It is an article generated by AI based on my study.
I have corrected a few approximations and errors.
空鼻症候群（ENS）は、医学において最も不可解で苦痛の多い疾患の一つです。呼吸を改善するために鼻の手術を受けた患者は、物理的には気道が開いているにもかかわらず、まったく呼吸できないような逆説的な感覚に悩まされることがあります。窒息感、慢性的な乾燥、その他さまざまな深刻な症状を経験します。
今回、気流の高度なコンピューターシミュレーションを用いた洞察に富む新たな研究が、この謎に新たな光を当てました。患者の鼻腔を詳細な3Dモデルとして再現することで、この小規模なパイロット研究では、研究者（私^^）が症状の重症度と相関する特定の解剖学的・空気力学的特徴を突き止めることができました。この記事では、この有望な研究から得られた、最も重要な4つの知見を解説します。
この研究で最も重要な進展は、何が除去されたかだけでなく、何が残されたかにも着目したことから生まれました。
研究者らは、ENSの重症度を最も確実に予測する因子は、鼻粘膜、つまり鼻の内側を覆う繊細で機能的な粘膜の総残存表面積であることを発見しました。除去された組織の容積も影響しますが、粘膜表面を温存することのほうが、良好な結果と統計的に強く関連していました。実際、研究で統計的有意性に達したのはこの所見だけでした（相関 r = -0.5, p値 = 0.034). 研究者らは、この発見の重要性を明確に次のように述べています：
残存する粘膜が多いほど、他のすべての結果にかかわらずENS6Qスコアは低くなります。つまり、別の人よりも広範な鼻甲介切除術を受けた人でも、残存粘膜の量が多ければ、症状は少なくなります。
この知見は重要です。なぜなら、手術の焦点を、外科医が除去する組織の単なる容積から、残される機能的かつ感覚的な表面積を丁寧に温存することへと移すからです。
直感に反して、この研究では、もともとの平均鼻腔断面積が大きい患者ほど、症状が少ない傾向を示す強い傾向が見られました。
これは一見すると逆説的です。そもそもENSにつながる手術は、鼻の断面積を広げることで行われるからです。しかし、この相関が統計的有意性の境界に近いことを示した研究（p値 = 0.0848) は、明確な説明を示しています。口蓋が広いなどの理由で、もともと鼻腔が大きい人は、初めから総粘膜表面積も大きいのです。
この機能的な組織の初期「予備量」が多いことで、鼻甲介切除術の影響に対する抵抗力が高まる可能性があります。これにより、同様の処置を受けても結果が大きく異なる理由が説明できます。粘膜の余地を多く持って始めた人は、重度のENS症状を発症することなく、手術による変化に対処しやすい可能性があります。
研究者らはまた、気流の不均衡が症状に寄与する可能性を示す傾向にも注目しましたが、相関は弱く、この小規模なサンプルでは統計的有意性に達しませんでした。
この研究では、鼻の左右それぞれを通過する空気の割合を測定しました。データでは、弱い正の相関（r = 0.246、p値 = 0.31）が示され、左右のどちらかに他方より著しく多い、または少ない空気が流れるほど、症状スコアが高くなる傾向がありました。
この所見はより大規模な研究で確認する必要がありますが、重要な概念を示しています。快適な呼吸は、肺に入る空気の総量だけでなく、その気流の質と対称性にも左右される可能性があるのです。極端に非対称な気流パターンは呼吸時の不快感を生み、適切に呼吸できないという全体的な感覚につながる可能性があります。
さらに、見かけ上は逆説的な別の所見として、この研究では、鼻腔抵抗が高いほど症状スコアが高くなるという弱い相関が観察されました。
これは、ENSが単に抵抗が少なすぎる問題であり、空気が鼻を通りやすすぎて適切に感知できない状態だという一般的な前提に疑問を投げかけます。この相関自体は統計的に有意ではありませんでしたが、鼻腔の空気力学が複雑な物理現象であることを浮き彫りにしています。
