Аналитическая 3D-модель бронхиального дерева человека и алгоритм его поэтапного расчета, созданные сотрудниками Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, позволили выявить физические особенности использования термической гелий-кислородной смеси при дыхании больного COVID-19. Эти разработки уже помогают специалистам Научно-исследовательского института скорой помощи им. Н.В. Склифосовского. 

Бронхиальное дерево человека с круглыми бронхами (показаны только 5 бифуркаций из 23)

Бронхиальное дерево человека с круглыми бронхами (показаны только 5 бифуркаций из 23)

 

Как отмечает ведущий научный сотрудник ИТПМ СО РАН доктор физико-математических наук Алексей Елизарович Медведев, бронхи имеют сложную разветвленную структуру, и именно поэтому построение полной модели бронхов и расчет течения воздуха в легких — это очень непростая задача. Тем не менее в институте разработали аналитические формулы, которые описывают структурную единицу легких — бронх. Из множества таких единиц по общей методике строится полное бронхиальное дерево — дыхательная система человека.

Другой результат ученых ИТПМ СО РАН — методика поэтапного расчета течения воздуха в легких. Она основана на использовании аналитической 3D-модели бронхиального дерева и состоит в поочередном вычислении процессов, происходящих в отдельных бронхах. Внутри каждого элемента анализа определяются скорость движения и давление воздуха (кислорода, гелий-кислородной смеси и так далее). Затем результаты объединяются. По словам аспирантки ИТПМ СО РАН Полины Садуллоевны Голышевой, такой способ математически обоснован. Более того, он позволяет проводить расчеты в десятки раз быстрее, чем раньше, и при этом рассматривать все части легких, вплоть до альвеол.

В Научно-исследовательском институте скорой помощи им. Н.В. Склифосовского стали применять способ лечения больных COVID-19 при помощи термической гелий-кислородной смеси. Статистическим методом удалось выяснить, что включение ингаляций в стандартную терапию пациентов с КТ-признаками пневмонии I и II степени тяжести приводит к снижению уровней вирусной нагрузки и маркеров воспаления, а также к повышению эффективности лечения. «В Сибирское отделение РАН поступило обращение одного из ведущих пульмонологов, академика Александра Григорьевича Чучалина, с просьбой о помощи в дальнейшей разработке способа использования термогелиокса для борьбы с коронавирусом. К этому времени у нас уже был готовый инструментарий для проведения расчетов», — отмечает Алексей Елизарович. Исследуя движение аэрозолей или лекарства, ученые могут увидеть, какое количество вводимого вещества попало в тот или иной отдел легких, а также определить оптимальный уровень его температуры.

При COVID-19 часто происходит частичное поражение легких человека

При COVID-19 часто происходит частичное поражение легких человека

 

В ходе реализации проекта сотрудники ИТПМ СО РАН провели моделирование частичного поражения легких и сравнили дыхание обычным воздухом и термической гелий-кислородной смесью при температуре 75℃. Расчеты показали, что перепад давления при вдохе термогелиокса на 15% меньше, чем при вдохе воздуха. Поэтому больному требуется потратить на 15% меньше сил. Это очень важно с учетом того, что, к примеру, при 50% поражении легких человеку в три раза тяжелее дышать, чем в обычных условиях. Помимо этого, на основе методики поэтапного расчета бронхиального дерева учеными была разработана модель тепло- и массообмена при терапии изучаемым веществом. Гелий в два раза превосходит обычный воздух по показателю теплоемкости и обладает в 4,5 раза лучшей теплопроводностью. В связи с этим при дыхании нагретой гелий-кислородной смесью не наблюдается ожога бронхов. Исследователи показали, что падение ее температуры происходит значительно быстрее, чем температуры воздуха. 

По словам Алексея Елизаровича, несмотря на то что сейчас применение разработок ИТПМ СО РАН сосредоточено в сфере поиска методов лечения COVID-19, существует множество других задач, решению которых должна поспособствовать созданная в институте модель. Например, она окажется полезной при изучении способов борьбы с астмой, туберкулезом и любыми другими заболеваниями дыхательной системы. Еще одна важная область — загрязнение воздуха. Совершая тысячи вдохов и выдохов в день, многие даже не догадываются о существовании ультрадисперсных частиц, проникающих в легкие. Используя аналитическую модель бронхиального дерева и алгоритм его поэтапного расчета, можно определять их влияние на здоровье человека.

 

Фото и иллюстрации предоставлены исследователем

Источник информации и фото: Управление по пропаганде и популяризации научных достижений СО РАН