NON-INVASIVE UPPER AIRWAY STUDY USING … upper airway study using computational fluid dynamics and ct-scan to improve the treatment of obstructive sleep apnea syndrome

NON-INVASIVE UPPER AIRWAY STUDY USING COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS AND CT-SCAN

TO IMPROVE THE TREATMENT OF OBSTRUCTIVE SLEEP APNEA SYNDROME.

International Center for Numerical Methods in Engneering Edificio C1, Campus Norte UPC

Gran Capitán, s/n 08034 Barcelona, Spain

www.cimne.upc.es

Noviembre 24-11-2011

NON-INVASIVE UPPER AIRWAY STUDY USING COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS AND CT-SCAN TO IMPROVE THE TREATMENT OF

OBSTRUCTIVE SLEEP APNEA SYNDROME.

Reporte Técnico CIMNE-BIOMENG CIMNE BIOMEDICAL ENGINEERING DEPARTAMENT

© The Authors

PN112011_BIOMENG_V2 Página 3 de 68

HISTORIA

Versión Fecha Anotaciones

V1 05-11-2011 Autores: ES, MB, JIG, AA, BS, JC, FAV. Primera versión

V1.1 05-11-2011 Autores: ES, MB, JIG, AA, BS, JC, FAV Se agregan correcciones sobre la V1

V1.2 22-11-2011 Autores: MB, ES, FAV, AA, JC Modificaciones de la zona de estudio de los pacientes (CMS, AGG, RDM, JAAR). Se ha añadido imágenes 3D de los pacientes JAAR, ERG y FCV a petición de AA. Falta paciente ERG.

V2 24-11-2011 Autores: ES, MB, BS, FAV, AA, JC Segunda Versión

Eduardo Soudah1 (ES), Maurizio Bordone1 (MB), Joaquin Irazabal Gonzalez2 (JIG), Alberto Álvarez Suárez2 (AA), Benjamín Suarez1 (BS), Dr.Juan Cobo2 (JC), Dr.Félix Antonio De Carlos Villafranca2 (FAV). 1CIMNE Biomedical Engineering Department. Centre Internacional de Mètodes Numèrics en Enginyeria. Edifici C1, Campus Nord‐UPC, Gran Capità, s/n, 08034 Barcelona. E‐mail: [email protected] Página Web: www.cimne.com. 2 Asturiana de Dispositivos Intraorales para el Tratamiento de la Apnea del Sueño S.L. C/ Catedrático José Serrano 10 Bajo. 33006. Oviedo. Asturias. España. [email protected] Página Web: www.aditas.es

Indice Resumen estudio. ....................................................................................................................................... 4

Paciente AGG ............................................................................................................................................... 5

Paciente AAS .............................................................................................................................................. 11

Paciente CPC ............................................................................................................................................. 14

Paciente CMS ............................................................................................................................................. 22

Paciente ERG ............................................................................................................................................. 28

Paciente FCV .............................................................................................................................................. 35

Paciente JAAR ............................................................................................................................................ 44

Paciente JPA .............................................................................................................................................. 51

Paciente MAA ............................................................................................................................................. 57

Paciente RDM ............................................................................................................................................. 59

Conclusiones. ............................................................................................................................................ 65


Resumen estudio.

El estudio pretende simular los cambios de velocidad y presión en casos de sujetos que presentan apnea

durante el sueño, debida a malformaciones anatómicas del tracto faríngeo. Se están estudiando 3 casos

para las siguientes disposiciones:

‐ Caso1: situación de reposo

‐ Caso2: con dispositivo DAM, y boca cerrada

‐ Caso3: con dispositivo DAM, y boca abierta

A continuación se detallan las condiciones utilizadas para la generación del modelo numérico y

simulación.

1. Procedimientos adquisición geometrías (TAC 3D).

2. Cálculo y análisis fluido‐dinámica (CFD). (CIMNE).

3. Condiciones y propiedades físicas (Aire a 25º).

a. Inlet: Nariz, imposición de la velocidad U=A∙sin(2πft) con T=3.75 o T=1 sec

(T=1/f) o y valores de A tales que produzcan un volumen de aire de

aproximativamente 500ml.

b. Outlet: Laringe P=0

c. Flujo Laminar

d. Densidad ρ = 1.1614 kgm‐3

e. Viscosidad Dinámica μ = 1.846x10‐5 kgm‐1s‐1

Para un correcto análisis de los resultados, el flujo de aire se ha normalizado para las 3 disposiciones diferentes, tomando siempre como situación de referencia la situación de reposo. Se han realizado 25 cortes transversales equiespaciados a lo largo del eje central de la faringe. En los casos donde no fue posible segmentar la cavidad orofaringea hasta las cavidades nasales se ha realizado un número inferior de cortes, de modo pero que las secciones resultantes fueran a la misma altura “anatómica” para cada prueba.

Para cada uno de los pacientes los resultados obtenidos han sido:

1. Distribución de presiones en diferentes secciones transversales de la faringe. 2. Análisis gráfica de la distribución de presión en una sección longitudinal pasante por

el eje de la geometría. 3. Distribución de velocidad en la sección longitudinal central de la faringe. 4. Análisis gráfica del campo de velocidades en una sección longitudinal pasante por el

eje de la geometría. 5. Comparación de las áreas en diferentes secciones transversales de la faringe.

Cada uno de estos resultados se muestra para cada una de las disposiciones de cada paciente.


Paciente AGG

Sin DAM DAM (Boca Cerrada) DAM (Boca Abierta)

A continuación se muestra las áreas (mm2) obtenidas para diferentes secciones transversales (0,5mm) en

cada una de las diferentes disposiciones. También se muestra la diferencia relativa de las áreas entre las

disposiciones con DAM (Boca Cerrada y Boca Abierta), tomando como referencia el paciente sin DAM.

