סימבול של מכניקנים נשיים אנושיים בסביבה גבוהה

הקדמה: האתגר של הנשימה ב-Altitude

הנשימה האנושית (הנשימה האנושית) מכוונת היטב לפעול ליד רמת הים, שם הלחץ החלקי של חמצן באטמוספירה הוא בערך 21 kPa. כגובה, לחץ ברומטרי נופל, והלחץ החלקי של חמצן יורד באופן יחסי. 2,500 מטרים (8,000 רגל), הגירעון החמצן הופך רלוונטי מבחינה קלינית, מה שגורם ל-Crecade של תגובות פיזיולוגיות הידועות כתגובה ההיפקסקסיבית של סימולציה באמצעות תגובות אלה:0 מיקרו-אוויריות, אפילו טיפול פסיכולוגי חיוני של מערכות אבטחה, או בטיחותיות של סרטן, הוא חיוני, כלומר, כלומר, הוא חיוני של מערכות אבטחה של פיזיולוגיה של פיזיולוגיה של אבטחה של מערכות בטיחותית של מערכת בטיחותית של פיזיולוגית של פיזיולוגית של טיפולית של טיפולית, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, טיפולית של מערכות אבטחה גבוהה של מערכות אבטחה של מערכות אבטחה של מערכות אבטחה של מערכות אבטחה של מערכות אבטחה של פיזיולוגית בטיחות של אבטחה של טיפולית של טיפולית של פיזיולוגיה של טיפוליתרון גבוה של מערכות אבטחה של טיפולית של טיפולית של טיפול פסיכולוגיית של טיפולית של טיפוליתרון גבוה של טיפוליתרון אנושי, כלומר, כלומר,

הגוף האנושי יכול להתאים באופן חלקי ל hypoxia באמצעות התעלות, אבל התהליך לוקח ימים עד שבועות והוא מאוד אישי.מודלים מתמטיים חישוביים של מערכת הנשימה מאפשרים לחוקרים לחזות כיצד הריאות של הפרט, דרכי אוויר, קיר החזה, ומנגנוני בקרה יתנהגו בתנאים מופחתים של חמצן.דמיות אלה עוזרות לענות על שאלות קריטיות: באיזה גובה הסיכון של מחלה חריפה הופך לבלתי מקובל?

קרנות פיזיולוגיות: Hypoxia ו Acclimatization

מה קורה לנשימה בכוננות גבוהה?

כאשר אדם עולה במהירות לגבהים מעל 3,000 מטרים, הגוף מזהה מתח חמצן אווירי נמוך באמצעות צ'מורפי היקפי היקפי (בעיקר גוף הקרוטואיד) זה גורם עלייה באוורור (ההיפרורור) כדי להעלות את החמצן אלבנדר ולהפחית פחמן דו-חמצני.

עיבודים מרכזיים אחרים כוללים קצב לב מוגבר, לחץ עורקים גבוה (היפוכי vasoconstriction), ושינוי בעובי הדיסוציאציה של חמצן-hemoglobin.כל אחד מהאלמנטים האלה חייב להיות מיוצג בסימולציה נשימה מקיפה כדי להניב תחזיות מציאותיות.

התפקיד של Lung Mechanics

מכונאי הנשימה מתארים את הכוחות הפיזיים המעורבים בהעברת אוויר אל תוך מחוץ לריאות.שני הפרמטרים העיקריים הם FLT:0lungציות FLT:1 (שינוי בנפח ריאות לכל יחידה משתנה בלחץ) ו-FLT:2airway ResistanceFLT 3:0lungציות לזרימת אוויר) בגבהים, ירידה במעט בדחיסות האווירית האווירית, אך התועלת הזו היא מזרזת הנשימה הגבוהה ביותר לקצב הנשימה, במיוחד להפחתה של השינויים החמצן, ובמיוחד להפחתה של הנשימה.

Simulation מתקרב: From Lumped Parameters to CFD

מודלים של Lumped-Parameter

מודלים תאיים אלה מייצגים את מערכת הנשימה כרשת של קיבולים (lungs וקיר החזה), מתנגדים (כבישים), ומקורות (muscles) הם פותרים משוואות שונות רגילות ללחץ, זרימה ונפח. על ידי התאמת פרמטרים לגבהים (למשל, לחץ חמצן חלקי בהשראת נמוך), החוקרים יכולים לדמות ventilation דקה, גזי דם אמנותיים, חמצן ושקע על פני זמן משולבים עם מודלים קלים.

Fluid Dynamics (CFD)

CFD מספק פתרון מרחבי הרבה יותר בסדר של זרימת אוויר בתוך דרכי האוויר - מן המסלול למטה אל ה- bronchioles. Geometric מודלים משוחזרים מ- CT או MRI סריקות, ו משוואות Navier-Stokes נפתרות עבור זרימה יציבה או לא יציבה. at the bronchioles. Geometric גז מופחת לשנות משטרים זרימת חמצן (למשל, מספרים נמוכים יותר) ו-Stokes depositions, אשר מסייע סימולציה גבוהה של צינורות.

כל דגמי Physiome

פלטפורמות כגון:0 (PhysiomeFirLT:1) פרויקט או מודלים חלל קנייניים משלבים מכניקת נשימה עם מערכות לב וכלי דם, עצביות, אנדוקריניות.הם יכולים לדמות את כל ציר הזמן של ההתעלות - מכמה דקות עד שבועות - ולצפות את יכולת הנשימה האישית המבוססת על גיל, מין, קומפוזיציה גוף והיסטוריית חשיפה גבוהה.

לצליל עמוק יותר לתוך מודל משולב כזה, ראה:0Bates et al. (2017) על המטופל הווירטואלי עבור מכניקת הנשימה FLT:1.