研究者らは、この観察結果についていくつかの説明を提示しました。第一に、シミュレーションには咽頭（鼻の後ろにある喉の部分）が含まれており、総抵抗の計算に影響した可能性があります。さらに重要なのは、この所見がより支配的な要因の反映である可能性です。すなわち、防御要因となる大きな鼻腔は、同時に抵抗も低いのです。
この研究により、ENSの重症度は、除去された鼻甲介組織の量だけで決まるものではなく、複雑な要因によって左右されることが明らかになりました。粘膜表面の温存、左右対称な気流の維持、さらには患者の術前の解剖学的特徴までもが、これまで十分に評価されてこなかった重要な役割を果たしています。
サンプル数が少ないため、これらの知見の一部は予備的なものですが、この研究は、粘膜表面積による統計的に強力なシグナルと、その他のより弱い相関を明確に区別することで、今後の研究に向けた重要な道筋を示しています。最も重要なメッセージは、ENSのリスクを最小限に抑えるため、あらゆる鼻の手術において粘膜表面を最大限に温存することを第一の目標とすべきだということです。
鼻腔の空気力学に関する理解が深まるにつれ、将来の手術技術は、この壊滅的な疾患から患者をよりよく守るためにどのように進化していくのでしょうか？
前の記事では、インプラントを追加してバーチャル手術を行いました。今回は、以前のインプラントを残したまま、左側に1つ追加してバーチャル手術をやり直しました。ここは、中鼻道と下鼻道の間で気流が最も不均等に分布している側です。そのため、この新しいインプラントで改善したいと考えました。
この断面は前方部の少し後ろで作成されています。青色は以前のインプラント、赤色は今回追加したインプラントを表しています。このインプラントは、前の記事で記した、鼻腔内のどの場所でも壁との間隔を1.5～3 mmにするというルールをよりよく守るよう設計しました。ここではそうなっていなかったことがはっきりわかります。
赤い円で囲んだ領域では、気流の増加（流線の増加）が確認できます。大きな変化ではありませんが、意味のある変化です。
中央の図では、下鼻道の位置にバーチャルインプラントを入れた後、ある領域が水色から緑色に変化していることがわかりますが、非常にわずかな変化です。ごく小さな変化です。
バーチャルインプラントが配置された最初の画像では、WSSの増加（赤い矢印）が見られます。インプラントによって壁が気流に近づいたため、驚くことではありません。一方、下鼻道に変化が見られないのはかなり残念です。気流の増加がWSSの増加につながっていません。WSSの観点で有意な変化を確認するには、気流の増加が十分でないのだと思います。
前回の記事ですでにお話ししたと思いますが、壁同士の間の「理想的な」距離（1.5～4 mm）を回復させることは非常に重要だと思います。今回の新しいバーチャルインプラントでは、それを実現しようとしました。私の考えでは、この理想的な距離は鼻腔全体で回復させる必要があります。これは、以下のいくつかの重要な点を改善するための最良の戦略の一つだと思います。
これは、鼻中隔の偏位後など、鼻腔の解剖学的構造が急激に変化した後に、身体が行うことそのものです。実際、鼻中隔の偏位と含気化中鼻甲介の形成には相関関係があります[1]。この研究で著者らは次のように述べています。
「含気化中鼻甲介（片側性または優位な中鼻甲介）の存在と、中鼻甲介から離れる方向への鼻中隔凸面の偏位との間には、強い関係があることもわかった（P < .0001）。しかし、含気化中鼻甲介（片側性または優位な中鼻甲介）の内側面と、隣接する鼻中隔表面との間には、常に鼻腔気道が維持されていることもわかった」
私たちができる解釈は、「身体」が壁同士の間の理想的な距離を回復させるためにこれを行っているということです。もしそうであるなら、そこには確かな有用性があるはずです。
このバーチャルインプラントを追加しても気流は劇的には変化しませんでしたが、私はこの最適化には意味があると思います。なお、このバーチャルインプラント後の変化は小さいため、記事では鼻腔抵抗と気流の対称性については触れていません。
