Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 11
1.1. Регуляция дыхания 11
1.2. Центральные и периферические хеморецепторы 15
1.3. Исследование вентиляционной реакции на гипоксию и гиперкапнию 23
1.4. Влияние условий микрогравитации и нормальной гравитации на вентиляционную реакцию 37
1.5. Актуальность клинических исследований механизмов регуляции дыхания 54
1.6. Анализ современного стендового испытательного оборудования и технологий исследования хемочувствительности 58
Глава 2. Методологические рекомендации по проведению исследований на базе аппаратно-программного комплекса для исследования хемочувствительности
2.1. Разработка аппаратно-программного комплекса для исследования хемочувствительности 64
2.2. Методика исследования вентиляционной реакции
Глава 3. Результаты исследования и их обсуждение
3.1. Вентиляционная реакция респираторной системы человека на хеморецептивные стимулы при различных положениях тела 78
3.2. Вентиляционная реакция респираторной системы человека на измененную дыхательную газовую смесь 90
Глава 4. Математическая модель биотехнической системы «кардиореспираторная система человека и аппаратно-программный комплекс»
4.1. Разработка математической модели. Теоретическое обоснование
4.2. Выбор параметров модели 109
4.3. Исследование времени выравнивания содержания углекислого газа и кислорода между выделенными резервуарами
4.4. Влияние антиортостатического положения тела человека на регуляцию дыхания
Заключение и практические рекомендации по разработке космического варианта комплекса 133
Выводы 135
Список обозначений и сокращений 137
Список литературы
- Исследование вентиляционной реакции на гипоксию и гиперкапнию
- Методика исследования вентиляционной реакции
- Вентиляционная реакция респираторной системы человека на измененную дыхательную газовую смесь
- Исследование времени выравнивания содержания углекислого газа и кислорода между выделенными резервуарами
Исследование вентиляционной реакции на гипоксию и гиперкапнию
Центральные хеморецепторы (ЦХР) - группа нейронов, чувствительных к изменению Рсог в артериальной крови и концентрации ионов водорода в спинномозговой жидкости. Они участвуют в постоянном контроле вентиляции и расположены у вентральной поверхности продолговатого мозга около выходов IX и X черепно-мозговых нервов. ЦХР омываются внеклеточной жидкостью головного мозга и реагируют на изменения в ней рН. Спинномозговая жидкость отделена от крови гематоэнцефалическим барьером, относительно непроницаемым для ионов водорода, но свободно пропускающим молекулярный С02 [Уэст, 1988].
Местоположение центральных хеморецепторов влияет на центральный хеморефлекс. Во-первых, из-за гематоэнцефалического барьера концентрация ионов водорода, регистрируемая ЦХР, более тесно связана с артериальным Рсог, а не с артериальным рН. При росте артериального напряжения углекислого газа, СОг диффундирует в спинномозговую жидкость из кровеносных сосудов мозга, тем самым высвобождая ионы водорода, которые стимулируют центральные хеморецепторы, вызывая пропорциональное увеличение вентиляции. Повышенное артериальное Рсог действует в мозгу как сосудорасширяющее, приводя к увеличению мозгового кровотока.
Центральное Рсог определяется 3 факторами: артериальным Расог, СОг, образующимся в тканях мозга, и мозговым кровотоком - и изменяется пропорционально Расог и обратно пропорционально мозговому кровотоку. Таким образом, при изменении Расог или мозгового кровотока изменения в центральном Рсог произойдут примерно через 5 минут [Philip, Duffin A., Duffin J., 2009].
Во-вторых, так как ЦХР обеспечены током крови, равным примерно 0.01 мл/сек на каждый мл ткани рецептора, существует временная задержка в изменении Рсог у центральных хеморецепторов по отношению к таковому для артериальной крови [Duffin, 1990]. В экспериментах, где уровень артериального Рсог резко возрастал, напряжение углекислого газа у ЦХР постепенно увеличивалось по экспоненциальному закону [Nunn, 1967]. Постоянная времени этой экспоненты может быть оценена как обратная перфузии тканей хеморецепторов, т.е. 100 секунд. Экспонента затухает в течение приблизительно трех постоянных времени, таким образом, необходимо около 5 минут, чтобы Рсог у ЦХР вышло на новый уровень.
