научная статья по теме ОЦЕНКА ОБЛАСТЕЙ БРОНХИАЛЬНОГО ДЕРЕВА ЗДОРОВОГО ЧЕЛОВЕКА, ВОВЛЕЧЕННЫХ В ФОРМИРОВАНИЕ СВИСТОВ ФОРСИРОВАННОГО ВЫДОХА Биология

Текст научной статьи на тему «ОЦЕНКА ОБЛАСТЕЙ БРОНХИАЛЬНОГО ДЕРЕВА ЗДОРОВОГО ЧЕЛОВЕКА, ВОВЛЕЧЕННЫХ В ФОРМИРОВАНИЕ СВИСТОВ ФОРСИРОВАННОГО ВЫДОХА»

УДК 612.216.014.464

ОЦЕНКА ОБЛАСТЕЙ БРОНХИАЛЬНОГО ДЕРЕВА ЗДОРОВОГО ЧЕЛОВЕКА, ВОВЛЕЧЕННЫХ В ФОРМИРОВАНИЕ СВИСТОВ ФОРСИРОВАННОГО ВЫДОХА © 2015 г. В. И. Коренбаум1, 2, И. А. Почекутова1, М. А. Сафронова1

1 Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения РАН, Владивосток

2 Дальневосточный федеральный университет, Владивосток E-mail: v-kor@poi.dvo.ru Поступила в редакцию 14.02.2013 г.

Свисты форсированного выдоха (СФВ) применимы для диагностики бронхиальной обструкции, однако ясности с механизмами и возможной локализацией областей их формирования так и не достигнуто. Целью работы было уточнение областей формирования СФВ по уровням бронхиального дерева при различных вариантах динамического обжатия. У 85 здоровых испытуемых-мужчин (в возрасте 16—23 лет) измерены пиковые частоты среднечастотных (400—600 Гц) и высокочастотных (более 600 Гц) СФВ наибольшей мощности и скорости потока у рта. Для вайбелевской морфомет-рии бронхиального дерева получены расчетные значения коэффициентов Струхаля по уровням бронхиального дерева. Показано, что для СФВ, образуемых за счет срыва вихрей с коэффициентами Струхаля 0.2—0.3, наблюдается тенденция к проксимальному смещению области их формирования с увеличением степени динамического обжатия дыхательных путей. Для наиболее обоснованных оценок динамического обжатия основной областью формирования среднечастотных СФВ является выход из внутригрудного участка трахеи в ее наружную часть и бифуркация трахеи, а наиболее вероятной зоной формирования ранних высокочастотных СФВ — бифуркации главных бронхов и трахеи.

Ключевые слова: форсированный выдох, свисты, пиковая частота, статистическое моделирование, срыв вихрей, коэффициент Струхаля, динамическое обжатие.

Б01: 10.7868/80131164614060058

Форсированный выдох (ФВ) — дыхательный маневр, представляющий собой резкий и полный выдох из положения максимального вдоха, широко используется в диагностике вентиляционной функции легких. ФВ в норме сопровождается динамическим обжатием дыхательных путей, изменяющим величину их внутреннего просвета. Известно, что динамическое обжатие, вызывающее ограничение потока выдыхаемого газа, при ФВ начинается вскоре после достижения пиковой объемной скорости выдоха с внутригрудного участка трахеи и в процессе маневра может распространяться на нижележащие уровни бронхиального дерева [1].

Форсированный выдох часто сопровождается свистящими звуками, которые получили название свистов форсированного выдоха (СФВ) [2]. Высказывались предположения, что СФВ могут иметь диагностический потенциал [3—5], и потому исследованию механизмов и областей их формирования в бронхиальном дереве было посвящено значительное число работ.