Secciones Sin DAM DAM & Boca Cerrada DAM & Boca Abierta % DAM Boca Cerrada & SIN DAM % DAM Boca Abierta & SIN DAM

1 212,45 326,74 255,83 53,79618734 20,4189221

2 178,01 272,4 220,85 53,02511095 24,0660637

3 134,67 199,55 189,76 48,17702532 40,90740328

4 108,51 177,54 177,06 63,61625657 63,17390102

5 56,367 113,89 113,07 102,0508454 100,5960935

6 32,957 62,513 79,528 89,68049276 141,3083715

7 29,136 49,341 273,16 69,34719934 837,5343218

8 85,569 107,72 226,28 25,88671131 164,4415618

9 104,09 125,95 184,56 21,00105678 77,30809876

10 138,39 167,88 180,26 21,30934316 30,25507623

11 175,63 232,49 175,43 32,37487901 ‐0,113875762

12 218,48 279,64 168,81 27,99340901 ‐22,73434639

13 217,56 300,73 186,24 38,22853466 ‐14,39602868

14 237,09 328,98 204,64 38,75743389 ‐13,68678561

15 328,04 411,87 209,76 25,55481039 ‐36,05657847

16 291,3 313,27 271,41 7,542052866 ‐6,828012358

17 275,99 262,1 332,11 ‐5,032791043 20,33407008

18 224,9 189,02 282,6 ‐15,95375723 25,65584704

19 171,38 163,12 175,33 ‐4,819698915 2,304819699

20 157,56 167,05 140,41 6,02310231 ‐10,88474232

21 169,89 199,01 154,54 17,14050268 ‐9,035258108

22 196,18 194,63 183,4 ‐0,790090733 ‐6,514425528

23 184,05 205,83 171,62 11,83374083 ‐6,753599565

24 205,86 253,76 194,86 23,26824055 ‐5,343437287

25 258,28 320,27 250,19 24,00108409 ‐3,132259563

26 326,86 325,4 317,16 ‐0,446674417 ‐2,967631402

27 271,87 279,35 275,01 2,751314967 1,154963769


Graficando los resultados observamos que la mayor diferencia se produce alrededor de la zona posterior

al paladar blando.

El siguiente gráfico muestra las diferencias relativas entre ambas configuraciones con DAM tomando

como referencia el paciente sin DAM. Observamos que las mayores diferencias se producen entre la

configuración con DAM y Boca Abierta. La zona marcada por el círculo indica el aumento de área como

consecuencia al espacio que se crea en la cavidad oral por el movimiento de lengua y paladar blando.

‐100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27

% DAM Boca Cerrada & SIN DAM

% DAM Boca Abierta & SIN DAM


A continuación se muestra la distribución de presiones en el momento de máximo flujo (en inspiración y

expiración) para la sección longitudinal media de la faringe para las diferentes configuraciones.

Ilustración 1 Distribuciones de Presiones en los momentos de máximo flujo (Sin DAM)


Ilustración 2 Distribuciones de Presiones en los momentos de máximo flujo (DAM & Boca Abierta)

El círculo verde, indica la parte de la geometría correspondiente a la cavidad bucal, que se produce

entre la lengua y el paladar blando.


Ilustración 3 Distribuciones de Presiones en los momentos de máximo flujo (DAM & Boca Cerrada)


A continuación se muestra la distribución de velocidades en el momento de máximo flujo (en inspiración y

expiración) para la sección longitudinal media de la faringe para las diferentes configuraciones. También

para las velocidades se ha considerado la segunda parte de la simulación, tomando en consideración el

segundo ciclo de respiración, donde el flujo presenta una mayor estabilización.

Distribución de velocidades y visualización de en una sección longitudinal de la Faringe

Ilustración 4: Campo de velocidades en el momento de máximo flujo (sin DAM)

Ilustración 5: Campo de velocidades en el momento de máximo flujo (DAM & Boca Abierta)

Ilustración 6: Campo de velocidades en el momento de máximo flujo (DAM & Boca Cerrada)


Paciente AAS





Graficando los resultados observamos que en la disposición sin DAM y DAM&Boca Cerrada muestra

cambios significativos respecto a las otras configuraciones.

Secciones SIN DAM DAM & BOCA CERRADA DAM & BOCA ABIERTA % DAM Boca Cerrada & SIN DAM % DAM Boca Abierta & SIN DAM

1 155,55 170 156,23 9,456766313 0,43715847

2 164,11 206 168 25,40369265 2,540978612

3 216,37 159 183,95 ‐26,51476637 ‐14,98359292

4 213,4 182,98 204,85 ‐14,25492034 ‐4,00656045

5 172,58 207 178,5 19,7299803 3,430293197

6 145,47 176 136 21,1040077 ‐6,255585344

7 132,74 138 135 3,751695043 1,905981618

8 105,39 139,94 112,75 32,78299649 6,98358478

9 144,21 117 160 ‐19,11101865 10,97704736

10 244,68 141,55 257 ‐42,14892921 4,863495177

11 223,56 270,42 244 20,96081589 9,330828413

12 139,24 278 171,25 99,99281816 22,9890836

13 142,5 180,51 207 26,67368421 45,48070175

14 228,12 125 200 ‐45,05085043 ‐12,19971945

15 142,27 193 94 35,86139031 ‐34,1126028

16 112,8 172,53 71 52,95212766 ‐36,72074468

17 102,48 126 34 22,60928962 ‐67,04039813

18 46 130,58 76,505 184,1289873 66,46720919

19 85,416 78 157 ‐9,081436733 83,36143111



como referencia el paciente sin dispositivo DAM.


