Математическое моделирование распространения звука по дыхательным путям в условиях измененной газовой среды

Математическое моделирование распространения звука по дыхательным путям в условиях измененной газовой среды

Автор: Дьяченко А.И., Астафьева С.Н.

Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech

Статья в выпуске: 3 (105) т.28, 2024 года.

Бесплатный доступ

Целью работы являлась разработка математической модели распространения звука по дыхательным путям человека при дыхании некоторыми дыхательными газовыми смесями. В основу модели легла асимметричная модель ветвления дыхательных путей. Для расчетов трахеобронхиальное дерево человека представили в виде эквивалентной Т-образной схемы отрезка отрубы, в которую включены параметры стенок дыхательных путей. Моделирование проводили в два основных этапа. На первом этапе вычисляли импеданс потоку от мелких дыхательных путей к более крупным. На втором этапе рассчитывали звуковое давление, вызванное дыханием. В результате получили кривые зависимости импеданса от спектра частот, а также мощности звука от дыхательного потока. Отмечено, что при дыхании воздухом величина импеданса остается постоянной с увеличением частоты. Также отмечено, что при воздействии более тяжелого газа, чем воздух, величина импеданса постоянно возрастает, а при воздействии более легких газов - после достижения максимума значение импеданса уменьшается. Было выявлено, что наибольшее звуковое давление характерно для кислородно-криптоновой смеси, а наименьшее - для кислородно-гелиевой смеси. Также обнаружено, что в случае моделирования ламинарного режима течения потока (при критическом числе Рейнольдса, равном 1800) звук затрагивает на насколько поколений бронхов больше, чем в случае моделирования переходного режима течения (при критическом числе Рейнольдса, равном 2700). Таким образом, сделали выводы о влиянии физических свойств газовых сред на величину звукового давления и распространение звука по дыхательным путям человека.

Еще

Математическая модель, респираторная акустика, дыхательные шумы, дыхательная система, газовые смеси

Короткий адрес: https://sciup.org/146282984

IDR: 146282984   |   DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2024.3.11

Список литературы Математическое моделирование распространения звука по дыхательным путям в условиях измененной газовой среды

