CC BY
53
УДК: 612.215.8:612.22
Ю.М.Перельман, Н.В.Ульянычев, В.А.Лысак
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ТЕРМОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ГОМЕОСТАЗА ЛЕГКИХ
РЕЗЮМЕ
С целью исследования кондиционирующей функции легких и холодовой реактивности дыхательных путей разработан аппаратно-программный комплекс, включающий в себя устройства для регистрации температуры вдыхаемого (выдыхаемого) воздуха и стенки дыхательных путей, генератор холодного воздуха, совокупность измерительных и программных средств, обеспечивающих получение информации в реальном масштабе времени и математическую модель респираторного теплообмена. Новая технология защищена двумя патентами на изобретения и успешно апробирована в клинических условиях.
SUMMARY
J.M. Perelman, N. V. Uljanichev, V.A. Lisak
SCIENTIFIC-RESEARCH COMPLEX FOR THERMOENERGETIC HOMEOSTASIS EVALUATION
To study lung conditioning function and airway cold reactivity computerized apparatus complex, including devices for recording inhaled or exhaled air temperature and airway wall temperature, cold air generator, computerized complex, providing with real time information and mathematical model of respiratory heat exchange was developed.
New technology is protected with two patents and tested in clinics.
Функционирование легких как открытой физиологической системы непосредственно зависит от характера их динамического взаимодействия со сложным комплексом физико-химических факторов окружающей среды. В процессе этого взаимодействия устанавливается физико-химический гомеостаз дыхательной системы, который является непременным условием ее нормального функционирования. Поддержание гомеостаза обеспечивается кондиционированием проходящего через дыхательные пути воздуха. Несоответствие силы воздействия экстремальных экологических факторов и морфофункциональных возможностей поддержания гомеостаза дыхательной системы приводит к его нарушениям.
Применительно к температурному фактору это означает, что непосредственной причиной нарушения термоэнергетического гомеостаза легких служит либо вдыхание воздуха чрезмерно низкой (высокой) температуры, либо нарушение кондиционирующей способности дыхательных путей. Конкретные механизмы и патогенетическая роль указанных нарушений до настоящего времени не выяснены. Вместе с тем, очевидно, что выведение системы за пределы гомеостатирования по температурным характеристикам может приводить к включению цепи патофизиологических реакций, обусловливающих с одной стороны снижение резистентности дыхательных путей, с другой - нарушение многообразных функций легких, в том числе, газообменной. Эти процессы лежат в основе возникновения неспецифических заболеваний органов дыхания.
В настоящее время отсутствуют работы, обобщающие динамику теплового взаимодействия вдыхаемого воздуха со стенками дыхательных путей во время дыхательного цикла, что во многом связано с несовершенством устройств для бронхотермометрии. Имеются лишь единичные данные измерения температуры слизистой трахеобронхиального дерева [4], которые не дают возможности количественно оценить динамику тепло- и массовзаимодействия между вдыхаемым и выдыхаемым воздухом и слизистой на различных уровнях респираторного тракта.
В клинической практике до настоящего времени мало используются критерии оценки кондиционирующей функции легких, способы диагностики ее нарушений. Существующие способы [1] основаны на измерении температуры выдыхаемого воздуха, в связи с чем не отличаются высокой точностью, поскольку процесс кондиционирования совершается во время вдоха.
Отсутствие адекватных критериев и способов оценки кондиционирующей функции легких, а также устройств для их осуществления лишает клиницистов возможности патогенетического подхода к диагностике и коррекции начальных стадий возникновения патологических процессов в дыхательных путях.
Учитывая сложность процесса тепломассообмена в дыхательных путях, трудности в непосредственной регистрации характеризующих его параметров, одним из наиболее эффективных методов исследования этого процесса может служить математическое моделирование, для успешной реализации которого необходим учет особенностей морфофункциональной организации слизистой воздухоносного тракта, аэро-
динамики и физических характеристик вдыхаемого воздуха.
Цель проводимых в течение ряда лет исследовательских и конструкторских работ в Дальневосточном научном центре физиологии и патологии дыхания СО РАМН заключалась в построении эффективного научно-исследовательского комплекса, обеспечивающего реализацию системного подхода к изучению закономерностей поддержания термоэнергетического гомеостаза легких в норме и при заболеваниях органов дыхания, а также в разработке на этой основе совокупности диагностических критериев для клинической практики.