A continuación se muestra la distribución de velocidades/Stream‐lines y la distribución de presiones en

una sección longitudinal de la faringe para cada una de las disposiciones anteriores

Distribución de Presiones y Campo de Velocidades en 19 secciones transversales de la Faringe

Ilustración 7 Campo de velocidades y presiones en el momento de máximo flujo (Sin DAM)

Ilustración 8 Campo de velocidades y presiones en el momento de máximo flujo (DAM & Boca Abierta)

Ilustración 9 Campo de velocidades y presiones en el momento de máximo flujo (DAM & Boca Cerrada)


Paciente CPC





Section Sin DAM CPC_DAM&BOCA_Cerrada CPC_DAM&BOCA Abierta %DAM Boca Cerrada & Sin DAM %DAM Boca Abierta & Sin DAM

1 293,01 417,68 263 59,62879519 18,17401566

2 318,82 323,36 288,28 ‐10,6314433 14,18204015

3 302 316,8 284,69 ‐13,50440806 ‐38,40680101

4 212 226,16 274,86 18,58427561 ‐28,16901408

5 135,68 134,07 183,24 76,29859933 ‐41,63997236

6 94 92,865 136 99,026991 ‐8,037320893

7 93 89,019 117,67 126,5010861 87,34784212

8 221,78 209,31 132,17 110,4953859 155,5621872

9 351,83 382,54 268,49 54,95190521 111,5014655

10 495,92 523,37 351,94 25,48500499 64,63695152

11 417 554,36 355 28,56947421 18,7924666

12 321,32 484,16 418 79,68182058 1,690986672

13 293,32 441,38 362 73,56354214 38,42947274

14 239 392,81 326,86 52,19170076 16,46565007

15 201 329,17 306,51 80,29438465 10,39424199

16 176 275,85 253,75 132,5581395 19,05599755

17 189 265,83 179,63 69,83423402 ‐4,796891129

18 197 318,73 171 66,41873278 8,798898072

19 242 341,27 156 53,82036527 18,65899425

20 264,98 379,9 164,85 48,30326559 45,16556291

21 230,43


Graficando los resultados observamos como varia el área para las 3 configuraciones diferentes.


como referencia el paciente sin DAM. En este caso se observa que se producen mayores diferencias en la

disposición con DAM y boca cerrada.


A continuación se muestra la distribución de presiones para el instante máxima inspiración y expiración

en una sección longitudinal de la faringe para cada una de las disposiciones anteriores

Distribución de Presiones en 20 secciones transversales de la Faringe



Ilustración 11 Distribuciones de Presiones en los momentos de máximo flujo (DAM & Boca

Abierta)


Ilustración 12 Distribuciones de Presiones en los momentos de máximo flujo (DAM & Boca

Cerrada)


Ilustración 13 Distribución de Velocidad en inspiración‐expiración (sin DAM)

Ilustración 14 Distribución de Velocidad en inspiración‐expiración (DAM & Boca Abierta)

Ilustración 15 Distribución de Velocidad en inspiración‐expiración (DAM & Boca Cerrada)


Para este paciente se ha realizado un estudio comparativo de evolución de la presión a lo largo de una

sección longitudinal para los instantes máximos en la inspiración y la espiración para los 3 diferentes

estados observamos lo siguiente:

Sin DAM: El punto más cercano a las abscisas, sería la parte más distal de la geometría (Laringe),

mientras que la parte más alejada nos indicaría la parte más proximal (nariz y boca) Las líneas

verticales muestran las diferentes secciones a lo largo de la faringe en la zona más proximal. Los

dos ciclos horizontales muestran la distribución de presiones a lo largo de la faringe, ciclo superior

(línea verde‐azul) fenómeno de expiración y ciclo inferior (línea oro‐marrón) fenómeno de

inspiración. Gracias a estos ciclos observamos que se produce una serie de oscilaciones

(delimitadas con la línea punteada) de presiones que podrían ocasionar vibraciones.

Para la configuración DAM & Boca Cerrada, realizando el mismo análisis, observamos que las

oscilaciones se reducen considerablemente respecto a la configuración sin DAM y se produce un

pequeño salto de presiones en las secciones delimitadas por la línea punteada.


Para la configuración DAM & Boca Abierta, realizando el mismo análisis anterior, observamos que

apenas se producen variaciones respecto a la configuración sin DAM.


Paciente CMS




disposiciones con DAM (Boca Abierta y Cerrada), tomando como referencia el paciente sin DAM.

Graficando los resultados observamos que se obtienen más mejoras con la solución con DAM y boca

abierta, sobre todo por lo que es la zona más estrecha del conducto faríngeo (secciones 3‐15). En general,

pero, ambas posiciones con DAM producen un ensanchamiento de las zonas donde se podría producir un

colapso de las paredes y dar origen a una situación de apnea.


1 276,48 329,61 199,44 19,21657986 ‐27,86458333

2 234,07 244,66 190,93 4,524287606 ‐18,43038407

3 108,05 112,86 112,46 4,451642758 4,081443776

4 44,979 48,495 74,406 7,816981258 65,42386447

5 26,663 33,985 75,839 27,46127593 184,4353599

6 32,049 25,567 82,243 ‐20,22528004 156,6164311

7 42,518 65,442 89,629 53,91598852 110,8024837

8 55,02 60,625 70,899 10,18720465 28,86041439

9 70,645 87,441 91,623 23,7752141 29,69495364

10 55,245 88,124 85,221 59,51488823 54,26011404

11 52,203 75,121 68,179 43,90169147 30,60360516

12 55,92 66,281 65,996 18,52825465 18,018598

13 62,897 61,989 66,928 ‐1,443630062 6,408890726

14 68,55 63,742 71,653 ‐7,013858497 4,526622903

15 77,7 76,576 75,198 ‐1,446589447 ‐3,22007722

16 86,478 93,953 86,423 8,643816925 ‐0,063599991

17 102,69 114,8 53,086 11,79277437 ‐48,3046061

18 77,682 98,043 76,047 26,21070518 ‐2,104734688

19 131,25 139,57 149,02 6,339047619 13,53904762

20 215,37 230,89 254,54 7,206203278 18,18730557

21 323,37 368,74 344,99 14,03036769 6,68583975

22 339,92 411,72 244,45 21,12261709 ‐28,08602024

23 239,98 263,41 201,91 9,763313609 ‐15,86382199

24 228,9 216,39 206,85 ‐5,465268676 ‐9,633027523

25 240,09 185,49 225,13 ‐22,74147195 ‐6,23099671

26 235,8 203,33 222,81 ‐13,77014419 ‐5,508905852

27 193 190,9 196,41 ‐1,088082902 1,766839378


.


