Введение
Патология полости носа и околоносовых пазух является наиболее частой в практике врача-оториноларинголога и затрагивает, по разным оценкам, до 38% населения [1]. Проведение воздуха является основной функцией носа. Данная функция нарушается при воспалительных и других заболеваниях полости носа. С другой точки зрения, изменение пути воздушного потока, например, при анатомических аномалиях, само по себе потенциально может выступать этиологическим фактором развития заболеваний. Аэродинамические процессы играют важную роль в физиологии и патофизиологии полости носа и околоносовых пазух, в связи с чем их исследование находится в фокусе оториноларингологических научных работ на протяжении многих лет. Изучение аэродинамики полости носа и околоносовых пазух ученые проводили как in vivo, так и на экспериментальных анатомических моделях. Пионером экспериментальных исследований был A.W. Proetz, который в 1951 г. наблюдал движение потоков дыма в слепках полости носа при разных типах искривления перегородки носа. В дальнейшем аэродинамику полости носа на моделях изучали с помощью подкрашенных потоков жидкости [2], микротермоанемометров [3] и радиоактивных элементов [4]. Исследования in vivo были более редкими, в них использовали, в частности, наблюдения за потоками дыма в полости носа при помощи эндоскопа [5] и фиксацию давления в трех точках общего носового хода [6].
Ряд методов объективной оценки аэродинамики полости носа предложен для использования в клинической и исследовательской практике. Риноманометрия позволяет определить скорость воздушного потока и разницу атмосферного давления и давления в полости носа при дыхании. Также может быть рассчитан показатель сопротивления (ринорезистометрия) половины носа. Наибольшее распространение получила передняя активная риноманометрия, при которой датчик располагается в преддверии носа. Метод позволяет получить количественную характеристику функции носового дыхания с каждой стороны носа и отличается относительной простотой и доступностью, однако не может быть использован у пациентов с перфорацией перегородки носа или полной обструкцией носового дыхания с одной из сторон. Практически не используется в настоящий момент в виду технической трудности выполнения задняя риноманометрия, при которой датчик заводится за мягкое небо пациента.
Другой распространенный метод исследования полости носа — акустическая ринометрия. Этот метод не оценивает напрямую носовое дыхание, однако позволяет определить геометрические сужения поперечного сечения полости носа, которые коррелируют со скоростью воздушного потока. Принцип действия акустической ринометрии основан на компьютерном анализе отражения звука, подаваемого в полость носа.
Однако перечисленные методы исследования полости носа не позволяют определять скорость потока воздуха в конкретной точке или области полости носа. Это ограничивает возможность их применения для изучения локальных изменений скорости потока воздуха в норме и патологии.
В последние годы наибольшую популярность в качестве метода моделирования потоков воздуха приобрели цифровые модели полости носа и околоносовых пазух, которые выстраивают на основе данных компьютерной томографии, при этом потоки воздуха имитируют специальным программным обеспечением [7]. Недостатками данного метода являются дороговизна используемого оборудования, необходимость труднодоступного программного обеспечения.
Все экспериментальные методы изучения аэродинамики полости носа и околоносовых пазух имеют определенные недостатки. Большинство моделей не учитывают вариабельность анатомических особенностей пациентов, а также наличие разных типов дыхания. Параметры дыхания в моделях задаются самим исследователем, любая модель подразумевает наличие допущений и упрощений. В проведенных исследованиях in vivo часто присутствует элемент субъективности при интерпретации полученных данных или же описана аэродинамика полости носа и околоносовых пазух весьма приблизительно. В связи с этим в настоящее время продолжается поиск новых эффективных методов изучения аэродинамики полости носа и околоносовых пазух.
Цель работы — усовершенствовать методику исследования аэродинамики полости носа посредством разработки высокоточного способа измерения потока вдыхаемого и выдыхаемого воздуха в выбранной точке полости носа.
Материал и методы
Работа условно была разделена на два этапа. На 1-м этапе разрабатывали прибор, оборудованный высокочувствительными датчиками, который измерял в режиме реального времени объемную скорость потока воздуха в заданной точке полости носа, и определяли методику проведения исследования. На 2-м этапе оценивали возможности созданного прибора для изучения локальной аэродинамики полости носа у здоровых добровольцев и у пациентов с искривлением перегородки носа на уровне преддверия носа и переднего конца нижней носовой раковины (ННР).
