Влияние искусственных газовых смесей и сред на механику дыхательного тракта человека тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.02, кандидат физико-математических наук Сытник, Екатерина Борисовна

• Сытник, Екатерина Борисовна
• кандидат физико-математических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Сытник, Екатерина Борисовна

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1 Физические и физиологические характеристики измененных ДГС

1.2 Дыхание подогретыми смесями.

1.3 Дыхание газовой смесью с повышенным содержанием кислорода.

1.4 Дыхание при измененном давлении (барокамера).

1.5 Иммерсия.

1.6 Метод вынужденных колебаний.

Глава 2. Аппаратное и программное обеспечения для исследований механики дыхания методом вынужденных колебаний.

2.1 Метод измерений импеданса.

2.2 Программа для измерения импеданса.

2.3 Калибровка прибора.

2.4 Вычисление параметров механики дыхания.

Глава 3. Влияние дыхания подогретыми дыхательными газовыми смесями на механические параметры респираторного тракта.

3.1 Подогретые сухие ДГС.

3.2 Подогретые ДГС разной влажности.

Глава 4. Влияние дыхания кислородом на механические параметры респираторной системы.

4.1 Методика.

4.2 Результаты и обсуждение.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние искусственных газовых смесей и сред на механику дыхательного тракта человека»

В последние десятилетия в различных областях деятельности человека: водолазное дело, профилактика, терапия и диагностика бронхолегочных и других заболеваний, наркоз, калибровка медицинских приборов и так далее активно используются искусственные дыхательные газовые смеси (ДГС)

Газы, входящие в состав воздуха или вдыхаемой газовой смеси, обладают различным биологическим действием, которое зависит от их парциального давления, температуры, влажности и физико-химических свойств.

Основными компонентами газовой среды, влияющими на человека и животных, являются главные биологически значимые газы 02, С02. В случае частичной или полной замены газа-разбавителя (индифферентного N2) в воздухе на газовые компоненты Хе, Кг, Не, Аг, Н2, формируются искусственные дыхательные газовые смеси, которые могут оказывать разнообразное физиологическое действие на разных уровнях организма. Ряд известных ДГС в последние годы получил новые применения; возникли новые технологии производства ДГС. Например, в кислородной терапии начали использовать различные источники кислорода, а кислородно-гелиевые смеси стали применять при различной степени нагревания и увлажнения.

Так как система дыхания является первой физиологической системой, которая сталкивается с измененной ДГС, то необходимо в первую очередь исследовать состояние системы дыхания. Система дыхания включает дыхательный тракт, дыхательные мышцы, рецепторы, различные контуры регуляции и т.д. Измененные ДГС воздействуют в первую очередь на дыхательный тракт, на механику дыхания. Поэтому исследования действия измененных ДГС на механику дыхания очень актуальны.

Состав, давление и температура ДГС1 определяют характеристики внутренней среды дыхательного тракта. При некоторых воздействиях меняются механические характеристики внешней среды, действующей на механические процессы в системе дыхания. Одним из таких внешних воздействий является погружение тела в воду, называемое водной иммерсией. Иммерсия является удобной экспериментальной моделью 'невесомости, так как многие реакции организма человека на невесомость и иммерсию очень похожи. Поэтому исследования действия иммерсии на механику дыхания необходимы для понимания воздействия невесомости на космонавтов и воздействия водной среды на водолазов.

Метод вынужденных колебаний (MBК) известен более 50 лет [Dubois A.B. et al., 1956]. В этом методе с помощью внешнего устройства создают, а с помощью датчиков измеряют колебания потока и давления в дыхательном тракте с частотами, существенно превышающими частоту дыхания. Далее находят величину механического импеданса дыхательного •тракта в некотором диапазоне частот.

Важным отличием МВК от других методов исследования является то, что с его помощью можно определить общее сопротивление потоку воздуха, которое оказывает весь аппарат вентиляции. Возможность исследования при спонтанном дыхании без активного участия испытуемого, а так же простота и сравнительная необременительность исследований для оператора, а главное — для пациента, вызвали широкий интерес к МВК в клиниках и среди исследователей во всем мире. , Цель и задачи работы

Целью работы является экспериментальное выяснение биофизических механизмов действия искусственных смесей и сред на внешнее дыхание человека.