como referencia el paciente sin DAM. En este paciente se nota una mejoría entre la situación sin DAM y

cuando utiliza el dispositivo DAM. Sin embargo solo en algunas zona hay mejoras entre el caso de boca

cerrada (más espacios faríngeo) y boca abierta. El círculo verde indica el efecto profucido por la cavidad

bucal.



en una sección longitudinal de la faringe para la disposición sin DAM y con DAM en ambos casos (Boca

abierta y cerrada).








A continuación se muestra la distribución de velocidad para el instante máxima inspiración y expiración en

una sección longitudinal de la faringe para la disposición sin dispositivo y con DAM Boca Abierta y Boca

Cerrada.


Ilustración 19: Campo de velocidades en el momento de máximo flujo (Sin DAM)




Paciente ERG





Graficando los resultados observamos como varia el área para las 3 configuraciones diferentes.

Observamos que existen diferencias bastante significativas entres las 3 configuraciones. Para este

paciente la disposición con DAM+boca cerrada amplía significativamente el área de la faringe.


1 199,25 ND ND ND ND



4 24,812 80,743 49,336 225,419152 98,83927132

5 24,777 226,51 164,72 814,194616 564,8101061

6 35,62 221,66 243,22 522,2908478 582,8186412

7 65,994 237,44 239,66 259,790284 263,1542261

8 154,67 241,96 269,92 56,4362837 74,51348031

9 211,29 273,84 291,93 29,60386199 38,16555445

10 202,62 251,42 292,31 24,08449314 44,26512684

11 189,18 222,14 327,71 17,42256052 73,22655672

12 158 166,28 345,99 5,240506329 118,9810127

13 115,93 137,69 328,38 18,76994738 183,2571379

14 133,65 165,45 290,15 23,79349046 117,0968949

15 74,43 117,61 214,66 58,01424157 188,405213

16 64,842 110,36 184,82 70,19832824 185,0313069

17 82,726 116,83 170,73 41,22524962 106,3800982

18 109,68 125,8 170,71 14,69730124 55,64369074

19 141,52 139,8 179,94 ‐1,215375919 27,14810627

20 177,99 217,84 273,49 22,38889825 53,6546997

21 229,08 291,59 338,26 27,28741051 47,66020604

22 265,54 302,11 339,96 13,77193643 28,02590947

23 284,45 340,4 334,03 19,6695377 17,43012832

24 308,99 ND ND ND ND






como referencia el paciente sin dispositivo. En este caso se observa que se producen mayores diferencias

en la disposición con DAM y boca cerrada, aunque también existen cambios significativos entre la

situación DAM y boca abierta. Las grandes diferencias son como consecuencia de la disposición de la

lengua en la cavidad bucal.

De los análisis precedentes se nota como la colocación del dispositivo influya en el volumen del conducto

de la faringe. La zona de más interés se concentra en los cortes centrales donde la configuración con Dam

y con boca abierta se obtienen mayores ganancias de apertura. Los primeros cortes también registran una

mejora en porcentaje decididamente alta , debida al hecho que el paciente cuando se encuentra sin

dispositivo presenta muy poco espacio en la zona alta del cavo oral.


Geometría 3D del Paciente ERG

Caso 1 (sin dispositivo) Caso 2 (boca abierta) Caso 3 (boca cerrada)


A continuación se muestra la distribución de velocidades y en una sección longitudinal de la faringe para

cada una de las disposiciones anteriores.








A continuación se muestra la distribución de velocidades para la sección longitudinal media de la faringe,

en el tiempo de máxima flujo aéreo. También para las velocidades se ha considerado la segunda parte de

la simulación, tomando en consideración el segundo ciclo, donde el flujo presenta una mayor

estabilización.


Ilustración 25: Campo de velocidades en el momento de máximo flujo (sin DAM)




Paciente FCV





Volúmenes FCV 3D

Caso 1 (sin DAM) Caso 2 (boca abierta) Caso 3 (boca cerrada)

Section Sin DAM FCV_DAM&BOCA_Cerrada FCV_DAM&BOCA Abierta %DAM Boca Cerrada & Sin DAM %DAM Boca Abierta & Sin DAM

1 186 298 220 59,62879519 18,17401566

2 295 263,53 336,7 ‐10,6314433 14,18204015

3 318 274,71 195,62 ‐13,50440806 ‐38,40680101

4 302,46 358,67 217,26 18,58427561 ‐28,16901408

5 318,42 561,37 186 76,29859933 ‐41,63997236

6 300,1 597,28 276 99,026991 ‐8,037320893

7 243,99 552,64 457,11 126,5010861 87,34784212

8 217,81 458,48 557 110,4953859 155,5621872

9 242,23 375,34 512,32 54,95190521 111,5014655

10 230 289,13 379,34 25,48500499 64,63695152

11 219,29 281,94 260,5 28,56947421 18,7924666

12 189,83 341,09 193 79,68182058 1,690986672

13 177,52 308,11 245,74 73,56354214 38,42947274

14 188,21 286,44 219,2 52,19170076 16,46565007

15 154 278,05 170,25 80,29438465 10,39424199

16 131 304 155,63 132,5581395 19,05599755

17 165 279,7 156,79 69,83423402 ‐4,796891129

18 182 302,05 197,47 66,41873278 8,798898072

19 200 307,41 237,14 53,82036527 18,65899425

20 219 324,71 317,84 48,30326559 45,16556291

21 326,47 302

22 307

23 324,71

24 326,47


Caso 1 (sin DAM) Caso 2 (boca abierta) Caso 3 (boca cerrada)


Graficando los resultados observamos que en la disposición con DAM afecta mucho a la configuración sin

DAM.


como referencia el paciente sin dispositivo. Observamos como ya hemos mencionado anteriormente en

este paciente se producen cambios bastante significativos en la geometría de la faringe.

Del análisis anterior se entiende que el paciente presenta una mejor apertura orofaringea en los casos de

utilizo de DAM. Eso se nota sobre todo en la zona de corte entre la posicion7 y 11.

0

100

200

300

400

500

600

700

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

FCV

Sin DAM

FCV_DAM&BOCA_Cerrada

FCV_DAM&BOCA Abierta

‐100

‐50

0

50

100

150

200

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

FCV

%DAM Boca Cerrada & Sin DAM

%DAM Boca Abierta & Sin DAM



en una sección longitudinal de la faringe para cada una de las disposiciones anteriores


Ilustración 28 Campo de presiones máximos en inspiración‐expiración (sin DAM)


Ilustración 29 Campo de presiones máximos en inspiración‐expiración (DAM & Boca Abierta)





una sección longitudinal de la faringe para cada una de las disposiciones anteriores


Ilustración 31 Campo de velocidades en el momento de máximo flujo (Sin DAM)

Ilustración 32 Campo de velocidades en el momento de máximo flujo (DAM & Boca Abierta)

Ilustración 33 Campo de velocidades en el momento de máximo flujo (DAM & Boca Cerrada)


Como para este paciente no se observaron cambios significativos en el gradiente de presión, se ha

realizado un estudio comparativo de evolución de la presión a lo largo de una sección longitudinal para

los instantes máximos en la inspiración y la espiración para los 3 diferentes estados observando lo

siguiente:

Sin DAM: El punto 0 del eje de abscisas, es la parte más distal de la geometría (Laringe), mientras

que la parte más alejada nos indicaría la parte más proximal (cavidad bucal) Las líneas verticales

muestran las diferentes secciones a lo largo de la faringe en la zona más proximal(velofaringe).

Los dos ciclos horizontales muestran la distribución de presiones a lo largo de la faringe, ciclo

superior (línea marrón) fenómeno de expiración y ciclo inferior (línea verde) fenómeno de

inspiración. Gracias a estos ciclos observamos cómo se produce un salto de presiones bastante

significativo entre las secciones delimitadas con la línea punteada.

Para la configuración DAM & Boca Cerrada, realizando el mismo análisis, observamos que el salto de

presiones que se produce en la misma zona es muchísimo menor.


Para la configuración DAM & Boca Abierta, realizando el mismo análisis, observamos que el salto de

presiones que se produce en la zona de estudio es muchísimo menor que la configuración sin DAM,

pero a la vez es ligeramente superior a la disposición DAM & Boca Cerrada.


Paciente JAAR




disposiciones con DAM (Boca Abierta), tomando como referencia el paciente sin DAM.


1 ND 166,35 ND ND ND




5 ND 108,7 ND ND ND


7 ND 391,62 ND ND

8 115,44 434,08 ND 276,022176 ND

9 150,4 518,86 150,43 244,9867021 0,019946809

10 112,65 582,78 164,62 417,3368842 46,1340435

11 88,556 524,25 160,74 491,9982836 81,51226343

12 43,76 402,59 129,69 819,9954296 196,3665448

13 43,993 274,58 119,66 524,1447503 171,9978178

14 68,15 219,27 107,42 221,7461482 57,62289068

15 125,8 167,85 154,85 33,42607313 23,09220986

16 186,37 197,89 207,55 6,181252347 11,36448999

17 203,8 215,56 233,22 5,770363101 14,4357213

18 111,48 140,21 212,15 25,77143882 90,3031934

19 94,321 64,066 91,184 ‐32,07663193 ‐3,325876528

20 94,543 77,989 104,39 ‐17,50949303 10,41536655

21 121,85 99,944 127,77 ‐17,97784161 4,858432499

22 152,73 127,54 166,03 ‐16,49315786 8,70817783

23 158,4 155,71 185,97 ‐1,698232323 17,40530303

24 178,77 160,64 181,11 ‐10,14152263 1,308944454

25 225,02 199,91 211,24 ‐11,15900809 ‐6,123900098

26 238,94 242,65 262,38 1,552691052 9,809994141

27 ND 233,65 250,2 ND ND


A continuación se muestran los Volúmenes 3D para las diferentes configuraciones.

Sin DAM DAM Boca Cerrada DAM Boca Abierta


Graficando los resultados de áreas observamos


como referencia el paciente sin dispositivo. El círculo de color verde, indica la zona originada en el

paciente con Dam y posición Boca cerrada. El dispositivo DAM provoca un cambio significativo en la

anatomía del paciente. Se puede notar como el movimiento de lengua y paladar aumenten el volumen de

la zona vacía en el cavidad bucal, aumentando considerablemente el área de las secciones comprendidas

entre la número 5 y 15 En este caso el paciente registra una mayor apertura en el caso de utilizar el DAM

con boca abierta.


Como en caso anteriores las mayores ganancias se presentan en las secciones de 7 a 15 en acuerdo con

los demás test realizados en este estudio.


