Rinomanometría realizada por medio de la fluidodinámica computacional


La obstrucción nasal es un síntoma común en la práctica de la otorrinolaringología. Se presentan causas diversas como insuficiencia de la válvula nasal, hipertrofia de conchas inferiores y desvío del tabique nasal.

El síntoma puede afectar negativamente en varios aspectos de la vida de los pacientes. Casi el 60% de los pacientes con rinitis alérgica reportan déficit en la concentración y la productividad del trabajo como consecuencia de la obstrucción nasal.

El sueño se ve afectado por la fragmentación y la disminución de la eficiencia. Cuando el tratamiento clínico de la obstrucción nasal no produce resultado satisfactorio, o si la obstrucción se deriva de deformaciones anatómicas como la desviación del tabique nasal, el abordaje quirúrgico es una opción terapéutica.

La rinomanometría es el método objetivo más aceptado para medir la obstrucción nasal, pero es poco difundida en la práctica clínica. El método tiene una contribución limitada en la planificación quirúrgica. Y la existencia de correlación entre resistencia nasal y la manifestación de obstrucción parece estar restringida a individuos con resistencia nasal alta.

Es importante saber que los estímulos térmicos, también asociados a la sensación de respiración nasal adecuada, no son evaluados por rinomanometría.

A partir de la tomografía computarizada o resonancia magnética nuclear, se pueden obtener datos sobre la resistencia nasal y otras interacciones entre las estructuras anatómicas de la nariz y el flujo de aire que pasa por él.

Los pacientes de estudio

Los voluntarios eran pacientes  Ambulatorios de Otorrinolaringología del Hospital de Clínicas de la Facultad de Medicina de la Universidad de São Paulo (FMUSP) con edad superior a 18 años, hombres y mujeres con indicación previa de tomografía computarizada de senos paranasales y de rinomanometría.

Se excluyeron del estudio, los pacientes con presencia de hendidura palatina, infección nasosinusal aguda, tumor en la nariz o rinofaringe, obstrucción completa de al menos una cavidad nasal después del uso de droga vasoconstrictora, perforación del tabique nasal o uso del inhibidor de enzima monoaminoxidasa.

 

La Rinomanometría

La técnica utilizada para recoger datos sobre la resistencia de la cavidad nasal fue la rinomanometría anterior activa, antes y después de la aplicación de un vasoconstrictor tópico. El equipo utilizado fue el rinomanómetro NR6a.

El examen fue realizado con el voluntario en posición sentado. Para iniciar la recolección de muestras, se le indicó al voluntario a cerrar la boca e iniciar la respiración nasal. El examen se interrumpió después de cuatro ciclos respiratorios, que formaban una serie.

Al final de la recolección de cada Serie, la máscara era retirada de la cara y verificado el sello de la cinta adhesiva en la entrada de la cavidad nasal. Tres series fueron recogidas para cada cavidad nasal. Se excluyen las curvas de resistencia con artefactos y nuevas medidas. La resistencia nasal unilateral del voluntario fue definida como la media aritmética de la resistencia obtenida en las tres series.

 

El análisis de los datos de la rinomanometría

Los datos fueron analizados en forma bruta, diferencia de presión por flujo y por el resultado proporcionado por el rinomanómetro para la resistencia nasal a 75Pa. La presión diferencial 75Pa fue elegida para tratar de evitar la pérdida de datos si el voluntario no logra alcanzar 150Pa, sobre todo después de la aplicación del vasoconstrictor. La resistencia nasal obtenida por rinomanometría y CFD reportada en este proyecto siempre se refiere a las medidas unilaterales. Para evaluar la reproducibilidad de la rinomanometría se utilizó el coeficiente de variación entre las medidas de resistencia obtenidas en las tres series recogidas, para cada cavidad nasal.

Fluidodinámica computacional aplicada a la nariz

Todas las etapas de CFD fueron realizadas por el profesor. En la etapa 1 se utilizaron las computadoras del Departamento de Ingeniería Biomédica de la Escuela de Medicina de Wisconsin, EE.UU. y para la etapa 2 se utilizaron las computadoras del Departamento de Otorrinolaringología del HC-USP, Brasil.