1-й этап исследования: разработка аппаратно-программного комплекса и методики для изучения аэродинамики полости носа
Аппаратно-программный комплекс
Для проведения исследования совместно с ЦНИИ «Циклон» был разработан и сконструирован оригинальный измерительный прибор (рис. 1).
Рис. 1. Измерительный прибор для селективной ринофлоуметрии.
а — структурная схема прибора и составных частей; б — общий вид прибора (1, 2 — датчики потока воздуха; 3 — соединительные гибкие переходные шланги; 4 — цифровой модуль; 5 — USB-кабель для передачи данных); в — металлический полый наконечник для проведения исследования со внутренним диаметром 0,7 мм; г — проведение исследования с использованием гибкого наконечника.
Основным конструктивным элементом прибора являлись два независимых аналоговых датчика Zephyr производства компании Honeywell в модификации Long Port Fastener Mount, которые способны измерять проходящий через них поток воздуха с высокой точностью. Принцип действия датчиков основан на изменении температуры термоизолированного чувствительного элемента при прохождении через него воздушного потока дифференциальным методом. Датчики имеют цифровой интерфейс I2C, что существенно облегчает их интеграцию в прибор. Время реакции на изменение потока — около 1 мс. В качестве единицы измерения использовали объемную скорость воздушного потока (ОСВП) (см3/мин).
Измерение ОСВП происходит за счет охлаждения проходящим воздушным потоком расположенного в канале датчика тончайшего проволочного проводника из платины и нитрита силикона, который при этом меняет свое сопротивление. Датчик способен фиксировать поток воздуха с минимальным объемом 0,001 см3, минимальной объемной скоростью потока 1 мл/мин; он полностью откалиброван и может работать при температуре от –20 до +70 °C без дополнительных корректировок показаний. Эффективность измерений не зависит от положения датчика в пространстве. Фиксация ОСВП происходит при прохождении воздуха как в одну, так и в другую сторону, при этом максимальный объем проходящего воздуха не должен превышать 10 стандартизированных литров в минуту. Ошибка для повторных измерений в лабораторных условиях не превышает 0,5%. К каждому датчику подведена гибкая полая трубка из силикона с внутренним диаметром 4 мм и наружным — 7 мм, длиной 45 см, по которой в датчик поступает измеряемый поток воздуха. К трубкам могут быть герметично присоединены полые наконечники разной формы и длины как из твердых, так и из гибких материалов. Оба датчика потока воздуха передают измеряемые показания потоков воздуха на цифровой модуль по интерфейсу I2C, который после предварительной обработки отправляет данные через проводной USB-интерфейс на персональный компьютер (ПК).
На ПК полученные данные в режиме реального времени обрабатываются программным обеспечением Airterm, разработанным в ЦНИИ «Циклон» специально для описанного аппарата. Результаты измерения программа представляет в виде графика (рис. 2). По оси абсцисс откладывается время в секундах, по оси ординат — скорость потока воздуха (см3/мин). Цветные линии отражают величину ОСВП, измеряемой двумя датчиками (две половины носа). Когда линия находится выше значения 0 по оси ординат, это говорит о положительной скорости потока воздуха (выдох), когда ниже — об отрицательной (вдох). В левом верхнем углу после окончания измерения отображаются расчетные средние значения для показателей вдоха и выдоха для каждого датчика.
Рис. 2. Пример результатов измерения объемной скорости потока воздуха в заданной точке с использованием оригинального прибора одновременно двумя датчиками.
Длительность измерения задается пользователем произвольным образом. Программа также рассчитывает показатели: средний объем (Vср, см3) вдоха и выдоха за время измерения и среднюю ОСВП (Fср, см3/мин) за время измерения на вдохе и на выдохе. Измерения могут проводиться с использованием как одного датчика, так и двух одновременно (на диаграмме показания с первого датчика обозначены как Д1, а со второго как Д2). Полученные значения сохраняли в виде таблиц и далее обрабатывали в программном обеспечении Microsoft Excel.
