Оценка пространственного распределения зон локализации риска развития бронхолегочной патологии на основе математического моделирования воздушно-пылевых потоков в дыхательных путях и легких человека
Автор: Трусов П.В., Цинкер М.Ю., Зайцева Н.В., Нурисламов В.В., Свинцова П.Д., Кучуков А.И.
Журнал: Анализ риска здоровью @journal-fcrisk
Рубрика: Медико-биологические аспекты оценки воздействия факторов риска
Статья в выпуске: 2 (46), 2024 года.
Бесплатный доступ
Работа посвящена развитию разрабатываемой авторами математической модели дыхательной системы, а также вопросам ее практического применения для решения задач в области оценки и прогнозирования рисков здоровью человека, обусловленных негативным действием аэрогенных факторов среды обитания. Математическая модель включает в себя подмодели течения воздушной смеси в воздухопроводящей зоне (включающей в себя носовую полость, глотку, гортань, трахею и 5 генераций бронхов) и легких, аппроксимированных сплошной двухфазной упругодеформируемой пористой средой. Математическая модель описывается соотношениями механики сплошных сред. Реализация модели выполняется численно с использованием инженерного программного пакета (для исследования процессов в воздухоносных путях) и собственного разработанного комплекса программ (для моделирования процессов в легких). Численное моделирование нестационарного течения воздушно-пылевой смеси выполняется для персонализированной трехмерной геометрии дыхательной системы человека, восстановленной на основе томографических снимков. Представлены расчетные линии тока скорости частиц вдыхаемого воздуха в воздухоносных путях. Получены количественные оценки доли осевших частиц диаметром 10 мкм, 2,5 мкм, 1 мкм (РМ10, РМ2,5, РМ1) в воздухоносных путях; приведены траектории движения взвешенных частиц. По мере уменьшения размера и массы частиц доля осевших частиц в воздухоносных путях уменьшается, достигающих легких - увеличивается. Согласно результатам численного моделирования бо́льшая часть (более 95 %) крупных частиц (PM10) оседает в носовой полости, глотке, гортани; мелкие частицы способны достигать нижних дыхательных путей и бронхов (основная часть частиц, достигающих легких, попадает в нижние долевые бронхи преимущественно правого легкого). Зоны локализации максимальных рисков в легких человека, определенные на основе оценок изменения массы воздушной фазы в процессе дыхательного цикла, наблюдаются в нижних отделах легких. Контактируя со стенками, частицы способны оседать, накапливаться со временем, обладая раздражающим, токсичным, фиброгенным действием, и являются причиной возникновения и / или обострения патологических состояний.
Математическая модель, дыхательная система, воздушно-пылевая смесь, оседание взвешенных частиц, зоны локализации рисков, здоровье человека, численное моделирование, персонализированная модель
Короткий адрес: https://sciup.org/142241682
IDR: 142241682 | DOI: 10.21668/health.risk/2024.2.13
Список литературы Оценка пространственного распределения зон локализации риска развития бронхолегочной патологии на основе математического моделирования воздушно-пылевых потоков в дыхательных путях и легких человека
- Анализ риска здоровью при воздействии атмосферных загрязнений как составная часть стратегии уменьшения глобальной эпидемии неинфекционных заболеваний / В.Н. Ракитский, С.Л. Авалиани, С.М. Новиков, Т.А. Шашина, Н.С. Додина, В.А. Кислицин // Анализ риска здоровью. - 2019. - № 4. - С. 30-36. DOI: 10.21668/health.risk/2019.4.03
- Brunekreef B., Holgate S.T. Air pollution and health // Lancet. - 2002. - Vol. 360, № 9341. - P. 1233-1242. DOI: 10.1016/S0140-6736(02)11274-8
- Grzywa-Celinska A., Krusinski A., Milanowski J. 'Smoging kills' - Effects of air pollution on human respiratory system // Ann. Agric. Environ. Med. - 2020. - Vol. 27, № 1. - P. 1-5. DOI: 10.26444/aaem/110477
- The impact of PM2.5 on the human respiratory system / Y.-F. Xing, Y.-H. Xu, M.-H. Shi, Y.-X. Lian // J. Thorac. Dis. - 2016. - Vol. 8, № 1. - P. E69-E74. DOI: 10.3978/j.issn.2072-1439.2016.01.19
- Власова Е.М., Воробьева А.А., Пономарева Т.А. Особенности формирования кардиореспираторной патологии у работников титаномагниевых производств // Медицина труда и промышленная экология. - 2017. - № 9. - С. 38.
- Гигиеническая оценка аэрогенного воздействия взвешенных веществ на заболеваемость детей болезнями органов дыхания в зоне влияния выбросов металлургического производства / И.В. Тихонова, М.А. Землянова, Ю.В. Кольдибекова, Е.В. Пескова, А.М. Игнатова // Анализ риска здоровью. - 2020. - № 3. - С. 61-69. DOI: 10.21668/health.risk/2020.3.07
- Особенности заболеваний органов дыхания у плавильщиков титановых сплавов в условиях сочетанного воздействия мелкодисперсной пыли и соединений хлора / Е.М. Власова, О.Ю. Устинова, А.Е. Носов, С.Ю. Загороднов // Гигиена и санитария. - 2019. - Т. 98, № 2. - С. 153-158. DOI: 10.18821/0016-9900-2019-98-2-153-158
- Мудрый И.В., Короленко Т.К. Тяжелые металлы в окружающей среде и их влияние на организм // Врачебное дело. - 2002. - № 5-6. - С. 6-9.
- Таран А.А., Бирюкова Н.В. Влияние экологии на здоровье человека в XXI веке // Актуальные вопросы современной науки и образования. - Пенза: ООО «Наука и Просвещение», 2021. - C. 258-264.
- Toxicological profile for Silica [Электронный ресурс]. - Atlanta, GA: U.S. Department of Health and Human Services, 2019. - URL: https://www.atsdr.cdc.gov/ToxProfiles/tp211.pdf (дата обращения: 10.01.2023).
- The Link Between Aluminum Exposure And Alzheimer's Disease Can No Longer Be Ignored [Электронный ресурс] // Daily Health Post. - 2020. - URL: https://dailyhealthpost.com/study-links-alzheimers-to-aluminum-exposure/ (дата обращения: 12.01.2023).
- Toxicological profile for Aluminum [Электронный ресурс] // Agency for Toxic Substances and Disease Registry. -Atlanta, GA: U.S. Department of Health and Human Services, Public Health Service, 2008. - URL: https://www.atsdr.cdc.gov/ toxprofiles/tp22.pdf (дата обращения: 12.01.2023).
- Профессиональная заболеваемость работников алюминиевой промышленности - возможные пути решения проблемы / И.П. Данилов, В.В. Захаренко, А.М. Олещенко, О.П. Шавлова, Д.В. Суржиков, Т.Г. Корсакова, В.В. Кислицына, Е.А. Панаиотти // Бюллетень ВСНЦ СО РАМН. - 2010. - № 4 (74). - С. 17-20.
- Fluorescent reconstitution on deposition of PM25 in lung and extrapulmonary organs / D. Li, Y. Li, G. Li, Y. Zhang, J. Li, H. Chen // Proc. Natl Acad. Sci. USA. - 2019. - Vol. 116, № 7. - P. 2488-2493. DOI: 10.1073/pnas.1818134116
- Airflow and Deposition of Nano-Particles in a Human Nasal Cavity / P. Zamankhan, G. Ahmadi, Z. Wang, P.K. Hopke, Y.-S. Cheng, W.-C. Su, D. Leonard // Aerosol Science and Technology. - 2006. - Vol. 40. - P. 463-476. DOI: 10.1080/02786820600660903
- Computational analysis of airflow and particle deposition fraction in the upper part of the human respiratory system / S.E. Saghaian, A.R. Azimian, R. Jalilvand, S. Dadkhah, S.M. Saghaian // Biology, Engineering and Medicine. - 2018. - Vol. 3, № 6. - P. 6-9. DOI: 10.15761/BEM.1000155
- Rostami A.A. Computational modeling of aerosol deposition in respiratory tract: a review // Inhal. Toxicol. - 2009. -Vol. 21, № 4. - P. 262-290. DOI: 10.1080/08958370802448987
- Математическая модель течения воздуха с твердыми частицами в носовой полости человека / П.В. Трусов, Н.В. Зайцева, М.Ю. Цинкер, А.В. Некрасова // Математическая биология и биоинформатика. - 2021. - Т. 16, № 2. -С. 349-366. DOI: 10.17537/2021.16.349
- Численное исследование нестационарного течения запыленного воздуха и оседания пылевых частиц различных размеров в нижних дыхательных путях человека / П.В. Трусов, Н.В. Зайцева, М.Ю. Цинкер, А.И. Кучуков // Математическая биология и биоинформатика. - 2023. - Т. 18, № 2. - С. 347-366. DOI: 10.17537/2023.18.347
- Ultrastructural changes in the air-blood barrier in mice after intratracheal instillations of Asian sand dust and gold nanoparticles / K. Rattanapinyopituk, A. Shimada, T. Morita, M. Togawa, T. Hasegawa, Y. Seko, K. Inoue, H. Takano // Exp. Toxicol. Pathol. - 2013. - Vol. 65, № 7-8. - P. 1043-1051. DOI: 10.1016/j.etp.2013.03.003
- Extrapulmonary translocation of intratracheally instilled fine and ultrafine particles via direct and alveolar macro-phage-associated routes / A. Furuyama, S. Kanno, T. Kobayashi, S. Hirano // Archives of Toxicology. - 2009. - Vol. 83. -P. 429-437. DOI: 10.1007/s00204-008-0371-1
- Size-dependent uptake of particles by pulmonary antigen-presenting cell populations and trafficking to regional lymph nodes / F. Blank, P.A. Stumbles, E. Seydoux, P.G. Holt, A. Fink, B. Rothen-Rutishauser, D.H. Strickland, C. von Garnier // Am. J. Respir. Cell Mol. Biol. - 2013. - Vol. 49, № 1. - P. 67-77. DOI: 10.1165/rcmb.2012-0387OC
- Rapid translocation of nanoparticles from the lung airspaces to the body / H.S. Choi, Y. Ashitate, J.H. Lee, S.H. Kim, A. Matsui, N. Insin, M.G. Bawendi, M. Semmler-Behnke [et al.] // Nat. Biotechnol. - 2010. - Vol. 28, № 12. - P. 1300-1303. DOI: 10.1038/nbt.1696
- Intratracheally instilled titanium dioxide nanoparticles translocate to heart and liver and activate complement cascade in the heart of C57BL/6 mice / M. Husain, D. Wu, A.T. Saber, N. Decan, N.R. Jacobsen, A. Williams, C.L. Yauk, H. Wallin [et al.] // Nanotoxicology. - 2015. - Vol. 9, № 8. - P. 1013-1022. DOI: 10.3109/17435390.2014.996192
- Wall W.A., Rabczuk T. Fluid structure interaction in lower airways of CT-based lung geometries // Int. J. Num. Methods in Fluids. - 2008. - Vol. 57, № 5. - P. 653-675. DOI: 10.1002/fld. 1763
- Numerical study of nano and micro pollutant particle transport and deposition in realistic human lung airways / M. Rahman, M. Zhao, M.S. Islam, K. Dong, S.C. Saha // Powder Technology. - 2022. - Vol. 402. - P. 117364. DOI: 10.1016/j.powtec.2022.117364
- The influence of lung volume during imaging on CFD within realistic airway models / I. Katz, M. Pichelin, S. Monte-santos, A. Murdock, S. Fromont, J. Venegas, G. Caillibotte // Aerosol Science and Technology. - 2017. - Vol. 51, № 2. -P. 214-223. DOI: 10.1080/02786826.2016.1254721
- CFD simulation of airflow behavior and particle transport and deposition in different breathing conditions through the realistic model of human airways / M. Rahimi-Gorji, O. Pourmehran, M. Gorji-Bandpy, T.B. Gorji // Journal of Molecular Liquids. - 2015. - Vol. 209. - P. 121-133. DOI: 10.1016/j.molliq.2015.05.031
- Numerical simulation of inhaled aerosol particle deposition within 3D realistic human upper respiratory tract / J. Lin, J.R. Fan, Y.Q. Zheng, G.L. Hu, D. Pan // AIP Conference Proceedings. - 2010. - Vol. 1207, № 1. - P. 992-997. DOI: 10.1063/1.3366500
- Transient dynamics simulation of airflow in a CT-scanned human airway tree: More or fewer terminal bronchi? / S. Qi, B. Zhang, Y. Teng, J. Li, Y. Yue, Y. Kang, W. Qian // Comput. Math. Methods Med. - 2017. - Vol. 2017. -P. 1969023. DOI: 10.1155/2017/1969023
- Трусов П.В., Зайцева Н.В., Цинкер М.Ю. О моделировании течения воздуха в легких человека: конститутивные соотношения для описания деформирования пористой среды // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2020. - № 4. - С. 165-174. DOI: 10.15593/perm.mech/2020.4.14
- Федеральные клинические рекомендации по диагностике, лечению и профилактике пневмокониозов / Л.В. Артемова, Н.В. Баскова, Т.Б. Бурмистрова, Е.А. Бурякина, И.В. Бухтияров, А.Ю. Бушманов, О.С. Васильева, B.Г. Власов [и др.] // Медицина труда и промышленная экология. - 2016. - № 1. - С. 36-49.
- Распределение твердых частиц микроразмерного диапазона в дыхательных путях человека: натурный эксперимент / Н.В. Зайцева, Д.А. Кирьянов, С.В. Клейн, М.Ю. Цинкер, А.М. Андришунас // Гигиена и санитария. - 2023. -Т. 102, № 5. - С. 412-420. DOI: 10.47470/0016-9900-2023-102-5-412-420
- Риски здоровью населения от загрязнения атмосферного воздуха мелкодисперсными взвешенными частицами / Л.М. Фатхутдинова, Е.А. Тафеева, Г.А. Тимербулатова, Р.Р. Залялов // Казанский медицинский журнал. - 2021. - Т. 102, № 6. - С. 862-876. DOI: 10.17816/KMJ2021-862
