Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 8
1.1 Физические и физиологические характеристики измененных ДГС 8
1.2 Дыхание подогретыми смесями 13
1.3 Дыхание газовой смесью с повышенным содержанием кислорода... 18
1.4 Дыхание при измененном давлении (барокамера) 20
1.5 Иммерсия..' 24
1.6 Метод вынужденных колебаний 28
Глава 2. Аппаратное и программное обеспечения для исследований механики дыхания методом вынужденных колебаний 40
2.1 Метод измерений импеданса 40
2.2 Программа для измерения импеданса 47
2.3 Калибровка прибора 52
2.4 Вычисление параметров механики дыхания 61
Глава 3. Влияние дыхания подогретыми дыхательными газовыми смесями на механические параметры респираторного тракта 64
3.1 Подогретые сухие ДГС 64
3.2 Подогретые ДГС разной влажности 70
Глава 4. Влияние дыхания кислородом на механические параметры респираторной системы 75
4.1 Методика 75
4.2 Результаты и обсуждение 79
4.3 Заключение к главе 4 87
Глава 5. Экспериментальная оценка параметров внешнего дыхания в измененной среде 88
5.1 Кратковременное пребывание в условиях повышенного давления... 89
5.2 Длительное пребывание в условиях повышенного давления 94
5.3 Водная иммерсия 105
Общие выводы 115
Заключение 117
Список цитируемой литературы 118
Приложения 127
- Дыхание подогретыми смесями
- Программа для измерения импеданса
- Подогретые ДГС разной влажности
- Длительное пребывание в условиях повышенного давления
Введение к работе
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, Ne, 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 ДГС, 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 (МВК) известен более 50 лет [Dubois А.В. 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
Изучение влияния температуры и влажности дыхательных газовых смесей на систему внешнего дыхания человека.
Исследование влияния дыхания адсорбционным и медицинским (ректификационным) кислородом на вентиляционную функцию легких человека.
Изучение влияния состава и давления искусственных газовых смесей на импеданс системы дыхания человека.
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.
Респираторная система человека по-разному реагирует на дыхание кислородом, полученным способами адсорбции и ректификации.
Импеданс дыхательного тракта человека увеличивается в условиях повышенного давления и водной иммерсии.
Научная новизна
( 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 человека применяется для исследований механики дыхания в условиях измененной внешней среды в ГВК-250 ГНЦ РФ - ИМБП РАН.
Дыхание подогретыми смесями
В последнее десятилетие активно используются новые искусственные дыхательные газовые смеси (ДГС). В некоторых исследованиях обнаружены положительные эффекты, возникающие при дыхании подогретыми кислородно-гелиевыми газовыми смесями (КГС). Такие данные получены в исследованиях на спортсменах, исследованиях восстановления состояния человека после переохлаждения, а также при терапии бронхолегочных заболеваний в ряде клиник России [21,22,23,25].
Плотность гелия почти в 7 раз меньше, чем у азота, теплопроводность — в 5,8 раза больше, чем у азота, растворимость в жирах в 4,5 раза меньше, чем у азота при нормальном барометрическом давлении. Физические свойства гелия отражаются на свойствах его смесей с кислородом, что приводит к сниженной плотности смесей, высокой кинематической вязкости, повышенной скорости диффузии и теплопроводности [4]. Эти различия формируют при дыхании отличные от воздуха физиологические эффекты КГС.
Основной интерес представляют параметры: плотность, вязкость, коэффициент диффузии кислорода, теплоёмкость, теплопроводность. Их значения для N2, Н2, Не и двух смесей: 79 % N2 + 21 % 02 и 79 % Не + 21 % 02 преведены в табл. 1.2.1
Из таблицы 1.2.1 видно, что плотность N2-02 смеси в 3 раза больше, чем Не-02 смеси. Уменьшение плотности и вязкости ДГС приводит к уменьшению сопротивления дыхательных путей, как следствие, при той же вентиляции снижается работа дыхания. Коэффициент диффузии кислорода в гелии больше чем в азоте. Как следствие можно предположить снижение диффузионого сопротивления лёгких при дыхании смесью Не-02 [21]. Поскольку Ср азота больше, чем Ср гелия, то в случае установления
полного теплового равновесия между вдыхаемым газом и телом, тепло, передаваемое в тело человека от первой смеси (N2-O2), было бы больше, чем от второй (Не-02). Ситуация полного теплового равновесия соответствует очень медленному и глубокому дыханию. Однако за счет больших коэффициентов теплопроводности и массопереноса в кислородно-гелиевой смеси быстрее наступает тепловое равновесие, смесь быстрее увлажняется и может быстрее передать тепло в тело.