Методика проведения исследования
Для выявления особенностей воздушного потока в полости носа проводили сравнение ОСВП в разных точках полости носа на вдохе и выдохе. Измерения осуществляли при спокойном дыхании в 6 точках — на уровне преддверия носа и переднего отдела ННР (рис. 3) на протяжении 20 с в каждой точке. Локализацию и количество точек выбрали исходя из простоты и однозначности определения, что являлось важным условием пилотного исследования. Теоретически может быть использовано любое количество точек для исследования интересующего участка. Для проведения измерений к гибкой трубке присоединяли жесткую металлическую изогнутую насадку длиной 15 см и внутренним диаметром 0,7 мм.
Рис. 3. Заданные точки полости носа для измерения аэродинамических показателей (отмечены красным).
а — на схематичном рисунке полости носа; б — в области преддверия носа; в — на уровне переднего конца нижней носовой раковины. ВНР — верхняя носовая раковина; СНР — средняя носовая раковина; ННР - нижняя носовая раковина.
С учетом того, что во время исследования происходит определение скорости потока воздуха в определенной области полости носа, метод получил название «селективная ринофлоуметрия» (от англ. «flow» — «поток»).
2-й этап исследования: оценка возможностей применения разработанного прибора для изучения аэродинамики полости носа
Материал и методы
Изучение нормального носового дыхания проводили у 10 добровольцев (6 мужчин и 4 женщины), средний возраст которых составил 28,2±3,7 года. Критериями включения являлись: возраст старше 18 лет, отсутствие жалоб на затруднение носового дыхания, нормальные показатели нового дыхания при передней активной риноманометрии и акустической ринометрии. Критериями исключения служили: наличие жалоб на затруднение носового дыхания или выделений из носа, патология полости носа и околоносовых пазух, носоглотки (аденоидные вегетации), деформация наружного носа, использование интраназальных лекарственных препаратов, респираторные инфекции в течение месяца до момента обследования. Всем добровольцам перед началом исследования проводили эндоскопическое исследование полости носа и аппликационную анестезию полости носа 10% раствором лидокаина.
В качестве группы сравнения выступали пациенты с установленным диагнозом «искривление перегородки носа с нарушением носового дыхания» (10 пациентов: 7 мужчин и 3 женщины; средний возраст 30,2±4,4 года). Для участия в исследовании отбирали пациентов с подвывихом четырехугольного хряща и локализацией искривления в переднем отделе перегородки носа. Измерения проводили только на стороне искривления (10 половин полости носа).
Всем пациентам выполняли обследование с помощью разработанного прибора по описанной выше методике. Измерительную насадку устанавливали в нужную точку под эндоскопическим контролем. Статистическое сравнение величин ОСВП, полученных в разных точках, производили с применением метода Манна—Уитни в программном обеспечении SPSS v. 26.
Результаты
Данные обследования 10 добровольцев (20 половин полости носа) приведены в табл. 1.
Таблица 1. Средние значения ОСВП в разных точках измерения у здоровых добровольцев при использовании наконечника с внутренним диаметром 0,7 мм
| Преддверие носа | Общий носовой ход | Уровень переднего края нижней носовой раковины (ННР) | |||
| Отдел | Вдох, см3/мин | Выдох, см3/мин | Вдох, см3/мин | Выдох см3/мин | |
| Латеральный | 39,9±12,2 | 20,0±7,5 | Нижний край ННР | 47,8±19,2 | 34,5±9,6 |
| Центральный | 36,8±9,9 | 22,0±6,1 | Середина ННР | 58,7±21,0 | 35,5±10,7 |
| Медиальный | 39,9±15,8 | 23,0±8,9 | Верхний край ННР | 33,0±11,1 | 27,8±8,4 |
При анализе результатов исследования у здоровых добровольцев было выявлено, что в преддверии полости носа в изучаемых точках ОСВП распределяется достаточно равномерно: различия средних значений не превышали 15% как на вдохе, так и на выдохе (p>0,05). ОСВП в области преддверия носа колебалась у разных пациентов на вдохе от 10,2 до 52,0 см3/мин, а на выдохе от 13,8 до 48,3 см3/мин, т.е. наблюдалась значительная вариабельность показателя. В среднем, наименьшая ОСВП в области преддверия носа была заригистрирована в центральном отделе на вдохе и в латеральном отделе на выдохе. У здоровых добровольцев ОСВП при выдохе в этой области была примерно на 50% меньше, чем при вдохе (p<0,05).