И, в-третьих, Рсог у центральных хеморецепторов отличается от значения в артериальной крови - оно ближе к Рсог смешанной венозной крови, оттекающей от мозга. Из-за того, что изменение мозгового кровотока меняет церебральную артериовенозную разницу по напряжению углекислого газа, разница между Рсог в артериальной крови и у ЦХР будет изменяться вследствие изменения мозгового кровотока [Berkenbosch, 1988].
Периферические (артериальные) хеморецепторы (ПХР) находятся в каротидных (область бифуркации общих сонных артерий) и в аортальных тельцах (верхняя и нижняя поверхность дуги аорты). Среди них у человека главную роль играют ПХР каротидных телец, и они считаются единственным источником рефлекторной стимуляции дыхания, реагирующим на три вида воздействий: гипоксию, гиперкапнию, а также на изменение рН. Относительный вклад аортальных телец в вентиляцию является минимальным. Схема регуляции дыхания посредством центральных и периферических хеморефлексов представлена на рисунке 2.
J. Н. Jn. Comroe и С. F. Schmidt в 1938 году и позднее J. F. Perkins (1968) высказывали разное мнение по поводу вклада периферических хеморецепторов в регуляцию дыхания в состоянии покоя. В поддержку первого мнения были получены данные о том, что активность периферических хеморецепторов проявлялась после нескольких вдохов стопроцентным кислородом бодрствующими людьми, в результате вентиляция уменьшалась всего на 10% [Comroe, Schmidt, 1938; Dejours, 1963]. При этом, если гипероксия поддерживалась на протяжении нескольких минут, то снижение запасов гемоглобина для транспорта Н и небольшое снижение в церебральном кровотоке приводила к небольшому увеличению концентрации Н в тканях мозга. Таким образом, ацидоз вызывал рост активности центральных хеморецепторов, которые компенсируют эффект снижения активности каротидных хеморецепторов - в результате чего, происходит восстановление дыхания к норме.
Эти данные приводят в качестве довода к предположению о том, что каротидные хеморецепторы вносят только малый вклад в регуляцию дыхания в состоянии покоя здоровых бодрствующих людей. По утверждению J. Н. Jn. Comroe и С. F. Schmidt: «Рефлексы каротидных телец играют лишь вспомогательную роль ... регуляция дыхания в нормальных условиях всецело обеспечивается ответом со стороны клеток центра посредством химического стимула (главным образом СОг)» [Comroe, Schmidt, 1938]. D. F. Donnelly уточнил, что «главная роль каротидных телец - детектировать гипоксию и реагировать на нее» [Donnelly, 1997].
Fitzgerald et al. в своих исследованиях на собаках обнаружили, что при однонаправленной и билатеральной перфузии через изолированную сонную артерию гипероксической или гипокапнической кровью вентиляция снижается на 30% и 24% соответственно [Fitzgerald et al., 1964]. Другие исследования дают основания предполагать о значительно большем вкладе каротидных хеморецепторов в регуляцию дыхания в состоянии покоя, по сравнению с результатами исследований при дыхании чистым кислородом [Brown et al., 1993; Parietal, 1983].
Таким образом, вентиляционные реакции на стимуляцию ПХР могут быть рассмотрены с двух точек зрения. Периферические хеморецепторы могут считаться детекторами гипоксии, где ионы водорода (углекислый газ) выступают как усилители чувствительности. Нарастающая изокапническая гипоксия приводит к гиперболическому увеличению вентиляции, а значит, вентиляционная реакция на гипоксию зависит от Рсог. Кроме того, ПХР можно рассматривать как детекторы ионов водорода в артериальной крови (углекислого газа), чувствительность которых увеличивается при гипоксии [Mohan, 1997].
Методика исследования вентиляционной реакции
Особый вклад в изучение физиологических механизмов изменений дыхания и гемодинамики в условиях реальной и моделируемой микрогравитации внесли сотрудники ИМБП шестидесятых годов, в число которых входят Генин A.M., Пестов И.Д., Баранов В.М., Агаджанян Н.А., Какурин Л.И., Коваленко Е.А., Михайлов В.М., Катунцев В.П., Лобачик В.И., Дианов А.Г., Тихонов М.А., Давыдов Г.А., Брянцева Л.А. и многие другие специалисты. Отсутствие грубых отклонений от нормы во время первых полетов человека в космос первоначально ослабило интерес ученых к подобным исследованиям, однако позднее были выявлены явные проблемы, связанные с транспортом респираторных газов [Агаджанян, Елфимов, 1986; Баранов, 1993; Баранов, 2011].
Невесомость является основным фактором, воздействующим на организм человека в условиях реальной микрогравитации, в частности, значительно проявляющаяся на биомеханике дыхания и кровообращения [Газенко, Григорьев, Егоров, 1990].
Среди особенностей дыхания у космонавтов в первую очередь следует выделить изменение функциональных объемов и емкостей, например, в результате изменения положения диафрагмы [Дьяченко, Шабельников, 1985].
После 110-120 суточного полета у космонавтов были выявлены сохраняющиеся в течение некоторого времени изменения легочных объемов и скоростных параметров дыхания [Атьков, Бедненко, 1989; Григорьев, Егоров, 1997]. Во время космического эксперимента «Дыхание» в 2007-2010 годах сотрудниками ГНЦ РФ - ИМБП РАН были получены новые данные не только о легочных объемах и биомеханике дыхания, но и о возможных изменениях в регуляции дыхания [Баранов и др., 2011а; Баранов и др., 2011b; Миняева и др., 2011].
Изменения в легочных объемах и биомеханике дыхания так же наблюдаются и в условиях моделируемой невесомости. При переходе от вертикального к горизонтальному положению жизненная емкость легких (ЖЕЛ) у мужчин может уменьшаться практически на 6 % [Хасис, 1975], а в условиях водной иммерсии при сохранении ЖЕЛ, достоверно возрастал резервный объём вдоха и снижался резервный объём выдоха [Попова и др., 2011]. При всем при этом после непродолжительных полетов величина ЖЕЛ существенно не отличалась от предполетных показателей [Баранов, 1993]. Тогда как функциональная остаточная емкость легких (ФОЕ) снижалась в невесомости примерно на 15% [Prisk et al., 2006]. Было также отмечено значительное снижение резервов дыхания (на 35-40%), при этом полное восстановление наблюдалось только через шесть месяцев после полета [Баранов, Котов, Тихонов, 2002]. Резервы дыхания определяются соотношением форсированного дыхания к спокойному, они необходимы для выполнения физической работы, в частности, для космонавтов при профессиональной деятельности вне корабля, то есть при работе в скафандре.
В исследованиях биомеханики дыхания в антиортостатическом положении (АНОП) человека описывается возрастание эластического сопротивления и снижения растяжимости в результате увеличения кровенаполнения легких [Дьяченко, Шабельников, 1985; Баранов, Котов, Тихонов, 2002].
Было обнаружено, что в условиях микрогравитации при практически неизменной форме грудной клетки [Генин, Дьяченко, 1994], изменению подвергаются сами дыхательные мышцы, поскольку не требуется преодолевать вес грудной клетки, а внутренние органы занимают несколько иное положение [Баранов и др., 1991]. При длительных полетах (более 100-120 суток) дыхательные и скелетные мышцы вовлечены в процесс детренированности, в результате чего наблюдается комплексные нарушения - гиповентиляция, гиперкапния, гипоксемия, снижение рН и смещение анаэробного порога, функциональная недостаточность диафрагмы [Баранов, 2011].
Под действием гравитации в наземных исследованиях была выявлена неравномерность отношения альвеолярной вентиляции к кровотоку [Уэст, 1988; Бреслав, Пятин, 1994], которая особенно выражена в вертикальном положении. К сожалению, ни «сухая» иммерсия, ни антиортостатическая гипокинезия (АНОГ) не смогут полностью воспроизвести влияние микрогравитации.
Кровообращение в лёгких также связано с внутригрудным давлением, изменения которого влияют на сердечный выброс и венозный возврат крови к сердцу. В условиях реальной и моделированной микрогравитации выражено перераспределение крови в краниальном направлении, сердечный выброс при этом возрастает, а почки выделяют больше жидкости и электролитов [Григорьев, Егоров, 1997].
В 1985 году сотрудниками ИМБП совместно с ВНИИ Пульмонологии получили данные о повышении диффузионной способности легких на 14% при переходе из горизонтального положения в АНОП - 30, что объясняли увеличением площади диффузии. Легочное кровенаполнение в условиях микрогравитации зависит от изменения гемодинамики целого организма. О вероятном депонировании крови в лёгких и веноартериальном шунтировании, объясняющие снижение напряжения кислорода в артериальной крови в невесомости, упоминали ещё A.M. Генин с соавторами [Генин и др., 1969], Е.А. Коваленко с соавторами [Коваленко и др., 1972; Коваленко и др., 1986] и В.М. Баранов [Баранов, 2011].
Минутная вентиляция лёгких, формирующаяся из частоты и глубины дыхания, определяется уровнем метаболизма в организме, который надо обеспечить. Однако во время космического полета эти показатели могут неадекватно возрастать вследствие эмоционального напряжения [Малкин, Гора, 1990]. Вентиляция и газообмен при физической работе также носят индивидуальные черты, но, во многом, они зависят от длительности полета.
Первым отечественным исследователем напряжения кислорода в крови во время полета путем прямых измерений был В.В. Поляков. Во вдыхаемом газе, напряжение Ог в артериальной крови (РаОг) достоверно снижалось на 12 - 30%, при этом в атмосфере корабля более высокое парциальное давление кислорода. В опытах с отрицательным давлением на нижнюю часть тела (ОДНТ) напряжение Ог снижалось на 36%. Сниженное РаОг в артериальной крови наблюдалось в течение некоторого времени после космического полета, особенно, в горизонтальном положении тела [Баранов, 2006, Баранов, 2011], что по мнению автора связано с гиповолемией лёгких [Баранов, Котов, Тихонов, 2002].
Исследования с участием 9 космонавтов на МКС [Баранов и др., 2011b], выявили статистически значимые различия (р 0.05) в длительности задержки дыхания на вдохе. В среднем время задержки дыхания возросло с 58 (в предполётном периоде) до 93 секунд (во время космического полета). На выдохе длительность задержки также достоверно увеличивалась с 25 до 40 секунд соответственно. После возвращения на Землю длительность задержки дыхания возвращалась к исходному уровню. Одной из наиболее вероятных причин увеличения времени задержки дыхания является снижение чувствительности дыхательного центра к углекислоте. Такого же мнения о состоянии дыхательного центра придерживался P.M. Баевский [Баевский и др., 2011]. Особенности дыхания, а тем более его нарушения, требуют разработки и применения адекватных средств профилактики.
Существуют экспериментальные данные, подтверждающие влияние микрогравитации (xG) на регуляцию дыхания человека. Под влиянием микрогравитации происходит перераспределение жидкостей в организме, в результате изменение сосудистого давления в области шеи воздействует на работу периферических хеморецепторов, реагирующих на изменение концентрации газов в крови [Prisk, Elliott, West, 2000]. В результате перемещения жидких сред, устранения гидростатического давления и общей гипокинезии развивается детренированность и частичная атрофия мышц и сосудов, расположенных ниже гидростатически индифферентной точки организма [Prisk, Elliott, West, 2000].
Вентиляционная реакция респираторной системы человека на измененную дыхательную газовую смесь
Воздействия проводили в глубоководном водолазном комплексе. Основными действующими факторами в 3-х экспериментах были гипоксия и пребывание в замкнутом объёме. Первый и второй эксперименты проводили в гипоксической среде, в которой азот практически наполовину был заменен аргоном. Второй эксперимент отличался от первого тем, что барометрическое давление было повышено до 20 м вод.ст., что позволило понизить процентное содержание кислорода, в среднем, с 15 до 5 %, при сохранении одинакового парциального давления кислорода на уровне, близком к 110 мм рт.ст. После перевода в конце 4-х суток на нормоксические условия (150-165 мм рт. ст.) выполнялась 2-суточная декомпрессия.
Таким образом, каждый доброволец участвовал в 4 сериях экспериментов: фоновое измерение и измерение после воздействия - последействие: Фоновое 1 (Arl): Возвратное дыхание гипероксической ДГС (воздействие гиперкапнии) в положении сидя. РЕТС02 возрастало от уровня, достигнутого после гипервентиляции, до 61.8±2.9 мм рт.ст., а РЕТ02 уменьшалось до 178.6±24.3 ММ рт.ст. Последействие 1 (Аг2): Возвратное дыхание гипероксической ДГС (воздействие гиперкапнии) в положении сидя. РЕТС02 возрастало от уровня, достигнутого после гипервентиляции, до 65±4.8 мм рт.ст., а РЕТ02 уменьшалось до 171.6±52.3 ММ рт.ст. Фоновое 2 (N2I): Возвратное дыхание гипероксической ДГС (воздействие гиперкапнии) в положении сидя. РЕТС02 возрастало от уровня, достигнутого после гипервентиляции, до 61.2±6.1 мм рт.ст., а РЕТ02 уменьшалось до 176.4±48.1 мм рт.ст. Последействие 2 (N22): Возвратное дыхание гипероксической ДГС (воздействие гиперкапнии) в положении сидя. РЕТС02 возрастало от уровня, достигнутого после гипервентиляции, до 61.2±6.1 мм рт.ст., а РЕТ02 уменьшалось до 145±47.6 мм рт.ст.
