Thermal water delivery in the nose: experimental results describing droplet deposition through computational fluid dynamics = Distribuzione dell’acqua termale a livello nasale: studio sperimentale della deposizione di microgocce mediante fluidodinamica computazionale

Thermal water therapies have a role in treating various inflammatory disorders dating back to ancient Greece. Several studies have demonstrated beneficial effects of thermal water inhalations for upper respiratory disorders, such as improvement of mucociliary function and reduction of inflammatory cell infiltration. This experimental study describes the numerical investigation and clinical implications of thermal water droplet deposition in the nasal cavity of a single patient. To our knowledge, the numerical flow simulations described are the first investigations specifically designed for thermal water applications. To simulate nasal airflow, a patient-specific 3D computer model was created from a CT scan. The numerical approach is based on the Large Eddy Simulation (LES) technique and builds entirely upon open-source software. Deposition on mucosa was studied for two droplet sizes (5 and 10 µm diameter), corresponding to common thermal therapy applications (aerosol and vapour inhalation). The simulations consider steady inspiration at two different (low and moderate) breathing intensities. The results of this preliminary study show specific deposition patterns that favour droplet deposition in the middle meatus region to the inferior meatus, with particle size- and breathing intensity-related effects. These global data on particle deposition differ from findings related to the single-phase nasal airflow, which is more evenly distributed between the middle and inferior meatus. The potential clinical consequences of deposition data are discussed. The study furthermore provides evidence for the effectiveness of thermal aerosol and vapour inhalation therapies in reaching important areas of nasal mucosa with considerable clinical significance.

La terapia inalatoria termale viene utilizzata sin dall’antica Grecia come presidio antiinfiammatorio. Numerosi studi hanno dimostrato una efficacia clinica delle terapie inalatorie termali, quali ad esempio un miglioramento della funzione mucociliare o la riduzione dell’infiltrazione di cellule infiammatorie. Scopo di questo studio sperimentale è realizzare nell’uomo un’analisi numerica e discutere le implicazioni cliniche della deposizione di gocce di acqua termale nella cavità naso-sinusale di un paziente. Le simulazioni numeriche presentate in questo lavoro sono, a conoscenza degli autori, le prime specificamente progettate per lo studio della deposizione di acqua termale. Per la simulazione del flusso nasale, è stato realizzato un modello computerizzato 3D a partire da immagini TC. È quindi stata effettuata una simulazione numerica del flusso mediante Large Eddy Simulation (LES), utilizzando software open-source. Al fine di studiare le più comuni terapie inalatorie termali (aerosol e inalazioni) sono state prese in esame particelle di due dimensioni diverse (5 e 10 µm di diametro). La simulazione del flusso nasale è stata effettuata in condizioni di inspirazione stazionaria in corrispondenza di due diversi livelli di intensità respiratoria (bassa e moderata). I risultati di questo studio preliminare hanno evidenziato dei pattern specifici di deposizione delle particelle che tendono a privilegiare la regione del meato medio rispetto a quella del meato inferiore, con differenze dei risultati al modificarsi dei parametri relativi alle dimensioni delle particelle o dell’intensità di respiro. Il dato globale sulla deposizione non coincide con quello relativo al campo di moto del flusso nasale, che non mostra differenze così significative fra la regione del meato medio e quella del meato inferiore. Vengono discusse le possibili ricadute cliniche di tali dati. I risultati di questo studio dimostrano l’efficacia delle cure termali aerosol e inalazione nel raggiungere le zone della mucosa di maggiore importanza dal punto di vista clinico.