На уровне переднего края ННР ОСВП колебалась на уровне более высоких значений, чем в области преддверия носа. Также на этом уровне распределение ОСВП было не таким равномерным. Максимальные средние значения ОСВП при вдохе находились на уровне середины ННР и составили 58,7±21,0 см3/мин, а при выдохе — 35,5±10,7 см3/мин. При вдохе ОСВП в области нижнего края ННР была на 18,6% ниже, чем на уровне середины ННР (p<0,05), а в области верхнего края — на 43,8% (p<0,05). При выдохе ОСВП распределялась схожим образом, но более равномерно: разница в ОСВП между уровнем нижнего края и середины ННР составила 2,8% (p>0,05), а между уровнем верхнего края и середины ННР — 21,7% (p<0,05). Во всех изучаемых точках в этом отделе показатели ОСВП при выдохе были выше, чем при вдохе (p<0,05).
Данные по исследованию в группе пациентов с искривлением перегородки носа на стороне подвывиха (10 сторон) представлены в табл. 2.
Таблица 2. Средние значения ОСВП в разных точках измерения у пациентов с искривлением перегородки носа на стороне подвывиха при использовании наконечника с внутренним диаметром 0,7 мм
| Преддверие носа | Общий носовой ход | Уровень переднего края нижней носовой раковины (ННР) | |||
| Отдел | Вдох, см3/мин | Выдох, см3/мин | Вдох, см3/мин | Выдох, см3/мин | |
| Латеральный | 11,7±8,7 | 28,8±16,3 | Нижний край ННР | 51,1±17,2 | 91,6±34,5 |
| Центральный | 14,9±10,6 | 44,3±19,9 | Середина ННР | 55,0±21,2 | 97,9±31,5 |
| Медиальный | 12,1±8,0 | 13,4±9,0 | Верхний край ННР | 18,6±10,3 | 57,6±23,9 |
На стороне подвывиха распределение ОСВП отличалось от такового у здоровых добровольцев. В области преддверия носа наибольшие средние значения ОСВП были зафиксированы в центральном отделе (14,9±10,6 см3/мин при вдохе, 44,3±19,9 см3/мин при выдохе). Показатели ОСВП в латеральном и медиальном отделе были ниже, особенно при выдохе (на 35,0 и 69,8% соответственно; p<0,05). У пациентов с особенно выраженной девиацией перегородки носа ОСВП в некоторых точках не регистрировалась. Таким образом, наблюдалось асимметричное распределение скорости потока воздуха. Усредненные значения ОСВП при выдохе в области преддверия носа оказались на 10,7—297,3% выше, чем при вдохе (p<0,05).
На уровне переднего конца ННР наименьшие средние значения ОСВП как при выдохе, так и при вдохе приходились на верхний край ННР и составили 57,6±23,9 и 18,6±10,3 см3/мин соответственно. Средняя ОСВП в области верхнего края и середины ННР была схожей, различия не превышали 10% (p>0,05). При этом значения ОСВП при выдохе существенно превышали значения ОСВП при вдохе, полученные в аналогичных точках (см. табл. 2). В этой группе пациентов ОСВП на уровне переднего конца ННР в среднем в 1,5—3,0 раза была больше, чем в преддверии носа (p<0,05).
При сравнении распределения ОСВП, полученной с помощью ринофлоуметрии, в группе здоровых добровольцев с распределением в группе пациентов с искривлением перегородки носа прослеживаются следующие отличия. Во-первых, в группе здоровых во всех исследованных точках ОСВП при вдохе была выше, чем при выдохе, в то время как в группе пациентов с искривлением перегородки носа наблюдалась обратная тенденция. Во-вторых, в группе здоровых ОСВП в области преддверия носа распределялась достаточно равномерно, а в группе пациентов была отмечена выраженная асимметрия с наиболее высокими значениями в центральной области преддверия. В-третьих, на стороне искривления в группе пациентов с искривлением перегородки носа точки с наибольшей скоростью в преддверии носа и на уровне переднего конца ННР находились в центральной части, а в группе здоровых при движении воздуха из области преддверия внутрь носовой полости и наоборот происходила смена уровня области с наиболее высокой ОСВП.
