Fluid dynamics optimization for the surgical treatment of septal deviations

Nasal septal deviations commonly cause obstructions of the nasal airways; when severe, deviations are surgically corrected by ear-nose-throat (ENT) specialists. Septoplasty, however, has a low success rate when the actual post-surgical benefits are considered, owing to a lack of standardized clinical tools capable to properly assess type and severity of obstructions, which vary wildly in shape and location. Often fully restoring the septal wall is impossible, and sometimes it is not required. This paper introduces a procedure, based on patient-specific Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations, to support ENT surgeons in septoplasty planning. The method hinges upon the adjoint-based optimization theory; by minimizing a cost function that indirectly accounts for viscous losses, a sensitivity map is computed on the mucosal wall which shows if and how much the removal of each point would contribute to easing the obstruction. The optimization is applied to three real nasal anatomies reconstructed from CT images of patients affected by complex septal deviations. The sensitivity map is consistently found to identify all the anomalies correctly; the surgical action suggested by the sensitivity map appears to be feasible. Improvements in the characteristics of the nasal airflow after optimization were proved performing a suitable morphing of the geometries.

Tra le principali cause anatomiche di ostruzione delle vie aeree superiori le deviazioni settali sono quelle caratterizzate da una maggiore incidenza. In tali casi, con l'obiettivo di alleviare il malessere dei pazienti, i chirurghi otorinolaringoiatri eseguono operazioni di settoplastica funzionale. Tuttavia, nel momento in cui si considera l'effettiva soddisfazione dei pazienti in termini di ripristino di normali funzionalità respiratorie, la percentuale di successo di tali interventi è al di sotto dell'80% . Questa inefficienza della pratica chirurgica è da attribuire all'assenza di uno strumento standardizzato in grado di valutare in maniera quantitativa, e affidabile gli effetti dell'ostruzione stessa. Il presente lavoro pone le basi per lo sviluppo di un metodo innovativo, basato sull'uso della CFD, capace di aiutare i chirurghi otorinolaringoiatri durante la fase di pianificazione dell'intervento di settoplastica. Questo strumento è sviluppato integrando la normale simulazione del flusso d'aria all'interno delle cavità nasali con l'applicazione della formulazione aggiunta usata per calcolare i valori delle derivate di sensitività per un problema di ottimizzazione di forma. La procedura è stata testata su tre diverse anatomie che presentano deviazioni settali di diversa tipologia e severità. Prima di tutto l'effettiva anatomia nasale è ricostruita a partire dalle immagini TC a disposizione. In seguito si simula l'effettivo flusso d'aria ed infine i risultanti campi di velocità e pressione sono usati per avviare la formulazione aggiunta. La mappa di sensitività superficiale ottenuta in questo modo da informazioni su quanto uno spostamento di un punto sulla parete nasale porta benefici in termini di minimizzazione di una funzione obiettivo che simula la resistenza dell'aria. In tutti e tre i casi analizzati lo strumento proposto è stato in grado di identificare tutte le anomalie. I risultati sono stati verificati con l'aiuto di chirurghi che hanno confermato la fattibilità di tutte le correzioni suggerite.