В работах [6, 7] в качестве механизма СФВ рассматривается модель автоколебательного динамического флаттера. Однако большинство конкурирующих моделей подразумевает механизм вынуждаемого потоком срыва вихрей либо на ветвлениях бронхиального дерева с коэффициентами Струхаля 0.3 [8], 0.2 [9—11], либо на вызванном динамическим обжатием при ФВ резком пережатии просвета трахеи [12], в частности, с коэффициентом Струхаля 0.9 [13], либо на голосовых складках [14], либо на ребрах жесткости, обусловленных хрящевым скелетом трахеи

[15]. Несмотря на разнообразие моделей, исчерпывающей ясности с механизмами формирования СФВ даже у здоровых лиц так и не достигнуто

[16]. Столь же противоречивая ситуация и с возможной локализацией областей формирования СФВ по уровням бронхиального дерева. Это и крупные бронхи [2], и диапазон генераций бронхиального дерева от трахеи до 7-го порядка ветвления [11], и трахея [12—15].

В работе [17] путем исследования сходства спектрограмм СФВ над трахеей и нижними отделами легких показано, что СФВ наибольшей мощности образуются ближе к трахее (проксимально), тогда как менее мощные СФВ — в более дистально расположенных уровнях бронхиального дерева. Выявленная зависимость характеристик среднечастотных и ранних высокочастотных СФВ от плотности используемой для дыхания газовой смеси свидетельствует о том, что индуцированные турбулентным потоком вынужденные колебания являются вероятным механизмом формирования этих СФВ. Судя по степени сходства спектрограмм СФВ между нижними отделами левого и правого легких, в формирование наиболее мощных среднечастотных и ранних высокочастотных СФВ при дыхании воздухом вовлечены трахея и главные бронхи, что, согласно работе [16], близко к предсказаниям расширенной модели срыва вихрей [8].

Цель настоящего исследования заключалась в уточнении областей формирования СФВ наибольшей мощности по уровням бронхиального дерева при различных вариантах учета динамического обжатия центральных дыхательных путей у здоровых лиц. При этом в качестве гипотетического механизма формирования СФВ рассматривается срыв вихрей.

МЕТОДИКА

Обследована группа добровольцев, давших информированное согласие на проведение исследования, которая состояла из 85 здоровых лиц мужского пола в возрасте от 16 до 23 лет. Протокол исследования был одобрен заключением этического комитета Медицинского объединения Дальневосточного отделения РАН.

Подход к моделированию. С точки зрения полуэмпирической модели шума в вентиляционных системах [18], используемой в работе [9], препятствие в виде соединения дыхательных путей (ДП) [11] может при выдохе трактоваться как ступенчатое увеличение сечения. Выражение для частоты максимума шума срыва вихрей, наблюдаемого на выходе по потоку из ДП /-той генерации бронхиального дерева, можно тогда представить в виде:

/= КВД, (1)

где 4 — средний диаметр ДП на /-том уровне бронхиального дерева, К — число Струхаля, Ц — линейная скорость потока на /-том уровне бронхиального дерева. Аналогично может быть описан и срыв вихрей ниже по потоку от пережатия ДП /-той генерации бронхиального дерева (ступенчатое увеличение сечения).

При выполнении спирографических измерений можно получить зависимость объемной ско-

рости потока (расхода) выдыхаемого газа от времени К(/). Тогда, в предположении несжимаемости газа и правильного дихотомического ветвления бронхиального дерева, линейная скорость потока на /-том уровне бронхиального дерева в выражении (1) может быть записана как:

Ц = К(0/(^Да), (2)

где N = 2 ' — количество ДП /-того порядка ветвления бронхиального дерева в предположении правильного дихотомического ветвления, S' ~ й2 — площадь просвета ДП -того порядка ветвления, а — остающаяся в результате динамического обжатия, сопровождающего ФВ, доля площади просвета ДП относительно ее максимального значения.

