделирование воздушных потоков в верхнечелюстной пазухе / Щербаков Д.А., Крюков А.И., Красножен В.Н., Гарскова Ю.А., Саушин И.И. // Вестник оториноларингологии. – 2017. – № 4. – С. 32-34.

6.         Cope E.K. Compositionally and functionally distinct sinus microbiota in chronic rhinosinusitis patients have immunological and clinically divergent consequences / Cope E.K., Goldberg A.N., Pletcher S.D., Lynch S.V. // Microbiome. – 2017. – v. 5. – P. 53.

7.         Dabholkar Y. G. Correlation of Nasal Nitric Oxide Measurement with Computed Tomography Findings in Chronic Rhinosinusitis / Dabholkar Y. G., Saberwal A.A. // Indian J Otolaryngol Head Neck Surg. – 2014. – v. 66(1). – P.92–96.

8.         Hood C. M. Computational modeling of flow and gas exchange in models of the human maxillary sinus / Hood C. M., Schroter R. C., Doorly D. J. et al. // J Appl Physiol. – 2009. – v. 107. – P. 1195–1203.

9.         Kutluhan A. The efects of uncinectomy and natural ostial dilatation on maxillary sinus ventilation: a clinical experimental study / Kutluhan A., Salviz M., Bozdemir K. et al. // European Archives of Otorhinolaryngology. – 2011.

– v.268. – P. 569-573.

10.       Louis B. Frictional resistance sheds light on the multicomponent nature of nasal obstruction: a combined in vivo and computational fluid dynamics study / Louis B, Papon JF, Croce C. et al. // Respir Physiol Neurobiol. – 2013. – v.188(2). – P. 133-42.

11.       Mladina R. Clinical Implications of Nasal Septal Deformities / Mladina R., Skitarelić N., Poje G., Šubarić M. // Balkan Medical Journal. – 2015. – v. 32. – P. 137-46.

12.       Mundra R. K. CT Scan Study of Influence of Septal Angle Deviation on Lateral Nasal Wall in Patients of Chronic Rhinosinusitis / Mundra R. K., Gupta Y., Sinha R. , Gupta A. // Indian J Otolaryngol Head Neck Surg. – 2014. – v. 66(2). – P. 187–190.

13.       Poje G. Nasal septal deformities in chronic rhinosinusitis patients: clinical and radiological aspects / Poje G., Zinreich J.S., Skitareli´ N., et al. // ACTA otorhinolaryngologica italica. – 2014. – v. 34. – P. 117-122.

14.       Steelant В. Restoring airway epithelial barrier dysfunction: a new therapeutic challenge in allergic airway disease / Steelant В., Seys S.F., Boeckxstaens G., et al. // Hellings. Rhinology. – 2016. – v.54. – P. 195-205.

15.       Stevens W. W. Chronic Rhinosinusitis Pathogenesis / Stevens W.W., Lee R.J., Schleimer R.P., Cohen N.A. // J Allergy Clin Immunol. – 2015. – v.136(6). – P.1442–1453.

16.       TakenoS. Comparison of Nasal Nitric Oxide Levels between the Inferior Turbinate Surface the Middle Meatus in Patients with Symptomatic Allergic Rhinitis / Takeno S., Yoshimura H., Kubota K. et al. // Allergology International. – 2014. – v. 63(3). – P. 475-483.

 17.       Xiong GX. Computational fluid dynamics simulation of airfow in the normal nasal cavity and paranasal sinuses / Xiong G.X., Zhan J.M., Jiang H.Y., et al. // American Journal of Rhinology. –2008. – v.22. – P. 477-482.


 


 

Прочитано 137 раз