Для достижения поставленной цели в процессе выполнения этой работы решались следующие задачи:

1) Создание установки и программного обеспечения для измерения , импеданса дыхательного тракта человека

2) Изучение влияния температуры и влажности дыхательных газовых смесей на систему внешнего дыхания человека.

3) Исследование влияния дыхания адсорбционным и медицинским (ректификационным) кислородом на вентиляционную функцию легких человека.

4) Изучение влияния состава и давления искусственных газовых смесей на импеданс системы дыхания человека.

5) Исследование влияния водной иммерсии на импеданс дыхательного тракта человека.

Положения, выносимые на защиту:

1) ,, Изменение температуры и влажности дыхательной газовой смеси оказывает значительное влияние на параметры импеданса дыхательного тракта человека.

2) Респираторная система человека по-разному реагирует на дыхание кислородом, полученным способами адсорбции и ректификации.

3) Импеданс дыхательного тракта человека увеличивается в условиях повышенного давления и водной иммерсии.

Научная новизна

J ( В работе впервые методом вынужденных колебаний обнаружено влияние подогретых искусственных газовых смесей на импеданс системы дыхания человека. Впервые обнаружено увеличение импеданса дыхательного тракта человека в условиях повышенного давления, а так же в водной иммерсии. Впервые обнаружены различные реакции системы дыхания на кислород, полученный способами адсорбции и ректификации.

Практическая и научная ценность

Результаты исследований позволяют расширить представления о влиянии состава, температуры, влажности дыхательных газовых смесей на систему дыхания человека. Результаты помогут при подборе состава газовых смесей для терапии бронхолегочных заболеваний и для водолазных спусков. Показано, что метод вынужденных колебаний является простым и неинвазивным методом оценки состояния дыхательного тракта в условиях измененной окружающей среды, где применение других функциональных исследований затруднено. Разработанная установка для измерения импеданса дыхательного тракта I человека применяется для исследований механики дыхания в условиях измененной внешней среды в ГВК-250 ГНЦ РФ - ИМБП РАН.

Заключение диссертации по теме «Биофизика», Сытник, Екатерина Борисовна

Основные результаты и выводы

Создана установка для измерения импеданса дыхательного тракта человека и разработана компьютерная программа обработки результатов, которые представляют собой эффективный инструмент для исследования механики дыхания человека в широком диапазоне параметров внешней среды. Результаты наших исследований показали, что данные традиционных методов исследований вентиляционной функции легких, дополненные данными о дыхательном импедансе, расширяют представления о биофизических механизмах действия искусственных газовых смесей и сред на внешнее дыхание человека.

Изменение температуры и влажности дыхательной газовой смеси оказывает значительное влияние на импеданс дыхательного тракта человека. Найденные различия вызваны различным тепловым воздействием на верхние дыхательные пути, в результате которого меняются размеры или механические свойства легких.

Респираторная система человека по-разному реагирует на дыхание кислородом, полученным способами адсорбции и ректификации. Дыхание адсорбционным кислородом вызывает увеличение сопротивления, а дыхание ректификационным кислородом вызывает уменьшение легочных объемов. Это может быть связано с тем, что дыхание кислородом, полученным методом адсорбции приводит к большему увеличение тонуса гладких мышц по сравнению с дыханием ректификационным (медицинским) кислородом, что влечет увеличение действительной части импеданса и делает дыхательные пути более устойчивыми к спадению, что приводит к меньшей выраженности ателектазов.

Импеданс дыхательного тракта человека увеличивается в условиях повышенного давления. Теоретические оценки показывают, что рост сопротивления связан не только с увеличенной плотностью и вязкостью дыхательной смеси.

Импеданс дыхательного тракта человека увеличивается в водной иммерсии. Теоретический анализ влияния объема легких на осцилляторное сопротивление дыхательного тракта показывает, что рост осцилляторного сопротивления в водной иммерсии вызван, в основном, уменьшением размеров дыхательных путей, связанным с уменьшением размера легких.

