WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
на правах рукописи Сытник Екатерина Борисовна ВЛИЯНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ И СРЕД НА МЕХАНИКУ ДЫХАТЕЛЬНОГО ТРАКТА ЧЕЛОВЕКА 03.00.02 – биофизика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва – 2009 Диссертация выполнена на кафедре физики живых систем Московского ФизикоТехнического Института (ГУ) и в Государственном научном центре Российской Федерации – Институте медико-биологических проблем РАН Научный руководитель:

доктор технических наук Дьяченко Александр Иванович Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Цатурян Андрей Кимович кандидат физико-математических наук Тимошин Александр Анатольевич Ведущая организация:

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана Защита состоится _ 2009 г. в : на заседании Диссертационного совета Д 501.002.11 при Московском Государственном Университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, г. Москва, Ленинские горы, МГУ, Физический факультет, аудитория _.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУ.

Автореферат разослан: _ _ 2009 г.

Учный секретарь Диссертационного совета Хомутов Г. Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы 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 О2, СО2. В случае частичной или полной замены газа-разбавителя (индифферентного N2) в воздухе на газовые компоненты Xe, Kr, He, Ne, Ar, H2 формируются искусственные дыхательные газовые смеси, которые могут оказывать разнообразное физиологическое действие на разных уровнях организма. Ряд известных ДГС в последние годы получил новые применения, появились новые технологии их производства. 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 этой системы. 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 дыхательных газовых смесей 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 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 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-ГНЦ РФ – ИМБП РАН.

Личный вклад автора Соискатель принимал непосредственное участие в постановке задач, проведении экспериментов, обработке и анализе результатов, подготовке статей и докладов на конференциях, а так же в конструировании установки и разработке программного обеспечения для проведения исследований и обработки результатов экспериментов.

Апробация работы Основные материалы, изложенные в диссертации, доложены и обсуждены на следующих семинарах и конференциях: VII научно-техническая конференция «Медико-технические технологии на страже здоровья», г. Салоники (Греция), 2005 г.;

II Евразийский конгресс по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика – 2005», г. Москва, 2005 г.; II Троицкая конференция «Медицинская физика и инновации в медицине», г. Троицк, 2006 г.; 8-я Всероссийская Конференция по Биомеханике, г.

Нижний Новгород, 2006 г.; IX Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике, г. Нижний Новгород, 2006 г.; XIII конференция по космической биологической и авиакосмической медицине, г.Москва, 2006 г.; 20-й Съезд Физиологического Общества им. И.П.Павлова, г. Москва, 2007 г.; 9-ая научнотехническая конференция «Медико-технические технологии на страже здоровья», Италия, о. Сицилия, 2007 г.; III-я Троицкая конференция «Медицинская физика и инновации в медицине», г. Троицк, 2008 г.

Публикации За время работы над диссертацией опубликовано: 2 статьи в реферируемых научных журналах; 9 тезисов докладов, представленных на российских и международных научных конференциях.

Структура и объем диссертации Диссертационная работа (137 страниц) состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы (120 ссылок), иллюстрирована 45 рисунками и содержит 22 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель и задачи работы, сформулированы положения, выносимые на защиту, описаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Первая глава содержит обзор литературы, в котором кратко излагаются физические и физиологические характеристики дыхательных газовых смесей, биофизические факторы, определяющие величину импеданса системы дыхания, методы его измерения, действие состава, давления, температуры и влажности ДГС и измененных внешних условий на состояние кардиореспираторной системы.

Вторая глава посвящена описанию прибора, разработанного и изготовленного автором, для исследования механики дыхания методом вынужденных колебаний.

Измерение входного механического импеданса методом вынужденных колебаний состоит в приложении малых колебаний давления к системе дыхания и изучении амплитудного и фазового соотношения между потоком (расходом) и давлением. Модуль импеданса равен отношению амплитуд колебаний давления и потока, а фазовый угол импеданса равен фазовому сдвигу между колебаниями потока и давления.

Входным импедансом системы дыхания называют комплексную величину P V Z, определяемую следующим образом:, где P и — преобразования Z V (трансформанты) Фурье сигналов давления и потока.

Действительная часть импеданса характеризует сопротивление дыханию.

Сопротивление вычисляли как среднюю величину действительной части импеданса на исследуемых частотах. Мнимая часть импеданса характеризует растяжимость и инерционность дыхательного тракта. Инерционность и растяжимость вычисляли методом наименьших квадратов по зависимости мнимой части импеданса от частоты. Известно, что зависимости действительной и мнимой части импеданса от частоты у здоровых людей и пациентов с заболеваниями органов дыхания отличаются.

В ходе исследований была сконструирована, собрана и отлажена установка для измерения механического импеданса дыхательного тракта человека методом вынужденных колебаний. Схема этой установки изображена на рис. 1.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки.

Испытуемый в ходе измерений импеданса дышит через систему трубок:

загубник, трубка 1, сеточный флоуметр Лилли, трубки 2, 3 (рис. 1). Для дыхательного потока человека эта конструкция имеет сравнительно малое сопротивление. Для осцилляторного потока, создаваемого динамиком, трубка 3 представляет собой сравнительно большое сопротивление, поэтому большая часть этого потока попадает в дыхательный тракт испытуемого. На динамик подвали сигнал от генератора, содержащий гармоники с частотами 6, 10, 14, 18, 22, 26 Гц, на которых определяли величину импеданса. Для регистрации сигналов потока и давления на входе в дыхательный тракт применены дифференциальные датчики давления.

Регистрацию и анализ сигналов проводили с помощью программы, написанной в среде LabVIEW (графическое программирование). Программа регистрирует сигналы потока и давления (частота опроса АЦП 50 кГц для каждого канала), строит спектры этих сигналов, используя быстрое преобразование Фурье.

Затем вычисляли модуль отношения трансформанта Фурье давления к трансформанту Фурье потока и разность фаз на заданных частотах.

Для калибровки установки был применен метод, описанный в работе [Farre R., Navajas D.et al., 1989].

Для проверки работы установки были проведены измерения с системами, импеданс которых рассчитывали на основе работы [Дьяченко А. И., Накке Х.Г., 1993] по законам акустики. На рис. 2 изображена зависимость действительной и мнимой части импеданса трубки от частоты. Калибровку проводили по сетке с сопротивлением 36,9 Па/л/с. Для сравнения приведены данные, полученные при измерении импеданса на приборе MasterScreen IOS (Erich Jaeger GmbH).

Re (МВК) Im (МВК) Re (вычисленное) Im (вычисленное) Re (MasterScreen IOS) Im (MasterScreen IOS) 0 5 10 15 20 25 30 --частота, Гц Рис. 2. Зависимость измеренного и вычисленного импеданса трубки от частоты (калибровка сеткой). Указано стандартное отклонение (SD). Приборное округление для MasterScreen IOS составляет до 0,1 гПа/л/с. Проведено 3 записи по 100 измерений.

Re, Im – действительная и мнимая части импеданса трубки соответственно.

(МВК) — величины, измеренные с помощью разработанной установки МВК.

(вычисленное) — величины, вычисленные по параметрам трубки.

(MasterScreen IOS) — величины, измеренные на приборе MasterScreen IOS.

Z, гПа/л/с Для нахождения инструментальной ошибки было проведено измерение импеданса калибровочной трубки (18 записей по 100 измерений). В качестве калибровочной системы использовали эту же трубку. Повторяемость результатов калибровки высокая, а стандартное отклонение мало. Для действительной части оно составило 15 %, а для мнимой части — 5 % от измеряемой величины.

В ходе каждого экспериментального исследования измеряли:

1) действительную и мнимую части дыхательного импеданса методом вынужденных колебаний;

2) вентиляторную функцию легких (объемы и потоки) на приборе Этон-01-22;

Статистические достоверности вычисляли при помощи непараметрического критерия Уилкоксона для двух зависимых выборок.

В третьей главе представлены основные результаты экспериментальных исследований влияния температуры и влажности ДГС на вентиляционную функцию легких.

Ранее проведенные в ГНЦ РФ – ИМБП РАН экспериментальные и теоретические исследования [Павлов Б.Н, Дьяченко А.И и др., 2003], [Дьяченко А.И., Манюгина О.В., 2003] показали, что дыхание подогретыми газовыми смесями влияет на механику дыхательного тракта и распределение температуры на поверхности тела.

Одной из целей работы являлось экспериментальное исследование действия подогретых ДГС на механический импеданс системы дыхания человека.

Было проведено сравнение эффектов влияния дыхания подогретым сухим/влажным воздухом и подогретой сухой/влажной КГС у восьми здоровых добровольцев. У всех испытуемых 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;

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»