مقدمه: چالش تنفس در یک پرواز

تنفس انسان به خوبی تنظیم شده است تا در نزدیکی سطح دریا عمل کند، جایی که فشار جزئی اکسیژن در اتمسفر تقریبا 21 kPa است، زیرا ارتفاع افزایش می یابد، فشار بر اقتصاد کاهش می یابد و فشار جزئی اکسیژن به طور متناسب با 2500 متر (8000 فوت) کاهش می یابد، کمبود اکسیژن به طور بالینی مرتبط می شود، باعث یک آبشار پاسخ های فیزیولوژیکی به طور جمعی به عنوان پاسخ های ایمنی تنفسی هیپوxic شناخته می شود.

بدن انسان می تواند تا حدودی با هیپوکسی از طریق انقباض سازگار شود، اما این فرایند روزها تا هفته ها طول می کشد و مدل های بسیار فردی ریاضی و محاسباتی سیستم تنفسی به محققان اجازه می دهد تا پیش بینی کنند که چگونه ریه های فرد، راه های هوایی، دیواره قفسه سینه و مکانیسم های کنترل تحت شرایط اکسیژن کاهش می یابند، این شبیه سازی ها به سوالات انتقادی پاسخ می دهند: در ارتفاع چه خطر بیماری شدید وجود دارد - و چه چیزی می تواند بر بیماری های مکانیکی غیر قابل قبول باشد؟

بنیادهای فیزیولوژیک: فرضیه و Acclimatization

چه اتفاقی برای تنفس در ارتفاع بالا می افتد؟

هنگامی که یک فرد به سرعت به ارتفاع بالای ۳۰۰۰ متر صعود می کند، بدن تنش اکسیژن کم شریانی را از طریق شیمی درمانی محیطی (در درجه اول بدن های کاروتنوئید) تشخیص می دهد، این باعث افزایش تهویه (هیپروسیتاسیون) می شود تا اکسیژن آلولار و دی اکسید کربن پایین تر را افزایش دهد، با این حال، هیپوکپسیا (low2) باعث کاهش جریان خون و رفع علائم کاهش می شود.

دیگر سازگاری های کلیدی شامل افزایش ضربان قلب، فشار عروق ریه بالا (شریک ریوی ریوی ریوی و عروقی) و تغییر در منحنی جداسازی هموگلوبین اکسیژن است.هر یک از این عناصر باید در یک شبیه سازی جامع تنفسی برای انجام پیش بینی های واقع بینانه نشان داده شود.

نقش مکانیک ریه

مکانیک تنفسی نیروهای فیزیکی درگیر در حرکت هوا را به داخل و خارج از ریه ها توصیف می کند.دو پارامتر اصلی (FLT:0) انطباق (تغییر حجم ریه در هر واحد تغییر در فشار) و airway مقاومت در برابر نور هوا] (مقاومت در جریان هوا) کاهش تراکم هوا کمی کاهش می یابد، اما حداکثر میزان عملکرد اکسیژن و مقاومت در برابر این تغییرات پایدار، می تواند افزایش یابد.

شبیه سازی: از پارامترهای Lumped گرفته تا CFD

مدل های Lumped-Parameter

این مدل های محفظه ای سیستم تنفسی را به عنوان یک شبکه خازن (خاک و دیواره قفسه سینه)، مقاومت کنندگان (واشراه ها)، و منابع (کل) نشان می دهند، آنها معادلات تفاوت معمول برای فشار، جریان و حجم را حل می کنند. با تنظیم پارامترهای برای ارتفاع (به عنوان مثال، فشار اکسیژن الهام بخش)، محققان می توانند تهویه دقیقه، هنر خون، و شبیه سازی یکپارچه را با استفاده از این مدل های متابولیکی و کارآمد شبیه سازی کنند.

دینامیک مایع محاسباتی (CFD)

CFD یک وضوح فضایی بسیار ظریف از جریان هوا در داخل راه های هوایی فراهم می کند - از trachea به برونشیولس. مدل های هندسی از CT یا اسکن MRI بازسازی شده اند و معادلات Navier- ⁇ برای جریان ثابت یا غیر قابل تعویض اکسیژن حل می شوند.در ارتفاع، کاهش تراکم گاز تغییر رژیم های جریان جریان جریان جریان جریان جریان جریان جریان جریان (به عنوان مثال، Reynolds) و تعداد شبیه سازی ذرات ضروری برای انتقال اکسیژن در محیط های مهم در لوله کشی.