Заключение

Созданная нами установка для измерения импеданса дыхательного тракта человека была использована в различных экспериментах в широком диапазоне внешних условий (водная иммерсия, исследования под высоким давлением). Результаты наших исследований показали, что результаты традиционных методов исследований вентиляционной функции легких (измерение объемно-скоростных показателей), дополненные данными о дыхательном импедансе, расширяют представления о биофизических механизмах действия искусственных газовых смесей и сред на внешнее дыхание человека. Совокупность экспериментальных данных и биофизический анализ возможных причин изменений параметров механики дыхания создают цельную картину реакции дыхательного тракта на внешние ( воздействия. Таким образом, метод вынужденных колебаний, применяемый для исследования импеданса системы дыхания, является информативным, неинвазивным, простым, чувствительным методом для исследования механики дыхания человека в условиях измененной окружающей среды.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Сытник, Екатерина Борисовна, 2009 год

1. Асямолова Н.М., Баранов В.М., Волков М.Ю., Котов А.Н., Шабельников В.Г. Показатели форсированного выдоха у здорового человека в условиях моделированной невесомости. // Косм.биол., 1985, N 6. - С. 34-27.

2. Аулик И. В. Определение физической работоспособности в клинике и спорте. М.: Медицина, 1990. 192 с.

3. Брек Д. Цеолитовые молекулярные сита. М.: Мир, 1976, 671 стр.

4. Бреслав И.С.Восприятие дыхательной среды и газопрефендум у животных и человека.-Л.:Наука,Ленингр.отд-ние, 1970.-174 с.

5. Вейбель А.Р. Морфометрия легких человека. // М.: Медицина, 1970. 175 с.

6. Генин A.M., Дьяченко А.И. Дыхание при измененной гравитации.// Физиология дыхания: (Основы современной физиологии) // Ред.

7. И.С. Бреслав, Г.Г. Исаев. СПб.: Наука. 1994. - С. 654-665.

8. Григорьев И.С. Физические величины. Справочник. М.; Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.

9. Дворецкий Д.П. Вентиляция, кровообращение и газообмен в легких // В кн.: Физиология дыхания, ред. И.С. Бреслав, Г.Г. Исаев., СПб: Наука. 1994, с. 197-257

10. Дьяченко А.И. Математические модели механики легких с распределенными параметрами. Автореферат диссертации д.т.н. Москва, 2003.

11. Дьяченко А.И., Манюгина О.В. Математическая модель влияния дыхания подогретой кисрородно-гелиевой смесью на тепломассообмен.//Российский журнал биомеханики, том 7, № 3: 61-68,2003

12. Зеливянская Л.И., Немеровский Л.И. К вопросу определения акустического импеданса дыхательного аппарата человека // Новости медицинского приборостроения. М., 1970. Т 2. С. 136140.

13. Зильбер H.A. Осцилляторная механика дыхания. В сб.: Современные проблемы клинической физиологии дыхания, Л., 1987, С. 34-44.

14. Каро К., Педли Т., Шротер Р., Сид У. Механика кровообращения. М.: Мир, 1981.624 с.

15. Кисляков Ю.Я., Бреслав И.С. Дыхание, динамика газов и работоспособность при гипербарии.// Ленинград. Наука 1988, 237 с.

16. Костылев Е.Г., Гелий-кислородная терапия в профилактике легочных осложнений у больных после операций на органахбрюшной полости. А-т. док. Дис. М. 1991. 42 с.

17. Крысин Ю.С., Импульсная гипоксия с гелием в комплексном лечении пульмонологических больных. А-т. кан.дис. М.1998. 23с.

18. Кузнецова В.К. Механика дыхания. // В кн.: Руководство по клинической физиологии дыхания. JL: Медицина. 1980. С. 37-108.

19. Кузнецова В.К., Любимов Г.А. Оценка физических свойств легких человека на основе исследования сопротивления дыхательных путей // Физиология человека. 1985. Т. 11. № 1. С. 55-68.

20. Куценко М.А., Шогенова Л.В., Чучалин А.Г. Гелий-кислородные смеси- применение в медицине. Материалы 9-го Нацианального конгресса по болезням органов дыхания. М. 1999.

