По оценкам Всемирной организации здравоохранения, на сегодняшний день около 80 миллионов человек имеют хронические заболевания органов дыхания. Многие из них обусловлены воздействием на здоровье человека промышленных выбросов в виде частиц, содержащихся в атмосферном воздухе. Современной медицине необходим научно обоснованный инструментарий для составления индивидуальных долгосрочных прогнозов влияния загрязненного воздуха или вредных веществ на здоровье конкретного человека в перспективе. Токсикологические исследования на людях несут опасность, поэтому для решения подобных задач оптимальным подходом является математическое моделирование. Сотрудники Пермского Политеха совместно с «Федеральным научным центром медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» разработали численную модель, которая описывает процесс поступления и распределения частиц в органах дыхания. Это позволит выявить механизмы развития заболеваний и спрогнозировать их прогрессирование, включая тяжелые патологии легких.
Исследование выполнено при софинансировании Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № FSNM-2023-0003 «Математические модели и новые материалы для высокотехнологичной медицины»).
Загрязнение воздуха, содержащее различные примеси и токсичные частицы, играет важную роль в развитии сердечно-сосудистых заболеваний, злокачественных новообразований, хронических болезней органов дыхания и диабета. Это особенно актуально для рабочих зон, характерных для горнодобывающей отрасли, строительства, химической промышленности и деревообработки. Так, строители подвергаются воздействию асбеста и цементной пыли, химики – парам металлов и газам, а деревообработчики – аллергенной пыли.
Для уменьшения воздействия вредных веществ на производстве применяются средства индивидуальной защиты. По отношению к некоторым веществам определены гигиенические нормативы, регламентирующие их концентрацию в воздухе рабочей зоны. Однако современные методы контроля часто учитывают лишь общую массу частиц, не определяя их индивидуальные характеристики, такие как размеры, форма и состав. Это негативно сказывается на результативности профилактических мероприятий.
Для определения и корректировки нормативных требований, а также совершенствования мер защиты на предприятиях, требуется глубокое исследование способов попадания и распространения частиц в дыхательных путях человека. Эксперименты, связанные с воздействием токсичных веществ на здоровье людей, представляют опасность. В связи с этим, все большую актуальность приобретает метод математического моделирования – создание виртуальных аналогов органов и процесса дыхания. Такой подход позволяет оценить, как загрязнения из атмосферного воздуха проникают в организм, и спрогнозировать вероятность возникновения заболеваний.
В легких насчитывается от 600 до 700 миллионов ветвистых каналов и альвеол – мельчайших «пузырьков» диаметром около 0,1-0,15 мм, через стенки которых происходит поступление кислорода в кровь. Воссоздание точной трехмерной модели этой сложной системы представляет собой серьезную задачу, поскольку для этого необходимо получить виртуальное представление каждой альвеолы, а требуемые расчеты потребуют вычислительных ресурсов, превышающих возможности современных компьютеров.
Сотрудники Пермского Политеха в сотрудничестве с «Федеральным научным центром медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» создали комплексную трехмерную модель, имитирующую движение воздуха в дыхательных путях человека. Данная модель позволяет избежать необходимости детализированного описания воздушных потоков в каждой альвеоле или канале, сохраняя при этом высокую степень реалистичности. Работа была выполнена под научным руководством Нины Зайцевой, профессора, академика Российской академии наук и доктора медицинских наук.
– Поскольку легкие наполнены воздухом и меняют форму в процессе дыхания, что делает их похожими на губку, мы отобразили их в модели как пористую структуру. Это позволяет нам учитывать механику работы настоящих легких при вдохе и выдохе. Включение в расчет взаимодействия воздуха и ткани легких способствует повышению точности получаемых результатов, – комментирует Михаил Цинкер, старший научный сотрудник ФБУН «ФНЦ МПТ УРЗН», младший научный сотрудник ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.
Используя данные компьютерной томографии, ученые создали трехмерную модель дыхательных путей и легких, которая учитывает перемещение грудной клетки и диафрагмы. С ее помощью провели расчеты, чтобы выяснить, как воздух с частицами пыли различного диаметра и плотности перемещается и осаждается внутри органов во время дыхания.
В ходе моделирования установлено, что частицы диаметром 5 мкм (микрометров) оседают на 53,12% при плотности 1000 кг/м 3 и 86,41% – плотностью 4000 кг/м3. Таким размерам соответствуют споры плесени, пыльца и цементная пыль, распространенные в сырых помещениях и на строительных объектах. Эти частицы оседают в носовой полости и носоглотке, но обычно выводятся при чихании. Из частиц диаметром 2,5 мкм и плотностью 4000 кг/м 3 оседает 53,5%. К ним может относится металлическая, минеральная пыль, частицы угля или кварца в промышленных зонах. Такой размер уже позволяет миновать носовой проход и осесть в бронхах и ниже, провоцируя тяжелые последствия. Например, кварцевая пыль вызывает силикоз – неизлечимую болезнь, при которой легкие воспаляются и покрываются грубой рубцовой соединительной тканью.
– Около 31,5–32% частиц диаметром 1 мкм оседают в нижних отделах бронхов. К ним относятся дым от сигарет и пожаров, тяжелые металлы, содержащиеся в выхлопных газах, а также угольная пыль, образующаяся в шахтах. Эти факторы могут вызывать профессиональные заболевания бронхов и легких, – поясняет Петр Трусов, профессор, заведующий кафедрой «Математическое моделирование систем и процессов» ПНИПУ, доктор физико-математических наук.
Результаты численного моделирования были проверены с помощью реального безопасного эксперимента, проведенного в естественной среде. В ходе эксперимента носовая полость промывалась дистиллированной водой, а затем отслеживалось местоположение и размеры частиц.
Работа ученых представляет значительный интерес для медицины, экологии и обеспечения промышленной безопасности. Специалисты ПНИПУ и «Федерального научного центра медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» создали математическую модель, предназначенную для прогнозирования влияния различных видов загрязняющих частиц на организм человека и, в частности, на его дыхательную систему.
Полученные данные помогут оптимизировать стандарты качества воздуха на промышленных предприятиях, создать более действенные меры безопасности для сотрудников, работающих во вредных условиях, и уменьшить вероятность возникновения хронических болезней легких. Также модель может найти применение в медицине для оценки индивидуальных рисков у пациентов, проживающих в районах с неблагоприятной экологической обстановкой. В будущем это позволит предотвращать серьезные заболевания и повышать уровень здоровья миллионов людей, сталкивающихся с загрязнением воздуха.
Информация и фото предоставлены пресс-службой ПНИПУ