מודל מפתח פרדוקסים והסתמכותם על ביטחונם

כל סימולציה אמינה של מכניקת נשימה גבוהה חייב לשלב את הפרמטרים הבאים, שכל אחד מהם משתנה עם גובה או משך החשיפה:

• (ב) [[1924]]]]]] [[1924]]]]]] [[1924]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]
• (ב) ⁇ (ה) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (ב) ⁇ :0) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (ב) ,0) ציות לטונג: 1FLT יכול להפחית אם edema בין-תחומית מתפתחת (כמו ב- HAPE) או אם הפונקציה הגולשית הפגום משתנה.
• התנגדות אווירית:0 (FLT:1) צוים עם צפיפות אוויר נמוכה יותר, אבל אפקט זה הוא מסתכם על ידי עלייה של שערי זרימה והגבלות אפשריות של ברונקוכוקונטיה אצל אנשים רגישים.
• כוח שרירי פיראטיות:0 (FLT:1) עלול להיות לקוי על ידי עייפות של היפראוור ממושך ועל ידי מופחתת משלוח חמצן לשרירים עצמם.
• (FLT:0) Hemoglobin חמצן affinity:cioFLT:1 עולה מעט בגובה עקב עלייה של 2,3-bisphosphoglycerate (2,3-BPG) ייצור, המאפשר חמצן לעומס ברקמות.

מודלים מדויקים של פרמטרים אלה מאפשר לחוקרים לדמות תרחישים כגון דיכאון מהיר, פעילות גופנית בגובה, או את ההשפעה של סוכנים פרמקוולוגיים (למשל, aceazolamide) אשר מעוררים ventilation.

יישומים ברפואה ובבטיחות

מחלה הררית חריפה ו- HAPE חיזוי

סימלציה יכולה לחדד אנשים על ידי סיכון לפתח מחלת הרים חריפה (AMS) או edema pulmonary בעל יכולת גבוהה. על ידי הזנת תפקוד ריאות בסיס, נתוני גז הדם ארטרי, וקצב האחוז, מודלים יכולים לחזות כאשר דלקת חמצן עורקים טיפות מתחת לסף קריטי.מידע זה עוזר לייעץ לטרקים ואנשי צבא על הצורך בתרופות פרופילקטיות או איטיות יותר כמו לוח הזמנים של החמצן.

עיצוב ציוד הגנה מפני הנשימה

מסכות חמצן בשימוש בתעופה וההריגה חייבות לספק ריכוזים גבוהים של חמצן בגובה תוך צמצום התנגדות נשימה ומרחב מת.סימולציות CFD מסייעות אופטימיזציה של גיאומטריה מסיכה, עיצוב שסתום, ושיעורי זרימה כדי להבטיח חמצן נאותה תחת דרישות ventilation גבוהות.

בריאות צוות במטוסים לא מדכאים

טייסים של כלי טיס אור לא מדכאים וגליצרים בעלי ביצועים גבוהים עומדים בפני סיכונים hypoxia.סימולציות של התגובה הנשימה כדי לשפר את ההשפעה הדרגתית של עזרה להגדיר זמן-של התודעה (TUC) ולעדכן נהלי חירום.מודלים כאלה משמשים גם סימולטורים הכשרה כדי ללמד טייסים לזהות סימפטומים hypoxic מוקדם.

כיוונים עתידיים: מידע אישי ו-Time

מכונות למידה וחיישנים ללבוש

הדור הבא של סימולציות נשימה ישלב נתונים מקבצי הדופק שניתן ללבוש, צג CO2 transcutaneous, ואינטגרטור נשימה plethysmography . אלגוריתמי למידת מכונה יעזור להתאים אישית את הפרמטרים מודל בזמן אמת, להסתגל לתגובה הייחודית של אדם להשערקסיה. הסתגלות דינמי זה יכול להנחות על מתי לרדת או מנוחה, ויכול להשתלב במערכות אספקה חכמות.

Multi-Scale ו- Multi-Organ Modeling

מודלים נשימתיים נוכחיים מבודדים לעתים קרובות משאר הגוף.מודלים פיזיומטריים מתקדמים עכשיו יחד עם תפקוד לב, זרימת דם במוח, ותגמולים מלאים כאלה יכולים לחזות לא רק נשימה אלא גם את הסיכון של edema מוחית גבוהה (HACE) ופגיעה קוגניטיבית.סקירה מקיפה של מודלים בקנה מידה רב-מידה זמין מ-FLT:0 בינלאומי של מדעי פיזיולוגיים (UPS) ו-iOp)

סימולציות נאמנות לסביבה קיצונית

כבני אדם מתכננים להישאר מורחבים על הירח או מאדים, שם בתי הגידול יהיו בהורדת הלחץ האטמוספרי, סימולציות הנשימה הופכות חיוניות. חוקרים בתכנית המחקר האנושי של נאס"א 1 משתמשים במודלים כדי לקבוע את הלחץ החלקי המינימלי הבטוח המינימלי לפעילות חוץ גופית ולנבא את הסיכון לדיכאון במהלך חללי חלל.

מסקנה: החשיבות הגוברת של סימלוציה

סימבול של מכניקת הנשימה האנושית בסביבות בעלות יכולת גבוהה כבר אינו תרגיל אקדמי נישה.זה מבסס את הבטיחות של מיליוני אנשים שעובדים, נוסעים או מתחרים בגובה - ממדריכי ההימלאיה לטייסי קרב. על ידי שילוב פיזיולוגיה מפורטת עם כוח חישובי, אנו יכולים לצפות סיכונים בודדים, עיצוב ציוד טוב יותר, ובסופו של דבר להציל חיים.