Влияние дыхания подогретыми газовыми смесями на механический импеданс дыхательного тракта человека

ВЛИЯНИЕ ДЫХАНИЯ ПОДОГРЕТЫМИ ГАЗОВЫМИ СМЕСЯМИ НА МЕХАНИЧЕСКИЙ ИМПЕДАНС ДЫХАТЕЛЬНОГО ТРАКТА ЧЕЛОВЕКА

Сытник Е.Б. и, Гусева Е.А. и, Дьяченко А.И.1,2,3, Шулагин Ю.А.1, Тугушева М.П. 1 1 - ГНЦ РФ - Институт медико-биологических проблем РАН

2 - Московский физико-технический институт

3 - Институт общей физики РАН им. А.М. Прохорова

Сравнивали влияние дыхания различными подогретыми дыхательными смесями разной влажности на механический импеданс дыхательного тракта человека. Обнаружено, что реакции системы внешнего дыхания на дыхание подогретым воздухом и подогретой кислородно-гелиевой смесью различаются. Увлажнение смесей влияет на величину и направленность изменения импеданса дыхательного тракта человека.

Введение. Подогретые дыхательные газовые смеси (ДГС) с различными фармакологическими добавками используются для экспериментальных исследований, ингаляционной терапии бронхолегочных заболеваний и в качестве средства реабилитации после переохлаждения и физических нагрузок. ДГС формируются на основе воздуха или кислородно-гелиевой смеси (КГС) [1]. Из-за разной плотности, теплоемкости и теплопроводности подогретый воздух и КГС могут по-разному влиять на механику дыхания.

Целью нашей работы являлись экспериментальные исследования действия подогретых ДГС на механический импеданс системы дыхания человека.

Методы и результаты. С помощью разработанного нами прибора методом вынужденных колебаний измеряли действительную и мнимую части импеданса дыхательного тракта на частотах от 6 до 26 Гц. Измерение входного механического импеданса методом вынужденных колебаний состоит в приложении малых колебаний давления к системе дыхания и изучении амплитудного и фазового соотношения между потоком и давлением [2]. Человек в ходе измерений дышал через загубник, подсоединенный к установке, предназначенной для измерения импеданса. Установка включала: 1) систему трубок, 2) динамик, на который подается сигнал от генератора, содержащий широкий спектр частот, 3) трубку Лилли, 4) два датчика дифференциального давления (PK 8772 4, Honneywell, США). С помощью одного датчика давления измеряли колебания ротового давления, а с помощью другого датчика - измеряли колебания потока воздуха, проходящего через загубник и трубку Лилли. Испытуемые надевали зажим на нос и прижимали ладонями щеки, чтобы весь колебательный поток поступал в дыхательный тракт. Регистрация и анализ сигналов проводились с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) Е14-140 производства компании Л-Кард (Россия) и программы, написанной в среде LabVIEW. В программе регистрировали сигналы потока и давления с частотой опроса АЦП 50 кГц для каждого канала. Далее строили спектры этих сигналов, используя быстрое преобразование Фурье. Затем вычисляли отношение амплитуды спектра давления к амплитуде спектра потока и разность фаз на заданных частотах (6, 10, 14, 18, 22, 26 Гц). В конечном итоге получали значения действительной и мнимой частей дыхательного импеданса человека, а также величины параметров модели импеданса, состоящей из последовательно соединенных элементов сопротивления, инерционности, растяжимости. Сопротивление равно действительной части импеданса, усредненной по использованному диапазону частот.

Статистические достоверности вычисляли при помощи программы StatSoft Statistika, используя непараметрический критерий Уилкоксона.

В первом эксперименте, состоящем из трех серий, проводили исследования с участием группы из восьми здоровых человек в возрасте от 20 до 48 лет. В первой

серии исследований в качестве экспериментального воздействия использовали подогретую КГС (21% кислорода, 79% гелия, производства СКБЭО при ГНЦ РФ -ИМБП РАН). Во второй серии исследований использовали подогретый воздух. В третьей серии применили вентолин, оказывающий бронходилатирующее действие с первых 5 минут применения и до 4-6 часов. Подогрев КГС и воздуха осуществлялся прибором ИНГАЛИТ производства СКБЭО при ГНЦ РФ - ИМБП РАН. Средняя температура воздуха в подмасочном пространстве равна 45°С, диапазон дыхательных колебаний температуры составляет от 53°С на вдохе до 37°С на выдохе.

Исследования каждого испытуемого проходили в течение трех дней. В первой и второй серии сначала измеряли дыхательный импеданс, затем проводили дыхание подогретой КГС или воздухом в режиме: 3 раза по 5 мин дыхания с двумя перерывами по 5 мин. Далее измеряли дыхательный импеданс сразу, через 30 мин и через 60 мин после окончания воздействия подогретой ДГС. Исследования с применением вентолина проводились по следующей схеме: измерения импеданса, затем ингалация вентолина, далее повторные измерения через 15 мин и 30 мин после ингаляции. В течение одного дня у каждого из испытуемых проводили исследования только с одним видом воздействия. Для устранения эффектов тренированности и привыкания была проведена рандомизация исследований - у половины испытуемых сначала применяли дыхание подогретой КГС, а у другой половины - воздухом. Ингаляция вентолином у всех испытуемых проводилась в последний день исследований.

