Master's Thesis

Flow Analysis through the Nasal Cavity

Final Thesis 4.31 MB

Author of thesis: Bc. Stanislav Podkalský

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Petr Hájek, Ph.D.

Reviewer: Ing. Pavel Švancara, Ph.D.

Abstract:

This thesis focuses on the objective evaluation of sinus surgeries using computational fluid dynamics (CFD) modelling, with the aim of facilitating the decision-making process in selecting an appropriate surgical strategy for patients with structural abnormalities, such as a deviated nasal septum and turbinate hypertrophy. A model of the nasal cavity pathology geometry was created from a specific patient’s medical data, and subsequently, three postoperative models were created through virtual surgeries. Simulations of steady turbulent airflow during inspiration were performed on the models. The results were validated by comparing them with the patient's actual rhinomanometric examination. Furthermore, the results demonstrated that all proposed surgeries led to an increase in volumetric flow rates and, consequently, a reduction in nasal resistance. Turbinoplasty was selected as the most appropriate surgical proce-dure.

Keywords:

Nasal sinuses, computational model, airflow, CFD, inspiratory nasal resistance, nasal obstruction, nasal septal deviation, inferior turbinate hypertrophy, septoplasty, turbinoplasty, virtual surgery, rhinomanometry

Date of defence

08.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student ve vymezeném čase prezentoval svou závěrečnou práci. Následně byly přečteny posudky vedoucího a oponenta spolu s přiloženými dotazy k závěrečné práci, které byly studentem zodpovězeny. Po zodpovězení doplňujících dotazů bylo přistoupeno k odborné rozpravě. Jak byly tvořeny jednotlivé řezy z dostupné geometrie (Slicer) a jak bude mít provedené vyhlazení vliv jak na síť, tak na konečné výsledky? Jaké byly předepsány okrajové podmínky pro model turbulence? Pokud byste uvažoval teplo, bylo by potřeba změnit i výpočtový model? Po zodpovězení všech dotazů bylo vystoupení hodnoceno jako: A-Výborná.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Engineering Mechanics and Biomechanics (N-IMB-P)

Specialization

Biomechanics (BIO)

Composition of Committee

prof. Ing. Jan Vimmr, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Luboš Náhlík, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Jindřich Petruška, CSc. (člen)
prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Michal Kotoul, DrSc. (člen)
doc. Ing. Zdeněk Florian, CSc. (člen)
prof. RNDr. Matej Daniel, Ph.D. (člen)
Ing. László Iván, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Tomáš Návrat, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Petr Hájek, Ph.D.

V diplomové práci je řešeno aktuální téma vlivu operace nosních dutin na proudění uvnitř nich. Student samostatně vytvořil z anonymizovaných snímků počítačové tomografie (CT) výpočtový model nosních dutin, na kterém byly lékařem MUDr. Vlastimilem Vlčkem provedeny tři virtuální operace. S ohledem na dodané rhinomanometrické měření stejného pacienta bylo vytvořeno 12 výpočtových modelů pro různě silné nádechy levou a pravou nosní dírkou. I přesto, že mezi CT snímkováním a rhinomanometrickým měřením musel pacient přejít venkovním prostředím mezi budovami a mohly se mu uvolnit nosní průduchy, výsledky z výpočtových modelů se velmi blíží naměřeným hodnotám. Po konzultaci s lékařem byla na základě výsledků vybrána nejvhodnější operace, která by měla být po souhlasu pacienta realizována. 
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu B

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Pavel Švancara, Ph.D.

Diplomová práce se zabývá aktuální a interdisciplinární problematikou využití výpočtové dynamiky tekutin (CFD) pro hodnocení průchodnosti nosních dutin a podporu rozhodování při volbě chirurgické léčby. Autor propojuje poznatky z biomechaniky, numerického modelování a otorinolaryngologie, přičemž zpracovává reálný klinický případ a vytváří model patologického stavu i tři varianty virtuálních operací. Cílem práce bylo posoudit změny průtokových parametrů a nosního odporu a porovnat výsledky s rhinomanometrickým vyšetřením pacienta. Práce má logickou strukturu a obsahuje kvalitně zpracovanou literární rešerši zaměřenou na anatomii nosních dutin, principy CFD modelování i současný stav poznání v oblasti virtuálních operací. Oceňuji zejména kritický přístup autora k publikovaným studiím a přehledné shrnutí jejich výsledků a limitů. V praktické část autor popisuje postup segmentace CT dat, tvorbu geometrických modelů, generování výpočetní sítě, nastavení numerických simulací a jejich výsledky. Pozitivně hodnotím rovněž spolupráci s klinickým pracovištěm a snahu o validaci výpočtového modelu pomocí experimentálních dat z rhinomanometrie. Výsledky ukazují, že všechny navržené operační varianty vedly ke zvýšení objemových průtoků a snížení nosního odporu. Za nejvhodnější variantu byla po konzultaci s lékařem vyhodnocena turbinoplastika, která přináší srovnatelné zlepšení při menší invazivitě. Autor zároveň diskutuje omezení modelu, například předpoklad tuhých stěn, stacionární charakter simulace nebo absenci přenosu tepla a vlhkosti. Práce je zpracována přehledně s dobrou grafickou úpravou. Práce splnila cíle uvedené v zadání, je celkově na dobré úrovni a doporučuju ji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Dokážete odhadnout, jak citlivé jsou výsledné hodnoty nosního odporu na způsob segmentace CT dat a na manuální zásahy prováděné během tvorby geometrie?
  2. V práci byl počítán nádech nejdříve levou nosní dírkou, následně pravou nosní dírkou. Průtok a odpor obou nosních dírek pak byl počítán na základě elektrohydraulické analogie. Jak konkrétně to bylo počítáno a zkoušel jste simulovat i průtok oběma nosními dírkami zároveň?
  3. V práci nebyla provedena studie nezávislosti řešení na hustotě výpočetní sítě, která by dále podpořila důvěryhodnost výsledků. Jak dlouho trval jeden výpočet pro zvolenou základní velikost prvku a bylo by schůdné na použitém počítači použít menší prvek?
  4. V práci uvádíte, že CFD model při některých tlakových spádech nosní odpor podhodnocuje a při jiných nadhodnocuje. Jaké příčiny mohou být podle Vás za tímto trendem?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová