Uso do CFD para avaliar a resistência nasal ao fluxo de ar


A obstrução nasal é um sintoma presente em várias doenças nasais. Este Post apresenta um resumo da tese de doutorado do Prof. Dr. Giancarlo Cherobin que propôs desenvolver uma metodologia para o cálculo da resistência nasal ao fluxo aerífero por meio de fluidodinâmica computacional e, assim, comparar os resultados dessa técnica com os da rinomanometria.

Rinomanometria realizada por meio da fluidodinâmica computacional

A obstrução nasal é um sintoma comum na prática da otorrinolaringologia. Apresenta causas diversas como insuficiência da válvula nasal, hipertrofia de conchas inferiores e desvio de septo.

O sintoma pode afetar negativamente vários aspectos da vida dos pacientes. Quase 60% dos pacientes com rinite alérgica relatam déficit na concentração e na produtividade do trabalho em decorrência da obstrução nasal.

O sono é afetado com fragmentação e diminuição de eficiência. Quando o tratamento clínico da obstrução nasal não produz resultado satisfatório, ou se a obstrução decorre de deformações anatômicas como o desvio de septo, a abordagem cirúrgica é uma opção terapêutica.

A rinomanometria é o método objetivo mais aceito para mensurar a obstrução nasal, mas é pouco difundida na prática clínica. O método tem contribuição limitada no planejamento cirúrgico. E a existência de correlação entre resistência nasal e queixa de obstrução parece estar restrita a indivíduos com resistência nasal alta.

É importante saber que os estímulos térmicos, também associados à sensação de respiração nasal adequada, não são avaliados por rinomanometria.

A partir de tomografia computadorizada ou ressonância nuclear magnética,
podem ser obtidos dados sobre a resistência nasal e outras interações entre as estruturas anatômicas do nariz e o fluxo de ar que passa por ele.

Os pacientes do estudo

Os voluntários eram pacientes do Ambulatório de Otorrinolaringologia do Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo (FMUSP) com idade acima de 18 anos, homens e mulheres com indicação prévia de tomografia computadorizada de seios paranasais e de rinomanometria.

Foram excluídos do estudo, os pacientes com presença de fenda palatina, infecção nasossinusal aguda, tumor no nariz ou rinofaringe, obstrução completa de pelo menos uma cavidade nasal após uso da droga vasoconstritora, perfuração de septo nasal ou uso de inibidor da monoaminoxidase.

A Rinomanometria

A técnica utilizada para coletar dados sobre a resistência da cavidade nasal foi a rinomanometria anterior ativa, antes e após a aplicação de vasoconstritor tópico. O equipamento utilizado foi o rinomanômetro NR6a.

O exame foi realizado com o voluntário na posição sentada. Para iniciar a coleta de dados o voluntário era orientado a fechar a boca e iniciar a respiração nasal. O exame era interrompido após quatro ciclos respiratórios, que formavam uma Série.

Ao final da coleta de cada Série, a máscara era retirada da face e a vedação da fita adesiva na entrada da cavidade nasal verificada. Três Séries foram coletadas para cada cavidade nasal. Curvas de resistência com artefatos eram excluídas e novas medidas realizadas. A resistência nasal unilateral do voluntário foi definida como a média aritmética da resistência obtida nas três Séries.

A análise dos dados da rinomanometria

Os dados foram analisados na forma bruta, diferença de pressão por vazão e pelo resultado fornecido pelo rinomanômetro para a resistência nasal para 75Pa. A pressão diferencial 75Pa foi escolhida para tentar evitar a perda de dados caso o voluntário não conseguisse atingir 150Pa, sobretudo após a aplicação do vasoconstritor. A resistência nasal obtida por rinomanometria e CFD relatada neste projeto sempre se refere às medidas unilaterais. Para avaliar a reprodutibilidade da rinomanometria foi utilizado o coeficiente de variação entre as medidas de resistência obtidas nas três Séries coletadas, para cada cavidade nasal.