この記事では、改善が見られるかどうかを確認するため、バーチャルインプラントの前後で多くのパラメータを比較します。しかしその前に、ENSの原因について説明したいと思います。解決策を見つける前に、問題を正しく理解する必要があるからです。第2段落では目標を定義します。これらのバーチャルインプラントによって、どのパラメータを改善できると私が考えているのかを説明します。
この記事では鼻腔内のさまざまな領域について説明します。ここでわかりやすくするために図を示します。
赤は鼻腔の始まりである前方部、緑は中鼻道で中鼻甲介がある部分、最後に青は下鼻甲介がある下鼻道です。
Empty Nose Syndromeは、下鼻甲介または中鼻甲介の一部もしくは全部を切除することで引き起こされることがあります。粘膜の熱傷が原因になることさえあります。切除によって容積が失われ、つまり空間が増加し、粘膜表面が減少します。熱傷は粘膜の健康状態に悪影響を及ぼします。これらはすべて、次のような多くの影響をもたらします。
インプラントで実現するのが難しいと思われるのは、粘膜表面を増やすことです。インプラントは粘膜を移動させるだけです。場合によっては粘膜を伸展させることで粘膜表面を少し作り出せますが、大幅に増加させることはできません。
可能なのは空間を減らし、つまり断面積を小さくすることです。目標は、次のことを実現できるようインプラントを設計することです。
バーチャルインプラントは赤色で表示されています。左の鼻腔には3つのインプラントがあり、1つは底部、1つは鼻壁、もう1つの小さなものは鼻中隔にあると言えます。右側にはかなり大きなインプラントがあります。ただし、このインプラントが実際に可能かどうかはわかりません。既存のインプラントの奥に配置されており、私が設計した形状も非常に大きいからです。
これらのインプラントを設計することで私が試みたのは、壁同士の間の「理想的な」距離を回復させることです。壁同士の間の「理想的な」距離とは何かを説明します。健康な鼻腔のCTスキャンを見ると、2つの壁の間の距離がほぼ全体にわたって同じであることがわかります。測定したところ、1.5～3 mmでした。そこで、技術的な制約から全域でこの値に到達させることはできないものの、この値に近づくようインプラントを設計しました。右側のインプラントについては大きな疑問が残りますが、実際に埋め込み可能と思われる範囲を尊重するよう努めました。
バーチャルインプラント後に断面積が減少し、鼻腔全体でやや均一になったのは驚くことではありません。
なお、対照群の値はこの研究[6]から引用していますが、私は健康なCTスキャンをいくつか自分で測定し、研究における200 mm²ではなく、総断面積が250～300 mm²の値を得ました。そのため、正常値がどの程度なのかはわかりません。おそらく200～300 mm²の範囲なのでしょうが、確かなことは言えません。断面積は体位や身体活動にも左右されますが、CTスキャンのほとんどは横になった状態で撮影されていると考えられます。そのため、得られた値は比較可能です。
前回の記事では右側を示していませんでしたが、こちら側では気流の分布が少し改善していることがわかります。
気流の分布にはほとんど変化がないことがわかります。左側のビューでは、下鼻道に流線が少し増えているようです。しかし、大きな改善ではありません。
気流速度が 2.5 m/s を超えるすべての表面は赤色で表示されています。ピーク値は 3,24 m/s です。
ここでも速度に実質的な改善はありません。
WSS が 0,1 Pa を超えるすべての壁面は赤色で表示されています。ピーク値は約 0,9 Pa です。
ここでは明らかな変化が見られます。バーチャルインプラントが配置された領域では、壁面の「色が濃く」なっています。これは、WSS が高くなっていることを意味します。
この断面では、バーチャルインプラントによって WSS が増加したことがはっきりわかります。青色、さらには黄色も見られるようになっており、WSS がほぼ 0 Pa から 0,025～0,07 Pa の値まで増加したことを意味します。
