Оценка пространственного распределения зон локализации риска развития бронхолегочной патологии на основе математического моделирования воздушно-пылевых потоков в дыхательных путях и легких человека

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.