Сайт издательства «Медиа Сфера»
содержит материалы, предназначенные исключительно для работников здравоохранения. Закрывая это сообщение, Вы подтверждаете, что являетесь дипломированным медицинским работником или студентом медицинского образовательного учреждения.

Щербаков Д.А.

клиника ФГБУ «Всероссийский центр глазной и пластической хирургии» Минздрава России, Уфа, Россия, 450075

Кокарева В.В.

ФГБУ «Всероссийский центр глазной и пластической хирургии» Минздрава России, Уфа, Россия, 450085

Черемных Н.И.

ФГБОУ ВО «Омский государственный медицинский университет» Минздрава России, Омск, Россия, 644099

Алексанян Т.А.

Клиника «Art plastic», Москва, Россия, 123308

Вычислительная аэродинамика воздушных потоков в полости носа при перфорации перегородки носа

Журнал: Вестник оториноларингологии. 2020;85(1): 64‑67

Просмотров : 692

Загрузок : 17

Как цитировать

Щербаков Д.А., Кокарева В.В., Черемных Н.И., Алексанян Т.А. Вычислительная аэродинамика воздушных потоков в полости носа при перфорации перегородки носа. Вестник оториноларингологии. 2020;85(1):64‑67.
Shcherbakov DA, Kokareva VV, Cheremnykh NI, Aleksanyan TA. CFD simulation study of aerodynamics in nasal cavity in a case of septal perforation. Vestnik Oto-Rino-Laringologii. 2020;85(1):64‑67. (In Russ.).
https://doi.org/10.17116/otorino20208501164

Авторы:

Щербаков Д.А.

клиника ФГБУ «Всероссийский центр глазной и пластической хирургии» Минздрава России, Уфа, Россия, 450075

Все авторы (4)

Введение

Перфорации перегородки носа являются актуальной медико-социальной проблемой. Ключевым раздражающим фактором при сквозном дефекте перегородки носа является воздушная струя, при этом представление перфорации всего лишь как дефекта в носовой перегородке не отвечает компетенциям современного ринолога. Лечение перфораций представляется непростой задачей, что в первую очередь связано с техническими сложностями хирургического закрытия и неоднородностью клинических проявлений данной группы. Метод вычислительной аэродинамики является современным способом изучения воздушных потоков в носовой полости [1—4]. Проведенные ранее исследования в данной области были в основном направлены на изучение скоростных показателей в зависимости от размера и локализации перфорации [5]. При этом при анализе жалоб пациентов ключевым является не столько наличие свиста, сколько рецидивирующие спонтанные носовые кровотечения и образование корок, то есть значимый дискомфорт приносит не нарушение потока воздушной струи, а нарушение функции согревания и увлажнения вдыхаемого воздуха. Все это обусловливает актуальность изучения перфораций перегородки носа с позиции нарушенных функций полости носа.

Цель: с помощью метода CFD-моделирования изучить степень нарушения согревания и увлажнения вдыхаемого воздуха при перфорации перегородки носа различных размеров и локализации.

Материал и методы

Базой для настоящего исследования послужило оториноларингологическое отделение АО «МСЧ “Нефтяник”», г. Тюмень. В качестве объекта исследования были выбраны 30 условно здоровых пациентов (19 женщин и 11 мужчин, средний возраст 34±16,7 года). В качестве критериев исключения учитывались хронические заболевания носовой полости и околоносовых пазух, аномалии строения носовой полости, эпизоды острого риносинусита в последние 3 мес. Предметом исследования послужили CFD-модели. Для этого на основании КТ-снимков высокой точности в виде файлов с расширением. dicom каждого пациента были созданы геометрические модели носовой полости, которые далее с помощью специализированного программного обеспечения проходили этапы сегментизации (использовалось программное обеспечение Slicer, Geomagic studio). Полученные CAD-модели импортировались в Ansys Meshing, где происходило генерирование расчетной сетки, и далее в программе Ansys Fluent производились необходимые расчеты и моделирование воздушных потоков в носовой полости. Важным этапом CFD-моделирования, влияющим на точность и достоверность результатов, является построение расчетной сетки носовой полости. Необходимо достаточное количество ячеек, обеспечивающих независимость расчетного результата от размерности сетки. На основании результатов анализа независимости была сгенерирована структурированная сетка, состоящая из 2 500 000 ячеек. На основании каждого КТ-снимка были созданы 4 рабочие модели (общее количество — 120):

1) перфорация в переднем отделе носовой перегородки на уровне переднего конца нижней носовой раковины размерами 10 мм;

2) перфорация в переднем отделе перегородки носа на том же уровне размерами 20 мм;

3) перфорация в костном отделе носовой перегородки на уровне прикрепления нижней носовой раковины размерами 10 мм;

4) перфорация в костном отделе носовой перегородки на том же уровне размерами 20 мм (рис. 1).

Рис. 1. Рабочие модели на этапе 3-D моделирования. а — перфорация в переднем отделе носовой перегородки на уровне переднего конца нижней носовой раковины размерами 10 мм; б — перфорация в переднем отделе перегородки носа на том же уровне размерами 20 мм; в — перфорация в костном отделе носовой перегородки на уровне прикрепления нижней носовой раковины размерами 10 мм; г — перфорация в костном отделе носовой перегородки на том же уровне размерами 20 мм.

Процесс численного моделирования основан на приближенном решении системы уравнений Навье—Стокса для каждой ячейки. С учетом специфики физиологии носовой полости воздушный поток представляется преимущественно ламинарным при выбранной расчетной объемной скорости 300 мл/с и давлении 0 Па у начала ноздрей и –50 Па в области глотки, что потребовало применения статистической теории турбулентности, основанной на работах Рейнольдса (метод URANS). Также предполагается, что жидкость на твердой границе (слизь на стенках носовой полости) имеет нулевую скорость (no-slip condition), а гравитационные силы не учитываются. Данное допущение не влияет на результаты исследования и используется многими учеными для простоты вычислений [6].

Вычисление значений температуры и влажности воздушного потока потребовало применения специальных уравнений.

Относительная влажность воздуха в носоглотке расcчитывалась по формуле:

Исходя из того, что δmemb — это толщина слизистой оболочки, речь идет об упрощенной модели слизистой оболочки без учета желез и ресничек мерцательного эпителия; F0 — массовая доля воды на внутренней поверхности слизистой оболочки полости носа, принятая за константу, которую обеспечивает капиллярная сеть; Fs — массовая доля воды на наружной поверхности слизистой оболочки полости носа.

Wmemb — означает поток воды, проходящий от внутренней поверхности слизистой оболочки полости носа к наружной, который рассчитывался по формуле:

где Dmemb и n представляют коэффициент диффузии массы воды слизистой оболочки полости носа. Если F0>Fs, то Wmemb направлен в сторону наружной поверхности слизистой оболочки полости носа от внутренней ее поверхности и вдыхаемый воздух увлажняется этой водой.

Учитывая, что в норме слизистая оболочка полости носа покрыта двойным слоем слизи, мы также рассчитывали поток воды, проходящий через двойной слой слизи, Wbl:

где Dbl — коэффициент диффузии массы воды двойного слоя слизи на поверхности слизистой оболочки полости носа. Абсолютная влажность рассчитывалась, исходя из значений температуры воздушного потока в носоглотке.

Температура воздушного потока в носоглотке рассчитывалась по формуле:

где Qmemb — поток тепла, проходящий через слизистую оболочку от ее внутренней поверхности к наружной; δmemb — толщина слизистой оболочки; T0 — температура на внутренней поверхности слизистой оболочки, которая является постоянной и поддерживается капиллярной сетью; Ts — температура на поверхности слизистой оболочки. Kmemb и n отражают теплопроводность слизистой оболочки полости носа.

Температура воздушного потока в области крыльев носа была принята за 24 °C, что соответствует диапазону нормальных температурных значений комнатных помещений и схоже с измерениями in vivo [7].

Далее производилось численное моделирование следующих параметров: скорость и направление вдыхаемого воздуха, температура и влажность входящего воздушного потока в области носоглотки. Полученные значения температуры и влажности вдыхаемого воздуха на уровне носоглотки сравнивали с нормальными значениями (скорость воздушного потока 12±1,5 м/с, температура и влажность в области носоглотки 35,9°C и 100% соответственно). Статистический анализ полученных показателей проводился с использованием t-критерия Стьюдента.

Результаты и обсуждение

Перфорация перегородки носа нарушает одну из главных функций перегородки носа — обеспечение раздельного дыхания, что делает невозможным попеременную работу двух половин носа, иначе — существование носового цикла. Дефект в перегородке носа приводит к патологическому воздушному обмену. Для наглядности патологического воздухообмена представлены аэродинамические модели в виде срезов на уровне центральной части перфорации (рис. 2).

Рис. 2. Объем патологического воздухообмена и скоростные показатели. Представлены срезы на уровне центральной части перфорации. а — перфорация в переднем отделе носовой перегородки на уровне переднего конца нижней носовой раковины размерами 10 мм; б — перфорация в переднем отделе перегородки носа на том же уровне размерами 20 мм; в — перфорация в костном отделе носовой перегородки на уровне прикрепления нижней носовой раковины размерами 10 мм; г — перфорация в костном отделе носовой перегородки на том же уровне размерами 20 мм.

Представляется, что чем больше площадь дефекта, тем больше объем воздушного шунта между двумя половинами носа. Так, наибольший патологический воздухообмен между двумя сторонами носовой полости регистрировался при размере перфорации 20 мм, он составил 46,5±8,3% против 15,56±5,3% при размере дефекта 10 мм. Данная закономерность характерна для перфораций перегородки носа с локализацией в переднем отделе. Стоит отметить, что объем и направление шунта (слева направо или справа налево) зависят от анатомических особенностей носовой полости, к примеру от наличия искривления носовой перегородки. Так, воздушной поток проходит через перфорацию носовой перегородки в сторону искривленной половины носа при локализации деформации перед перфорацией и наоборот [8]. Напротив, при локализации перфорации перегородки носа в костном отделе воздухообмен был минимальным (5,7±3,1%, p<0,05) и воздушный поток преимущественно проходил по своей половине носовой полости.

Перфорации в переднем отделе носовой перегородки существенно влияли на аэродинамику, вызывая увеличение скорости и турбулентность воздушного потока. Так, скорость входящего потока воздуха при перфорации размером 10 мм составила 17±3,5 м/с, что на 40% превышает скорость в нормальной носовой полости. Увеличение размеров дефекта в передней части приводило к возрастанию скорости входящего потока. Данное обстоятельство объясняется значительным воздухообменом. Достоверным также является тот факт, что перфорации в заднем отделе перегородки носа не приводили к существенному увеличению скорости потока (см. рис. 2), что согласуется с данными других авторов [9, 10].

Тем не менее основная цель нашего исследования состоит в изучении таких характеристик, как температура и влажность вдыхаемого воздуха. Увеличение скорости воздушного потока негативно влияет на основные функции НП — согревание и увлажнение вдыхаемого воздуха, что наиболее ярко проявляется при увеличении размера дефекта: температура 33,1±0,3°C и 30,5±0,9°C и влажность 97±0,34% (34,26±1,16 г/м3) и 93±0,7% (28,75±2,01 г/м3) при дефектах размерами 10 мм и 20 мм соответственно (рис. 3).

Рис. 3. Температурные значения вдыхаемого воздуха. Модели носовой полости: а — модель носовой полости с перфорацией в переднем отделе носовой перегородки на уровне переднего конца нижней носовой раковины размерами 10 мм; б — модель носовой полости с перфорацией в переднем отделе перегородки носа на том же уровне размерами 20 мм; в — модель носовой полости с перфорацией в костном отделе носовой перегородки на уровне прикрепления нижней носовой раковины размерами 10 мм; г — модель носовой полости с перфорацией в костном отделе носовой перегородки на том же уровне размерами 20 мм.

Ряд авторов считают, что данная особенность объясняется значительным массообменном [10]. Полученные нами данные свидетельствуют о том, что чем больше размер перфорации в переднем отделе, тем более холодный воздух проходит через нее. Возможно, данный факт объясняется отсутствием не просто структуры, разделяющей два потока, а функционально значимой слизистой оболочкой. Тем не менее данная тенденция определялась только при перфорациях в передних отделах. При локализации дефекта в костной части перегородки носа значения температуры и влажности воздушного потока в пределах нормы.

Выводы

Перфорации перегородки носа в переднем отделе вызывают существенное нарушение аэродинамики, которое проявляется в увеличении скорости, снижении температуры и влажности входящего воздушного потока. Именно нарушением функции согревания и увлажнения можно объяснить образование корок. Таким образом, хирургическое закрытие перфорации перегородки носа имеет цель не только обеспечить раздельный воздушный поток, но и восстановить функции согревания и увлажнения. При выполнении данных условий лечение можно считать успешным. Перфорации в заднем отделе незначительно влияют на аэродинамику и протекают бессимптомно. Тем не менее понимание патофизиологии перфорации перегородки носа еще находится на начальном этапе и требует пристального внимания со стороны научных деятелей и практикующих врачей.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflict of interest.

Сведения об авторах

Щербаков Д.A. — e-mail: dmst@bk.ru; https://orcid.org/0000-0002-4334-3789

Кокарева В.В. — e-mail: kokareva_val@mail.ru; https://orcid.org/0000-0003-1930-3653

Черемных Н.И. — e-mail: nikita_cheremnyh@mail.ru; https://orcid.org/0000-0003-0010-6959

Алексанян Т.А. — e-mail: doctigran@mail.ru; https://orcid.org/0000-0002-9164-6282

Автор, ответственный за переписку: Щербаков Д. A. — e-mail: dmst@bk.ru

Подтверждение e-mail

На test@yandex.ru отправлено письмо с ссылкой для подтверждения e-mail. Перейдите по ссылке из письма, чтобы завершить регистрацию на сайте.

Подтверждение e-mail