21. Линк Э. A. (Link Е. А.) Надувные подводные дома из мягких конструкций // Подводная лаборатория "Силаб-2", Ленинград, 1968, с. 194-197

22. Павлов Б.Н, Дьяченко А.И., Шулагин Ю.А. Павлов Н.Б., Буравкова Л.Б., Попова Ю.А., Манюгина О.В., Сытник Е.Б. Исследования физиологических эффектов дыхания подогретыми кислородно-гелиевыми смесями. Физиология человека, 2003, том 29, № 5, с. 69-73

23. Павлов Б.Н., Логунов А.Т., Смирнов И.А., Баранов В.М. и др. «Способ подготовки и подачи лечебной газовой смеси и устройство для его осуществления». Приоритет изобретения 16. 04. 1999, Патент № 214 6536 от 20.03.2000 года.

24. Павлов Б.Н., Логунов А.Т., Смирнов И.А., Баранов В.М. и др. «Способ формирования дыхательной газовой смеси и аппарат для его осуществления». Приоритет изобретения 20.09.1995, Патент № 2072241

25. Павлов Б.Н., Плаксин С.Е., Бойцов С., Черкашин Д. МЕТОДИКА «Лечения подогреваемыми кислородно-гелиевыми смесями острых воспалительных и бронхообструктивных заболеваний легких с помощью аппарата «Ингалит». Утверждена ФУ МБЭП при МЗ РФ 26.01.2001 г.

26. Симонова Т.Г. Тепло- и влагообмен в дыхательных путях. // Физиология дыхания: (Основы современной физиологии) // Ред. И.С. Бреслав, Г.Г. Исаев. СПб.: Наука. 1994. - С. 139 - 158.

27. Солдатов П.Э., Дьяченко А.И., Павлов Б.Н., Федотов А.П., Чугуев А.П. Выживаемость лабораторных животных в аргон содержащих газовых средах. // Авиакосмическая и экологическаямедицина 1998 -Т. 32, № 4. с 33-37

28. Трошихин Г. В. Физиологические механизмы влияния на организм гелиевой среды с различным содержанием кислорода в условиях нормо- и гипербарии. Автореферат докт дис., Ленинград, Институт Физиологии АН СССР, 1981, 49 с.

29. Улыбин С.А. Температурная зависимость вязкости разреженных газовых смесей//Теплоэнергетика.-1962.- (8).-С. 93-94.

30. Уэст Дж. (West J. В.) Физиология дыхания. / Пер. с англ. под ред. А. М. Генина, Москва, Мир, 1988, 200 с.

31. Фельбербаум Р.А. Рефлексы с верхних дыхательных путей. // Физиология дыхания: (Руководство по физиологии). Ленинград.: Наука. 1973.-С. 151 - 164.

32. Шулагин Ю.А., Дьяченко А.И., Павлов Б.Н. Влияние аргона на потребление кислорода человеком при физической нагрузке в условиях гипоксии // Физиология человека. 2001. Т. 27. № 1. С.я 95-101.

33. Alpert М., Montenegro Н, Stern К. Oscillatory Rrs & Crs compared to conventional Raw & Cp // Proc. 34th ACEMB, Houston, Tex., Sept. 21-23, 1981. Bethesda, Md. 1981. V. 23. P. 51.

34. Avanzoli G., Barbini P. Comments on estimating respiratory mechanical parameters in parallel compartment models // IEEE Trans., Ser. В ME. 1982. V. 29. N 12. P. 772-774.

35. Baile E.M., Dahlby R.W., Wiggs B.R. Effect of cold and warm dry air hyperventilation on canine airway blood flow. //J.Appl. Physiol 1987 ;62(2):526-32

36. Baile E.M., Godden D.J., Pare P.D. Mechanism for increase in tracheobronchial blood flow induced by hyperventilation of dry air in dogs. //J.Appl. Physiol 1990 ;68(1):105-12

37. Barach A.L. Rare Gases Not Essential to Life. // Science.- 1934 ! (Dec).-Vol.80.-P.593.

38. Barach A.L. The therapeutic use of helium. // JAMA.- 1936.-Vol.107.- P.1273-1275.

39. Barach A.L. The use of helium in the treatment of asthma and obstructive lesions in the larynx and trachea. // Ann. Intern. Med.-1935.-Vol.9.-P.739-765.

40. Barach A.L. Use of helium as a new therapeutic gas. // Proc. Soc. Exp. Biol. Med.- 1934.- Vol.32.- P.462-464.42