Wpływ aerodynamiki przepływu powietrza przez nos na fizjologię nosa

PRACE ORYGINALNE Wpływ aerodynamiki przepływu powietrza przez nos na fi zjologię nosa Wpływ aerodynamiki przepływu powietrza przez nos na fizjologię nosa The influence of nasal flow aerodynamics on the nasal physiology Stanisław Betlejewski 1, Andrzej Betlejewski 2 1 Katedra Zdrowia Publicznego Collegium Medicum im. L. Rydygiera w Bydgoszczy Uniwersytet Mikołaja Kopernika W Toruniu Kierownik: dr hab. med. K. Leksowski, prof. UMK 2 Oddział Otolaryngologiczny Szpitala Specjalistycznego im. F. Ceynowy w Wejherowie Ordynator: dr med. A. Betlejewski Summary The ability of the human nose to warm and humidify the respiratory air is important to maintaining the internal environment of the lungs, since ambient air is conditioned to nearly alveolar conditions (body temperature and fully saturated with water vapour) upon reaching the nasopharynx. Because of very short time of the inspiratory phase duration, as well as expiratory phase, only the rich vascularization of the nasal mucosa and specific organization of the submucosal vessels are not able to assure such effective physiological activity. Therefore the type of airflow during the respiration is essential to understanding the functional possibilities of the nasal mucosa. Most studies have investigated the airflow only in steady-flow conditions, where the laminar flow was observed. Anatomically accurate physical models of real nasal cavities and particle image velocimetry allow evaluation of the entire flow field in the nasal cavity. In these investigations a partially turbulent flow was observed even at low air velocities in most part of the nasal cavity. From a physiological perspective, a turbulent flow would seem sensible, since it enhances contact between air and the mucosal layer. By doing so, the nasal physiological functions humidification, cleaning and warming are optimized. Hasła indeksowe: nos, fizjologia, aerodynamika, przepływ powietrza Key words: nose, physiology, aerodynamics, air flow Otolaryngol Pol 2008; LXII (3): 321 325 2008 by Polskie Towarzystwo Otorynolaryngologów Chirurgów Głowy i Szyi Rolę czynności fizjologicznej nosa dla przygotowania powietrza oddechowego oraz w odniesieniu do chirurgii zatok przynosowych przedstawił Artur Protez w 1938 r. [1], a jeszcze bardziej szczegółowo omówił w swej monografii Applied physiology of the nose [2]. Od tego czasu ukazały się bardzo liczne prace, omawiające to zagadnienie i odnoszące się do poszczególnych czynności, takich jak oczyszczanie, ogrzewanie i nawilgotnienie powietrza oddechowego. Czynność fizjologiczna oczyszczania powietrza oddechowego ściśle związana jest z czynnością wydzielniczą gruczołów błony śluzowej nosa oraz z czynnością rzęsek nabłonka oddechowego. Przegląd wcześniejszych badań dotyczących tego zagadnienia przedstawił w swej pracy Tremble [3]. W badaniach dotyczących kierunku ruchów rzęsek w zatokach przynosowych i jamach nosa, olbrzymim postępem były doniesienia Autorzy nie zgłaszają konfliktu interesów. Messerklingera w zakresie czynności aparatu śluzówkowo-rzęskowego błony śluzowej górnych dróg oddechowych [4, 5]. Jedną z głównych czynności nosa jest ogrzewanie (lub oziębianie) i nawilżanie wdychanego powietrza w celu ochrony niżej leżących odcinków błony śluzowej dróg oddechowych oraz dla umożliwienia wymiany gazowej w pęcherzykach płucnych [6, 7, 8, 9]. Zadanie to nos wypełnia z doskonałą efektywnością [10]. W bardzo krótkim odcinku dróg oddechowych, od nozdrzy przednich do nozdrzy tylnych wdychane powietrze zostaje ogrzane i nawilżone [8]. Dla prawidłowej wymiany gazowej w pęcherzykach płucnych niezbędne jest nasycenie powietrza oddechowego para wodną i równoczesne uzyskanie przez powietrze temperatury ciała [11, 12]. W badaniach modelowych, Naftali i wsp. [13] stwierdzili, że zdro- Otolaryngologia Polska 2008, LXII, 3 321

S. Betlejewski, A. Betlejewski wy nos może wydajnie dostarczyć ponad 90% ciepła i dopływu wody niezbędnej do zapewnienia powietrzu ze środowiska otaczającego, prawie normalnych warunków, spotykanych w pęcherzykach płucnych, niezależnie od szerokiego zakresu zmiennych warunków środowiskowych [13]. Podczas wydechu ciepło i wilgotność powietrza są odzyskiwane z powietrza wydechowego. Ogrzewanie powietrza wdychanego zależy więc w dużej mierze od ciepła dostarczanego błonie śluzowej przez przepływ krwi w naczyniach błony śluzowej, ale również od ciepła odzyskiwanego z powietrza wydechowego. Podobnie wilgotność względna powietrza wdechowego zależy od zdolności wydzielniczej gruczołów błony śluzowej, ale również od zawartości wody w powietrzu wydechowym. Ażeby możliwa była jednak resorpcja wilgotności z powietrza wydechowego, niezbędna jest różnica pomiędzy temperaturą powietrza a temperaturą błony śluzowej [10, 14]. Odnośnie do wartości temperatury wewnątrznosowej, podczas wdechu i wydechu ma miejsce istotna wymiana ciepła. Podczas wdechu cieplejsze ściany nosa ogrzewają chłodniejsze powietrze wdechowe, podczas wydechu chłodniejsze ściany nosa obniżają temperaturę cieplejszego powietrza wydechowego. Te fakty powodują obniżanie temperatury błony śluzowej, a ogrzanie powietrza podczas wdechu i vice versa, wzrost temperatury błony śluzowej a spadek temperatury powietrza podczas wydechu [10]. Równoległe badania temperatury błony śluzowej nosa i powietrza oddechowego, przeprowadzone in vivo przez Wiesmiller i wsp. [10] wykazały, że te różnice temperatur wynoszą średnio 1,7ºC przy końcu wdechu i 1,9ºC przy końcu wydechu. W badaniach temperatury i wilgotności względnej, przeprowadzonych przez Keck i wsp. [8], w trzech różnych miejscach nosa (na wysokości zastawki nosa, przedniego odcinka małżowiny nosowej dolnej i w części nosowej gardła), okazało się, że największy wzrost temperatury i wilgotności powietrza przy końcu fazy wdechowej oddechu, był w przednim odcinku nosa, tuż za zastawką nosa (średnio o 3,9ºC i o 34% wilgotności względnej) [8]. Ten niezwykle wydajny proces nawilżania i ogrzewania około 500 ml powietrza oddechowego podczas każdego oddechu następuje w bardzo krótkim czasie. Przyjmując średnią częstotliwość oddechu podczas spoczynku, wynoszącą 16 oddechów na minutę, czas całego cyklu oddechowego wynosi 3,75 sekundy. Uwzględnić jednak trzeba, że cykl oddechowy składa się z szeregu faz: fazy wdechowej, okresu zmiany kierunku przepływu i przejścia wdechu w wydech, następnie z fazy wydechowej, zakończonej okresem pauzy oddechowej, z ponowną zmianą kierunku przepływu, trwającej do następnego