Один из испытуемых отказался проходить тест с возвратным дыханием после пребывания в гипоксической азотосодержащей атмосфере. Таким образом, во второй серии (N2I, N22) приняло участие четверо здоровых мужчин в возрасте от 24 до 42 лет (среднее ± среднеквадратичное отклонение равно 33.5 ±9.3 лет).
Исследования вентиляционных реакций проводили за 2 дня до и на 2 день после воздействий. Предшествующая возвратному дыханию гипервентиляция позволила Определить ПОрОГОВОе РЕТС02 (TVRC02).
Распределитель потока в контуре АПК обеспечивал возможность регулировать поток ДГС через химический поглотитель СОг и байпас, что позволило управлять скоростью нарастания СОг в контуре. Это, в свою очередь, обеспечило возможность плавного выравнивания углекислого газа в биотехнической системе «ткани - кровь - легкие - контур». В результате время тестирования (возвратного дыхания) составляло от 15 до 20 минут.
Для исследования вентиляционной реакции на гиперкапнию при возвратном дыхании гипероксической ДГС дыхательный контур продувается дыхательной газовой смесью с концентрацией кислорода около 90%, до наполнения контура соответствующей ДГС.
Примеры индивидуальных зависимостей прироста вентиляции и прироста дыхательного объема от парциального давления СОг в альвеолярном газе до и после воздействия длительной гипоксии представлены на рисунках 25 и 26. 65 60-55-50- 45 40 І зоч
Индивидуальная зависимость вентиляции от парциального давления СОг в альвеолярном газе до (о, красного цвета) и после (А, синего цвета) пребывания в гипоксической азотосодержащей атмосфере Вентиляционная реакция (Sy), реакция дыхательного объема (SVT) на нарастающую гиперкапнию были рассчитаны на диапазоне изменения РЕТС02 ОТ 45.1±0.1 мм рт.ст. до 60.8±0.2 мм рт.ст. для 3 испытуемых и представлены в таблице 8.
Статистическую достоверность различий между сериями рассчитывали с помощью парного критерия Стьюдента, приемлемость применения данного критерия, проверка распределений на нормальность представлены в таблицах 9 -11 приложения. Таблица 8 - Параметры линейной аппроксимации реакции вентиляции и дыхательного объема на увеличение РЕТС Серия Sv, л/мин/мм рт.ст. Pvo, мм рт.ст. SVT, л/мм рт. ст. Руто, мм рт.ст.
Было обнаружено, что прирост дыхательного объема SVT В ответ на гиперкапнию достоверно (р 0.05) увеличился на 0.02±0.009 л/мм рт.ст. после 5.5-суточной аргоновой гипоксии. Значение РЕТС02 при нулевой величине дыхательного объема достоверно (р 0.05) больше на 8.76±3.76 мм рт.ст. фонового значения после пребывания в аргоновой гипоксии, кроме того, наблюдается тенденция (р 0.1) на снижение значения РЕТС02 при нулевой величине дыхательного объема на 4.96±3.77 мм рт.ст. по сравнению с фоновым значением после пребывания в гипоксической азотосодержащей атмосфере.
Характерная индивидуальная зависимость дыхательного объема от парциального давления СОг в альвеолярном газе до (красные точки) и после (синие точки) пребывания в гипоксической азотосодержащей атмосфере Примечательно, что наблюдаются достоверные различия между фоновыми значениями SVT И Sy перед пребыванием в аргоновой и азотной гипоксии. Таким образом, SVT перед 10-суточной азотной гипоксией на 0.03±0.026 л/мм рт.ст. больше, чем перед 5.5-суточной аргоновой гипоксией, a Sy перед 10-суточной азотной гипоксией на 0.62±0.31 л/мм рт.ст. больше, чем перед 5.5-суточной аргоновой гипоксией. Вероятно, это следствие наложения эффектов от 5.5-суточного пребывания в аргоносодержащей гипоксической атмосфере и 10-суточного пребывания в аргоносодержащей гипоксической атмосфере месяцем ранее. Достоверность различии между реакциями в сериях представлены в таблице 9.