Ilustración 34 Campo de presiones máximos en inspiración‐expiración (Sin DAM)




Ilustración 36 Campo de presiones máximos en inspiración‐expiración (DAM & Boca Cerrada)




Cerrada.


Ilustración 37 Campo de velocidades en el momento de máximo flujo (Sin DAM)

Ilustración 38 Campo de velocidades en el momento de máximo flujo (DAM & Boca Abierta)



Paciente JPA




disposiciones con DAM (Boca Abierta), tomando como referencia el paciente sin DAM.


1 314,77 310,25

2 289 304,09 307,29 5,221453287 6,328719723

3 242,48 269,24 306,13 11,03596173 26,24958759

4 192,73 219,78 274,15 14,03517875 42,2456286

5 147,46 162,45 225,47 10,1654686 52,90248203

6 123,59 107,05 176,19 ‐13,38295979 42,56007768

7 107,3 85,338 137,64 ‐20,46784716 28,27586207

8 79,619 64,622 123,42 ‐18,83595624 55,01325061

9 83,74 73,231 103,54 ‐12,54955816 23,64461428

10 107,74 88,3 87,94 ‐18,04343791 ‐18,37757565

11 185,75 173,32 95,312 ‐6,69179004 ‐48,68802153

12 194,08 234,44 133,02 20,79554823 ‐31,46125309

13 121,49 206,01 198,31 69,56951189 63,23154169

14 73,079 134,23 205,67 83,67793757 181,4351592

15 67,762 112,15 186,35 65,50574068 175,0066409

16 116,84 104,64 163,57 ‐10,44162958 39,99486477

17 126,05 158,23 162,63 25,52955177 29,02023007

18 131,8 143,57 195,09 8,930197269 48,01972686

19 103,22 135,67 179,05 31,43770587 73,46444488

20 73,382 112,38 162,6 53,14382274 121,580224

21 69,602 97,649 143,22 40,29625585 105,7699491

22 88,726 95,538 126,39 7,677569145 42,44978924

23 103,54 119,61 113,65 15,52057176 9,764342283

24 131,47 154,03 152,79 17,15980832 16,21662737

25 232,73 220,69 202,88 ‐5,173376874 ‐12,82602157

26 276,57 236,25 257,37 ‐14,5785877 ‐6,942184619


Graficando los resultados observamos que en la disposición con DAM afecta a la configuración sin DAM.

.


como referencia el paciente sin dispositivo. Se pueden notar mejoras entre el caso sin DAM y los casos

que lo utilizan.

En esta prueba se aplicaron cambios en las condiciones de contorno. Se impuso un campo de velocidades

sinusoidales en la parte inferior del conducto (interno de tramo faríngeo) para simular los efectos del

movimiento de diafragma y pulmones y en la parte superior del modelo, cavidad nasal se impuso una

presión constante de 0.0 Pa.



Ilustración 40 Distribución de Presiones en el momento de máximo flujo (Sin DAM)


Ilustración 41 Distribución de Presiones en el momento de máximo flujo (DAM & Boca Abierta)


Ilustración 42 Distribución de Presiones en el momento de máximo flujo (DAM & Boca Cerrada)



Cerrada.



Ilustración 43 Distribución de Velocidad en inspiración‐expiración (sin DAM)

Ilustración 44 Distribución de Velocidad en inspiración‐expiración (DAM & Boca Abierta)



Paciente MAA

Sin DAM


la disposición sin DAM, del paciente MAA.

Sección Sin DAM

1 3,6861

2 7,3558

3 26,827

4 54,593

5 84,49

6 76,634

7 87,515

8 92,496

9 102,78

10 123,68

11 127,11

12 264,32

13 417,65

14 412,14

15 537,01

16 654,59

17 529,5

18 341,1

19 205,42

20 158,53



Ilustración 46 Campo de presiones máximos en inspiración‐expiración (sin DAM)

A continuación se muestra la distribución de velocidades para la sección longitudinal media de la faringe,

en el tiempo de máxima flujo aéreo.

Distribución de velocidades en una sección central longitudinal de la Faringe

Ilustración 47 Campo de velocidades en el momento de máximo flujo (sin DAN)


Paciente RDM





Graficando los resultados observamos que en la disposición sin dispositivo y DAM Boca Cerrada apenas se

producen cambios significativos, en cambio con DAM y boca abierta si se observan cambios importantes.


1 150,97 205,56 239,15 36,15950189 58,40895542

2 122,58 197,33 193,66 ‐32,17968106 6,822243607

3 73,495 165,8 133,59 35,25860662 57,98662098

4 45,302 172,26 110,78 134,3832914 81,76746717

5 22,432 200,24 80,367 342,0113902 144,536665

6 19,371 56,598 52,679 152,3092011 258,2694365

7 36,831 169,29 54,869 773,9352641 171,947757

8 88,97 449,13 166,1 1119,434715 48,97504819

9 119,61 394,51 207,51 343,41913 86,69214342

10 141,41 271,22 249,27 126,7536159 73,48883873

11 145,8 223,45 267,34 58,01569903 76,27466233

12 167,11 215,8 299,04 48,01097394 83,36076818

13 159,42 146,14 305,23 ‐12,54862067 78,94799832

14 161,16 183,73 346,31 15,24902773 91,46280266

15 299,8 305,74 499,89 89,71208737 114,8858277

16 553,56 459,52 579,44 53,27551701 66,74116077

17 451,5 397,15 467,43 ‐28,25529301 4,675193294

18 468,36 420,26 495,95 ‐6,919158361 3,528239203

19 418,5 337,31 438,67 ‐27,9806132 5,890767785

20 294,27 179,4 264,03 ‐57,13261649 4,819593787

21 201,63 83,199 136,78 ‐71,72698542 ‐10,27627689

22 136,86 33,275 68,64 ‐83,49699945 ‐32,16287259

23 111,72 53,817 61,866 ‐60,6773345 ‐49,84655853

24 152,03 154,86 179,81 38,61439313 ‐44,62406015

25 266,01 259,69 289,5 70,81497073 18,27270933

26 333,86 309,55 349,29 16,36780572 8,830495094

27 290,96 263,67 310,81 ‐21,02378242 4,621697718



como referencia el paciente sin dispositivo. Observamos como ya hemos mencionado anteriormente

mayores cambios se producen cuando el paciente tiene DAM y Boca Abierta.

Como se puede ver en el grafico anterior hay dos secciones que suman también el espacio entre el

paladar y la lengua. Posiblemente este aumento de área registrado no debería condicionar positivamente

‐200

‐100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27

% DAM Boca Cerrada & SIN DAM

% DAM Boca Abierta & SIN DAM


la situación del paciente, debido al hecho que no se produce un aumento efectivo del lumen donde se

desarrolla el flujo de aire respirado por el paciente.

A continuación se muestra la distribución de velocidades y en una sección longitudinal de la faringe para

cada una de las disposiciones anteriores.






Ilustración 50 Distribución de Presiones en los momentos de máximo flujo (DAM & Boca Cerrada)


Distribución de velocidades en la sección longitudinal de la Faringe

Ilustración 51: Campo de velocidades en el momento de máximo flujo (Sin DAM)




Conclusiones.

La permeabilidad de la vía aérea depende de un sistema complejo que combina por una parte factores

mecánicos en la acción muscular y por otra el equilibrio de presiones que interaccionan para mantener un

determinado diámetro de la luz en la faringe para sus diferentes secciones (nasofaringe, orofaringe e

hipofaringe). La acción muscular está regida principalmente por dos grupos musculares: los músculos que

generan presión, principalmente el diafragma, y los músculos de la Vías Aéreas Superiores (VAS). El

proceso de ventilación requiere para reproducir su patrón normal una equilibrada combinación de fuerzas

entre la presión negativa que ejerce la contracción del diafragma en la zona intratorácica y que tiende a

colapsar la faringe, y con la contracción de los músculos de la faringe con acción dilatadora. Este equilibrio

entre los músculos es fácil que se rompa, ya que la permeabilidad de las VAS depende de la acción

contrapuesta entre la presión extralumial ejercida por el diafragma y los músculos intercostales y la

acción de los músculos dilatadores regulados por el sistema neuronal. En este estudio no se ha

considerado la acción mecánica (muscular) de los diferentes sistemas que toman parte en la

permeabilidad de las VAS. Un posible trabajo futuro sería considerar un problema de Interacción Fluido

Estructura (FSI) para su estudio.

Durante la inspiración, la presión negativa de la vía aérea provoca una tendencia en las paredes faríngeas

a contraerse. La condición blanda de esta sección la convierte en vulnerable al colapso. Para contrarrestar

este efecto, es imprescindible la acción de los músculos dilatadores de las VAS. En condiciones normales

la contracción de estos músculos ha de ser simultánea a la de los músculos inspiratorios contrarrestando

la fuerza de succión que estos provocan. El músculo inspiratorio más importante es el diafragma. Es un

músculo grande que debido a su contracción desplaza hacia abajo el contenido abdominal aumentando el

diámetro vertical de la caja torácica atrayendo hacia sí a los pulmones, obligándolos a expandirse y a que

penetre aire en su interior. Cuando se produce la relajación vuelve a su posición inicial, produciéndose la

espiración. Los músculos intercostales externos, situados en cada uno de los espacios intercostales al

contraerse, producen un ascenso de toda la caja torácica. La acción muscular del diafragma se ha

simulado imponiendo un flujo sinusoidal a la entrada, este caudal de entrada provocará una diferencia de

presión a lo largo de la faringe, del mismo modo que la acción del diafragma.

Durante la noche, los movimientos de la respiración se regulan de manera automática según las

necesidades de nuestro organismo con el fin de no perturbar y mantener constantes, los niveles de

oxígeno y anhídrido carbónico en sangre. En caso de ausencia de patologías, las peculiaridades fisiológicas

de la VAS no representan un problema para su correcto funcionamiento. La dilatación de los músculos

orofaríngeos durante la inspiración garantiza la apertura de VAS y es suficiente para contrarrestar la

presión negativa ejercida por el diafragma y los músculos intercostales. Pero este pulso de presiones y

fuerzas en el acto respiratorio, necesario para mantener la permeabilidad de la VAS, puede verse

descompensado durante el sueño. Esta desincronización es la causante del funcionamiento anómalo de

las estructuras respiratorias que provocan la reducción del calibre faríngeo. También durante la noche se

produce una relajación del tono muscular lo que permite una colapsabilidad del tronco faríngeo. En este

estudio se ha tomado como referencia el estado del paciente sin dispositivo, y se ha comparado con los

otros dos estados para el análisis nominal en las diferentes secciones de la faringe. Concluyéndose que las

secciones que se ven más afectadas con o sin dispositivo es la sección de la orofaringe (entre el paladar

blando y la epiglotis). A continuación se muestra la ganancia de media de áreas para cada sección acorde

a la disposición del dispositivo, se han depurado los datos de las secciones donde no se registra el flujo


principal de aire respirado. Se puede observar que la ganancia media es superior para la disposición DAM

y boca Cerrada. Se observa que la ganancia media en algunas secciones es del 70%. En otras secciones

apenas se observa ganancia o hasta se notan perdidas de amplitud de área.

Los picos marcados por el circulo verde (secciones 4‐5‐6, aproximadamente) indican las diferencias que se

producen debido al movimiento de la lengua, los cuales hacen que se registre un aumento del volumen

en la zona faríngea. Este volumen no afecta al flujo del aire por estar lejos de la zona donde se produce el

flujo principal de aire respirado.

En el círculo amarilla indican todas aquellas secciones donde se registra un cambio positivo e interesante

de la sección. Esta apertura del lumen principal de flujo permite una mejora considerable de la calidad de

la inspiración. Hay que notar que las mejoras media en los casos DAM&Boca Cerrada son más

pronunciadas. Sin embargo los caso Dam&Boca Abierta presentan valores menores pero más constantes.

También cabe destacar que en las configuraciones Dam&Boca Abierta la lengua se desplaza hacia la parte

del paladar blando, ejerciendo una presión sobre este. La siguientes figura muestran dicho efecto

producido por pacientes DAM+Boca Abierta. Posibles estudios futuros podrían enfocarse en entender

cuál es la mejora más idónea al problema anatómico analizado en este estudio.

CPC ERG RDM JPA


Para explicar la dinámica de los fluidos que ocurre durante los procesos de inspiración‐espiración se

recurre a un modelo computacional de elementos finitos. El modelo computacional usado resuelve las

ecuaciones de Navier‐Stokes para fluido incompresible y flujo laminar. Las condiciones impuestas se han

detallado en el resumen del estudio y los resultados se analizan acorde al modelo resistor de Starling. El

modelo de Resistor Starling describe el flujo y el colapso de un tubo colapsable, como ocurre en las VAS.

En este modelo cuando el colapso de la VAS empieza a producirse durante la inspiración el Flujo no

depende de la Presión en el segmento distal de la VAS (laringe), o Presión corriente‐abajo (Pdistal), sino que

depende de la Presión Transmural (Ptm), o Presión a través de la pared del tubo, y más concretamente de

la Presión en el segmento proximal (Pprox) o Presión en la boca ó nariz. La Presión Crítica (Pcrit), o Presión a

la que se colapsa la VAS, determina el tamaño de la VAS, que es la variable fundamental que determina el

flujo. Si hay limitación de flujo ningún aumento de la Presión de conducción podrá incrementar el flujo. En

esta situación la Pprox se convierte en la variable fundamental que determina la Presión a través de la

pared, el tamaño de la VAS, la Resistencia de la VAS y el Flujo. Sin embargo, durante la espiración la

Pinspiración provoca un efecto a modo de "Stent" de la VAS, haciendo que el colapso sea menos probable.

Analizando las gráficas de distribución de presiones para los diferentes pacientes en las diferentes

configuraciones observamos que durante la inspiración, el gradiente de presión mayor que se produce,

está en la zona comprendida entre el paladar blando y la cavidad bucal (orofaringe). Por lo tanto, si este

gradiente de presiones es superior a la presión crítica se produciría un colapso de las VAS. Reducir dicho

gradiente de presiones, mediante las diferentes configuraciones del dispositivo DAM, nos reducirá las

posibilidades del colapso de las VAS. Una primera aproximación para cuantificar este gradiente de

presiones se realizó en el estudio del paciente FCV. En este estudio se puede observar el salto de

presiones que se produce en la zona de la orofaringe, y como al colocar el dispositivo bucal DAM,

disminuye de forma significativa. Podemos observar que la disposición DAM+Boca cerrada hace que se

reduzca de forma considerable esta salto de presiones respecto a la configuración sin DAM. La

configuración DAM+Boca abierta también disminuye este salto de presiones, pero de forma menos

efectiva que la configuración DAM+boca cerrada. Por lo tanto, para este paciente en concreto, la

configuración óptima sería DAM+Boca cerrada. Este tipo de estudios nos podría permitir estudiar como

varía el gradiente de presiones en la zona de la orofaringe dependiendo de las diferentes configuraciones

de apertura del DAM.

Otra de diferencia que podemos observar entre las configuraciones con DAM y sin DAM es que en las

configuraciones sin DAM, existen presiones negativas durante la inspiración, mientras que en las

configuraciones con DAM (ya se boca abierta o cerrada) las presiones son positivas. Estas presiones

negativas provocan que el salto de presiones que se produzca sea mayor entre la parte proximal y distal, e

incluso un bloqueo de flujo.

Observando las velocidad, y debido a la compleja geometría de la faringe, observamos que el flujo en la

mayoría de los casos se ubica en la parte latero (anterior‐posterior) de la faringe, provocando un

diferencia de presiones en una misma sección. Es decir si la caudal de aire (flujo) se sitúa en la parte

latero‐posterior, implica que en la zona latero‐anterior de la faringe las presiones serán más altas que en

la parte latero‐posterior de la faringe. En el caso contrario, si la caudal de aire (flujo) se sitúa en la parte

latero‐anterior, las presiones serán más altas que en la parte latero‐posterior de la faringe. Estas

variaciones podrían provocar variaciones de presión en las secciones de toda la faringe, lo que podría

ocasionar su colapso.


A modo de resumen, y acorde a los estudios realizados, podemos concluir que existen diferencias

significativas entre las configuraciones con y sin DAM, siendo las configuraciones con DAM aquellas que

muestran un mejor comportamiento de presión y flujo a lo largo de la faringe. Respecto a las

configuraciones DAM (boca cerrada y boca abierta) mencionar que la disposición DAM+Boca cerrada

produce una ganancia de área respecto a la configuración DAM+Boca abierta para las diferentes

secciones de las faringe y una reducción del salto de presiones ligeramente mejor. Del mismo es muy

difícil determinar que configuración con DAM (boca cerrada o boca abierta) muestra un mejor

comportamiento, debido a la variabilidad de los pacientes. La disposición del dispositivo (abierto o

cerrado) debería de personalizar acorde a la patología característica del paciente.

βμε

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NON-INVASIVE UPPER AIRWAY STUDY USING … upper airway study using computational fluid dynamics and ct-scan to improve the treatment of obstructive sleep apnea syndrome