[论文解读] Patient specific numerical simulation of flow in the human upper airways for assessing the effect of nasal surgery

Maria Rolstad Jordal, Sverre Gullikstad Johnsen+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2017

Obstructive Sleep Apnea Research参考文献 9被引用 4

一句话总结

本研究基于患者术前和术后CT扫描，采用基于患者特异性的计算流体动力学（CFD）模拟，评估鼻部手术对阻塞性睡眠呼吸暂停综合征（OSAS）患者血流动力学的影响。结果显示，术后鼻腔内血流分布更加均匀，尽管模拟的压力降有所增加——该差异可能源于CT扫描和几何重建的局限性。

ABSTRACT

The study is looking into the potential of using computational fluid dynamics (CFD) as a tool for predicting the outcome of surgery for alleviation of obstructive sleep apnea syndrome (OSAS). From pre- and post-operative computed tomography (CT) of an OSAS patient, the pre- and post-operative geometries of the patient's upper airways were generated. CFD simulations of laminar flow in the patient's upper airway show that after nasal surgery the mass flow is more evenly distributed between the two nasal cavities and the pressure drop over the nasal cavity has increased. The pressure change is contrary to clinical measurements that the CFD results have been compared with, and this is most likely related to the earlier steps of modelling - CT acquisition and geometry retrieval.

研究动机与目标

• 评估计算流体动力学（CFD）作为阻塞性睡眠呼吸暂停综合征（OSAS）手术结果预测工具的潜力。
• 利用患者特异性解剖模型，研究鼻部手术后上气道血流动力学的变化。
• 将CFD模拟结果与临床测量数据进行比较，以验证模型预测准确性的能力。
• 识别CFD模拟与测量压力变化之间差异的来源。

提出的方法

• 从一位OSAS患者获取术前和术后的计算机断层扫描（CT）影像。
• 基于CT数据的分割结果，生成患者特异性的上气道三维几何模型。
• 应用稳态层流CFD模拟，对重建的气道模型进行血流模拟。
• 分析手术前后鼻腔内质量流量分布及压力降的变化。
• 将CFD预测的压力变化与同一位患者的临床测量数据进行对比。
• 采用基于生理假设的标准CFD求解器和边界条件进行血流模拟。

实验结果

研究问题

• RQ1 鼻部手术如何影响OSAS患者双侧鼻腔间血流分布？
• RQ2 CFD模拟在多大程度上能够预测术后鼻腔内压力降的变化？
• RQ3 为何CFD预测的压力变化与同一位患者的临床测量结果存在差异？
• RQ4 CT扫描和几何重建在CFD模拟结果中引入误差方面起到何种作用？

主要发现

• 术后CFD模拟显示，双侧鼻腔之间的质量流量分布较术前更加均衡。
• 与临床测量结果相反，模拟显示术后鼻腔内压力降有所增加。
• 模拟与临床数据在压力变化上的差异，归因于早期建模阶段的不准确性，尤其是CT扫描和几何重建环节。
• 尽管存在压力不匹配，模拟仍成功捕捉到血流对称性的改善，表明CFD在评估手术结果方面具有潜力。
• 本研究强调了CFD结果对基于医学影像的患者特异性解剖重建质量的高度敏感性。
• 研究结果强调了改进图像分割与几何建模技术的必要性，以提升CFD在临床应用中的准确性。