Пермские ученые создают модели для изучения процесса оседания промышленной пыли в легких человека⁠⁠

Загрязнение атмосферного воздуха химическими веществами и пылевыми частицами негативно воздействует на здоровье человека, в том числе на его дыхательную систему. Современные методы медицинской диагностики лишь в момент обследования могут адекватно оценить текущее состояние пациента. Применение же математического моделирования позволяет исследователям и врачам долгосрочно прогнозировать  различные изменения в организме при воздействии внешних факторов. Ученые Пермского Политеха совместно с коллегами из Федерального научного центра управления рисками изучили, как воздух с частицами промышленной пыли движется в носовой полости и дыхательных путях легких человека. В России работы по данной тематике ведутся лишь в нескольких научных организациях. Математическая модель, разработанная учеными, – это часть большого исследования функциональных нарушений в органах и системах человеческого организма.

Результаты исследования опубликованы в журнале «Математическая биология и биоинформатика» том 16, №2.

Носовая полость человека выполняет жизненно важные защитные функции – нагревание вдыхаемого воздуха и его очищение от пыли. Эти факторы необходимо учитывать при моделировании возникновения и развития заболеваний, таких как пневмония, силикоз, бронхит. Разработанная учеными математическая модель позволяет изучить турбулентное (вихревое) течение воздуха с твердыми частицами пыли разных форм и размеров в верхних дыхательных путях.

– Нагревание и очищение происходит благодаря сложному анатомическому строению носовой полости. Она представляет собой искривленную сеть каналов с многочисленными выступами и неровностями. При вдохе воздух нагревается и поступает в легкие более теплым, что предотвращает возникновение многих заболеваний. Пылевые частицы, контактируя со слизистой оболочкой, частично оседают на стенках, и со временем выводятся из организма, более мелкие фракции могут проникать в легкие, – объясняет заведующий кафедрой «Математическое моделирование систем и процессов» ПНИПУ, доктор физико-математических наук Петр Трусов.

Для исследования ученые разработали трехмерную модель правой части носовой полости человека. Она основана на томографических снимках 30 здоровых взрослых людей, не имеющих анатомических аномалий. Модель позволила изучить процесс нагревания воздуха в носу при различной температуре окружающей среды (от 25 °C до –25 °C) без твердых частиц, а также исследовать течение воздуха с пылинками различных размеров и их оседание в носовой полости.

– Мы рассматривали конкретный состав пыли, образованной в результате работы отрезного станка на машиностроительном производстве. При данной технологической операции образуется большое количество частиц, 67% которых имеет размер от 10 до 800 микрометров, что можно сравнить с размером микроорганизмов или толщиной волоса, – рассказывает научный руководитель ФНЦ, академик РАН Нина Зайцева.

Выяснено, что почти 99% частиц размером более 10 мкм оседают в носовой полости человека, не достигая носоглотки. Чем меньше диаметр и масса пылинок, тем хуже они «улавливаются» носом. Так, в носовой полости оседает 68% частиц размером 5-7 мкм и 47% диаметром 4-5 мкм. Более мелкие частицы (менее 2,5 мкм) способны проникать в легкие. Обладая разрушающим токсическим действием, они становятся причиной возникновения заболеваний нижних дыхательных путей. При исследовании влияния пыли на состояние здоровья человека таким частицам необходимо уделять особое внимание.

Для лечения заболеваний носовой полости ученые рекомендуют использовать аэрозоли с дисперсной фазой более 8 мкм, чтобы лекарство оставалось в носу и не проникало дальше.

Разработка ученых ПНИПУ и Федерального научного центра управления рисками является важной частью комплексной модели для описания работы дыхательной системы человека. Она позволит проводить дальнейшие исследования по течению воздуха в легких человека, моделировать возникновение и развитие различных заболеваний дыхательных путей и легких.