Verbesserung der Ergebnisse bei pädiatrischer obstruktiver Schlafapnoe mit Computational Fluid Dynamics (OSA-MRI)

Dieses Projekt zielt darauf ab, ein validiertes Computertool zur Vorhersage chirurgischer Ergebnisse für pädiatrische Patienten mit obstruktiver Schlafapnoe (OSA) zu schaffen. Die erste Behandlungslinie für Kinder mit OSA ist die Entfernung ihrer Mandeln und Adenoide; Diese Operationen heilen den Patienten jedoch nicht immer. Eine andere Behandlung, kontinuierlicher positiver Atemwegsdruck (CPAP), wird nur von 50 % der Kinder toleriert. Daher unterziehen sich viele Kinder chirurgischen Eingriffen, die auf Weichgewebestrukturen rund um die Atemwege abzielen, wie Mandeln, Zunge und weicher Gaumen, und/oder die knöchernen Strukturen des Gesichts. Die Erfolgsraten dieser Operationen, gemessen als Reduktion des obstruktiven Apnoe-Hypopnoe-Index (obstruktive Ereignisse pro Stunde Schlaf), sind jedoch überraschend gering. Daher besteht ein eindeutiger Bedarf an einem Instrument, um die Wirksamkeit dieser Operationen zu verbessern und vorherzusagen, welche der verschiedenen chirurgischen Optionen jedem einzelnen Patienten am effektivsten zugute kommen wird. Computational Fluid Dynamics (CFD)-Simulationen des respiratorischen Luftstroms in den oberen Atemwegen können dieses Vorhersagewerkzeug bereitstellen, das es ermöglicht, die Auswirkungen verschiedener chirurgischer Optionen virtuell zu vergleichen und die Option auszuwählen, die den Zustand des Patienten am wahrscheinlichsten verbessert. Frühere CFD-Simulationen konnten keine Informationen über OSA liefern, da sie auf starren Geometrien basierten oder keine neuromuskuläre Bewegung, eine Schlüsselkomponente bei OSA, beinhalteten. Dieses Projekt verwendet Echtzeit-Magnetresonanztomographie (MRT), um die Anatomie und Bewegung der Atemwege für die CFD-Simulation bereitzustellen, was bedeutet, dass die exakte In-vivo-Bewegung zum ersten Mal modelliert wird. Da die Modellierung auf MRI basiert, einer Modalität, die keine ionisierende Strahlung verwendet, eignet sie sich außerdem für die Längsschnittbeurteilung von Patienten vor und nach chirurgischen Eingriffen. Die In-vivo-Validierung dieser Modelle wird zum ersten Mal durch den Vergleich von CFD-basierten Luftströmungsgeschwindigkeitsfeldern mit denen erreicht, die durch Phasenkontrast-MRT von eingeatmetem hyperpolarisiertem 129Xe-Gas erzeugt werden. Diese Forschung basiert auf Daten, die aus Schlaf-MRTs gewonnen wurden, die mit dem Probanden unter Sedierung durchgeführt wurden. Während die Sedierung des Patienten nach der Operation etwas mehr als ein minimales Risiko darstellt, überwiegen die potenziellen Vorteile für jeden Patienten dieses Risiko. Da 58 % der Patienten nach der Operation anhaltende OSA haben und der durchschnittliche Verlauf des OSA-Schweregrads im Laufe der Zeit zunimmt, kann die postoperative Bildgebung und Modellierung dem Patienten zugute kommen, indem sie die während der Operation vorgenommenen Änderungen an den Atemwegen identifiziert und auf welche Anatomie in Zukunft abgezielt werden sollte Behandlungen.

Die pädiatrische obstruktive Schlafapnoe (OSA) ist eine schlafbezogene Atmungsstörung, die durch eine Obstruktion der oberen Atemwege gekennzeichnet ist. Diese Störung betrifft allein in den USA 2,2 Millionen Kinder.1 Unbehandelt kann OSA zu Verhaltens-, kognitiven, metabolischen und kardiovaskulären Morbiditäten führen.2,3 Obwohl die Adenotonsillektomie (T&A) die Erstlinienbehandlung ist, leidet ein großer Prozentsatz der Kinder an anhaltender OSA nach T&A.4-11 Kontinuierlicher positiver Atemwegsdruck (CPAP) ist im Allgemeinen die Zweitlinienbehandlung;12 Kinder haben jedoch eine Compliance-Rate von nur 50 %.13 Kinder mit persistierender OSA, die nicht CPAP-konform sind, werden häufig operiert, die auf Weichgewebe und/oder knöcherne Strukturen rund um die oberen Atemwege abzielen, mit Erfolgsraten zwischen 17 % und 72 %.14-17. Die vorläufigen Daten der Prüfärzte zeigen, dass 58 % der Patienten, die sich nach T&A einer Weichteiloperation unterzogen, nach der anschließenden Operation eine anhaltende mittelschwere oder schwere OSA hatten. Das Ziel dieser Studie ist es daher, ein Vorhersagemodell bereitzustellen, das bestimmt, welches post-T&A-Operationsverfahren bei jedem einzelnen chirurgischen Kandidaten am wahrscheinlichsten effektiv ist. Dieses Ziel wird durch patientenspezifische Computational Fluid Dynamics (CFD)-Modelle des Luftstroms und des Kollapses der oberen Atemwege bei diesen Kindern erreicht. Es wurden neuartige CFD-Modelle von OSA entwickelt, die auf einzigartige Weise Atemwegsbewegungen einbeziehen, die aus dreidimensionaler (3D) dynamischer Magnetresonanztomographie (MRT) abgeleitet wurden, die synchron mit Luftstrommessungen erhalten wurden.18,19 Kliniker haben derzeit kein Verfahren zur Bestimmung des Beitrags der neuromuskulären Kontroll- und Luftdruckkräfte zum Kollaps der Atemwege oder zur Bestimmung, ob der Widerstand gegen den Luftstrom in einem Abschnitt der oberen Atemwege den Kollaps in einem anderen Abschnitt der Atemwege auslöst. Patientenspezifisches CFD kann diese Informationen liefern und dadurch zu einem unschätzbaren Werkzeug werden, das Ärzte bei der Auswahl des chirurgischen Verfahrens unterstützt, das die Ergebnisse am wahrscheinlichsten optimiert.

Die allgemeine Hypothese ist, dass die Anwendung neuartiger CFD-Modelle einen validierten Ansatz zur genauen Vorhersage der chirurgischen Option mit dem erfolgreichsten Ergebnis hervorbringen wird. Diese Hypothese wird getestet, indem (1) CFD für die chirurgische Planung validiert wird, (2) anatomische und aerodynamische Faktoren (z. B. Änderungen des lokalen Widerstands und strömungsinduzierte Druckkräfte aufgrund postoperativer Veränderungen in der Anatomie) identifiziert werden, die die chirurgischen Ergebnisse bestimmen, und (3) Entwicklung einer virtuellen Operationsplattform zur Identifizierung patientenspezifischer chirurgischer Verfahren, die zu erfolgreichen Ergebnissen führen.