Cambios volumétricos en la vía aérea superior de pacientes con tratamiento del síndrome de Apnea-Hipopneas del sueño en tratamientos con Dispositivo Avance Mandibular

Abstract

Introducción: El síndrome de apnea-hipopnea del sueño (SAHS) se conoce como una patología crónica con efectos severos sobre la calidad y la esperanza de vida. El tratamiento de la apnea consiste en aumentar el volumen o modificar la morfología de la vía aérea superior (VAS) mediante medidas de presión (CPAP), dispositivos de avance mandibular (DAM) o mediante intervención quirúrgica. Es importante llegar a un diagnóstico certero y a un tratamiento eficaz para evitar el progreso de la enfermedad y el desarrollo de posibles comorbilidades. Debemos conocer las distintas variables que afectan al éxito de los tratamientos evitando opciones ineficaces y en ocasiones resultados irreversibles. Los ortodoncistas jugamos un papel crucial en la elección de pacientes en los que puede estar indicado el tratamiento con DAM. Tener más información sobre la inestabilidad del flujo aéreo en la VAS resulta importante para incrementar nuestro conocimiento sobre las presiones, fuerzas y flujo que influencian el estrechamiento de la VAS en los pacientes con SAHS. La dinámica de flujo computacional (CFD por sus siglas en inglés) es un área de gran interés en el mundo de la ingeniería y la medicina. Permite predecir características de flujo aplicando cambios producidos a las diferentes variables (presión pulmonar, frecuencia inspiración/espiración, cambios en la turbulencia de flujo, frecuencia respiratoria) de una manera no invasiva. Es complicado plasmar la mejora en la función respiratoria producida por el uso de los DAM mediante imágenes estáticas. Gracias a los grandes avances en software y técnicas de imagen médicas y junto con un estudio de la dinámica de fluidos en la VAS podemos determinar el efecto que produce el tratamiento con DAM y los cambios generados a nivel de la VAS de cada paciente. El objetivo de este estudio es evaluar mediante técnicas de imagen médicas y el estudio de CFD, la diferencia en el flujo aéreo faríngeo entre una situación de reposo y durante el uso del dispositivo de avance mandibular DAM® en pacientes con SAHS y/o ronquido. Material y métodos: construimos modelos numéricos empleando las imágenes médicas obtenidas a partir de la tomografía computerizada, realizando un tratamiento de imágenes, segmentación y computación de los datos para la CFD. En un primer estudio en 10 pacientes empleando una tomografía convencional MDCT estudiamos 3 escenarios por cada paciente (sin DAM®, con DAM® y boca cerrada y con DAM® y boca abierta). Para el segundo estudio se escogieron 6 pacientes y se realizaron estudios de imagen con CBCT en dos situaciones (sin DAM® y con DAM®) consiguiendo un total de 12 volúmenes a valorar. Todas las mallas en este estudio fueron realizadas a partir de elementos tetraédricos con una capa superficial. El aire se modeló como incompresible, homogéneo y Newtoniano. Al realizar el estudio de dinámica de fluidos fueron ignorados el efecto gravitacional, fuente de calor, transferencia de calor, cambio de fase, y reacciones químicas. Analizamos solo la peor situación (pico de flujo inspiratorio). Las características del flujo de aire se simularon con parámetros fisiológicos: densidad 1.17 kg/m3 y viscosidad 1.8·10-5 kg/m·s (temperatura del flujo de aire a 25°C). La condición en el límite de salida se fijó en 0 atm de presión en la laringofaringe. Se consideraron las mismas condiciones en todos los casos. Conclusiones: El DAM® induce cambios en la estructura de la VAS especialmente en la velofaringe donde el volumen se incrementa de manera considerable. La posición de boca cerrada parece ser más efectiva que boca abierta. Existe una fuerte correlación entre nuestros datos y el éxito de tratamiento con DAM®. Este estudio demuestra la eficacia de la metodología utilizada, pudiendo emplearse en la estimación de la resistencia de la vía aérea y para conocer el posible éxito del tratamiento con DAM® de manera individualizada previa a la colocación y tratamiento con el dispositivo. Introduction: Sleep Apnea-Hipopnea Syndrome (SAHS) is known as a cronic illness with severe consequences on quality of life and the life expectancy of those who suffer it. Treatment consists on increasing the upper airway (UA) volumen and or modify its morphology by means of continuous positive airway pressure (CPAP), mandibular advancement devices (MAD) or by surgical procedures. Fully describing the dynamic behavior of the airflow in the UA is a severe challenge for the physicians. MADs have emerged as an accepted substitute of CPAP for the treatment of mild to moderate SAHS. Orthodontists play a crucial role in the treatment of SAHS with MAD. However, to determine the mechanism of MAD positioning is relatively complex and remains a clinical challenge. If the MAD is not adjusted/titrated correctly, it may not have the desired results, and consequently, a reduced treatment response. Therefore, it is of great interest and importance to provide further data/evidence to the clinician by assessing the characteristics of the clinical response of the MAD titration. Methods: In this research, we combine computed tomography (CT) images and computational fluid dynamics (CFD) to understand the effects that the use of MAD (in this case DAM®) has on the UA. To achieve this, in a first study, 10 patients suffering mild-to-moderate apnea were analyzed in a rest position and using DAM® in two different scenarios (closed and open mouth) with conventional CT. The purpose of this study is to determine differences in effectiveness between two positioning of the same mandibular advancement device. For both scenarios the total volume, cross-sectional areas, velocities and pressure of the upper airways were studied and compared with the rest position (without DAM®). In a second study we explored the dynamic behavior of airflow in the UA of 6 patients suffering obstructive sleep apnea with and without DAM® using CFD and cone beam computed tomography (CBCT). The image processing techniques allow us to obtain the geometrical model of the UA for all the scenarios and prove how DAM® induces changes in the structure of the UA. The development of flow unsteadiness from a laminar state at entry to the pharynx through to the turbulent character in the soft palate area is resolved using accurate numerical models. Flow was assumed to be homogeneous, incompressible, adiabatic and Newtonian. Air fluid characteristics were simulated with physiological parameters: density as 1.17 kg/m3 and viscosity as 1.8·10-5 kg/m·s (air flow at 25°C). The gravitational effect, heat source, heat transfer, phase change, and chemical reactions were ignored. The outlet boundary condition was settled to 0 atm of pressure at the larynx. Exactly the same boundary conditions were applied in all scenarios. Conclusions: Combining the airflow solution with a geometrical analysis of the UA reveals the effects of DAM® in the flow behavior (pressure drop). Improved modeling of airflow and positioning of DAM® could be applied to improve diagnosis and treatment of SAHS. Analyzing the results, using DAM® increases the volume considerably in the areas where the collapsibility is higher (velopharynx) and we can establish that the close mouth position appears to be more effective than open mouth. The proposed methodology has proven to be a feasible option for the analysis of the effects of DAM® on the UA and it can be used to estimate the UA resistance. We found a strong correlation in our data with DAM® treatment outcome. The methodology used in this study may prove valuable in predicting which SAHS patients will benefit from treatment with DAM® and may be also used as a potential clinical procedure to understand its titration and use. This study shows the efficiency of the clinical methodology used and therefore we can consider it as an attractive method to model a likely treatment outcome with DAM® in patient-specific airway geometry before the final implementation of the device.