Aero-acoustic Simulation of Patient-specific Breathing Sounds in Obstructive Sleep Apnea Versus Healthy Airways
Notice bibliographique
Résumé
Abstract Rationale: This study numerically simulates tracheal breathing sounds (TBS) within the upper airway for healthy and obstructive sleep apnea (OSA) individuals using a hybrid aeroacoustics approach. The primary objective is to examine how anatomical features of the upper airway influence TBS, with potential application in OSA diagnosis and treatment. Methods: CT scans were utilized to develop patient-specific 3D CAD models of the airway, constructed through segmentation software (ITK-Snap). The numerical simulation is performed by separating aeroacoustics source generation and its propagation. Initially, incompressible, low Reynolds number flow is discretized using the finite volume CFD method (ANSYS Fluent). Large Eddy Simulation is then employed to conduct transient simulations, capturing turbulence scales down to the mesh size. A pressure difference of 3 cmH₂O is applied between the inlet (nostrils) and the outlet (trachea) as boundary conditions, with a time step of 10-4 s specified for the transient simulation. The instantaneous velocity field across the airway domain, obtained in the first stage, is used as input for the second stage, where the aeroacoustic noise sources are calculated using Lighthill's acoustic analogy. The computed sources are then transformed into the frequency domain using Fast Fourier Transform and subsequently mapped onto a new finite element mesh (ACTRAN software). The propagation of acoustic waves is then simulated using finite element method to calculate the sound pressure level at specified microphone locations. Validation is conducted by comparing simulated breathing sounds with recordings of actual TBS from the healthy participant. Further, CFD results are analyzed to compare healthy and OSA participants, and finally the effect of constriction at the velopharyngeal region on TBS is evaluated by manually modifying the healthy participant's model (Blender Software). Results: Simulated sounds closely matched recorded sounds, with an error of less than 3% in the resonating frequencies detected and less than 8% in amplitude. Additionally, the OSA participant exhibits higher turbulent kinetic energy and wall shear stress in the velopharynx region. Variations in the velopharyngeal constriction level also induce a frequency shift in the [1000-1600] Hz range, indicating a strong correlation between TBS and airway constriction. Conclusion: Numerical simulations can effectively model the impact of airway anatomy on TBS, offering a non-invasive approach to OSA diagnosis. The results highlight the potential of TBS analysis for personalized treatment strategies and for assessing the level of airway constriction in OSA patients.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».