Задачи исследования:
1. Разработать аппаратно-инструментальный комплекс для исследования термоэнергетического гомеостаза легких.
2. Разработать математическую модель тепломассообмена в дыхательных путях человека.
3. Изучить закономерности теплообмена в дыхательных путях у здоровых лиц и больных хроническим бронхитом в зависимости от физических характеристик вдыхаемого воздуха и объемно-скоростных параметров вентиляции.
Автоматизированный комплекс для
исследования респираторного теплообмена
На базе инструментального комплекса для кар-диореспираторных исследований фирмы "Эрих Егер" (Германия) создана автоматизированная система оценки кондиционирующей функции легких, включающая в себя оригинальные устройства для измерения температуры вдыхаемого (выдыхаемого) воздуха, установку для охлаждения воздуха, пневмотахограф, газоанализатор, аналого-цифровой преобразователь, ЭВМ, дисплей, принтер (рис. 1).
Для термометрии вдыхаемого и выдыхаемого воздуха используются малоинерционные термисторы МТ-56, помещенные в загубник и носовую маску,
для термометрии стенки дыхательных путей и воздуха в их просвете на разных уровнях трахеобронхиального дерева - бронхотермозонд. Температура отслеживается в реальном масштабе времени.
Одновременно с этим пневмотахометрия обеспечивает определение объемно-временных и скоростных параметров воздушного потока. Сигналы с описанных устройств поступают через усилитель на аналого-цифровой преобразователь для преобразования в цифровую форму и дальнейшей программной обработки. Результаты, полученные в процессе измерения, отображаются на экране дисплея.
Программой предусмотрена работа в режимах дыхания холодным и комнатным воздухом в покое и при выполнении дыхательных маневров. В последнем случае пациенты дышат (ртом или носом) через пневмотахографическую трубку атмосферным воздухом. В покое циклы измерений длятся 40 секунд, но могут быть прерваны по желанию исследователя. После каждого из них определяются и выдаются на экран 16 параметров. Конечный протокол исследования содержит средние величины полученных значений и коэффициенты корреляции между разностью температур вдыхаемого и выдыхаемого воздуха и показателями вентиляционной функции легких (рис. 2). Маневры жизненной емкости легких, форсированной жизненной емкости легких и задержки дыхания (10 с) на высоте максимального вдоха (рис. 3) проводятся в произвольном порядке и имеют один протокол. Для проведения холодовой бронхопровокационной пробы с целью изучения и диагностики гиперреактивности дыхательных путей создано устройство для охлаждения вдыхаемого воздуха, которое включено в состав вышеописанного аппаратнопрограммного комплекса. Источником холодного воздуха служит модифицированный кондиционер БК-1500, снабженный системами для термо- и спирометрии, газоанализа (рис. 4).
объект
исследования
Усилитель-преобразователь
Газоанализатор СО2 с газоразрядным дисплеем
Холодовая установка I модифицированный | кондиционер БК-1500
Дисплей
ЭВМ
АЦП
Коммутатор
Принтер
4-канальный
самописец
Пневмотахограф
о б ъ ё м
4-канальный
осциллограф
с к о р о с т ь
Рис. 1. Автоматизированная система для исследования кондиционирующей функции легких.
Фамилия: Сергеев (нос) Спокойное дыхание Дата: 07.09.96 Время 10:20
1 2 3 4 5 6 Сред.
МОД (л) 5,43 8,23 6,91 7,92 7,78 9,19 7,24
ЧД (1/мин) 17 20 16 16 17 16 17
ДО (л) 0,32 0,30 0,44 0,49 0,45 0,57 0,43
То (с) 3,55 2,95 3,82 3,75 3,51 3,75 3,56
Твд (с) 2,15 1,72 2,26 1,86 1,99 1,97 2,01
Твыд (с) 1,20 1,25 1,50 1,72 1,50 1,75 1,48
Твд/То 0,60 0,58 0,59 0,52 0,56 0,52 0,56
Твыд/То 0,33 0,42 0,39 0,45 0,42 0,46 0,41
МСвд (л/с) 0,34 0,42 0,41 0,44 0,44 0,54 0,43
МСвыд (л/с) 0,27 0,28 0,37 0,38 0,35 0,44 0,35
ССвд (л/с) 0,14 0,17 0,19 0,25 0,22 0,29 0,21
ССвыд (л/с) 0,26 0,24 0,29 0,28 0,30 0,32 0,28
Т°вд (°С) 21,18 21,16 20,55 20,94 21,58 21,66 21,18
Т°выд (°С) 28,71 28,44 28,80 29,63 30.30 30,55 29,40
ДТ° 7,53 7,27 8,24 8,69 8,71 8,88 8,22
КК МОД = 0,78 КК ЧД = -0,34 КК ПСвд = 0,87 КК ДО вд = 0,62 КК Твд = 0,89 КК ПСвыд = 0,76 КК ДО выд =0,64 КК Твыд = 0,31 КК ССвд = 0,92
Примечание: КК - коэффициент корреляции между разностью температур вдыхаемого и выдыхаемого воздуха и параметрами паттерна дыхания.
Рис. 2. Образец конечного протокола результатов измерений при спокойном дыхании носом
Фамилия: Сергеев (нос) Дата: 07.09.96 Время: 11:00
ЖЕЛ ФЖЕЛ Задержка
ДО (л) 2,79 2,11 3,01
То (с) 7,26 2,58 0,00
Твд (с) 2,70 0,86 0,00
Твыд (с) 4,26 1,60 0,00
Твд/То 0,37 0,33 0,00
Твыд/То 0,58 0,62 0,00
МСвд (л/с) 0,93 2,58 1,48
МСвыд (л/с) 0,79 2,13 2,11
ССвд (л/с) 0,76 2,11 0,00
ССвыд (л/с) 0,65 1,31 0,00
Т°вд (°С) 21,66 21,06 21,06
Т°выд (°С) 32,30 31,80 33,59
ДТ° 10,63 10,73 12,52
Время задержки (с) 0,00 0,00 9,00
Рис. 3. Образец конечного протокола результатов измерений при выполнении дыхательных маневров носом.
Необходимость проведения газоанализа во время пробы связана с тем, что гипервентиляция требует поддержания Рсо2 на постоянном уровне во избежание бронхоконстрикторного влияния гипокапнии, поэтому количество СО2 в поступающем воздухе регистрируется газоанализатором, но в обработке не используется. Контроль над температурой вентилируемого воздуха осуществляется также в реальном масштабе времени с помощью двух малоинерцион-
ных термисторов, встроенных в У-образную клапанную коробку и расположенных непосредственно у рта испытуемого. Присоединение устройства к пневмотахографу обеспечивает непрерывное измерение параметров вентиляции: МОД, ЧД, ДО. Значения усредняются за каждые 10 секунд, а по истечении 3 минут регистрация их прекращается. Конечный протокол представляет собой средние величины полученных данных (рис. 5).
85
■з
Рис. 4. Устройство для проведения холодовых проб.
1. Корпус кондиционера. 2. Вентилятор. 3. Теплообменник. 4. Термометр. 5. Двухходовой клапан.
6. Входное отверстие для поступления воздуха. 7. Мешок с газовой смесью (150 л). 8. Газоанали-СО2. 9. Термистор. показано направление потока воздуха.
9
4
3
2
1
Фамилия: Сергеев Дата: 08.09.96 Время: 10:15 Температура воздуха: 25°С Влажность: 45 (%) Температура тела: 35,5°С
ДО=1,70(л) ЧД=41(1/мин) МОД=70,40(л) Т°вд = -18,5 Т°выд=30,78
ДО=1,82(л) ЧД=42(1/мин) МОД=76,71(л) Т°вд = -17,3 Т°выд=27,84
ДО=1,67(л) ЧД=39(1/мин) МОД=64,76(л) Т°вд = -19,1 Т°выд=27,41
ДО=1,77(л) ЧД=43(1/мин) МОД=75,28(л) Т°вд = -18,7 Т°выд=26,68
ДО=1,84(л) ЧД=43(1/мин) МОД=79,65(л) Т°вд = -19,4 Т°выд=26,29
ДО=1,88(л) ЧД=43(1/мин) МОД=80,57(л) Т°вд = -19,1 Т°выд=26,19
ДО=1,73(л) ЧД=43(1/мин) МОД=74,93(л) Т°вд = -18,8 Т°выд=26,46
ДО=1,97(л) ЧД=43(1/мин) МОД=85,37(л) Т°вд = -19,4 Т°выд=26,28
ДО=1,83(л) ЧД=38(1/мин) МОД=70,16(л) Т°вд = -18,9 Т°выд=26,22
Общее время измерения = 180 (с)
Количество провентилированного воздуха = 113 (л)
Холодовая проба (средние величины)
ЧД 42 (1/мин)
ДО 1,80 (л)
МОД 75,31 (л)
Т°вд -18,8°С
Т°выд 27,13°С
ДТ° 45,93
То 1,44 (с)
Твд 0,84 (с)
Твыд 0,58 (с)
Твд/То 0,59
Твыд/То 0,40
ДО/Твыд 3,11 (л/с)
МСвыд 4,46 (л/с)
Рис. 5. Образец протокола результатов исследования при дыхании холодным воздухом.
Сама проба проводится путем гипервентиляции в течение 3 минут охлажденной до -20°С воздушной смесью, содержащей 5% СО2. Эта концентрация СО2 во вдыхаемом воздухе достаточна для того, чтобы поддерживать Рсо2 на эукапническом уровне [8]. Уровень вентиляции задается строго индивидуально и соответствует 60% от должной максимальной вентиляции легких (ДМВЛ), рассчитанной по формуле: ДМВЛ = должная ОФВ1Х35. Продолжительность и уровень вентиляции выбраны в соответствии с рекомендациями В.К.АББоий Й а1. [5] и КСапе й а1. [6]. Преследуемая при этом цель - получение максимальной бронхоконстрикторной реакции при минимальном усилии со стороны обследуемого. Особенностью пробы является то, что испытуемый поддерживает заданную глубину и частоту дыхания стабильными на протяжении всего исследования. Частота дыхания задается с помощью метронома, а глубина (дыхательный объем) - по амплитуде спирограммы на экране осциллоскопа, соединенного с пневмотахографом. При этом обследуемый располагается таким образом, чтобы самостоятельно визуально по амплитуде спирограммы (интегрированной пневмотахограм-мы) на экране осциллоскопа контролировать глубину дыхания с одновременно навязываемой частотой.
Вентиляционная функция до и после холодовой провокации оценивается по данным кривой "поток-объем" форсированного выдоха. При анализе используются следующие показатели: ФЖЕЛ, ОФВь ПОС, МОС50, рассчитывается разница между их абсолютными значениями до и после изокапнической гипервентиляции холодным воздухом в процентах от исходной величины. Контрольные исследования выполняются перед началом холодовой провокации и после нее на 1, 5, 30-й минутах восстановительного периода. Критерием диагностики гиперреактивности дыхательных путей служит падение ОФВ1 более, чем на 10% от исходной величины [7].
Бронхотермозонд
Учитывая важность одновременной регистрации температур воздуха в просвете трахеобронхиального дерева и его стенки и отсутствие адекватных конст-
ных методов иссследования ДНЦ ФПД СО РАМН было разработано и успешно апробировано оригинальной устройство - бронхотермозонд, защищенный двумя авторскими свидетельствами на изобретение [2].
На рис.6 изображена одна из конструкций термозонда, которая содержит термоэлемент 1 для измерения температуры воздуха, термоэлемент 2 для измерения температуры стенки бронха, несущий упругий тросик 3, упругие петли 4, которые фиксируют положения термоэлементов в сечении дыхательных путей. Проводами 5, вплетенными в тросик 3, термоэлементы соединены с регистрирующим прибором 6.
Обе петли 4 выполнены из стального тросика диаметром 0,3 мм, обладают достаточной упругостью и податливостью, чтобы при введении в бронхи различного диаметра, вплоть до субсегментарных, термоэлемент 2 был мягко прижат к стенке дыхательных путей. Конструкция из двух сплетенных между собой в вершине и припаянных к несущему тросику петель, плоскости которых взаимно перпендикулярны, имеет достаточную жесткость для введения ее в бронхиальное дерево. Шелковая обмотка эмалированных проводов, соединяющих термоэлементы с регистратором, для повышения электроизоляционных свойств пропитывается электроизоляционным лаком, например, типа БТ-99, после чего провода вплетаются в предварительно расплетенный стальной несущий тросик диаметром 0,85-1,0 мм.
Термозонд используют следующим образом. В дыхательные пути человека после анестезии вводят бронхоскоп. Когда конец бронхоскопа достигает нужного уровня трахеобронхиального дерева, через его биопсионный канал вводят термозонд. При выходе из биопсионного канала под действием упругих сил петли 4 прижимаются к стенке дыхательных путей 7 (рис.7), фиксируя положение термоэлементов следующим образом: термоэлемент 1 располагается в центре сечения бронха, а термоэлемент 2 прижимается к его стенке. После этих манипуляций бронхоскоп выводят в трахею при неизменном положении термозонда, и проводят температурные измерения. Температура термоэлемента 1, которая соответствует температуре воздуха в бронхе,
3
2
5
6
рукций для этих целей, в лаборатории функциональ-Рис. 6. Бронхотермозонд.
и температура термоэлемента 2, которая соответствует температуре внутренней стенки бронха, регистрируются измерительным прибором 6. В качестве термоэлементов используются медь-константановые термопары или микротерморезисторы МТ-67. С целью расширения исследовательских возможностей и повышения точности измерений разработана вторая модификация термозонда. Известно, что начинаясь от одного ствола - трахеи, воздухоносные пути легких человека разветвляются в форме неправильной дихотомии. Любой элемент воздухоносных путей имеет приблизительно форму полого цилиндра со скошенными в виде клина концами. При бронхотермометрии для доставки термозонда на нужный уровень трахеобронхиального дерева используют бронхоскоп, наружный диаметр которого составляет около 5 мм. Поскольку диаметр биопсионного канала равен 1,8 мм, с помощью бронхоскопа и термозонда возможно измерение температуры в трахеобронхиальном дереве под визуальным контролем расположения зонда от гортани до бронхов 4-5 поколений включительно.
Для обеспечения надежного прижатия одного из термоэлементов к стенке дыхательных путей рабочий диаметр петель (расстояние между точками максимального прогиба петель) должен быть более 18 мм. Однако после проводки термозонда с рабочим диаметром петель при изготовлении >18 мм по био-псионному каналу петли сжимаются, увеличивается большая полуось эллипса и уменьшается малая. Рабочий диаметр петель в расправленном состоянии уменьшается до 6-8 мм, так как невозможно подобрать материал с абсолютной упругостью. Поэтому фиксация зонда и надежное прижатие одного из термоэлементов к стенке возможно лишь в бронхах 3-5 поколений.
При измерении температуры воздуха и стенки в трахее, когда петли термозонда находятся в расправленном состоянии (рабочий диаметр петли при этом больше 18 мм), расстояние между уровнями трахеобронхиального дерева, на которых находятся термоэлементы, равно 9-10 мм, т.е. термоэлемент, закрепленный в вершине, находится глубже по ходу дыхательных путей на 9-10 мм, чем термоэлемент, распо-
ложенный на одной из петель. Однако, учитывая длину трахеи, с достаточной точностью можно считать, что измерение температуры воздуха и стенки производится на одном и том же уровне трахеобронхиального дерева. Ситуация изменяется, когда измерение температуры производится в бронхах второго и более высокого поколений. Например, при измерении температуры в субсегментарных бронхах, когда петли термозонда находятся в сжатом состоянии, их рабочий диаметр составляет 4-5 мм, а расстояние между уровнями термоэлементов - 14-15 мм. Если зонд зафиксирован с помощью петель в середине субсегментарного бронха, т.е. термоэлемент для измерения температуры стенки прижат к середине суб-сегментарного бронха, то, учитывая длину бронха, термоэлемент для измерения температуры воздуха будет находиться в конце бронха следующего поколения. Поэтому нельзя считать, что измерение температуры воздуха и стенки производится на одном и том же уровне трахеобронхиального дерева. Таким образом, первая конструкция термозонда имеет два существенных недостатка:
1) измерение температуры воздуха и стенки трахеобронхиального дерева производится не на одном его уровне;
2) фиксация зонда и надежное прижатие одного из термоэлементов к стенке возможно лишь в бронхах 3-5 поколений.
Для повышения точности измерений во второй конструкции термозонда упругий несущий тросик заменен на фторопластовую трубку (катетер) с металлической гильзой на одном конце и ограничителем раскрытия петель на другом.
Упругие петли для фиксации положения термозонда припаяны к гильзе, которая вставлена в катетер с натягом. Через катетер и гильзу пропущена тяга для изменения рабочего диаметра петель.Тяга с одной стороны катетера соединена с петлями в их вершине, а с другой - с ограничителем раскрытия петель. Термоэлемент для измерения температуры стенки, как и в основном изобретении, расположен на одной из петель сбоку в точке ее максимального прогиба, другой же термоэлемент расположен на тяге на одном
Рис. 7. Расположение термозонда в бронхе.
уровне с термоэлементом на петле, когда петли находятся в сжатом состоянии с рабочим диаметром 34 мм, что соответствует диаметру бронхов 4-5 поколений. Ограничитель раскрытия петель состоит из двух гильз, одна из которых с натягом вставлена в катетер, а другая может свободно перемещаться вдоль оси первой. Тяга соединена с подвижной гильзой, ход которой относительно неподвижной ограничивается упругим тросиком, припаянным к обеим гильзам. Контактные провода для подключения термоэлементов пропущены через гильзу, фторопластовый катетер и ограничитель.
На рис. 8 изображен термозонд в рабочем состоянии. Термозонд содержит термоэлемент 1 для измерения температуры воздуха, термоэлемент 2 для измерения температуры стенки бронха 3, фторопластовый катетер 4 с гильзой 5, упругие петли 6, которые фиксируют положение термоэлементов в сечении бронха, тягу 7 для изменения рабочего диаметра петель с целью надежного прижатия их и термоэлемента 2 к стенкам бронхов от нулевого до пятого поколений включительно, ограничитель раскрытия петель, состоящий из неподвижной 8 и подвижной 9 гильз, связанных между собой тросиком 10. Тяга с одной стороны катетера соединена с петлями в их вершине, а с другой - с подвижной гильзой ограничителя раскрытия петель. Проводами 11, пропущенными внутри гильзы, катетера и ограничителя, термоэлементы соединены с измерительным прибором 12.
Термозонд используют следующим образом. В дыхательные пути пациента после анестезии вводят бронхоскоп. Когда конец бронхоскопа достигает нужного уровня трахеобронхиального дерева, через его биопсионный канал вводят термозонд. При выходе из биопсионного канала бронхоскопа под действием упругих сил и тяги 7 петли 6 прижимаются к стенке бронха, фиксируя положение термоэлементов
11 10 9 8 4
следующим образом: термоэлемент 1 располагается в центре сечения бронха, а термоэлемент 2 прижимается к его стенке. Степень прижатия регулируется тягой 7, которая может перемещаться вдоль оси катетера 4 и гильзы 5 в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Все манипуляции производятся под визуальным контролем. После этих манипуляций бронхоскоп выводится в трахею при неизменном положении термозонда, и проводятся измерения температуры.
Динамика температуры воздуха при его пассаже в дыхательных путях у здоровых лиц и больных хроническим бронхитом
Для определения топографии температуры воздуха в просвете дыхательных путей человека бронхотермометрия проведена у 54 человек.
Из них у 7 при комплексном клиникофункциональном и бронхологическом исследовании не было выявлено патологии дыхательных путей. У 47 диагностирован хронический бронхит (ХБ), в том числе, у 34 - в стадии обострения и у 13 - в стадии ремиссии.
Исследования выполнялись при фибробронхоско-пии под местной анестезией 1%-м раствором дикаина. Термозонд проводили через инструментальный канал бронхоскопа. Положение термодатчика фиксировалось с помощью упругих петел термозонда и визуально контролировалось. Измерения температуры проводили в просвете дыхательных путей на уровне ротоглотки, под голосовыми связками, на уровне бифуркации трахеи и в устье сегментарного бронха (10-й сегмент правого легкого).
