Forbedring av resultater ved obstruktiv søvnapné hos barn med beregningsvæskedynamikk (OSA-MRI)

Dette prosjektet har som mål å lage et validert beregningsverktøy for å forutsi kirurgiske utfall for pediatriske pasienter med obstruktiv søvnapné (OSA). Den første behandlingslinjen for barn med OSA er å fjerne mandlene og adenoidene; disse operasjonene kurerer imidlertid ikke alltid pasienten. En annen behandling, kontinuerlig positivt luftveistrykk (CPAP) tolereres bare av 50 % av barna. Derfor gjennomgår mange barn kirurgiske inngrep rettet mot bløtvevsstrukturer som omgir luftveiene, slik som mandler, tunge og myk gane, og/eller de beinstrukturer i ansiktet. Imidlertid er suksessraten for disse operasjonene, målt som en reduksjon i den obstruktive apné-hypopné-indeksen (obstruktive hendelser per time søvn), overraskende lav. Derfor er det et klart behov for et verktøy for å forbedre effektiviteten til disse operasjonene og forutsi hvilke av de ulike kirurgiske alternativene som vil gagne hver enkelt pasient mest effektivt. Computational fluid dynamics (CFD)-simuleringer av respiratorisk luftstrøm i de øvre luftveiene kan gi dette prediktive verktøyet, slik at effektene av ulike kirurgiske alternativer kan sammenlignes virtuelt og alternativet som mest sannsynlig forbedrer pasientens tilstand, kan velges. Tidligere CFD-simuleringer har ikke vært i stand til å gi informasjon om OSA da de var basert på stive geometrier, eller ikke inkluderte nevromuskulær bevegelse, en nøkkelkomponent i OSA. Dette prosjektet bruker sanntids magnetisk resonansavbildning (MRI) for å gi anatomien og bevegelsen til luftveiene til CFD-simuleringen, noe som betyr at den nøyaktige in vivo-bevegelsen modelleres for første gang. Videre, siden modelleringen er basert på MR, en modalitet som ikke bruker ioniserende stråling, er den egnet for longitudinell vurdering av pasienter før og etter kirurgiske inngrep. In vivo-validering av disse modellene vil bli oppnådd for første gang gjennom sammenligning av CFD-baserte luftstrømhastighetsfelt med de som genereres av fasekontrast MRI av inhalert hyperpolarisert 129Xe-gass. Denne forskningen er basert på data hentet fra søvn-MR oppnådd med personen under sedasjon. Mens sedering av pasienten postoperativt er litt mer enn minimal risiko, oppveier de potensielle fordelene for hver pasient denne risikoen. Siden 58 % av pasientene har vedvarende OSA etter kirurgi og den gjennomsnittlige banen for OSA-alvorlighetsgrad er en økning over tid, kan postoperativ bildebehandling og modellering være til nytte for pasienten ved å identifisere endringene i luftveiene som er gjort under operasjonen og hvilken anatomi som bør målrettes i fremtiden behandlinger.

Pediatrisk obstruktiv søvnapné (OSA) er en søvnrelatert pusteforstyrrelse preget av obstruksjon i øvre luftveier. Denne lidelsen påvirker 2,2 millioner barn i USA alene.1 Hvis ubehandlet, kan OSA resultere i atferdsmessige, kognitive, metabolske og kardiovaskulære sykdommer.2,3 Selv om adenotonsillektomi (T&A) er førstelinjebehandlingen, har en stor prosentandel av barn vedvarende OSA etter T&A.4-11 Kontinuerlig positivt luftveistrykk (CPAP) er vanligvis andrelinjebehandlingen;12 barn har imidlertid en etterlevelsesrate på bare 50%.13 Barn med vedvarende OSA som ikke er i samsvar med CPAP, gjennomgår ofte kirurgi rettet mot bløtvev og/eller beinstrukturer rundt de øvre luftveiene, med suksessrater fra 17% til 72%.14-17. Etterforskernes foreløpige data viser at 58 % av pasientene som gjennomgikk bløtvevskirurgi etter T&A hadde vedvarende moderat eller alvorlig OSA etter den påfølgende operasjonen. Målet med denne studien er derfor å gi en prediktiv modell som bestemmer hvilken post-T&A kirurgisk prosedyre som mest sannsynlig vil være effektiv i hver enkelt kirurgisk kandidat. Dette målet vil bli oppnådd gjennom pasientspesifikke beregningsvæskedynamikkmodeller (CFD) av luftstrøm og øvre luftveiskollaps hos disse barna. Nye CFD-modeller av OSA som unikt inkorporerer luftveisbevegelse avledet fra 3-dimensjonal (3D) dynamisk magnetisk resonansavbildning (MRI) oppnådd synkront med luftstrømmåling ble utviklet.18,19 Klinikere har for tiden ingen metode for å bestemme bidraget fra nevromuskulær kontroll og lufttrykkskrefter til å forårsake luftveiskollaps eller avgjøre om motstanden mot luftstrøm i en del av de øvre luftveiene induserer kollaps ved en annen del av luftveien. Pasientspesifikk CFD kan gi denne informasjonen og dermed bli et uvurderlig verktøy for å hjelpe klinikere med å velge den kirurgiske prosedyren som mest sannsynlig vil optimalisere resultatene.

Den generelle hypotesen er at bruken av nye CFD-modeller vil gi en validert tilnærming for nøyaktig å forutsi det kirurgiske alternativet med det mest vellykkede resultatet. Denne hypotesen vil bli testet ved å (1) validere CFD for kirurgisk planlegging, (2) identifisere anatomiske og aerodynamiske faktorer (f.eks. endringer i lokal motstand og strømningsinduserte trykkkrefter på grunn av postkirurgiske endringer i anatomien) som bestemmer kirurgiske utfall, og (3) utvikle en virtuell kirurgiplattform for å identifisere pasientspesifikke kirurgiske prosedyrer som vil føre til vellykkede resultater.