Forbedring af resultater i pædiatrisk obstruktiv søvnapnø med computational fluid Dynamics (OSA-MRI)

Dette projekt har til formål at skabe et valideret beregningsværktøj til at forudsige kirurgiske resultater for pædiatriske patienter med obstruktiv søvnapnø (OSA). Den første behandlingslinje for børn med OSA er at fjerne deres mandler og adenoider; disse operationer helbreder dog ikke altid patienten. En anden behandling, kontinuerligt positivt luftvejstryk (CPAP) tolereres kun af 50 % af børnene. Derfor gennemgår mange børn kirurgiske indgreb rettet mod bløddelsstrukturer, der omgiver luftvejene, såsom mandler, tunge og blød gane og/eller ansigtets knoglestruktur. Imidlertid er succesraterne for disse operationer, målt som en reduktion i det obstruktive apnø-hypopnø-indeks (obstruktive hændelser pr. time søvn), overraskende lav. Derfor er der et klart behov for et værktøj til at forbedre effektiviteten af ​​disse operationer og forudsige, hvilke af de forskellige kirurgiske muligheder, der vil gavne hver enkelt patient mest effektivt. Computational fluid dynamics (CFD)-simuleringer af respiratorisk luftstrøm i de øvre luftveje kan give dette forudsigende værktøj, hvilket gør det muligt at sammenligne virkningerne af forskellige kirurgiske muligheder virtuelt, og den mulighed, der mest sandsynligt vil forbedre patientens tilstand, skal vælges. Tidligere CFD-simuleringer har ikke været i stand til at give information om OSA, da de var baseret på stive geometrier eller ikke inkluderede neuromuskulær bevægelse, en nøglekomponent i OSA. Dette projekt bruger magnetisk resonansbilleddannelse i realtid (MRI) til at give anatomien og bevægelsen af ​​luftvejene til CFD-simuleringen, hvilket betyder, at den nøjagtige in vivo-bevægelse modelleres for første gang. Da modelleringen desuden er baseret på MR, en modalitet, der ikke anvender ioniserende stråling, er den velegnet til longitudinelle vurderinger af patienter før og efter kirurgiske indgreb. In vivo-validering af disse modeller vil blive opnået for første gang gennem sammenligning af CFD-baserede luftstrømningshastighedsfelter med dem, der genereres af fasekontrast MRI af inhaleret hyperpolariseret 129Xe-gas. Denne forskning er baseret på data opnået fra søvn MRI'er opnået med forsøgspersonen under sedation. Mens sedering af patienten postoperativt er lidt mere end minimal risiko, opvejer de potentielle fordele for hver patient denne risiko. Da 58 % af patienterne har vedvarende OSA-operationer, og den gennemsnitlige bane for OSA-sværhedsgraden er en stigning over tid, kan postoperativ billeddannelse og modellering gavne patienten ved at identificere ændringerne i luftvejene, der er foretaget under operationen, og hvilken anatomi, der skal målrettes i fremtiden behandlinger.

Pædiatrisk obstruktiv søvnapnø (OSA) er en søvnrelateret vejrtrækningsforstyrrelse karakteriseret ved obstruktion af øvre luftveje. Denne lidelse påvirker 2,2 millioner børn alene i USA.1 Hvis ubehandlet, kan OSA resultere i adfærdsmæssige, kognitive, metaboliske og kardiovaskulære sygdomme.2,3 Selvom adenotonsillektomi (T&A) er førstelinjebehandlingen, har en stor procentdel af børn vedvarende OSA efter T&A.4-11 Kontinuerligt positivt luftvejstryk (CPAP) er generelt andenlinjebehandlingen;12 dog har børn en compliancerate på kun 50%.13 Børn med vedvarende OSA, som ikke overholder CPAP, gennemgår ofte kirurgi rettet mod blødt væv og/eller knoglestrukturer omkring de øvre luftveje, med succesrater på mellem 17% og 72%.14-17. Efterforskernes foreløbige data viser, at 58 % af patienterne, der gennemgik bløddelsoperation efter T&A, havde vedvarende moderat eller svær OSA efter den efterfølgende operation. Målet med denne undersøgelse er derfor at tilvejebringe en prædiktiv model, der bestemmer, hvilken post-T&A kirurgisk procedure der er mest sandsynligt effektiv i hver enkelt kirurgisk kandidat. Dette mål vil blive opnået gennem patientspecifikke computational fluid dynamics (CFD) modeller af luftstrøm og øvre luftvejskollaps hos disse børn. Nye CFD-modeller af OSA, der unikt inkorporerer luftvejsbevægelse afledt af 3-dimensionel (3D) dynamisk magnetisk resonansbilleddannelse (MRI), opnået synkront med luftstrømsmåling, blev udviklet.18,19 Klinikere har i øjeblikket ingen metode til at bestemme bidraget fra neuromuskulær kontrol og lufttrykskræfter til at forårsage luftvejskollaps eller bestemme, om modstanden mod luftstrøm i en del af de øvre luftveje inducerer kollaps i en anden del af luftvejen. Patientspecifik CFD kan give denne information og derved blive et uvurderligt værktøj til at hjælpe klinikere med at vælge den kirurgiske procedure, der med størst sandsynlighed vil optimere resultaterne.

Den overordnede hypotese er, at anvendelsen af ​​nye CFD-modeller vil producere en valideret tilgang til nøjagtigt at forudsige den kirurgiske mulighed med det mest succesfulde resultat. Denne hypotese vil blive testet ved (1) at validere CFD til kirurgisk planlægning, (2) at identificere anatomiske og aerodynamiske faktorer (f.eks. ændringer i lokal modstand og flow-inducerede trykkræfter på grund af postkirurgiske ændringer i anatomi), som bestemmer kirurgiske resultater, og (3) at udvikle en virtuel operationsplatform til at identificere patientspecifikke kirurgiske procedurer, der vil føre til vellykkede resultater.