pobudzenia wdechowego. We wcześniejszych badaniach, przeprowadzonych wśród 45 młodych, zdrowych osób (w wieku 19 22 lat), przy użyciu zapisu rynospirograficznego [15], stwierdzono, że w warunkach oddychania spoczynkowego średnia częstotliwość oddychania wynosiła u kobiet 17,8, natomiast w grupie 20 mężczyzn 16,5. Przy takiej częstotliwości oddychania, czas odpowiadający fazie wdechowej wyniósł średnio u kobiet 0,35 s., fazy przejścia wdechu w wydech 1,01 s., fazy wydechowej 0,47 s. a okres pauzy oddechowej 1,55 s. W grupie mężczyzn odpowiednio czasy poszczególnych faz wynosiły: faza wdechu 0,33 s., przejście wdechu w wydech 1,04 s., wydech 0,6 s. a okres pauzy oddechowej 1,65 s. [15]. Nieco inaczej czas trwania poszczególnych odcinków cyklu oddechowego wyglądał w badanej grupie 40 zdrowych dzieci (bez żadnych zaburzeń ze strony oddychania) w wieku 7 14 lat [16]. Obserwowano tu wyraźne, w porównaniu z osobami dorosłymi skrócenie faz przejściowych (przejście z wdechu w wydech i okres pauzy oddechowej) kosztem wydłużenia okresów wdechu i wydechu (tab. I). Zwiększenie częstości oddychania, np. podczas wysiłku fizycznego, odbywa się głównie kosztem skrócenia faz przejściowych, podczas zmiany kierunku przepływu, szczególnie zauważalny w okresie tzw. pauzy oddechowej, w końcowej fazie wydechu [15]. Przyjmując te dane jako pewnego rodzaju średnie wartości czasowe, zauważyć można, że okres, podczas którego około 500 ml powietrza oddechowego przepływając przez jamę nosa musi zostać wydajnie ogrzane i nawilżone, jest bardzo krótki. Ogrzewanie powietrza odbywa się kosztem oziębiania błony śluzowej [10], niewątpliwie niezwykle ważnym czynnikiem jest bogate unaczynienie błony śluzowej i specyficzna organizacja tego unaczynienia z naczyniami pojemnościowymi w postaci ciał pseudojamistych. Ale uwzględniając nawet doskonałą regulację nerwowo-naczyniową, umożliwiającą szybkie zmiany wypełniania i opróżniania łożyska naczyniowego błony śluzowej nosa, bardzo trudno wyjaśnić sposób wykonywania czynności ogrzewania i nawilżania tak dużych porcji powietrza oddechowego, w tak krótkim czasie przez stosunkowo niewielką powierzchnię błony śluzowej nosa bez uwzględnienia sposobu przepływu tego powietrza przez nos [17]. Dla czynności fizjologicznej nosa rodzaj przepływu powietrza przez nos ma bardziej istotne znaczenie niż opisywane wielokrotnie wcześniej linie strumieni powietrza [18]. Według klasycznych pojęć normalnym i prawidłowym rodzajem przepływu przez nos był 322 Otolaryngologia Polska 2008, LXII, 3

Wpływ aerodynamiki przepływu powietrza przez nos na fi zjologię nosa Tabela I. Średnie wartości czasu trwania poszczególnych odcinków cyklu oddechowego i średnie wartości częstotliwości oddychania w porównywanych grupach Czas w sekundach (wartości średnie i odchylenie standardowe) Faza cyklu oddechowego kobiety w wieku 20 21 lat mężczyźni w wieku 19 22 lat dzieci w wieku 7 14 lat X d X d X d Wdech 0,35 0,12 0,33 0,11 0,37 0,1 Przejście z wdechu w wydech 1,01 0,21 1,04 0,11 0,65 0.3 Wydech 0,47 0,24 0,6 0,22 0,65 0,2 Pauza oddechowa i przejście wydech w kolejny wdech 1,55 0,35 1,65 052 1,28 0,4 Średnia częstotliwość oddechu 17,8 16,5 16,0 X wartości średnie d - odchylenie standardowe przepływ laminarny, natomiast istnienie