Вероятностные модели термических поражений

УДК 614.843

Р. Ш. Еналеев, Э. Ш. Теляков, Ю. С. Чистов, В. С. Гасилов

ВЕРОЯТНОСТНЫЕ МОДЕЛИ ТЕРМИЧЕСКИХ ПОРАЖЕНИЙ

Ключевые слова: пожар, ожоги, критерии поражения, вероятностные модели.

Проведен сравнительный анализ термодинамических и медицинских критериев теплового поражения человека в чрезвычайных ситуациях. Предложен метод прогнозирования санитарных потерь в аварийных ситуациях.

Keywords: fire, burns, injury criteria, probabilistic models.

The comparative analysis of thermodynamic and medical criteria of human thermal injuries in emergencies is conducted. The method for predicting of sanitary losses in emergencies is offered.

Введение

В природных и техногенных авариях одной из главных целей аварийно-спасательных подразделений МЧС РФ является минимизация потерь в чрезвычайных ситуациях (ЧС) за счет безотлагательной медицинской помощи на месте получения травмы и на этапах эвакуации по результатам прогнозирования количества пострадавших каждой степени тяжести.

В задачи минимизации потерь входит определение объема медицинской помощи, в том числе и высокотехнологичной, восстановительно-лечебных мероприятий, количества спасательно-транспортных средств для эвакуации обожженных при оказании экстренной доврачебной и первой медицинской помощи в условиях ЧС с массовым термическим поражением людей после получения информации о геометрических и

термодинамических параметрах аварийного пожаровзрывоопасного источника с места аварии и (или) космического мониторинга критичных инфраструктур и территорий.

Решение поставленной задачи достигается тем, что количество пострадавших с различной степенью тяжести и, следовательно, необходимый объем медицинской помощи на месте аварии и последующих этапах эвакуации оперативно рассчитывается с применением вероятностных моделей возникновения ожогов и вычислительных моделей распределения тепловой энергии во времени и пространстве вокруг аварийного источника. Результаты моделирования могут найти практическое применение в ситуационных Центрах федерального и регионального уровней после поступления информации о сценарии развития аварии на пожаровзрывоопасном объекте.

Медицинские и термодинамические критерии поражения

Известны два принципиально различных метода определения степени термического поражения кожи человека. По критериям термического поражения их условно можно назвать клиническим (медицинским) и термодинамическим. При клиническом методе диагностика термического поражения производится индивидуально для каждого пораженного без взаимосвязи с условиями

воздействиями термического агента.

Термодинамический метод основывается на корреляционной связи между тепловой энергией термического агента, поглощенной структурными слоями кожного покрова, и степенью и вероятностью возникновения термического поражения.

Критерии клинического метода позволяют дифференцировать термические поражения по глубине поражения структурных слоев кожного покрова. При этом к поверхностным ожогам относят ожоги I, II, ША степени, а к глубоким ожогам - ШБ и IV ст. При поверхностных поражениях функция кожи выпадает частично, при глубоких -полностью. Различают качественные и количественные клинические критерии

Из качественных критериев диагностики наиболее информативным и достоверным является морфологический метод исследования ожога, однако этот метод требует больших трудо- и время затрат. Кроме того, его проведение вызывает значительное дополнительное травмирование кожи для гистологического исследования. Визуально-мануальный способ оценки исхода термического поражения дает качественные характеристики внешнего вида и свойств кожи - покраснение, наличие волдырей, некроз тканей. Он более оперативен, чем морфологический метод, но менее достоверен.

Количественные способы диагностики отличаются друг от друга использованием различных физических явлений и их приборным исполнением. В [1] диагностика проводится по внутритканевому давлению, в [2] - по амплитуде ультразвукового сигнала, в [3] - по температуре поврежденных участков кожи путем сравнения с не пораженными симметричными участками кожи.

Причинно-следственные методы

диагностики, в том числе и термодинамические методы, результатов воздействия поражающих факторов окружающей среды на объекты различной физико-химической природы основываются на теоремах и положениях теории вероятностей и математической статистики для нормального закона распределения случайной величины [4].

Поражающими факторами природных и техногенных катастроф являются резкие изменения (отклонения) параметров состояния окружающей

среды (температура, давление, концентрация компонентов в атмосфере от нормальных (равновесных) значений.