Известно, что реакция кардиореспираторной системы на гипоксию зависит от степени гипоксического воздействия, длительности воздействия, периодичности воздействий и концентрации СОг во время воздействий [Powell, Milsom, Mitchell, 1998]. Пауэл в своих исследованиях с различными видами воздействий гипоксией выделил несколько ключевых фаз изменения вентиляции во времени: кратковременная потенциация, наблюдаемая в первые несколько минут; далее, наблюдается снижение гипоксической вентиляции, длительность этой фазы может достигать 20 минут. При продолжении воздействия гипоксией в течение последующих часов или дней наблюдается постепенный рост вентиляции, при этом величина вентиляции может превышать значения вентиляции, достигнутые в предыдущих фазах, несмотря на гипокапнию и респираторный алкалоз. Этот эффект называется «вентиляционное привыкание к гипоксии».
Опыты на животных позволили обнаружить эффект прогрессирующей интенсификации вентиляционной реакции в ответ на периодическое кратковременное воздействие гипоксией [Fregosi, Mitchell, 1994; Turner, Mitchell, 1997]. Более того, в результате прерывистых воздействий, вентиляция в покое в периоды между воздействиями может увеличиваться, подобный эффект называется «долговременной фасилитацией» [Eldridge, Millhorn, 1986], однако, в исследованиях на людях этот эффект обнаружен не был [Fregosi, Mitchell, 1994]. В различных исследованиях с ежедневным воздействием 15-30 минутной гипоксией в течение нескольких недель было обнаружено достоверное увеличение вентиляционной реакции на гипоксию [Serebrovskaya et al., 1999; Katayama et al., 1998]. Увеличение вентиляционной реакции может быть связано с увеличением чувствительности периферических хеморецепторов к углекислому газу или снижением его порога [Mohan, Duffin, 1997]. Изменение порога хеморефлекса может говорить об изменении входящего сигнала в вентральную группу дыхательных нейронов. Кроме того, исследования по влиянию длительной гипоксии (РіОг 45 мм рт.ст.) при нормальном давлении показали о значительных изменениях в транспортных характеристиках крови по отношению к кислороду. При этом наблюдается рост величины гемотокрита, концентрации гемоглобина и числа красных кровяных телец в результате выработки эритропоэтина, вызванной гипоксическим воздействием [Endoh et al., 2000].
Исследование времени выравнивания содержания углекислого газа и кислорода между выделенными резервуарами
По мнению авторов теста, высокий начальный уровень углекислого газа в мешке для возвратного дыхания должен обеспечивать быстрое выравнивание Рсог в артериальной крови, в смешанной венозной крови, в альвеолярном пространстве и в дыхательном контуре, включающем мешок [Read, 1967]. В то время, пока выделение углекислого газа в ходе основного обмена веществ находится на уровне состояния покоя, вентиляция и кровообращение хорошо выравнивают концентрации внутри дыхательной системы «мешок - легкие - кровь», и рост СОг у центральных хеморецепторов отражается на величине Рсог в мешке для возвратного дыхания. На рисунках 32 и 39 наглядно отображена динамика газообмена между выделенными резервуарами при дыхании в состоянии покоя.
Изменения в напряжениях СОг в артериальной крови, смешанной венозной крови, в альвеолярном пространстве, и в мешке при дыхании в покое и при возвратном дыхании. Предполагается, что высокая начальная концентрация углекислого газа в мешке для возвратного дыхания обеспечивает быстрое выравнивание между выделенными резервуарами [Mohan, 1997] Наиболее подходящий объем контура для возвратного дыхания и начальные концентрации СОг и ( в контуре могут быть выбраны на основе исследования динамики концентраций этих газов в выделенных резервуарах разработанной модели.
При моделировании степень газового равновесия в биотехнической системе характеризовали величинами: AP/a(t) - разность значений парциальных давлений между альвеолярным пространством и дыхательным контуром; и AClav(t) -разность значений концентраций в артериальной и смешанной-венозной крови. Со временем величина AP/a(t) стремится к отношению скорости выделения СОг к
альвеолярной вентиляции легких. Времена сходимости AP/a(t) и AClav(t) к асимптотическому значению характеризуют скорость выравнивания газов в системе.