 

Fluidodinâmica computacional aplicada ao nariz

Todas as etapas de CFD foram realizadas pelo professor. Na etapa 1 foram utilizados os computadores do Departamento de Engenharia Biomédica da Escola de Medicina de Wisconsin, EUA e para a etapa 2 foram utilizados os computadores do Departamento de Otorrinolaringologia do HC-USP, Brasil.

Os modelos 3D das cavidades nasais foram exportados do programa Mimics 17.0 em formato STL e importados para o programa computacional ANSYS ICEM-CFD 15.09.

A geometria foi construída para reproduzir a montagem da rinomanometria. A superfície de uma esfera que intercepta a face foi definida como Entrada do sistema, Figura D.

Em cada narina era criada uma superfície, denominada Tape, que poderia ser definida como presente ou ausente no momento da execução da simulação numérica, Figura B. A superfície Tape equivale à fita adesiva utilizada na rinomanometria para isolar a entrada da cavidade nasal. A Saída do sistema foi estabelecida em um plano axial na região da faringe.

A malha computacional foi criada com tetraedros. O tamanho da malha computacional foi aproximadamente sete milhões de elementos no Estudo preliminar 1 e cinco milhões no Estudo principal. No Estudo preliminar 2, malhas com aproximadamente um milhão, dois milhões, quatro milhões, oito milhões, 17 milhões e 36 milhões de elementos foram testadas para estudar a influência do tamanho da malha nos resultados da resistência nasal calculada por CFD.

Simulações numéricas

As simulações numéricas foram realizadas na condição de fluxo estável, tempo independente (vazão constante), utilizando o programa ANSYS Fluent 15.010.

A convergência foi definida como estabilidade da vazão em interações sucessivas, balanço de massa (diferença entre a massa de ar que entra e sai do sistema) com erro <0,1% e resíduos <0,0001 para as equações de velocidade.

No Estudo preliminar 1, o modelo de escoamento foi laminar. No Estudo preliminar 2, ambos os modelos de escoamento, laminar e turbulência k-padrão, foram testados. O modelo de turbulência k- padrão foi utilizado no Estudo principal. Os resultados das simulações foram analisados com auxílio do programa de computador FieldView11.

Impressão 3D das cavidades nasais

Para o Estudo preliminar 2, réplicas de plástico de seis indivíduos foram geradas por impressão 3D. As réplicas foram planejadas no software ANSYS ICEM-CFD 15.0.

Na Figura A, o Modelo 3D utilizado para o cálculo CFD e na Figura B, a Réplica de plástico correspondente ao Modelo 3D.

Resultados

A resistência nasal após aplicação do vasoconstritor foi obtida com sucesso em todos os voluntários. As simulações numéricas do fluxo aerífero nasal atingiram os critérios de convergência em todos os estudos de CFD realizados.

Como conclusão, é possível afirmar que a metodologia de CFD para medir a resistência nasal foi validada por medidas experimentais em réplicas de plástico do nariz humano para a faixa de pressão operacional da rinomanometria.

Foi encontrada correlação muito alta entre as medidas experimentais e as calculadas por CFD, modelo laminar e turbulência k-correlação de Pearson de aproximadamente 0,98. Além disso, a acurácia da CFD para prever a resistência nasal nas réplicas, nas diferenças de pressão de 75Pa e 150Pa, foi alta para ambos os modelos de CFD testados, entre 90% e 95%. O modelo de turbulência k- apresentou acurácia maior que o modelo laminar, com significância estatística para p ≤0,05.

Quanto à concordância, o valor da resistência calculada por CFD não corresponde exatamente ao valor fornecido por rinomanometria anterior ativa, apresentando um desempenho médio tal que a resistência obtida por CFD corresponde a aproximadamente 65% da resistência medida por rinomanometria. Além da influência da segmentação, pode-se especular que a diferença dos valores de resistência providos pelos métodos pode, em parte, ser em razão da metodologia de CFD aqui aplicada que assumiu uma geometria de paredes rígidas e, portanto, não reproduziu a mobilidade real da válvula nasal.

Rinomanometria


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