turbulencji w nosie uważano za przepływ patologiczny i niekorzystny [1, 18]. Wielokrotnie opierano się na doświadczeniu Paulsena z 1882 roku [19], w którym przez jamy nosa zwłok wyłożone papierkami lakmusowymi przepuszczano pary amoniaku. Doświadczenie to było wykonane prawidłowo, natomiast interpretacja, polegająca na połączeniu linią ciągłą poszczególnych miejsc, w których zabarwione zostały papierki lakmusowe, było błędne. Zabarwienie prawie wszystkich papierków w jamie nosa świadczyło, że przepływające powietrze wypełniło prawie całą jamę nosa (nie uwzględniono w doświadczeniu fizjologicznej zmienności ciśnień i objętości przepływu), natomiast rysowanie na tej podstawie linii strumieni powietrza było już dowolną interpretacją. Te linie strumieni były potem wielokrotnie powtarzane na podstawie doświadczeń, nieuwzględniających praw przepływu gazu przez jamę o bardzo nierównym kształcie przekroju na całej długości przepływu [17, 20]. Badania Masinga [21], a szczególnie Fischera [22], wykazały, że dyskusje dotyczące kształtu i przebiegu linii strumieni powietrza mają dla fizjologii oddychania przez nos niewielkie znaczenie [18, 23]. Dla wyjaśnienia procesów fizjologicznych nosa bardziej istotny jest rodzaj przepływu powietrza oddechowego przez nos. Przy przepływie laminarnym strumienie gazu przebiegają równolegle do siebie i równolegle do ścian ograniczających przestrzeń, przez którą przepływają. W tej sytuacji jedynie brzeżne strumienie powietrza mogą mieć kontakt ze ścianą jam nosa i mieć dobre warunki przez bezpośredni kontakt z błoną śluzową nosa, do ogrzania i zwiększenia wilgotności względnej. Taka sytuacja w znacznym stopniu ogranicza możliwości zmiany warunków fizycznych tym strumieniom powietrza, które nie mają bezpośredniego kontaktu z błoną śluzową, uwzględniając krótki czas przepływu powietrza przez nos podczas wdechu czy wydechu. Badania Wiesmiller i wsp. [10] wykazały, że błona śluzowa oddaje ciepło powietrzu wdechowemu, natomiast podczas wydechu powietrze ma wyższą temperaturę niż temperatura błony śluzowej, i ciepło to oddaje, a więc wymiana ciepła między tymi dwoma środowiskami wymaga lepszego kontaktu, niż ten, który zapewnia przepływ laminarny strumieni powietrza. W przypadku przepływu turbulentnego właściwie każda cząsteczka gazu ma własny kierunek i nie można w tym przypadku mówić o strumieniu przepływu. Utrzymany jest zasadniczy kierunek przepływu, związany z różnicą ciśnień, ale w tym sposobie przepływu każda cząsteczka powietrza oddechowego ma szanse zetknąć się z błoną śluzową nosa, a nie tylko strumienie brzeżne. Wiele badań modelowych, prowadzonych w ostatnich latach wykazało, że w różnych częściach jamy nosa można wykazać różnice szybkości przepływu [24, 25, 26], jednak nawet w niskich, fizjologicznych szybkościach przepływu można wykazać przepływ turbulentny. Dla określenia rodzaju przepływu istotne jest określenie liczby Reynoldsa (Re). Liczba Reynoldsa jest bezwymiarowym współczynnikiem wyrażającym stosunek sił bezwładności do sił lepkości. Przy Re <2300 przepływ jest laminarny, (n D r) Re =, h gdzie: n = średnia prędkość przepływu (m/s), D = wymiar liniowy (np. średnica rury) (m), r = gęstość (kg/m 3 ), h = współczynnik lepkości dynamicznej. Przy wartościach Re >4000 dominują siły bezwładności i przepływ staje się turbulentny. W obszarze przejściowym między Re 2300 i Re 4000 przepływ jest nieokreślony, udział turbulencji może być różny, tego rodzaju przepływ w piśmiennictwie anglojęzycznym określany jest jako transitional flow. Otolaryngologia Polska 2008, LXII, 3 323