Таким образом, можно считать, что предполагаемые эффекты гелия связаны с увеличением диффузионной способности дыхательной смеси и, как следствие, с улучшением альвеолярной вентиляции, нормализацией состава альвеолярного газа, снижением нагрузки на дыхательные мышцы, снижением работы системы дыхания по преодолению сопротивления дыхательных путей.
В то же время обнаружено, что в ряде случаев дыхание КГС вызывает ухудшение состояния больных. Применение гелия при бронхиальной астме увеличивает летальность за счет образования вязких слизистых пробок в бронхах, усугубляющих дыхательную недостаточность [48]. В качестве возможного объяснения этого феномена приводят физические свойства гелия, а именно его высокую теплопроводность [46]. Учитывая, что температура кислородно-гелиевых смесей была комнатной (20-24 С), гелий как бы «отбирал» тепло у бронхиального секрета, меняя физические данные и ухудшая реологические свойства последнего. В других работах не было найдено отличий при дыхании КГС и воздухом больных астмой [47, 61].
Исходя из теоретических соображений [10], можно предположить, что в системе дыхания из-за повышенной диффузионной способности гелия, а также из-за его низкой плотности могут быть обнаружены следующие физиологические эффекты: -/
1) За счет низкой плотности и вязкости дыхательной газовой смеси (ДГС), содержащей гелий, сопротивление дыхательного тракта снижается во время дыхания смесью. Как следствие, снижается работа дыхания при том же уровне вентиляции.
2) Коэффициент диффузии кислорода в гелии больше, чем в азоте, поэтому может снижаться диффузионное сопротивление легких [21]. Можно также ожидать физиологическую реакцию на дыхание подогретой ДГС.
Однако, биофизические реакции на дыхание кислородно-гелиевой смесью, в том числе со стороны системы дыхания, остаются слабоизученными. Можно предположить, что дыхание подогретыми воздухом и кислородно-гелиевыми смесями (КГС) вызывает различные физиологические эффекты. Широкое применение гелия в водолазной технике началось после 1926 года, когда выяснилось, что декомпрессия животных от 10 атмосфер в кислородно-гелиевой атмосфере занимает лишь 1/3 по времени от декомпрессии в условиях воздуха [ПО]. Автор работы [76] даже утверждал, что животные погибают при длительном нахождении в атмосфере без инертных газов. Однако, в работе [38] при наблюдении за животными, помещенными в кислородно-азотную атмосферу в течение 42 дней, это положение было опровергнуто. Изменения общего состояния мышей, помещенных на 2 месяца в атмосферу из 21% кислорода и 79% гелия, также не были обнаружены [41]. Опираясь на физические свойства гелия, авторы работы [41] предположили, что замена азота на гелий в качестве несущего газа, может существенно улучшить вентиляцию в условиях бронхообструкции.
Программа для измерения импеданса
Программа рассчитана на два режима: «Калибровка» и «Эксперимент». Они во многом схожи, рассмотрим подробно режим «Калибровка». Данные (поток и давление) в виде смеси двух потоков, поступают с АЦП L-card (El 4-140, Россия). Алгоритм распознавания этих данных a Lab View был взят из примеров, написанных разработчиками L-card. То есть на данном этапе мы имеем формы сигнала (в LabView обозначается как "waveform") амплитуды и фазы для сигналов потока и давления для всех частот с интервалом 2 Гц. Каждая форма сигнала содержит в себе сами значения, частотный интервал между точками и начальную частоту.