ここでも同様に WSS が増加しており、特に右側で顕著です。これは非常に良い変化だと言えます。具体的には、この WSS の改善によって下鼻道での気流の感覚が向上するはずです。バーチャルインプラントは、単純に壁面を気流に近づけました。壁面間の最小距離（1,5～3 mm）を保ちながら WSS を増加させるために、まず気流を特定し、その後壁面を気流に近づけるという方法は、優れた戦略だと思います。
気流の湿度にはほとんど変化がないことがわかります。
最後のスライスでは緑色と黄色が少し減っており、バーチャルインプラント後の気流温度がやや高くなっていることを意味します。スケールバーの温度はケルビン単位なので、摂氏温度を求めるには 273 を引く必要があります。また、その前に 100 を掛ける必要があります。たとえば赤色の場合、温度は 3,096*100= 309,6°K であり、309,6 - 273 = 36,6°C となります。
CFD の結果が緑色の四角形内にあれば、鼻腔抵抗と気流の対称性が正常である可能性が高いと言えます。抵抗 R は横軸、気流の対称性 theta（𝚹）は縦軸に示されています。これらの指標の計算方法については、こちらの研究 [7] で確認できます。
バーチャルインプラント前は、流量が左側で 7 l/min、右側で 7,3 l/min でした。これは 𝚹 が 1,028 であることに相当し、非常に良好です。右の鼻腔と左の鼻腔で気流はほぼ同じです。バーチャルインプラント後は、流量が左側で 6,9 l/min、右側で 7,68 l/min でした。これは 𝚹 が 1,097 であることに相当し、やや低下していますが、Flowgy によれば依然として正常範囲です。したがって、これを修正するなら、右側のインプラントを小さくするか、左側のインプラントを大きくする必要があります。
鼻腔抵抗 R は、環境と咽頭の圧力差（デルタ P）、流量、空気密度、鼻孔の面積など、複数のパラメータに基づいて計算されます。空気が鼻腔を通過すると、壁面との摩擦によって圧力損失が生じます。これがデルタ P です。
バーチャルインプラント前の値は 4,7、後は 6,94 でした。バーチャルインプラントによって鼻腔の一部の断面積が小さくなったため、値が増加したのは驚くことではありません。
これはむしろ良いことです。グラフによれば、元の値は正常範囲内ぎりぎりだったからです。インプラント後は、値が正しい方向に少し改善しています。ただし、R の絶対値は、シミュレーションで使用する多くのパラメータに左右されるため、あまり正確ではありません。これは、バーチャル手術によって値が正しい方向に変化したかどうかを確認するための指標にすぎません。また、「目標」の段落で述べたように、この値はENSの症状には影響しないようです。それでも、鼻腔抵抗は正常な肺機能に役立つため、正常範囲に収まっていることは良いことだと思います [8]。
目標の1つは達成されませんでした。気流の分布は改善しませんでした。特に状態の悪い左側について、どのように改善すればよいのかはよくわかりません。
しかし、バーチャルインプラントによって WSS は大幅に改善しており、これは良い変化です。また、気流温度と鼻腔抵抗も少し高くなっています。
したがって、このタイプのインプラントは、特に気流の感覚を改善するために有用だと思います。
まず、Flowgyとは何でしょうか？ Flowgyは、鼻腔のCFDとバーチャル手術のためのツールを備えたソフトウェアです。この記事では、私が業務用ソフトウェア（OnshapeとSimscale）で得た結果と、Flowgyで得た結果を比較します。ソフトウェアを貸してくださり、すべての質問に答えてくださったManuel Burgos教授に感謝します。
両方のソフトウェアで最大速度を3,25 m/sに設定しました。ほとんどの気流が中鼻道を通過しているという、同じ結果が見て取れます。Flowgyでは、何が起きているのかをより明確に見るため、左側の鼻腔内の気流だけを表示している点に注意してください。