S. Betlejewski, A. Betlejewski Obliczenie teoretyczne wartości liczby Reynoldsa dla przepływu powietrza w nosie jest niezwykle trudne, gdyż szereg danych jest zmiennych, m.in. ze względu na morfologię jam nosa. Wymiary średnicy jam nosa są niemal w każdym odcinku przekroju nosa bardzo różne i zmienne w zależności od wypełnienia łożyska naczyniowego błony śluzowej, ponadto kształt przekroju jam nosa jest bardzo złożony, bardzo daleki od modelu przekroju rury. Jak wynika z badań ostatnich lat również prędkość przepływu jest bardzo różna w poszczególnych częściach jam nosa. Niezwykle dynamicznie zmienną jest też różnica ciśnień, powodująca przepływ powietrza oddechowego przez nos. Kortekangas [18] przypuszczał, że liczba Reynoldsa dla nosa niewiele przekracza krytyczną wartość 2320, jednakże już badania modelowe Fischera [22], a także najnowsze badania [26, 27] wykazały, że już przy małych szybkościach przepływu, w granicach fizjologicznych wartości objętościowego natężenia przepływu stwierdza się istnienie przepływu turbulentnego. Istnienie więc turbulencji w przepływie powietrza przez nos nie budzi już dzisiaj wątpliwości, a znaczenie tego typu przepływu wyjaśnia w dużej mierze zdolności pierwszego odcinka dróg oddechowych do wykonania z dużą wydajnością zadań fizjologicznych przygotowania powietrza oddechowego dla ochrony niżej leżących dróg oddechowych i dla efektywnej wymiany gazowej w pęcherzykach płucnych. Duża zmienność fizjologiczna podczas każdego oddechu, jak i zmienność osobnicza jam nosa powoduje, że trudno jest jednoznacznie określić rodzaj przepływu. Wydaje się, że najbardziej odpowiadającym warunkom w nosie jest zakres wartości przepływu, który mieści się między wartościami liczby Reynoldsa Re 2300 i Re 4000, a który w piśmiennictwie anglojęzycznym określany jest pojęciem transitional flow. WNIOSKI Istnienie w mniejszym lub większym stopniu udziału turbulencji w przepływie powietrza przez nos wydaje się w świetle badań modelowych nie budzić wątpliwości. Udział turbulencji w przepływie powietrza przez nos w dużej mierze wyjaśnia fizjologię przygotowywania przez nos powietrza oddechowego dla dalszych odcinków układu oddechowego. PIŚMIENNICTWO 1. Protez AW. Nasal Physiology and its Relation to the Surgery of the Accessory Nasal Sinuses. Proc. Royal Soc. Med. 1938; 31 (120): 1405-1411. 2. Protez AW. Essays on the Applied Physiology of the Nose. Annals Publishing Comp. St Louis, 1953. 3. Tremble GE. Milestones in research of upper respiratory cilia. Arch. Otolaryng. (Chicago) 1962, 76, 346-351. 4. Messerklinger W. Mucosa of the upper respiratory tract from the viewpoint of newer research. Arch. Ohren Nasen Kehlkpfheilk. 1958, 173 (1): 1-104. 5. Messerklinger W. Mucosa of the upper respiratory tract from the standpoint of modern research. Arch. Ohren Nasen Kehlkpfheilk. 1958, 173 (2): 105-116. 6. Ingelstedt S, Ivstam B. Study in the humidifying capacity of the nose. Acta Otolaryngol. 1951, 39, 286 290. 