OpenNOSE : an open source procedure for the simulation of nasal aerodynamics

The present work deals with the numerical simulation of nasal cavity aerodynamics in patients affected by nasal pathologies. It represents the beginning of a feasibility study of virtual surgery. In particular, it is a first step towards implementing the virtual surgery concept; here we consider a specific case of a patient with a severe septal deviation. The work results from a collaboration with the otolaryngology ward of San Paolo Hospital in Milan. The long-term aim of this cooperation is to provide a robust and reliable open-source procedure for patient-specific treatment of nasal pathologies, such as septal deviation and turbinate hy- pertrophy. The first part of the work is focused on turbulence modelling. RANS equations are chosen to describe the flow and the transitional kT − kL − ω model is compared to the more classical one, the k − ω − SST model. Then attention is given to virtual surgery to investigate the consequences of the operation. The septal deviation is removed through geometry editing and pre- and post-virtual surgery cases are compared. Geometry is reconstructed from CT images, in case of virtual-surgery it has been modified, and, finally the mesh is created with the purpose of simulating the nasal cavity flow. The results suggest the kT −kL−ω turbulence model ability of representing the transitional state of the flow. Unfortunately, no in-vivo information is available to ascertain the validity of the previous suggestion. Further studies are required to validate these results; in other words, in-vitro ex- perimental verification and more accurate simulations such as LES or DNS could offer a quantitative basis for comparison.

Il presente lavoro riguarda la simulazione numerica dell’aerodinamica alll’interno della cavità nasale in pazienti affetti da patologie nasali. In particolare, questo è il primo passo verso l’implementazione del concetto di virtual surgery; a tale scopo si considera il caso specifico di un paziente con deviazione del setto piuttosto severa. Questo lavoro prende le mosse dalla collaborazione con il reparto di otorinolaringoiatria del Policlinico San Paolo di Milano. L’obiettivo a lungo termine di questa cooperazione è di fornire ai chirurghi una procedura open-source robusta e affidabile per lo studio di ogni specifico caso affetto da patologie nasali, come deviazione del setto e ipertrofia dei turbinati. La prima parte del lavoro è focalizzata sulla modellazione turbolenta. La descrizione del flusso avviene tramite le equazioni RANS completate dal modello transizionale kT −kL−ω e dal modello più classico k − ω − SST. L’attenzione è poi rivolta alla virtual surgery per studiare le conseguenze dell’intervento. La deviazione del setto è stata rimossa modificando la geometria iniziale, per poi confrontare i casi pre- e post-virtual surgery. La geometria specifica del paziente è ricostruita dalle immagini della CT, nel caso di virtual surgery essa viene modificata, e infine si crea la mesh per la simulazione numerica. I risultati suggeriscono che il modello transizionale kT −kL−ω applicato a questo tipo di flussi abbia buone potenzialità. Sfortunatamente non ci sono dati in-vivo disponibili per accertare la validità della precedente assunzione. Sono quindi richiesti ulteriori studi per validare questi risultati; in altre parole, verifiche sperimentali in-vitro e simulazioni più accurate come LES o DNS potrebbero offrire una base quantitativa per il confronto.