Til hovedinnhold

Bruker matematikk mot søvnapné

Bruker matematikk mot søvnapné

Publisert 4. oktober 2016
Én av seks nordmenn plages på natta med hyppige pustestopp og gisping etter luft. Kirurgene mangler verktøy til å kunne forutsi resultat av inngrep. Men nå tilbyr matematikere og ingeniører hjelp.
Main intro image
Den øvre luftveien, som strekker seg fra nesetippen og ned til øverst i brystet, har en komplisert geometrisk utforming. Foreløpig vet vi lite om hvordan de myke delene av luftveien påvirkes når vi puster. Illustrasjon: SINTEF

Det er veggene i luftveiene som kollapser ved søvnapnè. Det kan se ut som det er en

Fakta:

Søvnapné rammer opptil 16 prosent av menn og 8 prosent av kvinner og er en stor årsak til hjertekarsykdom, diabetes samt redusert konsentrasjonsevne i en befolkning. 2-3 prosent av barn rammes også, og dette kan gi seg utslag i lære- og konsentrasjonsvansker på skolen.

Prosjektet løper fra 2014 til 2017, og er finansiert av Norges Forskningsråd (FRINATEK) og NTNU.

I grunnforskningsprosjektet samarbeider leger, forskere, ingeniører, master – og dr.gradsstudenter ved NTNU, SINTEF, St. Olavs Hospital. Professor Bernhard Müller ved NTNU er prosjektleder.

sammenheng mellom lufttrykket og at de myke veggene i luftveien kollapser. Men per i dag er det ingen som vet eksakt hvordan luftstrømmen og luftveiene påvirker hverandre.

– Målet vårt er derfor å forstå fysikken bak, sier SINTEF-forsker Sverre Gullikstad Johnsen. Vi kjører et prosjekt som skal finne en fellesnevner for pasienter som blir bedre og de som ikke blir bedre av nesekirurgi. Her er matematiske strømningsmodeller – som tradisjonelt brukes i industrien, til stor nytte.

Ulike metoderbilde1

Snorking og pustestopp er ille nok for en sengepartner, men enda verre for den det gjelder. Personen som får redusert oksygenopptak, livskvalitet og konsentrasjonsevne, usettes også lettere for sykdommer og økt dødelighet. Derfor er det viktig å finne en løsning. Flere bruker pustemasker som holder luftveiene åpne, men mange synes dette er tungvint og ubehagelig.bilde2

Ulike metoder er i bruk, og legene har prøvd og feilet rundt om på norske og utenlandske sykehus. Barn og unge kan fjerne mandler og falske mandler. Operasjon av drøvel, skjæring i svelg, innsetting av ståltråd i drøvel forekommer også.  bilde3

Eksempel på hvordan en 3-dimensjonell matematisk modell av luftveien bygges opp ved å skravere luftveien på røntgenbilder. Fra øverst : Snitt av pasientens hode sett ovenfra, fra siden og sett forfra. Nederst er en 3D-modell under utarbeiding. Ill.: SINTEF

Eksempel på hvordan en 3-dimensjonell matematisk modell av luftveien bygges opp ved å skravere luftveien på røntgenbilder. Fra øverst: Snitt av pasientens hode sett ovenfra, fra siden og sett forfra. Nederst er en 3D-modell under utarbeiding. Illustrasjon: SINTEF

Ved Aleris og St.Olavs Hospital i Trondheim fokuseres det på nesekirurgi.

– Cirka tyve prosent av pasienter med søvnapné som får utført nesekirurgi grunnet tett nese, blir friske, forteller Mads Moxness som er ansvarlig ØNH-spesialist ved Aleris.

– Noen få kan bli verre av sin søvnapné og de fleste forblir uendret. Hvis vi hadde hatt en metode til å finne ut på forhånd hvilke pasienter som kan ha effekt av slik kirurgi, så hadde vi unngått livslang bruk av maske hos mange.

Studerer luftstrømmen

Forskere, leger og ingeniører har derfor undersøkt luftstrømningene hos pasienter før og etter kirurgiske inngrep – for å se om strømningsmønsteret endrer seg.

