Wplyw aerodynamiki przeplywu powietrza przez nos na fizjologie nosa

Wpływ aerodynamiki przepływu powietrza przez nos na fizjologię nosa
PRACE ORYGINALNE
Wpływ aerodynamiki przepływu powietrza przez nos
na fizjologię nosa
The influence of nasal flow aerodynamics
on the nasal physiology
Stanisław Betlejewski1, Andrzej Betlejewski2
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.
H a s ł a i n d e k s o w e : nos, fizjologia, aerodynamika, przepływ powietrza
K e y w o r d s : 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
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-
Autorzy nie zgłaszają konfliktu interesów.
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 prze-
322
pływu, 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
Otolaryngologia Polska 2008, LXII, 3
Wpływ aerodynamiki przepływu powietrza przez nos na fizjologię nosa
Tabela I. Średnie wartości czasu trwania poszczególnych odcinków cyklu oddechowego i średnie wartości częstotliwości oddychania w porównywanych grupach
Faza cyklu oddechowego
Wdech
Przejście z wdechu w wydech
Wydech
Pauza oddechowa i przejście wydech w kolejny wdech
Średnia częstotliwość oddechu
Czas w sekundach (wartości średnie i odchylenie standardowe)
kobiety w wieku
mężczyźni w wieku
dzieci w wieku
20–21 lat
19–22 lat
7–14 lat
X
d
X
d
X
d
0,35
0,12
0,33
0,11
0,37
0,1
1,01
0,21
1,04
0,11
0,65
0.3
0,47
0,24
0,6
0,22
0,65
0,2
1,55
0,35
1,65
052
1,28
0,4
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.
Otolaryngologia Polska 2008, LXII, 3
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/m3),
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”.
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.
324
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-RhinoLaryngology, 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.
Otolaryngologia Polska 2008, LXII, 3
Wpływ aerodynamiki przepływu powietrza przez nos na fizjologię 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
Otolaryngologia Polska 2008, LXII, 3
measurements for the study of nasal airflow. Acta OtoLaryngologica 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
325