Обсуждение
Таким образом, разработанный прибор для проведения флоуметрии в заданной точке (области), площадь которой равна 0,38 мм2, позволяет регистрировать и измерять ОСВП с точностью 0,001 см3/мин, что обеспечивается чувствительным датчиком Zephyr на основе изменения температуры термоизолированного чувствительного элемента.
Проведенное исследование, в котором оценивали объемный поток воздуха в конкретных точках, расположенных на разных «этажах» и в глубине полости носа, показало значимую разницу при локальном сравнении определяемой скорости между исследуемыми точками как в норме (от 2,8 до 43,1%), так и при искривлении перегородки носа (от 6,4 до 331,2%).
Представленные прибор и разработанная методика проведения исследования позволяют изучать особенности аэродинамики в полости носа в заданной точке в реальном времени, что свидетельствует о селективном подходе в изучении особенностей распределения потоков воздуха при дыхании через нос. Аналогичных характеристик не имеют известные методы исследования аэродинамики полости носа. Компьютерное моделирование аэродинамических процессов полости, несмотря на свои преимущества в виде хорошей визуализации данных расчетов, все же является принципиально другим по своей сути научным методом. С одной стороны, оно предполагает ряд допущений и приближений, а с другой — требует наличия высоких вычислительных мощностей и привлечения дополнительных специалистов. Предлагаемая в настоящей работе методика исследования, в свою очередь, достаточно проста и понятна в исполнении, хотя и имеет свои ограничения.
В работе применяли в качестве концевой насадки изогнутую металлическую трубку с внутренним диаметром 0,7 мм. Вместе с тем с вышеописанным прибором можно использовать полые насадки разных диаметров и формы, в том числе гибкие, что позволяет применять прибор для решения различных исследовательских целей.
Созданное программное обеспечение Airterm для обработки данных, поступающих из прибора, дает возможность визуализации графика потока воздуха с обеих датчиков в доступной форме в режиме реального времени. Это может быть полезно для визуализации некоторых изменяющихся условий, например интенсивности дыхания или изучения физиологических дыхательных процессов. Автоматический подсчет средних значений измерений полезен для дальнейшей статистической обработки. Программное обеспечение будет дорабатываться в дальнейшем для увеличения функционала и удобства использования.
Заключение
В ходе настоящего исследования был разработан прототип прибора на основе датчика потока воздуха, который подходит для изучения аэродинамики полости носа in vivo и в эксперименте. Методика исследования потоков воздуха в полости носа с использованием оригинального прибора была названа селективной ринофлоуметрией, поскольку позволяет проводить исследование в конкретной точке, в отличие от других методик (передняя активная риноманометрия, акустическая ринометрия). На данном этапе методика в большей степени рассматривается как инструмент для научных работ, однако мы не исключаем возможности клинического использования модификаций данного прибора в будущем.
В ходе изучения аэродинамики полости носа у здоровых добровольцев были получены показатели ринофлоуметрии нормального носового дыхания, которые отличались от показателей ринофлоуметрии при девиации перегородки носа, что свидетельствует о дифференциальных возможностях разработанного прибора. Расположение и количество точек измерения может быть подобрано произвольно, исходя из задач научной работы. На следующих этапах работы планируется включить в исследование большее число участников для получения максимально релевантных значений исследованных параметров и выполнения расширенного анализа.
Селективную ринофлоуметрию можно рассматривать как перспективный метод исследования, который позволит расширить знания в области физиологии носового дыхания, а также объективизировать влияние анатомии внутриносовых структур на распределение воздушных потоков в полости носа и околоносовых пазух. Разработанный прибор, который оборудован высокочувствительными датчиками, может быть применен для исследования потоков воздуха в носоглотке, что может открыть новые перспективы в изучении тубарной патологии.
Участие авторов:
Концепция и дизайн исследования — Г.Ю. Царапкин, В.Б. Бокшанский, Д.С. Огородников
Сбор и обработка материала — А.Е. Кишиневский, А.А. Задорожная
Статистическая обработка данных — М.Ю. Поляева
Написание текста — А.Е. Кишиневский, Г.Ю. Царапкин, В.Б. Бокшанский, Н.В. Шведов, А.А. Задорожная, А.С. Уланова
Редактирование — М.Ю. Поляева, Е.В. Горовая
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.