Jurnal Biosciences and Medicines, 2013, 1, 23-27 JBM http://dx.doi.org/10.4236/jbm.2013.12006 Diterbitkan online pada 2013 (http://www.scirp.org/journal/jbm/)

Penelitian ukuran karakteristik dari rongga hidung manusia

dan analisis pernapasan aliran udara CFD *

Jun Zhang Advanced Technology of Transportation Vehicle Key Laboratory of Liaoning Province, Dalian Jiaotong University, Dalian, China Email: armyzhang@sina.com

Diterima 2013

ABSTRAK

Untuk mempelajari distribusi aliran udara di rongga hidung manusia selama respirasi dan parameter-parameter karakteristik struktur hidung, tiga dimensi representasi anatomi akurat model rongga hidung orang dewasa direkonstruksi berdasarkan proses gambar tomography yang dikumpulkan dari orang normal. Bidang aliran udara di rongga hidung yang disimulasikan menggunakan dinamika fluida dengan elemen peranti lunak ANSYS. Hasil penelitian menunjukkan bahwa perbedaan struktur rongga hidung manusia menyebabkan berbagai distribusi aliran udara di rongga hidung dan aliran udara utama melewati meatus nasalis. Resistensi hidung di daerah katup dan vestibula menyumbang lebih dari setengah dari resistesi keseluruhan. Model karakteristik rongga hidung diekstraksi berdasarkan poin-poin karakteristik dan dimensi dikurangkan dari model asli. Hal ini menunjukkan bahwa baik struktur geometris atau medan aliran udara-dari dua jenis model serupa. Dimensi karakteristik adalah parameter-parameter karakteristik rongga hidung yang benar-benar mewakili model asli dalam penelitian untuk rongga hidung.

Kata kunci: Rongga hidung; Dimensi karakteristik; Rekonstruksi tiga dimensi; Simulasi numerik Arus Lapangan; Komputasi Dinamis Fluida; Metode Elemen.

1. PENDAHULUAN

Hidung adalah pajanan pertahanan pertama untuk invasi luar dalam sistem pernapasan

manusia untuk melindungi kehidupan. Hal ini melibatkan fungsi penyaringan,

1

pemanasan,,melembabkan udara yang dihirup sehingga melindungi struktur lunak pada

sistem saluran pernapasan bawah. Dengan perkembangan penelitian saat ini mengenai

mekanisme patogen dan penerapan alat iatrical seperti endoskopi telah menunjukkan struktur

abnormal rongga hidung pada beberapa hidung [1]. Beberapa peneliti telah menyelidiki

karakter aliran udara-di rongga hidung untuk mencoba menemukan korelasi antara struktur

hidung dan penyakit hidung [2]. Metode simulasi numerik untuk aliran udara sangatlah

membantu dalam penelitian ini. Dengan mensimulasikan struktur dan fungsi rongga hidung

dengan teori konstruksi tiga dimensi ulang dengan komputer, kita dapat mempelajari wabah,

pengobatan dan pencegahan penyakit hidung. Keyhani [3] dibangun mesh elemen dari

rongga hidung manusia dari scan CAT. Dalam karyanya, yang mapan Navier-Stokes dan

negosiasi kelangsungan diselesaikan secara numerik untuk menentukan pola aliran udara

laminar di rongga hidung pada tingkat aliran pernapasan statis. Hasil numerik divalidasi oleh

perbandingan dengan pengukuran eksperimental rinci dari [4] studi Hahn. Martonen [5] dkk.

membangun model komputasi tiga dimensi dari saluran pernapasan huruf besar manusia

yang menampilkan kedua sisi rongga hidung. Model termasuk saluran udara dari kepala dan

tenggorokan berdasarkan cast dari model pembelajaran sekolah kedokteran. Hasil penelitian

menunjukkan pola aliran udara di nilai laju aliran yang berbeda dan profil kecepatan selama

menghirup dan menghembuskan nafas. Subramaniam [6] dkk. mewakili dimensi, model

komputasi tiga dari rongga hidung orang dewasa dan nasofaring, dan menyelesaikan Navier-

Stokes dan persamaan kontinuitas untuk aliran udara dengan menggunakan metode elemen

dalam kondisi inspirasi dalam. Model ini dikembangkan dari scan MRI hidung seseorang.

