Computational modeling of flow and gas exchange in models of the human maxillary sinus

Abstract

The present study uses numerical modeling to increase the understanding of sinus gas exchange, which is thought to be a factor in sinus disease. Order-of-magnitude estimates and computational fluid dynamics simulations were used to investigate convective and diffusive transport between the nose and the sinus in a range of simplified geometries. The interaction between mucociliary transport and gas exchange was modeled and found to be negligible. Diffusion was the dominant transport mechanism for small ostia and large concentration differences between the sinus and the nose, whereas convection was important for larger ostia or smaller concentration differences. The presence of one or more accessory ostia can increase the sinus ventilation rate by several orders of magnitude, because it allows a net flow through the sinus. Estimates of nitric oxide (NO) transport through the ostium based on measured sinus and nasal NO concentrations suggest that the sinuses cannot supply all the NO in nasally exhaled air.

Numerical simulation of airflow and micro-particle deposition in human nasal airway pre- and post-virtual sphenoidotomy surgery

“…Hood et al studied the gas exchange in the maxillary sinus and scrutinized the effects of ostium size and the accessory ostium on the sinus ventilation rate [28]. Rennie et al investigated sinus ventilation experimentally and numerically for single-and double-ostium sinuses [29].…”

Agenesis of paranasal sinuses and nasal nitric oxide in primary ciliary dyskinesia

“…ost exhaled breath nitric oxide (NO) originates from the upper airways, in particular from the paranasal sinuses [1] and the nasal mucosa [2]. NO is important in local, upper airway host defense mechanisms [1].…”

The paranasal sinuses as the nitric oxide depot

“…Hood и соавт. [29] с этой целью моделировали воз-душные потоки в полости носа и околоносовых пазухах с учетом наличия дополнительного соустья верхнечелюст-ной пазухи. Было показано, что для обновления 90% воз-духа в верхнечелюстной пазухе при наличии единственно-го соустья необходимо 84 ч. Однако в данном случае не учитывались результаты прежних исследований, показав-ших непрерывную продукцию NO.…”

“…[29] было то, что авторы провели анализ изменения направлений и скоростей воздушных потоков, возникаю-щих в естественном соустье верхнечелюстной пазухи при носовом дыхании в зависимости от строения (длины, диа-метра, ориентации длинной оси, формы, расположения) естественного соустья, а также наличия дополнительного соустья. Так, авторы показали, что в норме (в большин-стве случаев) естественное соустье верхнечелюстной пазу-хи имеет эллипсоидную форму с длиной 6 мм и шириной 3 мм, длинная ось которой ориентирована параллельно направлению основного потока воздуха в среднем носо-вом ходе.…”

“…[29], площадь поверхно-сти слизистой оболочки верхнечелюстной пазухи 24-50×10 -6 м 2 , площадь поверхности слизистой оболочки по-лости носа примерно равна 10 -2 м 2 . При данных значениях ни полость носа, ни верхнечелюстная пазуха не могут обес-печивать известную нормальную концентрацию NO в по-лости носа в 5-50 нл/мин, как считалось ранее [30].…”