  • Коренбаум, В.И. Акустико-биомеханические взаимосвязи в формировании шумов форсированного выдоха человека. / В.И. Коренбаум, И.А. Почекутова. – Владивосток: Дальнаука, 2006. – C. 148.
  • Airway geometry and wall mechanical-properties estimated from subglottal input impedance in humans / R.H. Habib, R.B. Chalker, B. Suki, A.C. Jackson // J. Appl. Physiol. – 1994. – Vol. 77. – P. 441–451.
  • A model of acoustic transmission in the respiratory system / G.R. Wodicka, K.N. Stevens, H.L. Golub, E.G. Cravalho, D.C. Shannon // IEEE Trans. Biomed. Eng. – 1989. – Vol. 36, no. 9. – P. 925–934.
  • Вовк, И.В. Распространение звука в бронхиальном дереве человека. Часть I. Теория / И.В. Вовк, О.И. Вовк // Акустический вестник. – 2000. – Т. 3, № 2. – P. 19–31.
  • Дьяченко, А.И. Исследование распространения звука в легких / А.И. Дьяченко, А.Н. Михайловская, О.В. Манюгина // Препринт ИОФ РАН. – 2003. – № 8. – P. 43.
  • Дьяченко, А.И. Респираторная акустика (обзор) / А.И. Дьяченко, А.Н. Михайловская // Труды Института общей физики РАН. – 2012. – № 68. – С. 136–18.
  • Коренбаум, В.И. Прохождение сложных звуковых сигналов в дыхательной системе человека в зависимости от скорости звука в используемой газовой смеси / В.И. Коренбаум, А.И. Дьяченко, Н.С. Лопаткин, А.А. Тагильцев, А.Е. Костив // Акустический журнал. – 2011. – Т. 57, №. 6. – С. 854–861.
  • Comparison of poroviscoelastic models for sound and vibra-tion in the lungs / Z. Dai, Y. Peng, H.A. Mansy, R.H. Sandler, T.J. Royston // Journal of Vibration and Acoustics. – 2014 – Vol. 136, no 5. – P. 051012. DOI: 10.1115/1.4026436
  • Драган, С.П. Анализ импедансных характеристик дыхательной системы животных и человека / С.П. Драган, А.В. Богомолов, В.И. Кезик // Российский журнал биомеханики. – 2020. – Т. 24, № 2. – С. 187–195. DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2020.2.06
  • Дьяченко, А.И. Изменение дыхательного импеданса в условиях водной иммерсии / А.И. Дьяченко, Е.Б. Мехедова, Ю.А. Шулагин // Российский журнал биомеханики. – 2010. – Т. 14, № 1. – С. 86–94.
  • Räsänen, J. Effect of positive end‐expiratory pressure on acoustic wave propagation in experimental porcine lung in-jury / J. Räsänen, M.E. Nemergut, N. Gavriely // Clinical Physiology and Functional Imaging. – 2015. – Vol. 35, no. 2. – P. 134–141. DOI: 10.1111/cpf.12138.
  • Räsänen, J. Effect of PEEP on breath sound power spectra in experimental lung injury / J. Räsänen, M.E. Nemergut, N. Gavriely // Intensive Care Medicine Experimental. – 2014. – Vol. 2. – P. 1–11. DOI: 10.1186/s40635-014-0025-y.
  • Pasterkamp, H. Effect of gas density on respiratory sounds / H. Pasterkamp, I. Sanchez // American journal of respiratory and critical care medicine. – 1996. – Vol. 153, no. 3. – P. 1087–1092.
  • Shabtai-Musihm, Y. Spectral content of forced expiratory wheezes during air, He, and SF6 breathing in normal humans / Y. Shabtai-Musih, J.B. Grotberg, N. Gavriely // Journal of applied physiology. – 1992. – Vol. 72, no. 2. – P. 629–635.
  • Математическая модель распространения дыхательных шумов в респираторном тракте / Е.Г. Фурман, В.Л. Соколовский, Г.Б. Фурман, В.М. Меерович, С.В. Малинин, Е.В. Рочева // Российский журнал биомеханики. – 2018. – Т. 22, № 2. – С. 166–177.
  • Дьяченко, А.И. Математическая модель влияния дыха-ния подогретой кислородно-гелиевой смесью на тепло-массообмен / А.И. Дьяченко, О.В. Манюгина // Российский журнал биомеханики. – 2003. – Т. 7, № 3. – С. 61–68.
  • Моделирование течения запыленного воздуха в респираторном тракте / П.В. Трусов, Н.В. Зайцива, М.Ю. Цинкер, А.В. Бабушкина // Российский журнал биомеханики. – 2018. – Т. 22, № 3 – С. 301–314. DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2018.3.03
  • Modeling and measurement of flow effects on tracheal sounds / V.P. Harper, H. Pasterkamp, H. Kiyokawa, G.R. Wodicka // IEEE Transactions on Biomedical Engineering. – 2003. – Vol. 50, no. 1. – P. 1–10.
  • Models of the human bronchial tree / K. Horsfield, G. Dart, D.E. Olson, G.F. Filley, G. Cumming // J. Appl. Physiol. – 1971. – Vol. 31. – P. 207–217.
  • Mansfield, J. Theory and Application of Acoustic Reflec-tometry in the Human Body. Ph.D. dissertation / J. Mansfield. – Sch. Electr. Comput. Eng., Purdue University, West Lafayette, IN. – 1996.
  • Fant, G., Acoustic Theory of Speech Production / G. Fant. – Paris, France: Mouton, 1970.
  • Henry, B. A multiscale analytical model of bronchial airway acoustics / B. Henry, T.J. Royston // The Journal of the Acoustical Society of America. – 2017. – Vol. 142, no. 4. – С. 1774–1783.
  • Вовк, И.В. О возможности физического моделирования шумов, генерируемых потоком воздуха в элементах дыхательных путей человека / И.В. Вовк, О.И. Вовк // Акустический вестник. – 1999. – Т. 2, № 2. – С. 11–25.
  • Yadollahi, A. Measuring minimum critical flow for normal breath sounds / A. Yadollahi, Z. Moussavi // 2005 IEEE En-gineering in Medicine and Biology 27th Annual Conference. – IEEE, 2006. – Р. 2726–2729.
  • Кисляков, Ю.Я. Дыхание, динамика газов при гиперба-рии / Ю.Я. Кисляков, И.С. Бреслав – Л., 1988.
  • White, D.A. Tracheal blood flow during spontaneous and mechanical ventilation of dry gases in sheep / D.A. White, G.H. Parsons // Journal of Applied Physiology – 1990. – Vol. 69, no. 3. – Р. 1117–1122.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp