Étude informatique de la dynamique de l’air lors du cycle respiratoire dans les cavités naso-sinusiennes adultes - DUMAS - Dépôt Universitaire de Mémoires Après Soutenance Accéder directement au contenu
Mémoires Année : 2017

Computational Fluid Dynamics and Nasal Airways: how does it work ?

Étude informatique de la dynamique de l’air lors du cycle respiratoire dans les cavités naso-sinusiennes adultes

Résumé

Background: despite some limitations, computational fluid dynamic (CFD) simulations have improved understanding of complex nasal anatomy and physiology. However, CFD protocols to date are heterogeneous. We postulate that simulation of the entire respiratory nasal cycle is mandatory to observe and understand airflow. The aim of this study was to perform CFD simulation within the whole sino-nasal cavities and during the complete and repeated respiratory cycle. Materials and methods: a 3D sino-nasal model was constructed from a healthy adult high-resolution CT scan. The 3D mesh contained around 6.6 million cells with a mean volume of 0.008 mm3 (ANSYS©TGridTMv16.0.0). CFD simulations were performed with ANSYS©FluentTMv16.0.0 software. Sino-nasal walls were defined to be rigid and no-slip. Simulations of transient airflow were carried out by applying sinusoidal flow rate variations corresponding to a ventilation rate of 30 L/min. Two cycles of respiration of a total duration of 8s were simulated. Time advancement was discretized in 1.0 ms time steps. Sino-nasal pressure variations, velocity contours and particle residence time were assessed. Results: there was a pressure gradient within the sinus cavities according to their place of connection to the depth of the nasal cavity and the direction of airflow. Alternation of the pressure gradient during the respiratory cycles created a mild pumping phenomenon close to the ostia. However, there was no or only mild movement within the sinus cavities during the respiratory cycle. Concerning the velocity contours, the main airflow was accelerated by the nasal valve. Its decelerated as it passed the turbinate bodies and reaccelerated close to the turbinate tails. Surprisingly, the inferior meatus did not fill during inspiration but did during expiration through its posterior entrance, as did the olfactory cleft at the same time. During the respiratory cycle, the anatomical structures did not seem to play the same role in the coming and going of air. Finally, particle residence time was considerably increased during expiration because the particles were retained by the nasal valve, as if the expiratory phase were preparing the next inspiratory phase. Particles steadily accumulated close to the inferior turbinates, the posterior part of the olfactory cleft and on both sides of the main airflow at the site of turbulence. This pattern increased as the respiratory cycle was repeated. Conclusion: CFD simulation is an efficient tool for understanding the complexity of the sino-nasal cavities in normal and pathologic conditions and should be used more in daily practice. The respiratory cycle must be simulated completely and repeated to avoid any loss of information.
Introduction : la dynamique des fluides numériques a amélioré notre compréhension de la physiologie nasale et son lien étroit avec l’anatomie. La simulation d’un cycle respiratoire entier est fondamentale pour observer et comprendre nombre d’informations sur le flux aérien. L’objectif de cette étude était de réaliser une étude numérique de l’écoulement de l’air dans des cavités naso-sinusiennes adulte saines, au cours de cycles respiratoires complets et répétés. Méthodes : un modèle 3D d’organe naso-sinusien chez un adulte sain été construit à partir d’un examen tomodensitométrique de haute résolution. La maquette numérique contenait 6.6 millions de cellules avec un volume unitaire minimal de 0.008 mm3. La simulation numérique a été réalisée en conditions instationnaires avec un modèle de turblences k-ω SST (ANSYS© FluentTM v16.0.0) pour un débit de 30L/mn. Deux cycles respiratoires d’une durée totale de 8s ont été simulés, avec une échelle temporelle de 1.0ms. Les paramètres étudiés étaient la variation de pression, la vélocité, les forces de cisaillement et le temps de résidence des particules. Résultats : un gradient de pression alternatif au sein des cavités sinusiennes a été retrouvé dont la valeur était liée à la position de la cavité sinusienne au sein de la fosse nasale, ainsi qu’au sens d’écoulement du flux aérien. La répétition de ce gradient à l’inspiration a provoqué un effet de pompe en regard des ostia, des cavités sinusiennes vers la fosse nasale. La vélocité de l’air, maximale en regard de la valve nasale, était faible voire nulle au sein des cavités sinusiennes. Le méat inférieur ne se remplissait pas à l’inspiration mais à l’expiration via sa partie postérieure, à l’instar de la fente olfactive via le récessus sphéno-ethmoïdal. Le temps de résidence des particules était allongé durant l’expiration du fait d’un effet de retenue de la valve nasale, de sorte à ce que la phase expiratoire prépare le conditionnement aérien de la phase inspiratoire suivante. Une accumulation des particules dans la partie postérieure de la fente olfactive a été observée. Ces phénomènes s’accentuaient avec la répétition des cycles respiratoires. Conclusion : la simulation numérique est un outil efficace pour comprendre le fonctionnement normal et la pathologie des cavités naso-sinusiennes et nécessiterait d’être développée dans la pratique quotidienne. Le cycle respiratoire devrait être simulé et répété afin d’éviter toute perte d’informations.
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

dumas-01628044 , version 1 (02-11-2017)

Identifiants

  • HAL Id : dumas-01628044 , version 1

Citer

Nicolas Réville. Étude informatique de la dynamique de l’air lors du cycle respiratoire dans les cavités naso-sinusiennes adultes. Médecine humaine et pathologie. 2017. ⟨dumas-01628044⟩
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