7. Betlejewski S. Wpływ czynników środowiskowych na czynność fizjologiczną nosa. Otolaryngol. Pol,.1993, 47, supl. 89-92. 8. Keck T, Leiacker R, Heinrich A, Kühnemann S, Rettinger G. Humidity and temperature profile in the nasal cavity. Rhinology 2000, 38 (4), 167 171. 9. Keck T, Leiacker R, Lindemann J, Rettinger G, Kühnemann S. Endonasales Temperatur- und Feuchtprofil nach Exposition zu verschieden klimatisierter Einatemluft. HNO 2001, 49, 372-377. 10. Wiesmiller K, Keck T, Leiacker R, Lindemann J. Simultaneous in vivo measurements of intranasal air and mucosal temperature. Eur. Arch. Otorhinolaryngol. 2007, 264 (6), 615-619. 11. Negus V. Biology of respiration. Livingstone, Edinburgh 1965. 12. Nunn JF. Kliniczna fizjologia oddychania. PZWL, Warszawa 1974. 13. Naftali S, Rosenfeld M, Wolf M, Elad D. The air-conditioning capacity of the human nose. Ann. Biomed. Eng., 2005, 33 (4), 545-553. 14. Walter JEC, Wells RE. Heat and water exchange in the respiratory tract. Am. J. Med., 1961, 3o. 259-267. 15. Betlejewski S, Kłosowska M, Pawłowski A. Wysiłek fizyczny a drożność nosa. Annales Academiae Medicae Gedanensis 1978, 8, 141-155. 16. Betlejewski S, Piziewicz A. Nasal respiration and physical effort in children. International Journal of Pediatric Oto-Rhino- Laryngology, 1981, 3, 4, 295-306. 17. Betlejewski S. Znaczenie aerodynamiki dla fizjologii oddychania przez nos. Otolaryngol. Pol,.1996, 50, supl. 21, 5-8. 18. Kortekangas AE. Funktion und Funktionsprüfung der Nase und der Nasennebenhöhlen. W: Berendes J., Link R., Zöllner F.: Hals-Nasen-Ohrenheilkunde in Praxis und Klinik. Bd.1, G. Thieme Verlag, Stuttgart 1977. 19. Paulsen E. Experimentelle Untersuchungen über die Strömung der Luft in der Nasenhöhle. Sitzungsbericht der K. Akademie der Wissenschaften. Wien 1882, 352-373. 20. Betlejewski S. Obiektywne badanie drożności nosa w eksperymencie i klinice. Część I., Otolaryngol. Pol,.1972, 26, 1, 93-100.- Część II., Otolaryngol. Pol,.1972, 26, 4, 381-390. 21. Masing H. Experimentelle Untersuchungen über die Strömung in Nasenmodell. Arch. klin. exp. Ohr-, Nas.u.Kehlk. Heilk. 1967, 189, 59-70, 371-381. 324 Otolaryngologia Polska 2008, LXII, 3

Wpływ aerodynamiki przepływu powietrza przez nos na fi zjologię nosa 22. Fischer R. Die Physik der Atemströmung In der Nase. Habilitationsschrift. Hausdruckerei des Klinikum Steglitz der Freien Universität Berlin. Berlin 1969. 23. Betlejewski S. Aerodynamika oddychania przez nos. Otolaryngol. Pol,.1972, 26, 4, 475-478. 24. Kelly JT, Prasa A.K, Wexler A. Detailed flow patterns in the nasal cavity. J. Appl. Physiol. 2000, 89, 323-337. 25. Seung-Kyu Chung, Young Rak Son, Seok Jae Shin, Sung-Kyun Kim. Nasal airflow during respiratory cycle. Am. J. Rhinol. 2006, 20, 379-384. 26. Jin Kook Kim, Joo-Heon Yoon, Chang Hoon Kim, Tae Wook Nam, Dae Bo Shim, Hyang Ae Shin. Particle image velocimetry measurements for the study of nasal airflow. Acta Oto- Laryngologica 2006, 126, 282-287. 27. Simmen D, Scherrer Jl, Moe K, Heinz B. A dynamic and direct visualization Model fort he study of nasal airflow. Arch Otolaryngol. Head Neck Surg. 1999, 125, 1015-1021. Adres autora: Prof. Stanisław Betlejewski ul. Powstańców Wielkopolskich 23/20 85-090 Bydgoszcz Otolaryngologia Polska 2008, LXII, 3 325