Далее по этим данным в цикле вычисляются средние значения и стандартное отклонение импеданса по каждой частоте. Величина і пробегает значения от 0 до 52 (соответствуя номеру каждой частоты). выделяются все i-ые значения, в выделяется число значении, равное количеству усреднении, далее проводится суммирование и деление на количество усреднений, в результате чего получаем средние значения действительной и мнимой части импеданса для каждой частоты. Первая часть режима «Эксперимент» такая же, как описано выше. Вторая часть состоит из вычисления откалиброванных данных и стандартных отклонений.
Для проверки работы установки были проведены измерения с системами, импеданс которых известен. На рис. 2.3.1 изображена зависимость действительной и мнимой части импеданса трубки (длинной 25 см и диаметром 1,2 см) от частоты. Калибровку проводили по сетке с сопротивлением 36,9 Па/л/с. Зависимость измеренного и вычисленного импеданса трубки от частоты (калибровка сеткой). Указано стандартное отклонение (SD). Приборное округление для MasterScreen IOS до 0,1 гПа/л/с. Проведено 3 записи по 100 измерений. Re(MBK), Im(MBK) - действительная и мнимая части импеданса трубки, измеренные с помощью разработанной установки МВК К.е(вычисленное), Іт(вьічисленное) - действительная и мнимая части импеданса трубки, вычисленные по параметрам трубки [9]. Re(MasterScreen IOS), Im(MasterScreen IOS) - действительная и мнимая части импеданса трубки, измеренные на приборе MasterScreen IOS.
В качестве калибровочной системы использовали эту же трубку. (МВК) - действительная и мнимая части импеданса трубки, измеренные с помощью разработанной установки МВК (вычисленное) - действительная и мнимая части импеданса трубки, вычисленные по параметрам трубки. Из рисунка 2.3.4 видно, что повторяемость результатов высокая, а стандартное отклонение мало (15% для действительной части и 5% для мнимой части импеданса). Сравнение результатов измерений, проведенных после калибровки разными калибровочными системами Так как в разных экспериментах использовали разные калибровочные системы (сетка и трубка), то возник вопрос о правомерности сравнения данных, полученных из этих экспериментов с разлтчными калибровочными системами.
В первом варианте установки на динамик подавали синусоиды определенной частоты. Для нахождения импеданса необходимо было проводить измерения для каждой частоты в отдельности. В последнем варианте установки на динамик подается спектр частот, содержащий все интересующие нас частоты. Для нахождения импеданса теперь необходимо провести исследование один раз. Для проверки правомерности сравнения данных, полученых на разных вариантах установки, были проведены исследования на трубке (длинной 25 см и диаметром 1,2 см). В качестве калибровочной системы была взята эта же трубка. На рис. 2.3.7 изображена зависимость действительной части импеданса трубки от частоты, полученная разными способами. Re Z (по синусоидам) -действительная часть импеданса, измеренная для каждой частоты в отдельности, сигнал на динамике - синусоида. Re Z (вычисленное) -действительная часть импеданса, вычисленная по данным трубки (длина, диаметр) [9]. Re Z («пила» 2 Гц) - действительная часть импеданса, измеренная для спектра частот, сигнал на динамике - «пила» 2 Гц. Таким образом, из рисунков 2.3.7 и 2.3.8 видно, что отличия в значениях импеданса, измеренного разными способами, не больше, чем стандартное отклонение. Поэтому сравнение данных, полученных этими способами - правомерно.
Подогретые ДГС разной влажности
Ранее в нашей лаборатории были проведены теоретические исследования тепломассопереноса в дыхательном тракте при дыхании подогретыми воздухом и КГС [10]. Эти исследования показали, что при движении по дыхательным путям сухая подогретая КГС остывает и насыщается водяными парами быстрее, чем воздух. Это хорошо согласуется с экспериментальными данными первого эксперимента, если предположить, что сужение дыхательных путей и увеличение импеданса связано с подсушиванием слизистой оболочки дыхательных путей сухой ДГС.
