コーンビームCTと数値流体力学を用いた睡眠時無呼吸症候群患者の上気道特性の評価

Evaluation of upper airway characteristics in patients with and without sleep apnea using cone-beam computed tomography and computational fluid dynamics.

抄録

目的:

コーンビームCT（CBCT）画像と定常状態のk-ωモデル数値流体力学（CFD）流体シミュレーションをそれぞれ用いて、低リスクの健常非OSA被験者とOSA被験者とで、呼吸中の上気道特性および気道圧が有意に変化するかどうかを明らかにすること。

OBJECTIVE: To determine if upper airway characteristics and airway pressure change significantly between low risk, healthy non-OSA subjects, and OSA subjects during respiration using cone-beam computed tomography (CBCT) imaging and steady-state k-ω model computational fluid dynamics (CFD) fluid flow simulations, respectively.

材料と方法:

低リスクの非OSA被験者16名について吸気終末と呼気終末の両方でCBCTスキャンを収集し、OSA被験者7名の既存のCBCTデータと比較した。CBCT画像をDolphin Imagingにインポートし、上気道をステレオリソグラフィー（STL）ファイルに分割して面積および体積を測定した。前処理基準を満たした被験者モデルは，ANSYS Fluent Meshing（Canonsburg, PA）を使用して CFD シミュレーションを行い，標準的な二重方程式乱流モデル（k-ω）を解くための非構造メッシュモデルを生成した．客観的記述指標と補足的記述指標を取得し，P<.05 で統計的有意性を評価するため，パラメトリック検定とノンパラメトリック検定の両方を用いて統計解析を実施した．

MATERIALS AND METHODS: CBCT scans were collected at both end-inhalation and end-exhalation for 16 low-risk non-OSA subjects and compared to existing CBCT data from 7 OSA subjects. The CBCT images were imported into Dolphin Imaging and the upper airway was segmented into stereolithography (STL) files for area and volumetric measurements. Subject models that met pre-processing criteria underwent CFD simulations using ANSYS Fluent Meshing (Canonsburg, PA) in which unstructured mesh models were generated to solve the standard dual equation turbulence model (k-ω). Objective and supplemental descriptive measures were obtained and statistical analyses were performed with both parametric and non-parametric tests to evaluate statistical significance at P < .05.

結果:

面積および体積評価に関して、吸気時および呼気時の非OSA群とOSA群との間で、総体積および最小CSAにそれぞれ統計学的に有意な平均差が認められた（P=.002、.003、.004、および.007）。また、非OSA群では吸気時と呼気時の体積および最小CSAにそれぞれ統計学的に有意な平均差が認められた（P<.001および.002）。

RESULTS: Regarding area and volumetric assessments, there were statistically significant mean differences in Total Volume and Minimum CSA between non-OSA and OSA groups at inhalation and exhalation (P = .002, .003, .004, and .007), respectively. There were also statistically significant mean differences in volume and min CSA between the inhalation and exhalation for the non-OSA group (P < .001 and .002), respectively.

結論:

CFDシミュレーションの解析は、利用可能な収集データによって制限されたが、発表された文献と一致する所見は、OSA被験者グループのシミュレーションモデルでは、最低圧のポイントが最大収縮領域と一致していることであった。

CONCLUSION: While analysis of the CFD simulation was limited by the collected data available, a finding consistent with published literature was that the OSA subject group simulation models depicted the point of lowest pressure coinciding with the area of maximum constriction.