Model rongga hidung dibagi menjadi beberapa daerah dan pembagian aliran antara berbagai

daerah hidung secara rinci. Kim [7] diteliti aliran udara di rongga hidung normal dan

abnormal dan pembedahan dibuat model eksperimen dengan Partikel Gambar Velocimetry

(PIV). Distribusi rata-rata aliran udara di hidung normal dan ab normal diperoleh. Dalam

kasus simulasi operasi bedah, distribusi kecepatan di bagian koronal berubah secara lokal.

Reimersdahl [8] dan Hörschler [9] mempresentasikan hasil simulasi numerik aliran udara di

model rongga hidung manusia yang menunjukkan perjanjian baik dengan temuan

eksperimental. Sampai saat ini, sedikit prinsip tepat untuk menggambarkan hubungan rongga

hidung dengan parameter karakteristik struktur hidung telah dikemukakan. Hal ini penting

untuk membangun berbagai model numerik untuk untuk karakter aliran udara vestigate

2

dalam struktur hidung yang berbeda mempertimbangkan perbedaan individu rongga hidung

manusia. Dalam tulisan ini, tiga puluh model elemen dari rongga hidung relawan sehat

direkonstruksi. Hasil simulasi menunjukkan distribusi aliran udara dan hubungan antara

distribusi aliran udara dan struktur rongga hidung. Salah satu model ini telah dijelaskan

dengan model yang khas pada struktur geometris dan bidang aliran udara untuk

mengevaluasi kelayakan metode untuk melihat dimensi karakteristik rongga hidung manusia.

2. METODE

2.1. Rekonstruksi Model

Tiga puluh relawan (18 laki-laki dan 12 perempuan dengan umur 25-55 tahun,

rata-rata usia 30 tahun, Han Nationality) dari Cina Timur yang dipilih secara acak.

Mereka tidak memiliki riwayat penyakit hidung atau abnormitas hidung lainya. Setiap

relawan diperiksa menggunakan rhinoskopi anterior hidung dan endoskopi dimana

peneliti memastikan septum tidak memiliki penyimpangan. Model hidung dikembangkan

dari CT scan dioperasikan di Afiliasi Kedua Rumah Sakit Dalian Medical University.

Pada potongan coronal dari rongga hidung dengan interval 3 mms yang digunakan untuk

merekonstruksi sehingga menggambarkan struktur hidung. Dengan bantuan dari ahli

radiologi dan ahli bedah expertise CT scan hidung dan anatomi, terlihat mukosa hidung

dan udara di rongga hidung yang digambarkan dari setiap gambar koronal yang akan

dihubungkan bersama untuk membentuk sebuah model tiga dimensi. Model dibangun

dan menyatu secara otomatis oleh perangkat lunak elemen ANSYS setelah koreksi

artefak yang diperlukan dikeluarkan.

Potongan melintang, sagital dan atas dari contoh model hidungyang menyatu

ditunjukkan pada Gambar 1. Model di udara yang diperpanjang artifisial sehingga aliran

udara bisa memperpanjang menyeluruh di sana.

2.2. Simulasi numerik

Persamaan yang mengatur aliran udara melalui saluran napas atas adalah kekekalan

massa (kontinuitas) dan persamaan Navier-Stokes, dinyatakan sebagai:

3

Gambar 1. Rekonstruksi model tiga dimensi rongga hidung

Dimana adalah komponen kecepatan dalam koordinat Cartesian

dan p adalah symbol dari tekanan (pressure). P adalah kepadatan massa udara dan υ

adalah koofisien kekentalan.

Lubang hidung (Bagian Ω1 dari Gambar 1) langsung membuka ke atmosfer dengan

kondisi batas tekanan PΩ1 = 101.325 Pa. Dinding interior (Bagian Ω Gambar 1) dari

rongga hidung disederhanakan sebagai permukaan kaku karena deformasi yang kecil

dan akibatnya lemahnya bidang aliran udara. Kondisi batas non-slip, uΩ = 0, ditugaskan

