Statistische Untersuchung von statischen Druck und Wandschubspannungsverteilungen der Strömung der Nasenatmung basierend auf der numerischen Strömungsberechnung

Abstract

Bis zu 30 Prozent der Bevölkerung leidet unter Nasenatmungsbehinderungen, deren Ursache häufig eine gestörte Durchströmung der Nase in Folge morphologischer Veränderungen in der Nasenhöhle ist. Trotz dieser Prävalenz existiert bis heute kein allgemein akzeptiertes Modell, welches eine gesunde Nasenatmung von einer gestörten unterscheidet. Existierende Messmethoden erlauben lediglich das Erfassen integraler Maße wie bspw. des Nasenatemwiderstandes und sind somit nur bedingt geeignet die Strömung in der sehr komplexen, verwundenen Anatomie der Nasenhöhle zu untersuchen.

Die medizinische Bildgebung, insbesondere die Computertomographie, ermöglicht eine räumlich aufgelöste Abbildung dieser komplexen Anatomie. Die Kenntnis der patientenspezifischen Geometrie der Nasenhöhle erlaubt die Berechnung der patientenspezifischen Atemströmung mittels bildbasierter Strömungssimulationen. Dieser Ansatz ermöglicht die räumlich und zeitlich hochaufgelöste Simulation relevanter Strömungsparameter der Nasenatmung.

Der Fokus dieser Dissertation lag dabei auf der Entwicklung einer Methode, welche unter Verwendung der bildbasierten Simulation der Nasenatmung eine statistische Unterscheidung der Nasenatmung von gesunden Probanden und Patienten, die unter einer Nasenatmungsbehinderung leiden, erlaubt. Hierfür wurde zunächst in einer ersten Machbarkeitsuntersuchung gezeigt, dass eine minimalinvasive Behandlung eines Patienten mit schwerer Nasenscheidewanddeviation zu Änderungen in den berechneten Strömungsfeldern führte.

Weiterhin wurden Unterschiede in den Strömungsmustern gesunder Probanden und von Patienten, die unter einer Nasenatmungsbehinderung litten, identifiziert. Hierfür wurde die Atemströmung während der Ein- und Ausatmung von sechs Probanden und sieben Patienten berechnet. Um die individuell stark unterschiedlichen Geometrien und Strömungen miteinander vergleichen zu können, wurden die statischen Druck- und Wandschubspannungsinformationen an der Nasenscheidewand auf eine gemeinsame Schablone übertragen. Die Wandschubspannungsverteilungen der gesunden Probanden wiesen dabei deutliche Unterschiede während der Ein- und Ausatmung auf, welche bei der Patientengruppe nicht zu beobachten waren. Im Anschluss an diesen Machbarkeitsnachweis wurde sowohl das Patientenkollektiv auf jeweils 25 Patienten je Gruppe erweitert. Weiterhin wurde ein statistisches Formmodell der Nasenhöhle entwickelt, welches die Berücksichtigung der gesamten Nasenhöhle erlaubt. Die vorherigen Erkenntnisse konnten reproduziert werden. Weiterhin konnten Bereiche der Nasenhöhle identifiziert werden, in welchen Wandschubspannungsverteilungen beider Gruppen unterschiedlich sind. Die Bedeutung dieser Bereiche muss in weiteren Studien untersucht werden.

In einer letzten Untersuchung wurde versucht, die Simulation der Nasenatmung gegen den Goldstandard der funktionellen Diagnostik der Nasenatmung – der Rhinomanometrie – zu validieren. Hierfür wurde der Nasenatemwiderstand von drei Patienten mit unterschiedlich starker Obstruktion der Nase mittels Strömungssimulationen berechnet und mit in-vivo Messungen vergleichen. Es zeigte sich, dass die numerische Strömungssimulation den gemessenen Nasenatemwiderstand unterschätzt. Dieses Phänomen ist allen Publikationen, welche die numerische Strömungssimulation für die Berechnung des Nasenatemwiderstandes benutzen, gemein. Trotz intensiver Bemühungen konnte die Ursache dieser Unterschiede bislang nicht identifiziert werden.

The prevalence of impaired nasal breathing is approx. 30 percent. Often, the cause of impaired nasal breathing is a perturbation of the airflow due to morphological changes within the nose. There is still no generally accepted model allowing differentiation between healthy and disturbed nasal airflow. Existing measurement techniques only allow acquisition of integral measures (e.g. the nasal resistance). Findings of these methods cannot be easily correlated with the complex, tortuous anatomy of the nasal cavity.

Medical imaging enables a spatially resolved analysis of this complex anatomy. Knowledge of this anatomy allows calculation of patient-specific respiratory flow using image-based simulations. This approach allows the spatially and temporally resolved simulation of relevant parameters of nasal breathing.

This dissertation’s focus was the development of a method based on simulations of nasal breathing allowing a statistical comparison of differences in nasal breathing between healthy subjects and patients. A first proof-of-concept study showed that minimally invasive treatment of a patient with nasal septum deviation, which led to an improvement in perceived nasal breathing, also led to changes in the calculated airflow.

Numerical flow simulation was used to identify differences in the flow patterns of healthy subjects and patients suffering from nasal obstruction. The patient-specific respiratory flow during inspiration and expiration of six subjects and seven patients was calculated. Static pressure and wall shear stress information on the nasal septum was transferred onto a common template in order to compare the heterogeneous individual geometries. Wall shear stress distributions of healthy subjects showed differences during inspiration and expiration, which could not be observed in the patient subgroup. The sample size of both groups was then extended to 25 patients each. Furthermore, a statistical shape model of the nasal cavity was developed allowing consideration of the whole nasal cavity. The previous findings could be reproduced using this approach. Additionally, areas could be identified, where wall shear stresses between subjects and patients differed. The relevance of these regions must be investigated in subsequent studies.

Additionally, another study aimed at validation of the simulation of nasal airflow using the current standard of functional diagnostic of nasal breathing. Here, the nasal resistance of three patients with different degrees of nasal obstruction was calculated and compared against in-vivo measurements. The simulations underestimated the in-vivo measurements. This is a common problem of all publications that reported numerically calculated nasal resistances. Despite intensive efforts, the cause of these differences has not yet been identified.