Результаты измерений, проведенных у 7 лиц с неизмененными дыхательными путями, представлены в таблице 1.
7 4 5 3 2 6
Рис. 8. Усовершенствованный бронхотермозонд.
Таблица 1
Температура воздуха (°С) в просвете неизмененных дыхательных путей
Уровень измерений Фаза дыхания Тип дыхания
Через рот Через нос
Ротоглотка Вдох 30,8±0,40 33,0±0,51
Выдох 34,9±0,15 35,3±0,21
Гортань Вдох 32,3±0,45 33,9±0,42
Выдох 35,3±0,12 35,8±0,17
Бифуркация трахеи Вдох 33,6±0,59 34,8±0,22
Выдох 35,7±0,30 36,0±0,13
Устье сегментарного бронха Вдох - 35,7±0,15
Выдох - 36,4±0,12
Эти данные позволили установить общие закономерности теплообмена в дыхательных путях:
1. Основное согревание воздуха происходит до его поступления в трахею.
2. По мере продвижения по трахеобронхиальному дереву происходит уменьшение респираторных модуляций температуры воздуха в просвете дыхательных путей, достигающих минимума на уровне сегментарных бронхов.
3. Средняя температура воздуха на выдохе постепенно снижается в направлении проксимальных дыхательных путей за счет подмешивания последних порций поступившего во время вдоха воздуха, а также благодаря постепенному снижению температуры стенки дыхательных путей.
Значительные кондиционирующие возможности дыхательных путей обнаружены при вдыхании низкотемпературного (-20°С) воздуха. На высоте вдоха через нос его температура в просвете трахеи на уровне бифуркации всего лишь на 0,6°С ниже, чем при вдыхании воздуха комнатной температуры, а при дыхании ртом - ниже на 0,9°С.
У больных ХБ процесс согревания вдыхаемого воздуха нарушается. Абсолютные температуры воздуха при дыхании носом были на уровне голосовых связок при вдохе на 0,5-0,7°С ниже, чем в контрольной группе, а на уровне бифуркации трахеи - на 0,5-0,8°С.
Особенно рельефно нарушения термоэнергетического гомеостаза легких у больных ХБ проявлялись при проведении холодовой пробы. Вдыхание воздуха с температурой -20°С приводило к снижению температуры в просвете дыхательных путей на уровне бифуркации трахеи у больных ХБ на 1,8°С при дыхании ртом, в то время как в контрольной группе - на
0,9°С, т.е. в два раза меньше.
Таким образом, с помощью новой технологии исследования установлено, что хронический воспалительный процесс в трахеобронхиальном дереве сопровождается нарушениями теплообмена между вдыхаемым воздухом и стенкой дыхательных путей. Характер этих нарушений определяется распространенностью и выраженностью воспалительного процесса, а также отдельных его патофизиологических механизмов.
Математическая модель респираторного тепломассообмена
Кондиционирование воздуха в дыхательных путях человека представляет собой регулируемый процесс тепломассообмена между вдыхаемым воздухом и стенками проксимальных участков респираторного тракта. Он непосредственно зависит от температуры и влажности окружающей среды, аэродинамики и морфофункциональных особенностей слизистой оболочки, определяющих адекватный массоперенос и теплопередачу. Непосредственная регистрация регулируемых параметров тепломассообмена у человека затруднена и в настоящее время не позволяет оценить роль и особенности морфофункциональной организации слизистой в осуществлении этого процесса.
Для построения системы численного моделирования тепломассобмена весь дыхательный тракт разбивался на участки с примерно постоянными по их длине морфологическими характеристиками. Для каждого участка решалась система дифференциальных уравнений [3].