–Vi starter med å ta CT-røntgenbilder av pasienten, forklarer Gullikstad Johnsen. –Dette er serier som består av hundrevis av avbildninger langs tre ulike akser- ovenfra, fra siden og forfra.

Neste steg har vært å «hente ut luftrommet» eller volumet som luften strømmer gjennom.  Ut fra røntgenbildene kan forskerne rekonstruere en 3-dimensjonal modell av luftveien ved hjelp av dataverktøy, og får da en matematisk modell av volumet. Modellene vil ofte variere mye fra pasient til pasient, og før og etter et kirurgisk inngrep. Prosedyren må derfor gjennomføres for hver enkelt pasient, med røntgenbilder fra både før og etter kirurgiske inngrep.

– For at de matematiske strømningsmodellene skal kunne gi oss gode svar, må geometrimodellene for hver enkelt pasient være sammenliknbare. Aller helst vil vi at det kun er resultatet av det kirurgiske inngrepet som utgjør forskjellen på geometrimodellene før og etter kirurgi, utdyper Gullikstad Johnsen.

– Da kan vi nemlig isolere og studere effekten dette har på strømningsmønsteret i luftveien, og forstå hvilke inngrep som gir positiv eller negativ effekt med tanke på søvnapné.

Så langt har prosjektet fullført studien av én pasient som ble helt frisk fra søvnapne etter kun et mindre kirurgisk inngrep fremst i nesehulen. Tre pasienter gjenstår.

Designverktøy for kirurger


Det endelige målet for forskerne er å lage et designverktøy som kirurgene kan benytte. Dette betyr en ferdig pakke pakke – forenklet og med mye automatikk.

– Om kirurgen kan se hva som fungerer best ut fra endringer i strømningsmønsteret, vil han kunne sitte på kontoret og foreta en analyse før operasjonen. Dermed sikrer hun/han at pasienten får den best tilgjengelige behandlingen, sier Gullikstad Johnsen.

Mange usikkerhetsmoment

Selv om forskerne har fått gode kunnskaper om hvordan de skaper et volum å gjøre strømningsberegninger på, er veien videre ikke så enkel. Måten pasienten ligger på, hvordan han puster, svelger, eller om han er i ferd med å bli forkjølet, kan ha stor betydning for røntgenavbildningene. For å redusere feilkildene har forskerne derfor laget en framgangsmåte som sikrer at pasienten ligger så likt som mulig under røntgen-avbildningene og ved å kombinere luftveiene fra før og etter kirurgi på finurlig vis, har feilkildene blitt redusert betraktelig.

Flere med søvnapné bruker i dag pustemasker som holder luftveiene åpne, men mange synes dette er tungvint og ubehagelig.

Flere med søvnapné bruker i dag pustemasker som holder luftveiene åpne, men mange synes dette er tungvint og ubehagelig. Bildet er  hentet fra Haukelands universitetssjukehus sin brosjyre.

Usikkerhetsmomentene er likevel mange. For eksempel er SINTEF-forskerne bare i startgropen for å studere hvordan bevegelsen til de myke delene av luftveien kan påvirke strømningen og vice versa. Dette vil være et viktig tema for senere forskningsprosjekter.

– Det viser seg også at det ikke er enkelt å trekke konklusjoner ut fra den ene studien vi har gjort. At denne pasientens søvnapné bedret seg, kan skyldes forhold vi ikke er i stand til å avdekke i strømningssimuleringene våre, sier Gullikstad Johnsen.

– For eksempel kan bedringen skyldes at pasienten gikk fra munn- til nesepusting om natta. Det er velkjent at dette vil gi positiv effekt, men det vil ikke være mulig å se det i strømningsmodellene.

– Om vi opplever de samme vanskelighetene med tolkning av resultatene fra de resterende tre pasientene, må vi tenke nytt, sier Gullikstad Johnsen. Likevel er han ikke i tvil om at denne typen tverrfaglig forskning mellom medisin og ingeniørvitenskap, har mye å tilføre de tradisjonelle medisinske disiplinene.