Wirtualne implanty, druga runda z Flowgy

Wprowadzenie

W tym artykule porównam wiele parametrów przed zastosowaniem wirtualnych implantów i po nim, aby sprawdzić, czy nastąpiła poprawa. Najpierw jednak chciałbym wyjaśnić przyczyny ENS, ponieważ przed znalezieniem rozwiązań trzeba właściwie zrozumieć problem. W drugim akapicie określę cele. Jakie parametry, moim zdaniem, mogę poprawić za pomocą tych wirtualnych implantów.

W artykule będę mówić o różnych obszarach jamy nosowej. Dla jasności przedstawiam tutaj ilustrację.Na
czerwono zaznaczono przednią część, czyli początek jamy nosowej, na zielono przewód nosowy środkowy, w którym znajdują się małżowiny nosowe środkowe, a na końcu na niebiesko przewód nosowy dolny, w którym znajdują się małżowiny nosowe dolne.

Przyczyny ENS

Zespół pustego nosa może być spowodowany częściowym lub całkowitym usunięciem małżowin nosowych dolnych lub środkowych. Może być również skutkiem oparzenia błony śluzowej. Usunięcie powoduje utratę objętości, czyli zwiększenie pustej przestrzeni i zmniejszenie powierzchni błony śluzowej. Oparzenie negatywnie wpływa na stan błony śluzowej. Wszystko to wywołuje wiele skutków:

• Zwiększenie pustej przestrzeni powoduje:
  • Zmianę rozkładu przepływu powietrza — w przypadku turbinektomii dolnej większość powietrza zostaje skierowana do przewodu nosowego środkowego [1].
  • Zwiększenie pola przekroju poprzecznego, które zmniejsza prędkość przepływu powietrza i negatywnie wpływa na naprężenie styczne przy ścianie (WSS). Mniejsza wartość WSS oznacza mniejsze parowanie śluzu wskutek przepływu powietrza, co prowadzi do słabszego efektu chłodzenia błony śluzowej. Zmiana stanu śluzu z ciekłego na gazowy wiąże się bowiem ze zużyciem energii, które chłodzi błonę śluzową. To właśnie to chłodzenie jest wykrywane przez receptory TRPM8 i daje nam odczucie przepływu powietrza [2]. Zwiększenie pola przekroju poprzecznego zmniejsza również opór nosa.

• Zmniejszenie powierzchni błony śluzowej powoduje:
  • Zmniejszenie liczby receptorów TRPM8, ponieważ receptory znajdują się w błonie śluzowej — im mniej błony śluzowej, tym mniej receptorów.
  • Zmniejszenie produkcji śluzu, ponieważ gruczoły wytwarzające śluz również znajdują się w błonie śluzowej [3].
  • Zmniejszenie liczby naczyń krwionośnych, co może obniżyć temperaturę błony śluzowej. Błona śluzowa utrzymuje bowiem właściwą temperaturę dzięki przepływowi krwi.

• Usunięcie małżowin nosowych zaburza cykl nosowy, ponieważ znaczna część małżowin znika. Cykl nosowy to zjawisko polegające na naprzemiennym rozszerzaniu naczyń małżowin nosowych po jednej, a następnie po drugiej stronie w cyklu trwającym kilka godzin. Wydaje się jednak, że funkcja cyklu nosowego nadal nie jest znana [4]. Zjawisko rozszerzania i zwężania naczyń ma również inną, bardzo ważną rolę — dostosowuje pole przekroju poprzecznego do aktywności fizycznej. Podczas wysiłku fizycznego przepływ powietrza wzrasta, a w odpowiedzi na to małżowiny nosowe zmniejszają swoją objętość w wyniku zwężenia naczyń [5].

Cele zastosowania wirtualnych implantów

Wydaje się, że za pomocą implantów nie można zwiększyć powierzchni błony śluzowej — implant jedynie ją przesuwa. W niektórych przypadkach może nieco zwiększyć powierzchnię błony śluzowej przez jej rozciągnięcie, ale nie będzie to znaczny wzrost.
Można natomiast zmniejszyć pustą przestrzeń, a tym samym zmniejszyć pole przekroju poprzecznego. Celem jest zaprojektowanie implantów tak, aby:

• Uzyskać lepszy rozkład przepływu powietrza między przewodem nosowym środkowym a dolnym, ponieważ wydaje się, że parametr ten ma duży wpływ na objawy ENS [1].
• Uzyskać lepszy rozkład WSS między tymi dwoma obszarami i zwiększyć jego wartość w obszarze dotkniętym turbinektomią. WSS odgrywa bowiem kluczową rolę w odczuwaniu przepływu powietrza, jak wyjaśniłem w części dotyczącej przyczyn ENS. W tym badaniu [1] naukowcy stwierdzili korelację między wartością WSS w przewodzie nosowym dolnym a uczuciem duszności. „Spośród 6 pozycji kwestionariusza ENS6Q dolegliwości związane z „uczuciem duszności” i „zbyt dużą drożnością nosa” były istotnie skorelowane ze szczytową wartością WSS w obszarze małżowiny nosowej dolnej”
  Co ciekawe, nie stwierdzili korelacji między oporem nosa a objawami ENS. „Opór nosa nie korelował z wynikiem ENS6Q ani z wynikiem żadnej innej skali objawów”.

Umiejscowienie wirtualnych implantów

Wirtualne implanty są zaznaczone na czerwono. Możemy powiedzieć, że w lewej jamie nosowej znajdują się 3 implanty: jeden na dnie, jeden w ścianie nosa i mały w przegrodzie. Po prawej stronie znajduje się dość duży implant. Należy zauważyć, że nie wiem, czy można go wszczepić, ponieważ znajduje się za moim istniejącym implantem, a zaprojektowany przeze mnie kształt jest ogromny.
Projektując te implanty, próbowałem przywrócić „idealną” odległość między ścianami. Wyjaśnię, co nazywam „idealną” odległością między ścianami. Na tomografii komputerowej zdrowej jamy nosowej widać, że odległość między dwiema ścianami jest niemal wszędzie taka sama. Zmierzyłem ją — wynosi od 1,5 do 3 mm. Zaprojektowałem więc te implanty tak, aby zbliżały się do tych wartości, bez osiągania ich wszędzie ze względu na ograniczenia techniczne. Starałem się uwzględnić to, co można wykonać pod względem implantacji, choć w przypadku implantu po prawej stronie mam duże wątpliwości.

Zmiana pola przekroju poprzecznego

Po zastosowaniu wirtualnego implantu nie dziwi zmniejszenie pola przekroju poprzecznego oraz jego nieco bardziej regularny przebieg w całej jamie nosowej.
Należy zauważyć, że wartości dla grup kontrolnych pochodzą z tego badania [6], jednak samodzielnie zmierzyłem kilka tomografii komputerowych zdrowych osób i uzyskałem wartości całkowitego pola przekroju poprzecznego od 250 do 300 mm² zamiast 200 mm² podanych w badaniu. Nie wiem więc, jakie są wartości prawidłowe. Być może jest to zakres od 200 do 300 mm² — nie wiem. Pole zależy również od pozycji ciała i aktywności fizycznej, ale zakładam, że niemal wszystkie tomografie komputerowe wykonuje się w pozycji leżącej. Otrzymane wartości są zatem porównywalne.

Wyniki

Linie prądu

Przed zastosowaniem wirtualnych implantów

W poprzednim artykule nie pokazałem prawej strony; widzimy, że po tej stronie rozkład przepływu powietrza jest nieco lepszy.

Po wirtualnym wszczepieniu implantów

Widzimy, że rozkład przepływu powietrza prawie się nie zmienił. Być może na widoku lewej strony w przewodzie nosowym dolnym widać nieco więcej linii prądu. Nie jest to jednak znacząca poprawa.

Prędkość

Przed zastosowaniem wirtualnych implantów

Po wirtualnym wszczepieniu implantów

Wszystkie powierzchnie, na których prędkość przepływu powietrza jest większa niż 2,5 m/s, zaznaczono na czerwono. Maksymalna wartość wynosi 3,24 m/s.
Tutaj również nie ma rzeczywistej poprawy prędkości.

Naprężenie styczne na ścianie

Przed zastosowaniem wirtualnych implantów

Po wirtualnym wszczepieniu implantów

Wszystkie ściany, na których WSS jest większe niż 0,1 Pa, zaznaczono na czerwono. Maksymalna wartość wynosi około 0,9 Pa.
Widzimy tutaj rzeczywistą zmianę: w obszarach, w których umieszczono wirtualne implanty, ściany są bardziej „kolorowe”. Oznacza to, że WSS jest wyższe.

Na tych przekrojach wyraźnie widać, że wirtualny implant zwiększył WSS. Pojawił się teraz kolor niebieski, a nawet żółty, co oznacza, że WSS wzrosło z wartości bliskiej 0 Pa do wartości od 0,025 do 0,07 Pa.

Tutaj również WSS jest większe, szczególnie po prawej stronie. Mogę powiedzieć, że jest to rzeczywiście pozytywna zmiana; konkretnie, poprawa WSS powinna poprawić odczuwanie przepływu powietrza w przewodzie nosowym dolnym. Wirtualne implanty po prostu przybliżyły ściany do przepływu powietrza. Uważam, że dobrą strategią jest zidentyfikowanie przepływu powietrza, a następnie przybliżenie do niego ścian w celu zwiększenia WSS, przy zachowaniu minimalnej odległości między ścianami (1,5–3 mm).

Wilgotność przepływu powietrza

Przed zastosowaniem wirtualnych implantów

Po wirtualnym wszczepieniu implantów

Widzimy, że wilgotność przepływu powietrza prawie się nie zmieniła.