مدل های فیزیولوژیک کل-Body

پلتفرم هایی مانند Physiome پروژه یا مدل های اختصاصی هوافضا مکانیک تنفسی را با سیستم های قلبی عروقی، عصبی و endocrine ادغام می کنند، آنها می توانند کل جدول زمانی بندی را شبیه سازی کنند - از دقیقه تا هفته - و پیش بینی تنوع فردی بر اساس سن، جنس، ترکیب بدن و تاریخ قرار گرفتن در معرض استفاده از این مدل های امن برای خلبانان به عنوان پروتکل های صعود اضطراری اکسیژن و پیش بینی می شود.

برای یک شیرجه عمیق تر به یک مدل یکپارچه، ببینید بر روی بیمار مجازی برای مکانیک تنفسی .

پارامترهای مدل کلیدی و وابستگی به یک چرخ

هر شبیه سازی معتبر از مکانیک تنفسی با ارتفاع بالا باید پارامترهای زیر را شامل شود که هر کدام با ارتفاع یا مدت زمان نوردهی تغییر می کنند:

  • [[[ویرایش] [۱] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱]] [۱۰]] [۱۰] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۲] [۲] [۲] [۲] [۲] [۲] [۱۰] [۲] [۲] [۲] [۲] [۲] [۲] [۲] [۲] [۲] [۲] [۲] [۲] [۲] [۱۰] [۲] [۲] [۲] [۲] [۲] [۲] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۲] [۱۰] [۲] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۲] [۱۰] [۱۰] [۲] [۱۰] [۲] [۲] [۲] [۲] [۲] [۲] [۲] [۲] [۲]
  • [[۱] [۱۰] [[۱]] [[۱۰]] [[۳]]] [[۳]]] [[۳]]] [[۳]]]] [[۳]]]] [[۱]]]] [[۳]]]] [[۳]]]] به عنوان یک نتیجه از درایو هیپوکسیک، اما رابطه دقیق بستگی به به به دست آوردن شیمی درمانی و نقطه دی اکسید کربن دارد.
  • مقاومت عروق ریوی: افزایش به دلیل کم تنشی ریه، بالا بردن مناسب پس از بارگذاری و به طور بالقوه منجر به بالا بودن اوج سن بلوغ ریه (HAPE).
  • (وَهُمْهُمْهُمْهُمْهُمْهُمِهُمِهُمِهُمِهُمِهُمِهُواِهُمِهُواًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاً مِنَهُوا مِنْمْمْمْمْهُوا مِنَهُوا مِنْهُوا مِنَهُوا مِنَهُمْمْمِنَهُمْمْهُوا مِنَهُوا مِنْهُمْهُمْمْهُوا مِنَهُمَهُوا مِنَهُمْهُمْهُمْهُوا مِنَهُمِنَهُمِنَهُمْهُمِنَهُمِنَهُمْهُوَهُمَهُوَهُم
  • مقاومت در برابر هوا: کاهش تراکم هوا پایین تر، اما این اثر با افزایش نرخ جریان و احتمال انقباض برونشوسیت در افراد حساس جبران می شود.
  • قدرت عضلانی تجدید پذیر: ممکن است با خستگی از hyperventilation طولانی و با کاهش تحویل اکسیژن به عضلات خود دچار اختلال شود.
  • وابستگی اکسیژن هللوبین: کمی در ارتفاع به دلیل افزایش 2،3-bis فسفاتoglycerate (2،3-BPG) افزایش می یابد، و باعث تسهیل تخلیه اکسیژن در بافت ها می شود.

مدلسازی دقیق این پارامترها به محققان اجازه می دهد تا سناریوهایی مانند فشرده سازی سریع، ورزش در ارتفاع یا اثر عوامل دارویی (به عنوان مثال، acetazolamide) را که تهویه را تحریک می کند، شبیه سازی کنند.

