Оценка пространственного распределения зон локализации риска развития бронхо-легочной патологии на основе математического моделирования воздушно-пылевых потоков в дыхательных путях и легких человека
П.В. Трусов1,2, М.Ю. Цинкер1,2, Н.В. Зайцева1,3, В.В. Нурисламов1,2, П.Д. Свинцова2, А.И. Кучуков2
1Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения, Российская Федерация, 614045, г. Пермь, ул. Монастырская, 82
2Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Российская Федерация, 614990, г. Пермь, ул. Комсомольский проспект, 29
3Отделение медицинских наук Российской академии наук, Российская Федерация, 109240, г. Москва, ул. Солянка, 14
Работа посвящена развитию разрабатываемой авторами математической модели дыхательной системы, а также вопросам ее практического применения для решения задач в области оценки и прогнозирования рисков здо-ровью 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 осев-ших 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.
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
2. 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
3. Grzywa-Celińska A., Krusiński A., Milanowski J. ‘Smoging kills’ – Effects of air pollution on human respiratory sys-tem // Ann. Agric. Environ. Med. – 2020. – Vol. 27, № 1. – P. 1–5. DOI: 10.26444/aaem/110477
4. 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
5. 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.
6. 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
7. Особенности заболеваний органов дыхания у плавильщиков титановых сплавов в условиях сочетанного воз-действия 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
8. Мудрый И.В., Короленко Т.К. Тяжелые металлы в окружающей среде и их влияние на организм // Врачебное дело. – 2002. – № 5–6. – С. 6–9.
9. Таран А.А., Бирюкова Н.В. Влияние экологии на здоровье человека в XXI веке // Актуальные вопросы совре-менной науки и образования. – Пенза: ООО «Наука и Просвещение», 2021. – C. 258–264.
10. 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).
11. 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).
12. 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).
13. 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. Кисли-цына, Е.А. Панаиотти // Бюллeтень ВСНЦ СО РАМН. – 2010. – № 4 (74). – С. 17–20.
14. Fluorescent reconstitution on deposition of PM2.5 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
15. 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
16. 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
17. 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
18. 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
19. 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 // Мате-матическая биология и биоинформатика. – 2023. – Т. 18, № 2. – С. 347–366. DOI: 10.17537/2023.18.347
20. Ultrastructural changes in the air–blood barrier in mice after intratracheal instillations of Asian sand dust and gold na-noparticles / 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
21. Extrapulmonary translocation of intratracheally instilled fine and ultrafine particles via direct and alveolar macrophage-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
22. 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
23. 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
24. 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
25. 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
26. 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
27. The influence of lung volume during imaging on CFD within realistic airway models / I. Katz, M. Pichelin, S. Mon-tesantos, 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
28. 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 Liq-uids. – 2015. – Vol. 209. – P. 121–133. DOI: 10.1016/j.molliq.2015.05.031
29. 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
30. 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
31. 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
32. 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, В.Г. Власов [и др.] // Медицина труда и промышленная экология. – 2016. – № 1. – С. 36–49.
33. Распределение твердых частиц микроразмерного диапазона в дыхательных путях человека: натурный экспе-римент / 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
34. 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
fcrisk.ru
