Förbättra resultat i pediatrisk obstruktiv sömnapné med beräkningsvätskedynamik (OSA-MRI)

Detta projekt syftar till att skapa ett validerat beräkningsverktyg för att förutsäga kirurgiska resultat för pediatriska patienter med obstruktiv sömnapné (OSA). Den första behandlingslinjen för barn med OSA är att ta bort deras tonsiller och adenoider; dessa operationer botar dock inte alltid patienten. En annan behandling, kontinuerligt positivt luftvägstryck (CPAP) tolereras endast av 50 % av barnen. Därför genomgår många barn kirurgiska ingrepp riktade mot mjukvävnadsstrukturer som omger luftvägarna, såsom tonsiller, tunga och mjuk gom och/eller benstrukturerna i ansiktet. Men framgångsfrekvensen för dessa operationer, mätt som en minskning av det obstruktiva apné-hypopnéindexet (obstruktiva händelser per timmes sömn), är förvånansvärt låg. Därför finns det ett tydligt behov av ett verktyg för att förbättra effektiviteten av dessa operationer och förutsäga vilka av de olika kirurgiska alternativen som kommer att gynna varje enskild patient mest effektivt. Computational fluid dynamics (CFD)-simuleringar av andningsluftflödet i de övre luftvägarna kan tillhandahålla detta prediktiva verktyg, vilket gör att effekterna av olika kirurgiska alternativ kan jämföras virtuellt och det alternativ som mest sannolikt förbättrar patientens tillstånd att väljas. Tidigare CFD-simuleringar har inte kunnat ge information om OSA eftersom de var baserade på stela geometrier, eller inte inkluderade neuromuskulär rörelse, en nyckelkomponent i OSA. Detta projekt använder magnetisk resonanstomografi i realtid (MRT) för att tillhandahålla anatomin och rörelsen av luftvägarna till CFD-simuleringen, vilket innebär att den exakta in vivo-rörelsen modelleras för första gången. Dessutom, eftersom modelleringen är baserad på MRI, en modalitet som inte använder joniserande strålning, är den lämplig för longitudinell bedömning av patienter före och efter kirurgiska ingrepp. In vivo-validering av dessa modeller kommer att uppnås för första gången genom jämförelse av CFD-baserade luftflödeshastighetsfält med de som genereras av faskontrast-MRI av inhalerad hyperpolariserad 129Xe-gas. Denna forskning är baserad på data som erhållits från sömn-MR som uppnåtts med försökspersonen under sedering. Även om sedering av patienten postoperativt är något mer än minimal risk, uppväger de potentiella fördelarna för varje patient denna risk. Eftersom 58 % av patienterna har ihållande OSA efter operation och den genomsnittliga banan för OSA-allvarligheten är en ökning över tid, kan postoperativ bildbehandling och modellering gynna patienten genom att identifiera de förändringar i luftvägarna som görs under operationen och vilken anatomi som bör riktas mot i framtiden behandlingar.

Pediatrisk obstruktiv sömnapné (OSA) är en sömnrelaterad andningsstörning som kännetecknas av obstruktion i övre luftvägarna. Denna sjukdom drabbar 2,2 miljoner barn enbart i USA.1 Om obehandlad kan OSA resultera i beteendemässiga, kognitiva, metabola och kardiovaskulära sjukdomar.2,3 Även om adenotonsillektomi (T&A) är förstahandsbehandlingen, har en stor andel av barnen ihållande OSA efter T&A.4-11 Kontinuerligt positivt luftvägstryck (CPAP) är i allmänhet andrahandsbehandlingen;12 barn har dock en följsamhetsgrad på endast 50%.13 Barn med ihållande OSA som inte följer CPAP genomgår ofta operationer riktade mot mjukvävnad och/eller benstrukturer som omger de övre luftvägarna, med framgångsfrekvenser från 17% till 72%.14-17. Utredarnas preliminära data visar att 58 % av patienterna som genomgick mjukdelskirurgi efter T&A hade ihållande måttlig eller svår OSA efter den efterföljande operationen. Målet med denna studie är därför att tillhandahålla en prediktiv modell som bestämmer vilken post-T&A kirurgisk procedur som är mest sannolikt effektiv för varje enskild kirurgisk kandidat. Detta mål kommer att uppnås genom patientspecifika beräkningsvätskedynamikmodeller (CFD) av luftflöde och kollaps av övre luftvägar hos dessa barn. Nya CFD-modeller av OSA som unikt innehåller luftvägsrörelse härledd från 3-dimensionell (3D) dynamisk magnetisk resonanstomografi (MRI) erhållen synkront med luftflödesmätning utvecklades.18,19 Kliniker har för närvarande ingen metod för att bestämma bidraget från neuromuskulär kontroll och lufttryckskrafter för att orsaka luftvägskollaps eller avgöra om motståndet mot luftflödet i en del av de övre luftvägarna framkallar kollaps i en annan del av luftvägen. Patientspecifik CFD kan ge denna information och därigenom bli ett ovärderligt verktyg för att hjälpa läkare att välja det kirurgiska ingrepp som är mest sannolikt att optimera resultaten.

Den övergripande hypotesen är att tillämpningen av nya CFD-modeller kommer att producera en validerad metod för att exakt förutsäga det kirurgiska alternativet med det mest framgångsrika resultatet. Denna hypotes kommer att testas genom att (1) validera CFD för kirurgisk planering, (2) identifiera anatomiska och aerodynamiska faktorer (t.ex. förändringar i lokalt motstånd och flödesinducerade tryckkrafter på grund av postkirurgiska förändringar i anatomin) som bestämmer kirurgiska resultat, och (3) utveckla en virtuell operationsplattform för att identifiera patientspecifika kirurgiska ingrepp som kommer att leda till framgångsrika resultat.