В качестве входных параметров, описывающих человека, примем значения параметров нормального здорового человека [Шейд, 2004]. В задаче рассматривались четыре варианта начального наполнения контура объемом 15 л газовыми смесями с концентрациями углекислого газа: 0.03% - соответствующей концентрации СОг в атмосфере; 3% СОг; 7% СОг; и концентрацией, равной FETC02 человека при дыхании в покое. Процесс возвратного дыхания моделируется до достижения РЕТС02 ИЛИ РЕТ02 величины 60 мм рт.ст. Согласно расчетам в каждом из 4 случаев значения AP/a(t) и AClav(t) по мере продолжения теста с возвратным дыханием стремится к предельным значениям 6.9 мм рт.ст. для разности значений парциальных давлений между альвеолярным пространством и дыхательным контуром и 0.011 для разности значений концентраций в артериальной и смешанно-венозной крови. На рисунке 40 представлено выравнивание парциального давления углекислого газа для каждого из случаев. Видно, что самое быстрое выравнивание происходит при наполнении дыхательного контура смесью с начальной концентрацией СОг, равной FETC02 у рассматриваемого обследованного.
При этом было обнаружено, что при условии наполнения контура смесью с начальной концентрацией СОг равной 0.03%, за время моделированного возвратного дыхания величина ДР/ 2 снижается только до 8 мм рт.ст., не достигнув стационарного значения ДР/ 2, равного 6.9 мм рт.ст. К этому значению стремится величина ДР/ 2 при моделировании возвратного дыхания для каждой из начальных смесей в дыхательном контуре. Допустим, что разность между значением ДР/ 2, достигнутого за время возвратного дыхания при условии наполнения контура смесью с начальной концентрацией СОг 0.03%, и величиной, характеризующей выравнивание парциальных давлений в системе - 6.9 мм рт.ст. задает отклонения, в пределах которых принимается, что в биотехнической системе достигнуто выравнивание парциальных давлений по углекислому газу. На рисунке 40 границы этого диапазона выделены красными линиями. Таким образом, в случае наполнения контура газовой смесью с концентрацией СОг, равной 0.03%, выравнивание в системе наступает через время То.оз, равное 495 секунд. Тр - время достижения ДР/ 2 границ выделенного диапазона при наполнении контура смесью с начальной концентрацией СОг, соответствующей РЕТС02 выдыхаемому человеком при дыхании в покое, значительно меньше других рассмотренных случаев и составляет 105 секунд.
Согласно полученным данным, быстрее всего выравнивание происходит при наполнении дыхательного контура смесью с начальной концентрацией СОг, равной фракционной концентрации FETC02 выдыхаемом человеком при дыхании в покое. Выравнивание содержания углекислого газа между венозной и артериальной кровью ACaV(t) и представлено на рисунке
Аналогично решению рассмотренной задачи о выравнивании Рсог в биотехнической системе с помощью модели можно рассчитать динамику газообмена во время теста с возвратным дыханием в различных условиях.
В рамках работы был проведен анализ влияния начальной концентрации кислорода в смеси с 0.03% и 5.61% СОг на скорость выравнивания углекислого газа. Было обнаружено, что с повышением начальной концентрации Ог существует тенденция к замедлению и ухудшению выравнивания СОг (прил., рис. 25).
Моделирование возвратного дыхания в условиях гипероксии с начальной концентрацией 0.03% и 5.61% СОг в контуре различных объемов - Юл, 15л, 20л принесло предсказуемый результат, а именно, чем меньше объем, тем лучше выравнивание в системе (прил., рис. 26, 27).
Моделирование возвратного дыхания в условиях гипоксии с начальной концентрацией 0.03% и 5.61% СОг в контуре для различных объемов - Юл, 15л, 20л продемонстрировали те же результаты (прил., рис. 30, 31). В условиях гипоксии значения разницы AP/a(t) и AClav(t) уменьшаются быстрее, чем в условиях гипероксии, при этом в меньшем объеме AP/a(t) и AClav(t) быстрее выходит на плато. При этом в случае, когда начальная концентрация СОг в дыхательном контуре соответствует РЕТС02 при дыхании в покое при большем объеме процесс снижения AP/a(t) и AClav(t) протекает более равномерно (прил., рис 28, 29).