برنامه های کاربردی در پزشکی و ایمنی

بیماری کوه حاد و پیش بینی HAPE

شبیه سازی ها می توانند افراد را با خطر ابتلا به بیماری حاد کوه (AMS) یا افزایش ارتفاع بالا پس از ریه، با ورودی عملکرد پایه ریه، داده های گاز خون مصنوعی، و نرخ صعود، مدل ها می توانند پیش بینی کنند که اشباع اکسیژن مصنوعی زیر آستانه های بحرانی کاهش می یابد.این اطلاعات پزشکان کمک می کند تا توصیه می کند تا پزشکان برای سفر و پرسنل نظامی در مورد نیاز به برنامه های پیشگیری از بارداری یا کند.

طراحی تجهیزات حفاظت تنفسی

ماسک های اکسیژن مورد استفاده در حمل و نقل هوایی و کوهنوردی باید غلظت های بالایی از اکسیژن را در ارتفاع ارائه دهند در حالی که به حداقل رساندن مقاومت تنفس و فضای مرده کمک می کند. شبیه سازی های CFD به بهینه سازی هندسه ماسک، طراحی دریچه و نرخ جریان کمک می کند تا اکسیژن کافی تحت نیاز های تهویه بالا را تضمین کند.

سلامت خدمه در هواپیماهای بدون فشار

خلبانان هواپیماهای بدون فشار نور و گلیدرهای با عملکرد بالا با خطرات هیپوکسی مواجه هستند. شبیه سازی های پاسخ تنفسی به کمک فشرده به طور تدریجی تعریف آگاهی از زمان (TUC) منحنی و اطلاع از روش های اضطراری نیز در شبیه ساز های آموزشی استفاده می شود تا خلبانان را آموزش دهد تا علائم هیپوکسی را تشخیص دهند.

مسیر های آینده: شخصی سازی و داده های زمان واقعی

یادگیری ماشین و سنسور های قابل تحمل

نسل بعدی شبیه سازی های تنفسی شامل داده های از مواد مغذی پالس پوشیدنی، مانیتورهای CO2 پوست transcutaneous و ردیاب تنفسی است که الگوریتم های یادگیری ماشین می تواند به شخصی سازی پارامترهای مدل در زمان واقعی کمک کند، تنظیم پاسخ منحصر به فرد فرد فرد به هیپوxia.این سازگاری پویا می تواند کوهنوردان را در هنگام فرود یا استراحت هدایت کند و می تواند به سیستم های تحویل اکسیژن هوشمند یکپارچه شود.

مدل سازی چند منظوره و چند سازمانی

مدل های تنفسی فعلی اغلب از بقیه بدن جدا می شوند. پیشرفته فیزیوم مدل های اکنون مکانیک ریه را با عملکرد قلب، جریان خون مغزی و جبران خسارت های کلیوی جدا می کنند، چنین شبیه سازی های یکپارچه می توانند نه تنها تنفس را پیش بینی کنند بلکه خطر ابتلا به حساسیت بالا (HACE) و اختلال شناختی را نیز پیش بینی کنند.

شبیه سازی های با کیفیت بالا برای محیط های شدید

از آنجایی که برنامه انسان برای اقامت طولانی در ماه یا مریخ، جایی که زیستگاه ها در کاهش فشار اتمسفر قرار می گیرند، شبیه سازی های تنفسی ضروری می شوند، محققان در برنامه تحقیقات انسانی NASA] [FLT 1] برای تعیین حداقل فشار اکسیژن ایمن برای فعالیت های اضافی و پیش بینی خطر بیماری فشرده در طول راه رفتن باید این ترکیب های منحصر به فرد را در نظر بگیرند.

نتیجه گیری: اهمیت رو به رشد شبیه سازی

شبیه سازی مکانیک تنفسی انسان در محیط های با ارتفاع بالا دیگر یک ورزش آکادمیک طاقچه نیست، ایمنی میلیون ها نفر را که کار، سفر یا رقابت در ارتفاع دارند، از راهنمای هیمالیا گرفته تا خلبانان جنگنده، با ادغام فیزیولوژی دقیق با قدرت محاسباتی، ما می توانیم خطرات فردی، طراحی تجهیزات بهتر و در نهایت صرفه جویی در زندگی به عنوان تکنیک های محاسباتی و داده های پیشرفته، به طور فزاینده ای قابل دسترس، و قابل دسترس برای پزشکی دقیق، و قابل دسترس هستند.