2つの表示の主な違いは最大速度です。Simscaleでは3,5 m/s、Flowgyでは2,5 m/sに設定されています。これは、Flowgyでは3,5m/sに設定できなかったためです。しかし、おおむね同じ結果が見て取れます。下鼻道では気流の速度がかなり低くなっています。同じ結果が得られて安心しました。これは、私が作成した鼻腔の3Dモデルがかなり正確だったことを意味するからです。
さて、Flowgyで本当に興味深いのは、他にも利用できるデータがあることです。その中でも、ENSの文脈で特に興味深いのが、壁面せん断応力（WSS）です。WSSについては、他の記事でもすでに触れました。ここでは、WSSとは何か、そしてENSの文脈でなぜ特に興味深いデータなのかを、もう少し説明します。WSSとは、気流が壁面に及ぼす圧力で、単位はパスカル（Pa）です。壁面付近の速度勾配が大きいほど、WSSも大きくなります。気流の感覚を生み出すのがWSSであるため、重要な値です。
1 Paを超える圧力は赤で表示されています。最大WSSは主に前方部分と中鼻道に位置しており、気流の速度と対応していることがわかります。そこで、中鼻道と下鼻道の間でWSSをより均等に分布させたいと考えています。次の記事では、バーチャルインプラントを使ってこれを試みます。
この表示では気流の湿度が示されています。もちろん、鼻腔を通過するにつれて湿度が上昇していることがわかります。最後の断面では、気流の一部が湿度92%になっていることが見て取れます。値はおそらくあまり正確ではありません。シミュレーションパラメータのデフォルトでは、粘膜の湿度は100%に設定されていますが、ENSのために粘膜が乾燥していることが多い現状を考えると、少し楽観的です。一方、吸気の湿度は20%に設定されており、外気はこれより湿っていることが多いため、悲観的な設定です。興味深いのはバーチャルインプラントの前後比較なので、入力パラメータはそれほど重要ではありません。
ここでも気流の温度について同じことが言えます。シミュレーションパラメータでは、粘膜は309,65°K、つまり36,65°Cに設定されています。吸入する空気は21,15°Cに設定されています。ENSの文脈では、粘膜の温度も少し楽観的かもしれません。粘膜が不足しているため、鼻の入り口はこれより低温だと思います。しかし、それを定量化することはできず、タービネクトミーの侵襲性によっても変わります。この図では、最低温度を300°K（27°C）として青で表示しています。
Flowgyは非常に興味深いデータを提供してくれます。これは、バーチャルインプラントを追加する前後の比較に役立つでしょう。詳しくは次の記事でお話ししますが、2022年には、気流やWSSなどの観点でどのような結果になるかを確認するために、まずバーチャル手術を行わずに鼻の手術をすることは、もはや不可能だと思います…
これから、気流の分布やWSSの分布などを改善するため、バーチャルインプラントの設計を試みます…
予定どおり、鼻腔内の空気の流れの分布を改善し、断面積を減少させて健康な鼻に近づけるため、仮想インプラントを設計しました。
赤色で示しているのが設計した仮想インプラントです。右側には、既存のインプラントの後ろに外側壁インプラントを追加しました。長さ約30 mm、高さ10 mm、厚さ5 mmです。
反対側には、床インプラントと外側壁インプラントの2つがあると言えます。
床インプラントは、長さ約35 mm、幅6 mm、厚さ3 mmです。
外側壁インプラントは、長さ35 mm、高さ10 mm、厚さ2 mmです。
既存のインプラントの後ろにインプラントを追加できるのかどうかは分かりませんが、右側全体で断面積を一定に保つのは良い考えだと思います。
左側には、既存の下鼻甲介と壁の間の空間を小さくすることを目的として、2つのインプラントを追加しました。
変化は鼻孔から40 mmの地点で始まり、70 mmまで続いていることが分かります。そして現在は、500 mm²ではなく約400 mm²の最大値に達していますが、健康な鼻からはまだかけ離れています。したがって、インプラントはまだ十分に大きくないと言えます。ただ、最初の目標は、より良い空気の流れの分布と一定の断面積を実現できるか試すことでした。