4

ke dinding dalam. Kapasitas inspirasi biasa untuk santai, inhalasi stabil / ekshalasi yaitu

antara 400mls dan 600 ml per periode [10] dengan tingkat inspirasi dari 15-25 napas /

menit [11] berdasarkan pengamatan medis. Nilai batas atas 600 ml diadopsi dalam

tulisan ini. Diasumsikan bahwa periode pernapasan (siklus sebuah inhalasi dan

pernafasan) adalah 3 detik, dan kecepatan aliran udara bervariasi hapir sama dengan

waktu di bagian keluar, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. sumbu vertikal dan

sumbu horisontal menunjukkan aliran udara fluks dan waktu, masing-masing. Huruf a

menunjukkan nilai puncak dari aliran udara fluks dalam periode inspirasi; huruf b

menunjukkan nilai puncak aliran udara fluks dalam periode ekspirasi. Pada bagian pintu

keluar, kecepatan puncak itu dikalkulasikan melalui uΩ2 = Q / 0.75S, di mana Q adalah

volume tidal dan S adalah luas penampang dari pintu keluar. Syarat batas kecepatan

diberikan di atas penampang dari orofaring (Bagian Ω2 pada Gambar 1) berdasarkan

asumsi di atas.

Aliran udara melalui rongga hidung adalah simulasi numerik selama periode

bernapas seluruh setelah model itu menyatu dengan elemen tetrahedron. Aliran udara

digambarkan sebagai aliran turbulensi sementara dengan parameter gas ρ = 1,25 kg /

m3, υ = 1,7894 × 10-5 N · s / m2.

Gambar 2. Perubahan rasio aliran terhadap waktu pada periode pernapasan.

Standar Model turbulen k-ε diadopsi di ANSYS.

2.3. Ekstraksi Dimensi Karakteristik

Rongga hidung dibagi menjadi enam bagian utama: ruang depan hidung, katup

hidung, meatus nasal umum, meatus nasal tengah, meatus nasal bawah dan daerah

5

nasofaring, yang didefinisikan sebagai struktur karakteristik dari rongga hidung.

Tepatnya penampang dari rongga hidung dapat ditemukan pada tengah dan dapat muncul

atau menghilang (garis biru pada Gambar 3 (B)), dan titik (garis merah pada Gambar 3

(B)) dari sruktur karakteristik tersebut. Ini adalah bagian sifat-sifat dari struktur hidung

dimana vertexes didefinisikan sebagai titik karakteristik. Bentuk melintang dari ruang

depan hidung, katup hidung dan nasofaring yang disederhanakan sebagai segiempat, dan

lebar dan tinggi didefinisikan sebagai dimensi karakteristik mereka. Anatomi meatus

nasal jauh lebih kompleks daripada yang lain. Setiap meatus disederhanakan sebagai

sudut (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3 (A)). Poin karakteristik di meatus nasal

dilihat seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4 dan lebar dari meatus nasal

didefinisikan sebagai dimensi karakteristik. Model rongga hidung karakteristik relawan

yang dibentuk pada ANSYS berdasarkan data koordinat titik karakteristik seseorang dan

bidang aliran udara merupakan simulasi numerik. Perbandingan geometri antara model

karakteristik dan yang asli ditunjukkan pada Gambar 3.

3. HASIL

3.1. Distribusi Aliran Udara pada Rongga Hidung

Tekanan dan kecepatan pada setiap titik dalam rongga hidung dapat diperoleh setelah

simulasi numerik untuk tiga puluh model hidung diselesaikan. Model yang ditunjukkan

pada Gambar 5 adalah replikasi dari rongga hidung wanita. Sepotong pada posisi yang

tepat dipilih untuk menampilkan kecepatan

6

Gambar 3. Ekstraksi dari titik karakteristik dari meatus hidung

Gambar 4. Kecepatan (kiri), tekanan (tengah), vektor (kanan)

GamBar 5. Distribusi dari aliran udara pada fase hidung saat momen “a”

distribusi (Gambar 5 kiri), vektor kecepatan (Gambar 5 kanan) dan penurunan tekanan

(Gambar 5 tengah) yang ditampilkan arah aliran udara di rongga hidung pada saat b

ketika fluks aliran udara ekspirasi dan penurunan tekanan berada di nilai puncaknya.