Temperatura przepływu powietrza

Przed zastosowaniem wirtualnych implantów

Po wirtualnym wszczepieniu implantów

Na ostatnim przekroju jest nieco mniej zielonego i żółtego koloru, co oznacza, że temperatura przepływu powietrza jest nieco wyższa po zastosowaniu wirtualnych implantów. Temperatura na skali barw jest podana w kelwinach, dlatego należy odjąć 273, aby uzyskać temperaturę w stopniach Celsjusza. Wcześniej należy również pomnożyć wartość przez 100. Na przykład temperatura oznaczona kolorem czerwonym wynosi 3,096*100 = 309,6°K, a następnie 309,6 – 273 = 36,6°C.

Opór nosa i symetria przepływu powietrza

Jeśli wyniki CFD znajdują się w zielonym kwadracie, prawdopodobieństwo prawidłowego oporu w nosie i prawidłowej symetrii przepływu powietrza jest wysokie. Opór R znajduje się na osi poziomej, a symetria przepływu powietrza theta (𝚹) – na osi pionowej. Sposób obliczania tych wskaźników można zobaczyć w tym badaniu [7].

Symetria przepływu powietrza

Przed zastosowaniem wirtualnych implantów natężenie przepływu wynosiło 7 l/min po lewej stronie i 7,3 l/min po prawej. Odpowiada to wartości 𝚹 równej 1,028, co jest bardzo dobrym wynikiem – przepływ w prawej jamie nosowej jest niemal taki sam jak w lewej. Po zastosowaniu wirtualnych implantów natężenie przepływu wynosi 6,9 l/min po lewej stronie i 7,68 l/min po prawej. Odpowiada to wartości 𝚹 równej 1,097, co jest nieco gorszym wynikiem, ale według Flowgy nadal mieści się w normie. Gdybym chciał to skorygować, musiałbym zaprojektować mniejszy implant po prawej stronie lub większy po lewej.

Opór nosa

Opór w nosie R oblicza się na podstawie kilku parametrów, takich jak różnica ciśnień między otoczeniem a gardłem (delta P), natężenie przepływu, gęstość powietrza i powierzchnia nozdrzy. Gdy powietrze przepływa przez jamę nosową, dochodzi do spadku ciśnienia wskutek tarcia o ściany – jest to delta P.
Przed zastosowaniem wirtualnych implantów wartość wynosiła 4,7, a po nim 6,94. Wzrost tej wartości nie jest zaskakujący, ponieważ wirtualne implanty zmniejszyły pole przekroju w niektórych obszarach jamy nosowej.
Jest to raczej korzystne, ponieważ zgodnie z wykresem wartość zaledwie mieściła się w normie. Po zastosowaniu implantów wartości przesunęły się nieco we właściwym kierunku. Należy jednak pamiętać, że bezwzględna wartość R nie jest bardzo precyzyjna, ponieważ zależy od wielu parametrów symulacji. Jest to jedynie wskaźnik pozwalający sprawdzić, czy wirtualna operacja zmieniła tę wartość we właściwym kierunku. Ponadto wartość ta wydaje się nie mieć wpływu na objawy ENS, jak wspomniałem w akapicie „cele”. Mimo to uważam, że dobrze jest mieścić się w normie, ponieważ opór w nosie jest istotny dla prawidłowej czynności płuc [8].

Wnioski

Jeden z celów nie został osiągnięty – rozkład przepływu powietrza nie uległ poprawie. Nie bardzo wiem, jak go poprawić, szczególnie po lewej stronie, gdzie jest on wyjątkowo niekorzystny.
Wirtualne implanty znacznie poprawiły jednak WSS, co jest pozytywne. Ponadto temperatura przepływu powietrza i opór w nosie są nieco wyższe.
Uważam więc, że tego rodzaju implant może być przydatny, szczególnie w kontekście odczuwania przepływu powietrza.

Bibliografia

1. Badanie nieprawidłowej aerodynamiki nosa i funkcji nerwu trójdzielnego u pacjentów z zespołem pustego nosa, Chengyu Li, PhD, Alexander A. Farag, MD, Guillermo Maza, MD, Sam McGhee, Michael A. Ciccone, Bhakthi Deshpande, MA, Edmund A. Pribitkin, MD, Bradley A. Otto, MD oraz Kai Zhao, PhD
2. Patofizjologia zespołu pustego nosa: przegląd systematyczny, Jeanie Sozansky BS, Steven M. Houser MD,
3. Gruczoły podśluzówkowe, Wikipedia
4. Cykl nosowy w zdrowiu i chorobie, J. Hanif
5. Kompleksowy podręcznik otolaryngologii Sataloffa: chirurgia głowy i szyi, Robert T Sataloff, rozdział 19, s. 286
6. Obliczeniowa dynamika płynów i badania czucia nerwu trójdzielnego u pacjentów z zespołem pustego nosa, Chengyu Li , Alexander A Farag , James Leach , Bhakthi Deshpande, Adam Jacobowitz , Kanghyun Kim , Bradley A Otto , Kai Zhao
7. Solidne bezwymiarowe estymatory do oceny przepływu powietrza w nosie w zdrowiu i chorobie, E. Sanmiguel-Rojas M. A. Burgos C. del Pino M. A. Sevilla-García F. Esteban-Ortega
8. Chirurgia małżowin nosowych i zespół „pustego nosa”, Marc Oliver Scheithauer, akapit 8