空気の流れの分布と速度には、ほとんど変化がないことがすぐに分かります。下鼻道の空気の流れが少し増えているかもしれませんが、大きな変化ではありません。
スライス表示で仮想インプラントの前後を比較しても、空気の流れの速度に大きな違いは見られません。
2つの3Dモデル（仮想インプラント前後）で、鼻孔から同じ距離の位置をスライスしました。そして、同じ場所の速度を測定するために点を配置しました。仮想手術後の速度は、仮想手術前の3Dモデルの0.14 m/sに対して約2倍の0.26 m/sです。しかし、これはごく小さな領域にすぎません。色の変化から、確かに2倍高くなっていることは分かりますが、例えば緑色で示される2 m/sと比べると、0.26 m/sは依然として非常に低い速度です。したがって、この変化は空気の流れの感覚という点では、ほとんど知覚できないのではないかと考えています。
これらのデータから言えるのは、今回の仮想インプラントによって速度と空気の流れの分布はほとんど変化しなかったということです。もしこれらのインプラントを実際に施術したとしても、改善はほとんど感じられない可能性があります。ただし、ENSの症状は空気の流れの問題だけが原因ではありません。粘膜の健康状態や、切除された鼻甲介によってほとんど機能しなくなっている鼻周期など、考慮すべき要素はほかにもあるかもしれません。
次のステップは？
より良いインプラントの配置を見つけること、また断面積を小さくするために、より大きなインプラントを使うことも考えられます……分かりません。
本来の鼻甲介を再現する……まあ、現実には不可能です。
ついに、CFDソフトウェアで使用できる鼻腔の3Dモデルを作成できました。
CFDとは何か知らない方のために説明すると、CFDはComputational Fluid Dynamics（数値流体力学）のことで、流体、この場合は空気を研究するものです。
流量は15 l/minとし、壁面には温度条件を適用しませんでした。
参考までに、各鼻孔の面積は約68 mm²、咽頭の始まりの面積は420 mm²です。また、私の断面積はこちらの以前の記事で確認できます。
この表示では、空気の流れが細い管で表されています。空気のほぼすべてが中鼻道を通過し、速度は1.5～2 m/sです。一方、下鼻道の領域では空気の流れがほとんどなく、速度も非常に低く、0.5 m/s未満です。鼻孔付近の一部の領域では、速度が約3 m/sとかなり高くなっています。
左側も同じです。
この表示では鼻腔をスライスしています。図の左側は鼻孔付近、右側は咽頭付近です。空気の量ではなく速度だけを見ていますが、ほかの表示と同じく、右側の鼻壁インプラントがあるにもかかわらず、下鼻道では速度が非常に低いことが分かります。
結果はそれほど驚くものではなく、空気の流れの分布について同じ結論に至っている研究もあります。例えばこの研究では、下鼻道の空気の流れが大幅に減少すること（25.8% ± 17.6%）が示されています。また、下鼻道の領域では壁面せん断応力 (WSS)も低下していました。これは粘膜の壁面に働く摩擦力です。せん断応力が小さいほど、空気の流れの感覚も弱くなります。確実ではありませんが、空気の量と速度が小さくなれば、壁面せん断応力も小さくなると考えられます。私のシミュレーションでは、ソフトウェアの制約により壁面せん断応力を測定できませんでした。しかし、下鼻道では速度と空気の流れが非常に低いため、WSSも低いと言えるでしょう。また、この同じ研究によると、「窒息感」や「鼻が開きすぎている感じ」という症状は、下鼻甲介周辺のピークWSSと有意に相関していることも分かっています。つまり、下鼻道の領域でWSSが小さいほど、窒息感や鼻が開きすぎている感じが強くなるということです。
ENSの問題の1つが空気の流れの分布であることがはっきり分かったので、異なる領域に配置した仮想インプラントで改善を試みます。もちろん目標は、健康な鼻と同じ空気の流れの分布に近づけることです。
明確にしておくと、私は研究者でもCFDの専門家でもないため、さまざまな要因によって結果が間違っている可能性があります。条件や考え方に誤りを見つけた場合は、ご連絡ください。