Также ранее проведенные в ГНЦ РФ - ИМБП РАН исследования показали, что дыхание подогретыми газовыми смесями влияет на механику дыхательного тракта и распределение температуры на поверхности тела. Теоретические исследования [10] показали, что влажность вдыхаемой дыхательной газовой смеси (ДГС) должна значительно влиять на профиль распределения температуры вдоль дыхательного тракта. Поэтому можно ожидать, что физиологические реакции также будут изменяться при изменении влажности смеси.
В связи с этим возникла необходимость исследования эффектов дыхания ДГС с различной влажностью. Подогретые ДГС разной влажности Во втором эксперименте сравнивали эффекты влияния дыхания подогретым сухим/влажным воздухом и подогретой сухой/влажной КГС у восьми здоровых добровольцев. У каждого испытуемого проводили исследования в каждой из пяти серий: 1) дыхание комнатным воздухом с температурой 21-25 С и влажностью 15-30 % (контрольная серия); 2) дыхание сухим подогретым воздухом; температура вдыхаемой ДГС 55-70 С; 3) дыхание влажным подогретым воздухом при включенном ультразвуковом распылителе жидкости; температура вдыхаемой ДГС 55 70 С, влажность 55-80 %; 4) дыхание сухой подогретой кислородно-гелиевой смесью (КГС) температура вдыхаемой ДГС 55-70 С; 5) дыхание влажной подогретой КГС при включенном ультразвуковом распылителе жидкости; температура вдыхаемой ДГС 55 70 С, влажность 55-80 %.
Дыхание подогретой смесью или воздухом проводили в режиме: дыхание 3 раза по 5 с трехминутными перерывами. По оси ординат - среднее отношение текущего значения индивидуальной величины инерционности к индивидуальной инерционности в данной серии «До воздействия». Звёздочками обозначены достоверные изменения (р 0.05). Из рис. 3.2.4 видно, что инерционность дыхательного тракта достоверно уменьшается при дыхании сухой подогретой КГС, в то время как при дыхании увлажненной подогретой КГС инерционность имеет тенденцию увеличиваться.
После дыхания подогретой сухой КГС сопротивление увеличивается, а после дыхания подогретой увлажненной КГС сопротивление уменьшается. Следует отметить изменения сопротивления в контрольной серии, хотя они и недостоверны. По-видимому, это связано с измерениями температуры поверхности тела с помощью тепловизора. Для этих измерений испытуемые в течение трех часов находились без верхней одежды. Охлаждение поверхности тела и пребывание в положение «сидя» могло повлиять на динамику импеданса в контрольной серии.
После дыхания сухим подогретым воздухом повышаются ЖЕЛ и ФЖЕЛ, а после дыхания сухой подогретой КГС снижаются скоростные параметры форсированного выдоха. После дыхания сухим подогретым воздухом сопротивление дыхательного тракта увеличивается и остается повышенным даже через 180 минут после воздействия. После дыхания сухой подогретой КГС сопротивление увеличивается, но меньше, чем при дыхании подогретым воздухом. Увлажнение смесей влияет на величину и направленность изменения импеданса дыхательного тракта человека. После дыхания подогретой сухой КГС сопротивление увеличивается, а после дыхания подогретой увлажненной КГС сопротивление уменьшается.
Длительное пребывание в условиях повышенного давления
В следующей серии экспериментов изучали влияния длительного пребывания в кислородно-азотно-аргоновой среде с различным содержанием кислорода на организм человека. Возможное использование аргона при создании газовой среды гермозамкнутых жилых объектов (космическая станция, подводная лодка). Актуальность связана с тем, что велика опасность пожара. Одним из эффективных способов снижения пожарной опасности является снижение концентрации кислорода в атмосфере жилого объекта, т.е. гипоксия. Введение аргона в состав атмосферы может улучшить переносимость такой гипоксии.
