По данным Всемирной организации здравоохранения, сегодня хроническими заболеваниями дыхательных путей страдают свыше 80 миллионов людей по всему миру, и значительная часть этих патологий связана с вдыханием вредных частиц из загрязненного воздуха. Нередко источником негативного воздействия становятся промышленные выбросы и технологические примеси. Современная медицина нуждается в эффективных инструментах, способных предсказывать, как именно вредные вещества отразятся на индивидуальном здоровье человека. Проведение токсикологических исследований на пациентах неэтично и сопряжено с рисками, поэтому на первый план выходят цифровые методы — в частности, математическое моделирование.
Исследователи из Пермского Политеха при соавторстве с Федеральным научным центром медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения, а также участием ведущих экспертов и ученых, таких как Нина Зайцева, Михаил Цинкер и Петр Трусов, разработали оригинальную численную модель, способную детально описывать движение и отложение микрочастиц в дыхательной системе человека. Эта прогрессивная методика открывает новые горизонты в понимании механизмов возникновения и развития легочных заболеваний, включая тяжелые формы поражения легких.
Проект осуществлен при поддержке Министерства науки и высшего образования России, в рамках программы «Математические модели и новые материалы для высокотехнологичной медицины» (номер FSNM-2023-0003). Современные вызовы требуют инновационных решений, и инициативы российских ученых становятся весомым вкладом в обезопасивание здоровья населения.
Влияние мелких частиц и промышленных загрязнений на здоровье
Причины сердечно-сосудистых заболеваний, онкологических процессов, хронических болезней дыхательной системы и диабета часто кроются в содержании токсичных соединений во вдыхаемом воздухе. Особенно выражено воздействие вредных частиц на работников опасных производств — металлургов, горнодобытчиков, строителей, химиков, специалистов по деревообработке. Строители, например, сталкиваются с цементной и асбестовой пылью, химики — с парами летучих металлов и технических газов, а представители лесоперерабатывающей отрасли — с древесной пылью, способной спровоцировать аллергизацию.
Для снижения рисков среди персонала используются индивидуальные средства защиты и устанавливаются нормативы по допустимому содержанию опасных веществ в воздухе. Однако современные методы контроля зачастую учитывают лишь суммарную массу загрязнений, что мешает точно оценить риски: ведь не менее важны такие характеристики, как дисперсность, химический состав и форма частиц. Это серьезно осложняет разработку действенных мер профилактики и защиты сотрудников.
Перспективы и возможности цифрового моделирования
Для внедрения по-настоящему эффективных технологий очистки воздуха и защиты здоровья важно глубоко понимать, как вредные частицы попадают в дыхательные пути, как движутся по ним и где задерживаются в организме. Реализация токсикологических экспериментов на людях невозможна по этическим причинам, а традиционные лабораторные исследования зачастую не дают полной картины происходящего. Благодаря развитию вычислительных технологий и математического моделирования ученые сегодня могут с высокой степенью достоверности воссоздавать виртуальные модели органов, чтобы изучать распределение загрязнений на молекулярном уровне.
В легких взрослого человека насчитывается приблизительно 600–700 миллионов альвеол — микроскопических пузырьков с диаметром около 0,1–0,15 мм, именно там происходит основной газообмен. Попытка смоделировать в трехмерном пространстве всю сложнейшую сеть альвеол еще недавно казалась невозможной: для такой задачи требовались бы вычислительные мощности, превосходящие возможности современных компьютеров. Однако созданная учеными модель позволяет обходить это ограничение: в ней применяются усредненные математические решения, которые позволяют максимально реалистично рассчитать проникновение и оседание загрязняющих частиц при каждом вдохе.
Вклад российских ученых и новые горизонты медицины
Научная команда Пермского Политеха и Федерального научного центра, при участии признанных специалистов, таких как Нина Зайцева, Михаил Цинкер, Петр Трусов, реализовала эффективную виртуальную платформу для оценки рисков легочных заболеваний. Этот цифровой инструмент предоставляет врачу возможность индивидуально прогнозировать угрозу для конкретного пациента, а также оперативно корректировать медицинские и профилактические меры. Подобный подход существенно изменит практику профессиональной гигиены на предприятиях и позволит повысить качество жизни сотен тысяч людей.
Реализация проекта стала возможна благодаря междисциплинарному сотрудничеству специалистов по математическому моделированию, токсикологии, промышленной гигиене и клинической медицине. Такой интегративный подход подчеркивает важность единства науки и практики для решения актуальных задач современного здравоохранения.
Оптимистичный взгляд в будущее
Использование современных численных моделей — важный шаг на пути к снижению заболеваемости, преждевременной смертности и улучшению качества жизни людей, которые ежедневно сталкиваются с опасными веществами в окружающей среде и на рабочих местах. Инновационная разработка Пермского Политеха и Федерального научного центра открывает перед медицинским сообществом новые возможности для борьбы с респираторными заболеваниями и создания эффективных профилактических программ. Это лишний раз подтверждает, что отечественная наука и образование способны достойно отвечать на вызовы времени и работать на благо общества.
Исследователи Пермского Политеха в партнерстве с «Федеральным научным центром медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» совершили прорыв в создании инновационной трехмерной модели движения воздуха в дыхательных путях человека. Представленная разработка не требует сложного моделирования потока воздуха на каждом микроскопическом уровне, однако обеспечивает исключительно реалистичное отражение процессов, происходящих в легких. Научное руководство и контроль за проектом осуществляла профессор, академик РАН, доктор медицинских наук Нина Зайцева, что придает разработке особую значимость.
Имитация дыхания: легкие как пористая структура
Легкие человека устроены удивительно сложно: их ткани, переполненные воздухом, способны изменять свои формы при вдохе и выдохе, напоминая по структуре губку. Осмыслив этот уникальный принцип, разработчики избрали новый подход – моделирование легких как пористой среды. Такое решение позволило максимально точно восстановить механику функционирования дыхательной системы. Особое внимание было уделено взаимодействию воздуха с легочной тканью, что гарантирует высокую точность расчетов и моделирования.
– Мы подошли к задаче творчески: представив легкие как особую губчатую структуру, сохранили баланс между детализацией и простотой модели, – объясняет Михаил Цинкер, старший научный сотрудник ФБУН «ФНЦ МПТ УРЗН» и кандидат физико-математических наук. – Благодаря этому удалось не только достоверно смоделировать вдох и выдох, но и учесть мельчайшие нюансы взаимодействия воздуха и тканей дыхательной системы.
Трехмерные модели на основе компьютерной томографии
В работе ученых широкое применение получили современные методы медицинской визуализации. С помощью компьютерной томографии они построили детализированную 3D-модель дыхательных путей и легких, способную воспроизводить работу грудной клетки и диафрагмы во время движения. Мощные вычислительные алгоритмы позволили проследить, как воздух, насыщенный пылевыми частицами различных размеров и плотностей, распределяется по всей дыхательной системе в процессе дыхания.
Результаты моделирования оказались весьма показательными. Установлено, что частицы размером 5 мкм оседают в дыхательных путях с разной эффективностью: при плотности 1000 кг/м³ — около 53%, а при плотности 4000 кг/м³ — более 86%. К таким частицам относятся споры плесени, пыльца, а также мелкая строительная пыль. Они в основном задерживаются в полости носа и носоглотки, но их организм способен быстро вывести, например, при чихании.
Для частиц диаметром 2,5 мкм с плотностью 4000 кг/м³ вероятность оседания составляет 53,5%. Среди них — металлическая, минеральная пыль, а также микрочастицы угля или кварца, встречающиеся на предприятиях промышленности. Отличительной чертой этих мельчайших загрязнителей является способность проникать глубже, оседая уже на стенках бронхов и вызывая тяжелые заболевания, такие как силикоз, осложняющийся воспалением легочной ткани.
Как загрязняющие частицы воздействуют на дыхательные пути
В числе важных результатов работы — информация о рисках, связанных с вдыханием самых мелких частиц, размер которых составляет всего 1 микрометр. В среднем, около 32% таких частиц остается в нижних отделах бронхов. Речь идет о сильнейших загрязнителях: это продукты сгорания, дым от пожаров и сигарет, твердые металлосодержащие примеси из выхлопов автомобилей, а также мелкий угольный порошок, особенно опасный для работников шахт. Накопление этих агентов во внутренних отделах легких может приводить к профессиональным патологиям и хроническим бронхолегочным заболеваниям.
– Наши расчеты показали, что даже самые мелкие частицы обладают способностью проникать в глубокие участки дыхательных путей, – отмечает Петр Трусов, профессор и заведующий кафедрой «Математическое моделирование систем и процессов» ПНИПУ. – Эти данные имеют практическую значимость для разработки эффективных мер по снижению риска различных профзаболеваний.
Экспериментальное подтверждение и практическая значимость
Точность численного эксперимента была оценена на практике: в ходе серии испытаний носовая полость участников очищалась с помощью дистиллированной воды, что позволило наглядно проследить путь частиц разного размера. Совпадение экспериментальных и расчетных данных подтверждает высокую достоверность предложенной модели.
Данная научная работа открывает новые горизонты для медицины, промышленной и экологической безопасности. Разработанная уникальная 3D-модель позволяет с высокой точностью спрогнозировать, как различные примеси окружающей среды воздействуют на дыхательные органы человека, тем самым помогая своевременно разрабатывать профилактические меры и совершенствовать системы защиты.
Будущее медицины и экологии – в математическом моделировании
Современные технологии математического моделирования становятся фундаментом для новых стандартов безопасности, позволяя ученым, медикам и инженерам активно сотрудничать ради здоровья общества. Исследование специалистов из Перми — отличное доказательство того, как синергия знаний, инноваций и практического опыта способна создавать решения, имеющие долгосрочную ценность для человека и окружающего мира.
Современные технологии открывают новые горизонты для охраны здоровья людей, работающих в условиях неблагоприятной экологической обстановки. Инновационная компьютерная модель дыхательной системы значительно улучшает существующие нормативы по качеству воздуха в рабочих и промышленных помещениях. Внедрение таких моделей позволяет разрабатывать прогрессивные меры комплексной защиты персонала, занятых на предприятиях с вредными условиями труда, что способствует снижению риска развития хронических заболеваний дыхательных путей.
Новые перспективы в профилактике заболеваний легких
Уникальность созданной модели заключается в ее возможности точечно оценивать индивидуальные риски для работников различных отраслей, подвергающихся воздействию загрязненного воздуха. Благодаря использованию расчетов и моделирования, становится возможным преждевременное выявление факторов риска и, как следствие, раннее принятие решений для предупреждения серьезных заболеваний. Это особенно важно для промышленных регионов, где высока нагрузка на дыхательную систему человека из-за присутствия вредных частиц в атмосфере.
Широкий спектр применения этой технологии охватывает не только производственные сферы, но и медицинскую практику. Врачи могут использовать полученные данные для формирования персональных рекомендаций людям, проживающим в экологически сложных районах. Модель помогает проводить качественную диагностику и разрабатывать индивидуальные программы профилактики заболеваний легких, существенно улучшая прогноз для тех, кто ежедневно сталкивается с неблагоприятными условиями окружающей среды.
Забота о каждом дыхании
Благодаря внедрению современных методов анализа, миллионы людей получат возможность предотвратить тяжелые патологии органов дыхания. Компьютерная модель не только способствует снижению профессиональных рисков, но и оптимизирует подход к защите здоровья всего населения. Прогнозируя индивидуальные и массовые риски развития болезней легких, специалисты смогут разрабатывать удобные и результативные стратегии профилактики, а также профилактические программы для различных категорий граждан.
В перспективе такие решения заложат основу для создания более чистой и безопасной среды, помогут повысить продолжительность и качество жизни, дадут людям уверенность в завтрашнем дне. Забота о качестве воздуха выходит на новый уровень, что открывает перед медициной и промышленностью огромные возможности. Безусловно, будущее профилактики и борьбы с хроническими заболеваниями органов дыхания уже начинается сегодня, и каждый может почувствовать его положительное влияние на своем здоровье.
Источник: scientificrussia.ru