Kecepatan aliran udara tertinggi muncul di wilayah katup hidung. Di wilayah katup

hidung dan ruang depan hidung, tekanan udara berubah tajam. Sebaliknya, menjadi

berubah perlahan-lahan di wilayah posterior rongga hidung dan nasofaring. Dalam tiga

puluh sample, resistensi aliran udara di wilayah 3 cm jarak dari lubang hidung

menyumbang 50,5% dari 77,8% ke dari keseluruhan resistensi saluran napas hidung.

Beberapa distribusi kecepatan perwakilan saat ini ditunjukkan pada Gambar 6. Gambar-

gambar ini menyatakan bahwa distribusi aliran udara di masing-masing model sedikit

7

\

Gambar 6. Perbandingan antara kecepatan (kiri) dan distribusi tekanan antara model

karakteristik dan rongga hidung asli.

berbeda dan fluks aliran udara pada satu sisi rongga hidung berbeda dari yang lain. Hasil

diindikasikan bahwa ada tiga mode distribusi aliran udara di saluran napas hidung: 1.

Arus utama melewati meatus nasal umum dan bagian sisa melewati tengah dan meatus

nasal inferior (yang ditunjukkan pada Gambar 6 kiri). Dalam mode ini, fluks aliran

udara melalui meatus nasal umum menyumbang 56,6% dari fluks keseluruhan. 2. Arus

utama melewati meatus nasal inferior dan meatus nasal umum (ditunjukkan pada

Gambar 5 tengah). Dalam mode ini, fluks aliran udara melalui meatus nasal inferior dan

meatus nasal umum menyumbang 60,5% dari semua fluks berlebihan. 3. aliran udara

utama melewati meatus nasal tengah dan meatus nasal umum (ditunjukkan pada Gambar

5 kanan). Dalam mode ini, fluks aliran udara melalui meatus nasal tengah dan meatus

nasal umum menyumbang 77,0% dari fluks keseluruhan.

Di antara tiga puluh sampel, tujuh dari mereka setuju dengan modus pertama; tujuh

dari mereka dikategorikan modus kedua. Empat belas sampel lain milik modus ketiga.

3.2. Perbandingan Distribusi Aliran Udara antara Model Karakteristik dan yang Asli

Dengan membandingkan distribusi aliran udara dari medan kecepatan (Gambar 6

kiri) dan bidang tekanan (Gambar 6 kanan) antara model karakteristik dan asli, itu

menunjukkan bahwa baik struktur geometri atau simulasi numerik adalah sama, dan

perbandingan numerik dan perbedaan adalah ditunjukkan pada Tabel 1.

8

4. DISKUSI

Mekanisme aliran udara di hidung manusia penting untuk memahami banyak aspek

biologi dan patologi pada saluran pernapasan. Penyelidikan ini menunjukkan bahwa fluks

aliran udara melalui kiri atau kanan sisi rongga hidung terletak pada resistensi aliran udara

atau luas penampang. Pada setiap sisi, distribusi aliran udara

Tabel 1. Perbedaan dimensi geometri dan sifat aliran udara antara dua model

Model asli Model

karakteristik

Perbedaan

Dimensi silang 0.036 m 0,046 m 12.20%

Dimensi Vertical 0,084 m 0,085 m 0,59%

Dimensi

Longitudinal

0,136 m 0,136 m 0.00%

Penurunan

tekanan

94,8 Pa 79,8 Pa 8,59%

Kecepatan

maksimal

9,279 m / s 9,260 m / s 0,10%

melewati rute dengan napas yang lebih luas. Resistensi biasanya lebih rendah di saluran napas

yang lebih luas seperti meatus nasal umumnya di mana ia memotong dengan meatus nasal

tengah. Selama dimensi struktur presentative dari rongga hidung diperoleh, yang dikeluarkan

sebagai titik karakteristik dan dimensi dalam makalah ini, distribusi aliran udara di rongga

hidung nyata dapat digambarkan dengan baik. Model bawah definisi dimensi karakteristik

dapat mewakili tidak hanya model asli, tetapi juga model dengan perkiraan dimensi

karakteristik. Ulyanov [12] tersedia dua model hidung khas dari jenis selatan dan tipe utara.

Karakter dari rongga hidung utara adalah bahwa konka rendah itu besar dalam ukuran dan

aliran udara utama melewati bagian tengah. Karakter dari jenis rongga hidung selatan adalah

bahwa konka rendah kecil dalam ukuran dan aliran udara utama melewati bagian inferior

interior [6]. Karena turbinate inferior yang besar, meatus nasal inferior sempit dan resistensi di

saluran napas ini adalah tinggi yang menyebabkan sebagian besar aliran udara yang melewati

meatus nasal tengah. Prinsip untuk rongga hidung tipe selatan adalah sama dengan jenis utara.

9

Ini adalah baik penggunaan dimensi karakteristik untuk mengidentifikasi manusia dengan

karakter struktur rongga hidungnya.

5. KESIMPULAN

Sebuah metode yang layak dikembangkan untuk merekonstruksi model numeric dari

rongga hidung. Melalui hasil simulasi numerik dari tiga puluh sampel distribusi aliran dalam

rongga hidung dapat digambarkan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa luas meatus

meningkatkan aliran udara akan melewatinya. Distribusi aliran udara akan berubah pada dua

sisi rongga hidung jika ada bagian dari struktur hidung yang bervariasi. Model numerik

berdasarkan dimensi karakteristik kemudian direkonstruksi. Hal ini menunjukkan bahwa baik

struktur geometris atau distribusi aliran udara dalam model karakteristik mirip dengan yang

asli. Kesimpulan dapat dibuat bahwa model karakteristik sebagian dapat menggantikan yang

asli dan bahkan model dengan perkiraan dimensi karakteristik selama model penelitian

terhadap rongga hidung.

REFERENSI

[1] Uliyanov, Y.P. (1997) Surgical reconstruction of nasal serodynamics. Proceedings of 16th

World Congress of Otolaryngology Head and Neck Surgery, XVI World Congress of

Otolaryngology Head and Neck Surgery, Sydney, 1591-1595.

[2] Liu, Y.X., Yu, S., Sun, X.Z., et al. (2005) Structure of nasal cavity and characters of airflow.

Chinese Journal of Otolaryngology Head and Neck Surgery, 40, 846-849.

[3] Keyhani, K., Scherer, P.W. and Mozell, M.M. (1995) Numerical simulation of airflow in the

human nasal cavi- ty. Journal of Biomechanical Engineering, 117, 429-441.

http://dx.doi.org/10.1115/1.2794204

[4] Hahn, I., Scherer, P.W., Mozell, M.M., et al. (1993) Ve- locity profiles measured for airflow

through a large scale model of he human nasal cavity. Journal of Applied Phy-

siology, 75, 2273-2287.

[5] Martonen, T.B., Quan, L., Zhang, Z., et al. (2002) Flow simulation in the human upper

respiratory tract. Cell Bi- ochemistry and Biophysics, 37, 27-36.

http://dx.doi.org/10.1385/CBB:37:1:27

10

[6] Subramaniam, R.P., Richardson, R.B. and Morgan, K.T. (1998) Computational fluid

dynamics simulations of in- spiratory airflow in the human nose and nasopharynx. Inhalation

Toxicology, 10, 91-120. http://dx.doi.org/10.1080/089583798197772

[7] Kim, S.K. and Chung, S.K. (2004) An investigation on airflow in disordered nasal cavity and

its corrected mod- els by tomographic PIV. Measurement Science and Tech- nology, 15, 1090-

1096. http://dx.doi.org/10.1088/0957-0233/15/6/007

[8] Reimersdahl, Th., Hörschler, I. and Gerndt, A. (2001) Air- flow simulation inside a model of

the human nasal cavity in a virtual reality based rhinological operation planning system.

International Congress Series, 1230, 87-92. http://dx.doi.org/10.1016/S0531-5131(01)00021-8

[9] Hörschler, I., Meinke, M. and Schröder, W. (2003) Nu- merical simulation of the flow field

in a model of the nasal cavity. Computers & Fluids, 32, 39-45. http://dx.doi.org/10.1016/S0045-

7930(01)00097-4

[10] Guitong, Y., Weiyi, C. and Jinbin, X. (1999) Biome- chanics. Chongqing Press, Chongqing.

[11] Keyhani, K. and Scherer, P.W. (1995) Numerical simula- tion of airflow in the human nasal

cavity. Journal of Bio- mechanical Engineering, 117, 429-441.

[12] Ulyanov, Y.P. (1998) Clinical manifestations the variants of nasal aerodynamics.

Otolaryngology Head and Neck Surgery, 119, 152-153.

11