Система уравнений решалась численно методом «обратной прогонки» с помощью специально разработанной для этой цели на ЭВМ программы диалогового моделирования тепломасообмена. Разработанная программа в экранном режиме путем диалога с помощью самопроверочного функционального меню позволяет внести или исправить любой из более, чем 100 входных параметров, записать комментарий по моделируемому варианту, получить результаты моделирования в форме таблицы значений температуры воздуха, температуры слизистой и относительной влажности воздуха на каждом участке дыхательных путей. Моделируемый вариант сохраняется в базе данных, откуда по мере необходимости легко вызывается в соответствии с присвоенным ему номером для дальнейшей работы при сопоставлении различных вариантов. Входными параметрами для системы являются характеристики внешней среды (температура, влажность выдыхаемого воздуха), анатомические и аэродинамические характеристики дыхательных путей на различных уровнях, характеристики слизистой (толщина, теплопроводность, давление насыщенных паров воды над поверхностью), паттерн
дыхания (частота и глубина дыхания, эффективное время вдоха).
Разработанная система позволила установить особенности тепло- и массообмена при низких (-30°С) температурах вдыхаемого воздуха. Оказалось, что в верхних дыхательных путях относительная влажность воздуха во время вдоха существенно превышает 100%. Пересыщение воздуха водяными парами обеспечивает резервы влажностного кондиционирования воздуха в самом начале его пассажа по дыхательным путям. В то же время по мере согревания воздуха на более дистальных участках дыхательных путей поддержание влажностного гомеостаза требует значительного испарения с поверхности слизистой. Это указывает на важную роль скорости увлажнения поверхности слизистой на дистальных от носового отдела участках. С этой точки зрения состояние секреторного аппарата, обеспечивающего влажностный гомеостаз, может в большей степени ограничивать кондиционирующую способность дыхательных путей при низких температурах вдыхаемого воздуха, чем скорость согревания слизистой.
Заключение
Совокупность оригинальных технических и программных решений, заложенных при построении автоматизированного комплекса, обеспечивает возможность всестороннего изучения термоэнергетического гомеостаза легких как в норме, так и при заболеваниях органов дыхания. Многофункциональность системы позволяет в реальном масштабе времени не только исследовать респираторный теплообмен по характеристикам температуры вдыхаемого и выдыхаемого на различных уровнях дыхательных путей воздуха, но и параллельно определять параметры вентиляции (паттерн дыхания, проходимость дыхательных путей), а также изучать особенности холодовой реактивности дыхательных путей. Статистическая обработка регистрируемых данных с использованием методов корреляционного, регрессионного и
дискриминантного анализов предоставляет дополнительные исследовательские возможности. Наконец, математическое моделирование тепло- и массообме-на в дыхательных путях позволяет снять ограничения, имеющиеся в реальных условиях клинического эксперимента, а также обозначить новые перспективные направления клинико-физиологических исследований термоэнергетического гомеостаза легких.
ЛИТЕРАТУРА
1. Агарков Ф.Т., Агарков С.Ф. Методические основы дифференциальной оценки кондиционирующей дыхательного аппарата в клинической практике// Терапевтический архив. - 1985. - Т. 57, № 3. - С.73-77.
2. А.с. 1428346, СССР, Термозонд/В.А.Лысак //Бюл.-1998.- №37. - 2 с.
3. Ульянычев Н.В. Модель внешнего дыхания человека. - Благовещенск, 1990. - 60 с.
4. Шаров Б.К., Ананьев В.М., Воронин М.И. Термометрия бронхиального дерева при хронической пневмонии//Вестник рентгенологии. - 1978. -№2. -С.37-41.
5. Assoufi B.K., Dally M.B., Newman-Taylor A.J., Denison D.M. Cold air test: a simplified method for airway reactivity// Bull.Eur.Physiopathol.Respir. - 1986. -V.22. - P.349-357.
6. Caire N., Cartier A., Ghezzo H., Malo J.L. Influence of the duration of inhalation of cold dry air on the resulting bronchoconstriction in asthmatic subjects// Eur.Respir.J. - 1989. - V.2. - P.741-745.
7. Filuk R.B., Serrette C., Anthonisen N.R. Comparison of responses to methacholine and cold air in patients suspected of having asthma// Chest. - 1989. -Vol.95, №5. - P.948-952.
8. Smith C.M., Anderson S.D. A comparison between the airway response to isocapnic hyperventilation and hypertonic saline in subjects with asthma// Eur. Res-pir.J. - 1989. - Vol.2. - P.36-43.
□ □ □