Поражающим воздействием природной или техногенной опасности называют негативное влияние одного или совокупности поражающих факторов на человека, животных, растений, которое при превышении определенных пороговых значений этих факторов приводит к их поражению.

В медицине количество физических, биологических, химических поражающих воздействий, представляющих опасность для жизнедеятельности человека, условно называют «дозой». Следствием воздействия опасных факторов на человека могут быть ожоги и отравления различной степени, шок, потеря сознания, летальный исход, условно называемые «эффектом». «Эффект», зависящий от множества трудноформализуемых объективных и

субъективных факторов, является случайной величиной. Основная задача математической статистки в медицине состоит в установлении количественных соотношений между «дозой» и «эффектом». Установление критической «дозы», вызывающей «эффект» определенной тяжести, проводится в экспериментах с варьированием количества «дозы».

В термодинамическом методе причиной возникновения ожоговой болезни является тепловая энергия, поглощаемая структурными слоями кожного покрова человека. В общем случае энергия может подводиться различными механизмами -излучением, конвекцией, теплопроводностью и их комбинацией. Плотность теплового потока может быть постоянной или изменяться во времени.

При тепловом поражении человека в качестве критерия «дозы» приняты следующие термодинамические параметры: количество облучения

О = Я -х,

где q - плотность постоянного теплового потока, Вт/м2, т - время воздействия, сек., индекс облучения [5]

I = Ц/3 -х-10

логарифм индекса облучения

О = 1п1,

Общепринятыми медицинскими

критериями «эффекта» по глубине поражения являются ожоги I, II, ША, ШБ, IV степени [6].

Практически важным свойством критериев (2) и (3) является инвариантность ко времени воздействия постоянного теплового потока в диапазоне от 1 до 60 сек, т. е. скорости нагрева. Поэтому этот критерий используется в пробит-функциях для прогнозирования вероятностей возникновения термических ожогов

Рг = а + Ь - 1п I,

где а и Ь - постоянные коэффициенты, идентифицируемые в экспериментах по воспроизведению ожогов; Рг - пробит, нормированное отклонение случайной величины

Ьп1 с нормальным законом распределения. При этом для заданной вероятности индекс облучения сохраняет постоянное значение независимо от скорости нагрева.

С целью минимизации человеческих потерь в катастрофах мирного и военного времени, позволяющей оказать помощь наибольшему числу пораженных, в [7] впервые предложен и в [8] получил дальнейшее развитие метод медицинской сортировки обожженных при массовых поражениях в ЧС. В методе медицинской сортировки также применяется пробит-анализ. Но в качестве критерия выбрана совокупность двух факторов - площадь поражения и возраст пораженных.

Для практического применения метода предлагается координатная сетка ориентировочной вероятности гибели для различных комбинаций возраста и площади, представленная на рис. 1. Координаты с «0» значением указывают на благоприятный исход, со значением «1» означает гибель пациента. Таблица позволяет выделить пострадавших с благоприятным исходом и бесперспективных для лечения. Создается возможность концентрации сил и средств для оказания помощи пострадавшим с вероятностью неблагоприятного исхода от 0.1 до 0.9.

^зг

13 ГТ «-7?

ем? ,

и-ат

43-4Т

ЯЛ

з? з £

гм?

11-17 9-12

к-и »-» I »-я

4 Л 6

0 '^---¡г---}-; .

О ф <1 в о

0 о (I А 0

—<п .1

[I (ЯШ

Рис. 1 - Координатная сетка ориентировочной вероятности гибели для различных комбинаций возраста и площади

Метод медицинской сортировки обоснован в результате статистической обработки историй ожоговой болезни боле десяти тысяч пациентов на кафедре термических поражений военно-медицинской академии им. С.М. Кирова. Он имеет вероятностную компоненту и удобен в применении, но является клиническим методом, так как не имеет корреляционной связи «доза-эффект».

Таким образом, принципиальное различие методов состоит в том, что при массовом термическом поражении людей термодинамический метод априори позволяет по известному сценарию аварийной ситуации рассчитывать:

• распределение тепловой энергии во времени и пространстве вокруг аварийного источника;

• по пробит-функциям вероятность возникновения каждой степени тяжести поражения кожи во всех пространственных зонах вокруг аварийного источника энергии;

-4

• общее количество пострадавших каждой степени тяжести во всех зонах термического поражения по известной плотности распределения обслуживающего персонала и населения вокруг опасного источника.

После выполнения расчетов на компьютерном программно-вычислительном

комплексе в течение нескольких минут вся информация о количестве пораженных различной степени тяжести в различных пространственных зонах может передаваться в цифровом формате во все медицинские службы МО РФ, МЧС РФ и Минздравсоцразвития РФ.

В отличие от термодинамического метода клиническая диагностика выявляет количество пострадавших с различной степенью тяжести термического поражения и группу пострадавших с вероятностью летального исхода от 0,1 до 0,9, а также необходимый объем медицинской помощи только после прибытия медицинских бригад в район ЧС.

Важно отметить, что кроме принципиального различия в методах диагностики, клинический метод может дополнять термодинамический в части независимой оценки группы пострадавших с различной степенью тяжести и проведении организационно-технических и лечебных мероприятий после прибытия спасательных и медицинских подразделений на место аварии.

Из применения теоремы теории вероятностей, согласно которой сумма вероятностей несовместных событий, образующих полную группу, равна единице, и интегральной теоремы Лапласа по оценки вероятностей в интервале между двумя независимыми случайными событиями к оценке вероятностей возникновения термических ожогов следует, что достоверность оценки количества пострадавших различных степеней термического поражения зависит от количества членов группы из этих степеней.

Например, если взять группу из двух независимых событий - термических ожогов II степени и летального исхода, то по пробит-функциям для выбранных степеней ожогов можно рассчитать вероятность возникновения летального исхода, вероятность ШЛ - IV степеней вместе взятых, вероятность болевого порога и I степени вместе взятых. Если выбрать полную группу статистически различимых степеней термического поражения - отсутствие ожогов, болевой порог, ожоги I, II, ША, ШБ, IV степени, летальный исход, то достоверность оценки будет максимальной.

В отечественном стандарте [9] для летального исхода используется пробит-функция Ейзенберга [5], в действующем международном стандарте [10] - пробит-функция для ожога II степени с вероятностью 0,5. Пробит-функции для других степеней термического поражения в нормативных отечественных и зарубежных документах отсутствует.

Следовательно, для максимальной достоверности оценки количества пострадавших

всех степеней термического поражения необходима информация по недостающим пробит-функциям для остальных степеней поражения полной группы.

Авторами на основании гармонизации отечественных и зарубежных методов оценки пожарного риска [11 ^ 15] обосновано большинство недостающих пробит-функции.

Таким образом, метод прогнозирования массовых термических поражений в условиях чрезвычайных ситуаций, включающий

компьютерную прогностическую программу расчета количества пострадавших с различной степенью тяжести термических поражений, отличается тем, что с целью минимизации потерь в ЧС за счет сокращения времени от момента поступления информации о ЧС до момента начала оказания медицинской помощи, определения срочности, очередности и объема оказания неотложной медицинской помощи, эвакуационного направления пострадавших, очередности эвакуации

последовательно рассчитываются:

по стандартным методикам - распределение плотности теплового потока во времени и пространстве вокруг аварийного источника;

по пробит-функциям - вероятность возникновения каждой степени тяжести поражения кожи по всем пространственным зонам вокруг аварийного источника за время воздействия источника тепловой энергии;

по плотности распределения

обслуживающего персонала и населения -количество пострадавших каждой степени тяжести во всех зонах термического поражения вокруг аварийного источника.

Заключение

Результаты исследования могут быть использоваш медицинскими службами МО РФ, МЧС РФ и Минздравсоцразвития РФ для прогнозирования количества пострадавших с различными степенями тяжести при массовом термическом поражении людей в условиях чрезвычайных ситуаций (ЧС), связанных с техногенными авариями в нефтегазохимическом комплексе, аэрокосмической технике, атомной энергетике, металлургии, военными конфликтами, аномальными природными явлениями,

террористическими актами.

Литература

1. Лебединский В. Ю., Сорокин А.А. Способ экспресс-прогноза исхода термического поражения кожных покровов в эксперименте. Заявка 94002304/14, 21.01.1994.

2. Дерябин А.И., Шанькова З.Н. Способ диагностики ожогов. Заявка 96113168/14, 02.07.1996.

3. Боровик И.Д., Крылов К.М., Манойлов В.Е., Чистякова Е.Н. Способ определения термического поражения кожи человека. Заявка 2545177/28-13, 21.11.1977.

4. Бессмертный Б. С. Математическая статистика в клинической профилактической и экспериментальной медицине. - М.: Медицина, 1967, 303 с.

5. Eisenberg N.A, Lynch C.J, Breding. Vulnerabiliti model: A simulation system for assessing damage resulting marine spills. U.S. Burean of mines, R1 3867, Feb. 1946. 167 p.

6. Термические и радиационные ожоги / Под ред. Л.И. Герасимовой, Г.И. Назаренко. - М.: Медицина. - 2005. -С. 124.

7. Zawacky B.E., Azen S.P., Imbus Sh.H., Chang Yuing-Tay C. Multyfactorial probit analysis of mortality in burned patients / B.E. Zawacky, S.P. Azen, Sh.H. Imbus, Chang Yuing-Tay C. //Annals of surgery. - Vol.189, №1, jan. 1979,

pp 1-5.

8. Матвеенко А.В. Основы медицинской сортировки обожженных при массовых поражениях / А.В. Матвеенко // Скорая медицинская помощь. - 2010. № 1. - С. 8-13.

9. ГОСТ Р 12.3.047-98. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля.

10. International Organization for standardization. Clothing for protection against heat and flame - determination of heat transmission on exposure to both flame and radiant heat/ ISO Standard 17492, Geneva, Switzerland, 2003.

11. Еналеев Р.Ш., Теляков Э.Ш., Хайруллин И.Р. и др. Критерии опасности теплового поражения человека / Р.Ш. Еналеев, Э. Ш. Теляков, И. Р. Хайруллин и др. //

Безопасность жизнедеятельности. - 2008. - № 8. - С. 4043.

12. Еналеев Р.Ш., Теляков Э.Ш., Закиров А.М. и др. Методы оценки теплового поражения людей в чрезвычайных ситуациях / Р.Ш. Еналеев, Э.Ш. Теляков, А.М. Закиров и др. // Безопасность жизнедеятельности/ -2009. - № 9. - С. 30-36.

13. Еналеев Р.Ш., Теляков Э.Ш., Закиров Г.М. и др. Прогнозирование санитарных потерь от воздействия теплового излучения в чрезвычайных ситуациях // Безопасность жизнедеятельности, - 2011. - №1. С. 3641.

14. Еналеев Р.Ш., Теляков Э.Ш., Закиров Г.М., Чистов Ю.С., Габидуллин А.Ф. Системный анализ пожарной опасности на химических предприятиях / Р.Ш. Еналеев, Э.Ш. Теляков, Г.М. Закиров, Ю. С. Чистов, А.Ф. Габидуллин // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - № 21. - С. 185-193.

15. Еналеев Р.Ш., Закиров А.М., Чистов Ю.С., Теляков Э. Ш. Термодинамические критерии теплового поражения человека в техногенных авариях / Р. Ш. Еналеев, А.М. Закиров, Ю.С. Чистов, Э.Ш. Теляков // Вестник Казанского технологического университета. -2012. - Т. 15. - № 17. - С. 50-55.

© Р. Ш. Еналеев - к.т.н., доцент, старший научный сотрудник кафедры плазмохимии и нанотехнологии высокомолекулярных соединений КНИТУ, firepredict@yandex.ru; Э. Ш. Теляков - д.т.н., профессор кафедры машин и аппаратов химических производств КНИТУ, tesh1939@mail.ru; Ю. С. Чистов - к.т.н., ассистент кафедры машин и аппаратов химических производств КНИТУ, yura-chistov@yandex.ru; В. С. Гасилов - к.т.н., доцент кафедры промышленной безопасности КНИТУ.

© R. Sh. Enalejev - Ph.D., associate Professor, senior researcher of the Department of plasma chemistry and nanotechnology macromolecular compounds KNRTU; E. Sh. Telyakov - doctor of technical Sciences, Professor of the Department of machines and equipment of chemical plants KNRTU; U. S. Chistov - Ph.D., assistant of the Department of machines and equipment of chemical plants KNITU; V. S. Gasilov - Ph.D., associate Professor of industrial safety KNRTU.