Отсюда следует, что, определяя пиковую частоту СФВ /(/) в определенный момент времени и задаваясь вейбелевскими среднестатистическими диаметрами ДП [19], мы можем оценить значения коэффициентов Струхаля для различных уровней бронхиального дерева. В предположении о равномерном обжатии как зон ветвления ДП, так и их участков, лежащих между зонами бифуркаций бронхиального дерева [11], расчетное значение коэффициента Струхаля может быть записано в виде:

К=Д0/К(0/№3/2 й3). (3)

В соответствии с моделью поперечного срыва двух вихрей на бифуркации бронхиального дерева [11] ожидаемое значение К = 0.2. Аналогичное значение коэффициента Струхаля ожидается при срыве вихрей на ступенчатом увеличении сечения ДП, например, на выходе из обжатого при ФВ внутригрудного участка трахеи в ее недефор-мированную экстраторакальную (наружную) часть. В то же время, в соответствии с моделью [8], при срыве на бифуркации бронхиального дерева четырех вихрей ожидаемое значение К~ 0.3. Отличие между этими вариантами коэффициентов Струхаля настолько мало, что вряд ли может быть выявлено при статистическом моделировании [16]. Поэтому следует продолжить поиски единого варианта К~ 0.2—0.3. С другой стороны, вариант срыва вихрей на резком пережатии просвета ДП [13] может ожидаться при К~ 0.9.

Итак, для тех уровней бронхиального дерева и текущих значений времени маневра ФВ, где расчетное значение К будет близко к указанным ожидаемым значениям, уместен механизм срыва вихрей соответствующего типа. Так выглядит основная идея предлагаемого подхода к статистическому моделированию.

Учет динамического обжатия. Оценка степени обжатия просвета дыхательных путей (а) при ФВ представляет серьезную метрологическую про-

Таблица 1. Коэффициенты Струхаля (К) наиболее мощных среднечастотных свистов форсированного выдоха (СЧ СФВ, 400—600 Гц) при различных вариантах остаточного просвета дыхательных путей (а)

i d, mm n t/T ас *0 aj K1 a2 K2 a3 K3 CV

0 18 82 0.1 1 0.37 0.8 0.26 0.8 0.26 0.8 0.26 0.25

85 0.25 1 0.56 0.67 0.31 0.45 0.17 0.2 0.05 0.27

71 0.5 1 1.07 0.76 0.71 0.45 0.32 0.2 0.10 0.36

42 0.75 1 6.91 0.78 4.76 0.45 2.07 0.2 0.62 0.37

1 12.2 82 0.1 1 0.23 0.88 0.19 0.88 0.19 0.88 0.19 0.25

85 0.25 1 0.35 0.7 0.20 0.38 0.08 0.2 0.03 0.27

71 0.5 1 0.67 0.7 0.39 0.38 0.16 0.2 0.06 0.36

42 0.75 1 4.30 0.78 2.96 0.38 1.01 0.2 0.38 0.37

2 8.3 82 0.1 1 0.15 0.86 0.12 0.25

85 0.25 1 0.22 0.58 0.10 0.27

71 0.5 1 0.42 0.48 0.14 0.36

42 0.75 1 2.71 0.39 0.66 0.37

Примечание. Здесь и в табл. 2 и 3:

а0 — без учета деформации просвета дыхательных путей; а1 — по данным [20]; а2 — по данным [22, 23]; а3 — по данным [21]; п — число испытуемых, у которых наблюдались данные СФВ.

Здесь и в табл. 2 и 3 подчеркнуты расчетные значения К0-К3, которые в пределах + 1.655Д (односторонняя оценка) перекрывают ожидаемый интервал значений числа Струхаля 0.2—0.3 соответственно снизу (+) или сверху (—).

Для К3 жирным шрифтом выделены расчетные значения, которые в пределах + 1.65Ж перекрывают ожидаемое значение числа Струхаля 0.9 соответственно снизу (+) или сверху (—).

Таблица 2. Коэффициенты Струхаля (К) наиболее мощных ранних высокочастотных свистов форсированного выдоха (ВЧ СФВ, >600 Гц) при различных вариантах остаточного просвета дыхательных путей (а)

i di, mm n t/T a0 K0 ax K1 a2 K2 a3 K3 CV

0 18 32 0.1 1 0.98 0.8 0.70 0.8 0.70 0.8 0.70 0.23

39 0.25 1 1.46 0.67 0.80 0.45 0.44 0.2 0.13 0.28

27 0.5 1 3.00 0.76 1.99 0.45 0.90 0.2 0.27 0.39

12 0.7

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком