Modeling of obstructive sleep apnea by fluid-structure interaction in the upper airways

Snorking oppstår når de myke delene i de øvre luftveiene vibrerer så mye at luftveien klapper sammen. I noen tilfeller er snorkingen så ille at medisinsk behandling blir nødvendig. Den mest alvorlige formen, obstruktiv søvnapne (OSA), rammer 2-4 prosent av befolkningen. Lidelsen er kjennetegnet ved kraftig snorking, hyppige pustestopp, gisping etter pusten og oppvåkning. OSA medfører bl.a. redusert søvnkvalitet og oksygenopptak og er en viktig årsak til redusert livskvalitet og økt dødelighet i dagens samfunn. Det finnes en rekke ulike terapiformer for OSA, men det finnes ingen tilgjengelige metoder for å forutsi resultatet av dem. En stor andel av pasientene opplever ikke forbedring etter f.eks. kirurgi - noen blir til og med verre. Det er derfor behov for å tilnærme seg OSA-problemet på en mer målrettet måte for å oppnå mer forutsigbare resultater og økt sannsynlighet for valg av vellykket behandlingsmåte. For å kunne forutsi resultatet av behandling, er nøkkelen en grundig forståelse av de fysiske mekanismene som forårsaker OSA. Det vil si at vi trenger bedret forståelse av luftstrømmen i de øvre luftveiene og hvilke egenskaper ved luftveien som er årsak til problemet. For å få til dette, spiller matematiske modeller en viktig rolle. De kan avsløre årsaker og virkninger som er umulig å observere direkte. For å sikre suksessfull anvendelse av matematiske modeller, for å forutsi eller evaluere effekten av pasientbehandling, må vi ha en nøyaktig, matematisk beskrivelse av pasientens øvre luftveier. Medisinsk avbildning (f.eks. CT-røntgen, MR eller ultralyd) kan benyttes til å "se" pasientens luftveier. Basert på slikt bildemateriale kan tredimensjonale datamodeller av luftveiene gjenskapes. Disse kan videre benyttes til å beregne hvordan luftstrømmen arter seg når pasienten puster, hvor store krefter som må til for å forårsake en apne eller hvordan mykt vev vibrerer når man puster. I framtiden ser vi f.eks. for oss at "virtuell kirurgi" kan utføres på slike datamodeller, for å anslå hvordan et kirurgisk inngrep, eller annen type terapi, vil kunne forbedre pasientens søvnapne. Eksempler på dette kan være betydningen av liggestilling, effekten av implantater i ganen, effekten av nesekirurgi eller en kombinasjon av flere behandlingstiltak. Hvordan påvirker f.eks. et lite inngrep fremst i nesen luftstrømninger, som medfører vevsvibrasjoner i drøvelen? Og hvordan henger dette sammen med den endrede svingefrekvensen som skyldes implantater i ganen? For å svare på disse og beslektede spørsmål, må forskningen berøre tre tradisjonelt adskilte vitenskapelige fagområder: 1) Medisinske undersøkelser/tolkning og behandling av pasienter; 2) Faststoffdynamikk; og 3) Fluiddynamikk. I tillegg kommer måling av ulike fysiske parametere for å støtte opp om modelleringsaktiviteter. Dette prosjektet er gjennomført i samarbeid mellom eksperter innen medisin fra St. Olavs hospital, universitetssykehuset i Trondheim og det medisinske fakultet på NTNU samt eksperter innen ulike ingeniørfag ved fakultet for ingeniørvitenskap på NTNU og SINTEF Industri. Det er i grenseflatene mellom disse fagområdene at de store utfordringene ligger. Men også løsningene. For å sikre god kvalitet i det tverrfaglige arbeidet, er det viktig med tett samarbeid mellom de ulike fagområdene. Dette er gjerne en utfordring da de ulike fagekspertene snakker ulike "språk". At dette prosjektet lyktes med dette, tydeliggjøres gjennom flere tverrfaglige, vitenskapelige publikasjoner og forskningsresultater. En viktig ingrediens i samarbeidet har vært de jevnlige, flerfaglige arbeidsmøtene der forskningsresultater og faglige spørsmål har blitt presentert og diskutert. Her har vi litt etter litt lært å kjenne hverandres sjargong og arbeidsmåter, og vi ser nå for oss flere samarbeidsprosjekter i framtiden. Prosjektteamets visjon er å utvikle et kommersielt "designverktøy" som kan benyttes i planlegging av pasientbehandling. Et slikt verktøy vil bidra til reduserte helsekøer og kostnader i helsesektoren samt betydelig redusert risiko og ulempe for pasientene. Det vil dessuten muliggjøre økt pasientdeltakelse i viktige beslutninger om pasientens helse. Gjennom dette prosjektet har vi tatt store skritt i retning av visjonen. Vi har f.eks. benyttet pasient-spesifikke, matematiske strømnings- og vevsmodeller til å studere 1) hvilken effekt kirurgi i nesehulen har på luftstrømmen i de øvre luftveiene; samt 2) hvilken effekt anatomi og kirurgi i ganen har på forutsetningene for luftveikollaps. Prosjektet har dessuten kartlagt den statistiske effekten av nesekirurgi på OSA pasienter - denne var større enn tidligere trodd. Prosjektet sitter i dag på et unikt datamateriale, som kan benyttes til videre studier av sammenhengene mellom anatomi, behandling og OSA. Forut for full klinisk nytteverdi ligger ytterligere betydelig vitenskapelig nybrottsarbeid. Dette skal vi ta fatt på i neste prosjekt, som vi har søkt forskningsmidler for.

The project aims at the heart of the Norwegian national strategy for biotechnology, by bridging the current gap between a major health issue in the population and technologically based diagnostics and decision making for medical personnel. Obstructive Sle ep Apnea Syndrome (OSAS) is caused by repetitive collapses of the pharyngeal walls during sleep resulting in oxygen desaturation and sleep disturbances. OSAS has a huge impact on global health; it is related to a range of modern society diseases. 4% and 2 % of the male and female population, respectively, and 2-3% of children suffer from OSAS. The treatment options for the conditions remain obscure, with surgery being one option. No accepted guidelines exist, however, on what type of nasal surgery to perf orm or in which subgroup of patients a positive outcome can be predicted. From a clinical point of view we need a new way of looking at the underlying mechanisms of OSAS, and there is a demand for treating OSAS in a more targeted way, to allow for a more predictable outcome of the treatment and improved chances of positive response to the treatment. The proposed project will demonstrate a new clinical tool to predict the response to OSAS surgery. The main hypothesis of the project is that by employing a c ombination of clinical examination and computer model investigation of fluid-structure interaction in the human upper airways, it is possible to evaluate the effect of surgery with respect to OSAS mitigation. Ultimately, the research activity will result in a tool that can be utilized by medical personnel in the planning stage of OSAS treatment. The project is multidisciplinary by nature and is organized in four work packages; clinical research; soft tissue modeling; mathematical modeling of fluid-struct ure interactions; and CFD modeling for prediction of the success of OSAS surgery. The main deliverable of the project is a method to perform patient specific cause-and-effect studies with respect to OSAS mitig