Проведенные нами исследования импеданса респираторной системы человека являлись частью комплексной оценки состояния организма человека при длительном пребывании в пожаробезопасной кислородно-азотно-аргоновой среде (КААрСр), т.е. в среде, в которой азот частично заменён на аргон. Методика В барокамере 4 человека находились в нормоксической кислородно-азотно-аргоновой (13,53% кислорода; 58,21% азота; 28,26%) аргона) среде в течение 6 суток на «глубине» 5 м (т.е. при давлении 0,15 МПа). На 7-е сутки среда становилась гипоксической (9,66% кислорода, 58,21% аргона и 32,13% азота). Такой состав среды поддерживали 3 суток. Далее на 1 сутки (последние сутки пребывания в барокамере) среда снова становилась нормоксической. Затем проводили декомпрессию и выход.
Для исследований импеданса дыхательного тракта было проведено пять серий исследований: 2 серии в нормоксической кислородно-азотно-аргоновой среде, две серии в гипоксической кислородно-азотно-аргоновой среде и контрольная серия на воздухе при нормальном давлении. Во время каждой серии для каждого испытуемого проводили три записи по 100 измерений импеданса. При вычислении статистических достоверностей использовали непараметрический критерий Уилкоксона для двух зависимых выборок. Вероятность р - это вероятность того, что средние величины изменений относятся к одной и той же генеральной совокупности. р\ уилкокс - достоверность отличий от серии «комнатный воздух»; р2 уилкокс - достоверность отличий по дням в одной воздушной среде (отличия «2й день» от «6й день» и отличие «7й день» от «9й день»); рЪ уилкокс - достоверность отличий сред (объединяли «2й день» с «6й день» и «7й день» с «9й день» и сравнивали).
Средние значения сопротивления дыхательного тракта по испытуемым. На рисунке звездочками указаны те данные, которые достоверно отличаются от серии «комнатный воздух» (р 0,05), также указано стандартное отклонение. Видно, что сопротивление дыхательного тракта человека достоверно повышено на протяжении всего эксперимента. В то же время изменение среды во время пребывания в барокамере не вызвало достоверных изменений импеданса. Средние значения растяжимости дыхательного тракта по испытуемым. На рисунке звездочками указаны те данные, которые достоверно отличаются от серии «комнатный воздух» (красные звездочки при р 0,05), зеленые звездочки при р 0,08), также указано стандартное отклонение. Средние значения инерционности дыхательного тракта по испытуемым. На рисунке звездочками указаны те данные, которые достоверно отличаются от серии «комнатный воздух» (красные звездочки при р 0,05), зеленые звездочки при р 0,0$), также указано стандартное отклонение. Для выяснения физиологических механизмов действия повышенного давления и измененного состава воздуха в барокамере на систему дыхания человека на основе известных гидродинамических зависимостей мы оценивали влияние изменения плотности и вязкости газовой смеси.
Оценим сопротивление центральных дыхательных путей, используя модель симметричного дихотомического ветвления дыхательных путей человека [5]. Подробности метода вычисления сопротивления описаны в Приложении 3. Сопротивление трубки (бронха) осцилляторному потоку может быть вычислено как сумма сопротивлений постоянному потоку и добавки, связанной только с осцилляторным потоком [102]. Считаем, что скорость потока в бронхах одного поколения одинакова. Индивидуальный характер изменения импеданса при кратковременном погружении на глубину 16 метров при дыхании воздухом разнонаправлен. При длительном пребывании в условиях повышенного давления сопротивление дыхательного тракта увеличивается при погружении и остается повышенным после выхода из барокамеры. Во время длительного пребывания в условиях повышенного давления растяжимость дыхательного тракта выше, чем при нормальном давлении. Во время длительного пребывания в условиях повышенного давления инерционность дыхательного тракта меньше, чем при нормальном давлении. При переходе с нормоксической на гипоксическую кислородно-азотно-аргоновую среду инерционность дыхательного тракта увеличивается. Теоретический анализ влияния параметров газовой смеси при повышенном давлении на осцилляторное сопротивление дыхательного тракта показывает, что рост осцилляторного сопротивления в условиях повышенного давления вызван не только изменением плотности, вязкости смеси газов.