Los modelos 3D de las cavidades nasales fueron exportados del programa Mimics 17.0 en formato STL e importados al programa computacional ANSYS ICEM-CFD 15.09.

La geometría fue construida para reproducir el montaje de la rinomanometría. La superficie de una esfera que intercepta la cara fue definida como Entrada del sistema, Figura D.

En cada fosa nasal se creó una superficie denominada Tape, que podría definirse como presente o ausente en el momento de la ejecución de la simulación numérica, Figura B. La superficie Tape equivale a la cinta adhesiva utilizada en la rinomanometría para aislar la entrada de la cavidad nasal. La salida del sistema se estableció en un plano axial en la región de la faringe.

La malla computacional fue creada con tetraedros. El tamaño de la malla computacional fue aproximadamente siete millones de elementos en el Estudio preliminar 1 y cinco millones en el Estudio principal. En el estudio preliminar 2, las mallas con aproximadamente un millón, dos millones, cuatro millones, ocho millones, 17 millones y 36 millones de elementos fueron probados para estudiar la influencia del tamaño de la malla en los resultados de la resistencia nasal calculada por CFD.

 

Simulaciones numéricas

Las simulaciones numéricas se realizaron en la condición de flujo estable, tiempo independiente (caudal constante), utilizando el programa ANSYS Fluent 15.010.

La convergencia fue definida como estabilidad del caudal en interacciones sucesivas, balance de masa (diferencia entre la masa de aire que entra y sale del sistema) con error <0,1% y residuos <0,0001 para las ecuaciones de velocidad.

En el Estudio preliminar 1, el modelo de flujo fue laminar. En el Estudio preliminar 2, se probaron ambos modelos de flujo, laminar y turbulencia k estándar. El modelo de turbulencia k- estándar fue utilizado en el Estudio principal. Los resultados de las simulaciones se analizaron con ayuda del programa informático FieldView11.

 

Impresión en 3D de las cavidades nasales

Para el Estudio preliminar 2, las réplicas de plástico de seis individuos fueron generadas por la impresión en 3D. Las réplicas fueron planificadas en el software ANSYS ICEM-CFD 15.0.

En la Figura A, el Modelo 3D utilizado para el cálculo CFD y en la Figura B, la Réplica de plástico correspondiente al Modelo 3D.

Resultados

La resistencia nasal después de la aplicación del vasoconstrictor se obtuvo con éxito en todos los voluntarios. Las simulaciones numéricas del flujo aerífero nasal alcanzaron los criterios de convergencia en todos los estudios de CFD realizados.

Como conclusión, es posible afirmar que la metodología de CFD para medir la resistencia nasal fue validada por medidas experimentales en réplicas de plástico de la nariz humana para el rango de presión operacional de la rinomanometría.

Se encontró correlación muy alta entre las medidas experimentales y las calculadas por CFD, modelo laminar y turbulencia k-correlación de Pearson de aproximadamente 0,98. Además, la exactitud de la CFD para predecir la resistencia nasal en las réplicas, en las diferencias de presión de 75Pa y 150Pa, fue alta para ambos modelos de CFD probados, entre el 90% y el 95%. El modelo de turbulencia k- presentó una precisión mayor que el modelo laminar, con significancia estadística para p ≤0,05.

En cuanto a la concordancia, el valor de la resistencia calculada por CFD no corresponde exactamente al valor proporcionado por rinomanometría anterior activa, presentando un desempeño promedio tal que la resistencia obtenida por CFD corresponde a aproximadamente el 65% de la resistencia medida por rinomanometría. Además de la influencia de la segmentación, se puede especular que la diferencia de los valores de resistencia provistos por los métodos puede, en parte, ser en razón de la metodología de CFD aquí aplicada que asumió una geometría de paredes rígidas y por lo tanto no reprodujo la movilidad real de la válvula nasal.


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