Натурный эксперимент для идентификации биомеханических параметров моторной и эвакуаторной функции желудка, используемых в математической модели течения пищи

RUSSIAN JOURNAL OF BIOMECHANICS

Сложность биомеханических процессов, протекающих в желудочно-кишечном тракте, их зависимость от индивидуальных морфофункциональных особенностей строения органов, свойств употребляемых продуктов, блюд и кулинарных изделий являются основанием для проведения исследований по изучению закономерностей переваривания пищи и формирования функциональных нарушений и заболеваний системы пищеварения, основываясь на современных методах диагностики, натурного эксперимента и математического моделирования. Методы математического моделирования, опираясь на базовые физико-механические и биохимические законы, особенности строения и функционирования органов, позволяют получать формальное описание процессов переваривания, выполнять прогноз вероятности возникновения патологических явлений и связанных с ними рисков для здоровья.

Следует отметить, что описанные в литературе экспериментальные методы исследования желудочно-кишечного тракта преимущественно направлены на диагностику заболеваний и/или выявление отклонений функциональности от физиологических значений [6]. Как правило, эти исследования выполняются натощак или при нагрузке тестовой пищей [7]. При этом некоторые авторы обращают внимание, что выявление взаимосвязей параметров, характеризующих пищеварительные процессы, со свойствами принятой пищи требуют постановок отдельных экспериментов [8]. Проведение специ- альных экспериментальных исследований также необходимо для идентификации и верификации математических моделей.

В последнее время быстрое развитие получили модели, использующие методы гидромеханики, биомеханики, механики многофазных сред для описания процесса течения пищи в различных участках желудочнокишечного тракта [9–16].

Одним из аналогов соотношения (3) является формула (4) [17, 34, 42]:

F ( t ) = 1 - (1 - e — ^kt ) ^e , (4) где k - параметр, характеризующий скорость убывания функции, в - параметр, аналогичный по смыслу коэффициенту в формуле (3). Период полувыведения в этом случае может быть выражен через параметры k и в:

V ( t ) = 5 1 ( t ) • h i (t ) + S 2 (t ) • h 2 ( t ),             (7)

У здоровых людей не наблюдается статистически значимых различий параметров моторики в зависимости от возраста [4]. При построении математических моделей для описания течения пищи в различных участках желудочно-кишечного тракта, как правило, параметры перистальтики считаются независимыми от времени. Например, для описания перистальтических волн в антруме периодичность волны принимается равной 20 с рядом авторов [15, 23–25]. Различные постоянные значения параметров моторики используются в сценариях численных экспериментов для исследования их влияния на характеристики течения пищи [26, 27], кроме того, часто анализируется влияние вязкости среды и свойств второй фазы (частиц пищи).

Порядок проведения эксперимента

– данные моторики пилорического отверстия – диаметр пилорического отверстия во время эвакуации, мм, время открытия и закрытия сфинктера.

Расчеты амплитуды, скорости и периода перистальтической волны в антруме осуществлялись по методике, предложенной С.И. Пимановым [1].

Всего проведено 10 экспериментальных исследований пищеварительных процессов после утреннего при- ема пищи (завтрака) различного состава и одинакового веса (500 г):

• 1)    каша пшеничная молочная жидкая (300 г), чай с сахаром (165 г), батон нарезной (15 г), сыр сычужный твердый (15 г), масло сливочное (5 г);

• 2)    макаронные изделия отварные (200  г), сар

дельки отварные (100 г), майонез (5 г), чай с сахаром (195 г);

• 3)    салат из белокочанной капусты с морковью (280 г), яблоки (70 г), чай с сахаром (150 г);

• 4)    крендель сахарный (100 г), пряники (100 г), зефир (100 г), чай с сахаром (200 г);

• 5)    картофель фри (150 г), чизбургер (240 г), «Кока-Кола» (110 г);

• 6)    пицца школьная (300 г), сок яблочный (200 г);

• 7)    запеканка из творога (250 г), сметана (10 г), сыр сычужный твердый (20 г), хлеб пшеничный (20 г), чай с сахаром (200 г);

• 8)    гуляш из говядины (130 г), картофель отварной (150 г), хлеб пшеничный (50 г), чай с сахаром (170 г);

• 9)    варено-копченая колбаса (120 г), батон нарезной (80 г), яйца вареные (80 г), чай с сахаром (220 г);

• 10)    вода (500 г).

Компонентный состав каждого завтрака приведен в табл. 1.

Предлагаемые завтраки отличаются по пищевой и энергетической ценности, включают в себя как сбалансированные рационы (№ 1, 6, 8), так и рационы со смещением в сторону повышенного (по калорийности) содержания жиров (№ 2, 5 и 9), углеводов (№ 3 и 4), белков

Результаты и их обсуждение

Таблица 1

Компонентный состав завтраков

Показатель	Номер эксперимента
	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Белки, г	15,99	17,49	5,3	14,08	26,52	32,29	57,98	28,25	36,8
Белки животного происхождения, г	8,03	10,16	0	1,22	14,57	17,13	53,87	20,64	30,8
Белки растительного происхождения, г	7,96	7,33	5,3	12,86	11,95	15,16	4,11	7,61	6
Жиры, г	17,92	28,75	6,6	16,98	65,22	26,96	26,47	25,77	58,32
Жиры животного происхождения, г	16,7	27,88	0	10,94	38,04	24,28	26,03	24,74	56,02
Жиры растительного происхождения, г	1,22	0,87	6,6	6,04	27,18	2,68	0,44	1,03	2,3
Углеводы, г	71,26	58,63	45,43	226,49	105,87	113,67	59,73	61,87	51,9
Пищевые волокна, г	3,02	2,52	7,28	3,1	-	1,66	-	-	2
Ненасыщенные жирные кислоты (НЖК), г	10,45	11,83	0,83	7,62	-	12,9	-	-	20,8
Холестерин, мг	44,83	72,54	0	72,45	-	93,43	-	-	528,22
«Моно- и дисахара» (МДС), г	24,45	11,97	44,46	142,24	-	33,83	-	-	13,1
Крахмал, г	46,78	40,05	0,96	78,68	-	71,81	-	-	38,8
Полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК), г	0,28	2,38	3,9	0,64	-	0,56	-	-	0
Калорийность, ккал	510,28	563,23	262,32	1115,1	1116,5	826,48	709,07	592,41	879,69
Вода, г	394,83	395,13	442,67	242,45	302,39	327,08	355,82	384,11	352,98
Доля воды, %	79,0%	79,0%	88,5%	48,5%	60,5%	65,4%	71,2%	76,8%	70,6%

а                                                   б

б

t , мин

Наиболее редкие волны с низкими скоростями наблюдаются при употреблении пиццы с соком (сбалансированный рацион), при этом амплитуда волн является высокой относительно других завтраков (39,21 %). Наиболее редкие открытия сфинктера обнаружены при употреблении зефира, печенья, пряников (углеводный рацион, насыщенный простыми углеводами, крахмалом). Для большинства рассматриваемых завтраков

Таблица 2

Номер эксперимента Период волны в антруме, с Скорость, мм/c Амплитуда, мм Амплитуда, % Диаметр пилорического отверстия, мм Период открытия сфинктера, с 1 25,62(↑) 2,83(–) 8,19(↓) 38,34(↓) 4,21(–) 34,04(↓) 2 23,76(↑) 4,69(↓) 5,48(–) 28,28(↑) 3,69(↓) 15,69(–) 3 27,40(↑) 5,14(↑) 4,46(↑) 26,37(↑) 4,06(↑) 21,90(–) 4 27,08(↑) 2,78(↓) 5,10(↑) 27,93(↑) 3,03(–) 66,39(↓) 5 26,31(↑) 2,84(↓) 5,59(↑) 25,11(–) 3,80(↑) 26,28(↓) 6 28,82(↑) 2,36(↓) 8,63(↑) 39,21(↑) 4,57(↑) 23,58(↓) 7 26,11(↓) 2,99(↓) 7,80(↑) 33,81(↑) 3,92(↑) 14,85(↓) 8 26,32(↑) 3,53(↑) 9,44(↓) 46,21(↓) 4,70(↑) 14,26(–) 9 27,55(–) 3,11(↑) 6,84(↓) 33,25(↓) 3,41(↑) 12,38(↓) 10 26,48(↑) 2,32(↓) 9,05(↓) 58,37(↓) 3,46(↓) 12,40(↓) отмечается нарастание во времени диаметра пилорического отверстия во время эвакуации, мм, и уменьшение периода открытия сфинктера, что характеризует постепенный переход от фазы желудочного пищеварения к кишечной фазе.

в                                                                г