1 —

воздух  кгс  вентолин

£ — Г

до сразу через 15 через 30 через 60 после мин мин мин

Рис.1. Изменение сопротивления дыхательного тракта при дыхании различными ДГС. Звёздочками обозначены достоверные изменения (р<0.05).

а

до сразу после через 15 через 30 через 60 мин мин мин

0

Рис.2. Изменение растяжимости дыхательного тракта при дыхании различними ДГС. Звёздочками обозначены достоверные изменения (р<0.05).

Обнаружено, что сразу после дыхания подогретой КГС сопротивление достоверно увеличивалось (рис. 1). Это может быть связано с бронхоконстрикцией или увеличением кровенаполнения легких. Через час после дыхания ДГС наблюдали различные изменения. В серии дыхания подогретым воздухом наблюдали тенденцию к снижению сопротивления, а в серии дыхания КГС сопротивление оставалось повышенным (р<0.1). Возможно, это связано с соответствующей дилятацией и констрикцией дыхательных путей.

Ранее в нашей лаборатории были проведены теоретические исследования тепломассопереноса в дыхательном тракте при дыхании подогретыми воздухом и КГС [3]. Теоретические исследования показали, что при движении по дыхательным путям сухая подогретая КГС быстрее, чем воздух, остывает и насыщается водяными парами. Это хорошо согласуется с экспериментальными данными первого эксперимента, если предположить, что сужение дыхательных путей и увеличение импеданса связано с подсушиванием слизистой оболочки дыхательных путей сухой ДГС.

В связи с этим возникла необходимость исследования эффектов дыхания ДГС с различной влажностью.

Во втором эксперименте сравнивали эффекты влияния дыхания подогретым сухим/влажным воздухом и подогретой сухой/влажной КГС у восьми здоровых добровольцев. У каждого испытуемого проводили исследования в каждой из шести серий:

1) дыхание комнатным воздухом с температурой 21-25 °С и влажностью 15-30 %;

2) дыхание сухим подогретым воздухом; температура вдыхаемой ДГС 55-70 °С;

3) дыхание влажным подогретым воздухом при включенном ультразвуковом распылителе жидкости; температура вдыхаемой ДГС 55-70 °С, влажность 55-80 %;

4) дыхание сухой подогретой кислородно-гелиевой смесью (КГС) температура вдыхаемой ДГС 55-70 °С,

5) дыхание влажной подогретой КГС при включенном ультразвуковом распылителе жидкости; температура вдыхаемой ДГС 55-70 °С, влажность 55-80 %;

6) дыхание влажной подогретой КГС с использованием портативного аппарата "Ингалит-М", температура сухой ДГС в нагревателе равна 95 °С, температура влажной вдыхаемой ДГС после прохождения пористого увлажнителя находилась в диапазоне 28-32 °С.

Исследования показали, что влияние сухих и увлажненных смесей различно

(рис.3).

контроль горячий сухой горячий горячая сухая горячая влажная КГС с

воздух влажный КГС влажная КГС температурой

воздух 28-32 ОС

ДГС

1.2

0,9

0.8

0.6

Рис. 3. Изменения осцилляторного сопротивления дыхательного тракта, нормированные на величины, измеренные до дыхания ДГС. Звёздочками обозначены достоверные изменения (р<0.05).

После дыхания подогретой сухой КГС сопротивление увеличивается, а после дыхания подогретой увлажненной КГС сопротивление уменьшается. Следует отметить изменения сопротивления в контрольной серии. По-видимому, это связано с измерениями температуры поверхности тела с помощью тепловизора. Для этих измерений испытуемые в течение трех часов находились без верхней одежды. Охлаждение поверхности тела и пребывание в положение «сидя» могло повлиять на динамику импеданса в контрольной серии. Выводы:

1. Реакции системы внешнего дыхания на дыхание подогретым воздухом и подогретой кислородно-гелиевой смесью различаются. Возможной причиной найденных различий реакции системы внешнего дыхания может быть разный температурный профиль в дыхательном тракте, вызванный различиями теплопроводности и теплоемкости гелия и азота.

2. Увлажнение смесей влияет на величину и направленность изменение импеданса дыхательного тракта человека.

Работа выполнена при частичной поддержке грантов ЖС-12.6/001, НШ -1792.2008.1, РФ ФИ 06-07-00436-а.

1. Павлов Б.Н, Дьяченко А.И., Шулагин Ю.А. Павлов Н.Б., Буравкова Л.Б., Попова Ю.А., Манюгина О.В., Сытник Е.Б. Исследования физиологических эффектов дыхания подогретыми кислородно-гелиевыми смесями. //Физиология человека, 2003, том 29, № 5, с. 69-73.

2. Баранов В.М., Дьяченко А.И. Информативность метода вынужденных колебаний в исследованиях механики дыхания // Успехи физиологических наук. 1991. Т. 22. № 3. С. 25-40.

3. Дьяченко А.И., Манюгина О.В. Математическая модель влияния дыхания подогретой кисрородно-гелиевой смесью на тепломассообмен. //Российский журнал биомеханики, том 7, № 3: 61-68, 2003

Annotation

Response of human respiratory impedance to warm gas mixtures with different humidity was compared. It was observed that respiration system reacts in different ways if warm air or warm helium-oxygen mixture are inhaled. Breathing mixtures humidification affects human respiratory impedance range and variation.