소개: 고도에서 호흡의 도전

인간적인 호흡은 대기권에 있는 산소의 부분적인 압력이 대략 21 kPa인 바다 수준의 가까이에 운영하기 위하여 정밀하게 조정됩니다. 고도 증가로, 바ometric 압력 가을 및 산소의 부분적인 압력은 비례적으로 떨어졌습니다. 2,500 미터 (8,000 피트)의 위, 산소 부족은 임상적으로 관련되고, 위장하는 생리적인 응답의 폭포를 중화하기 위하여, 중화성 통풍 응답으로 분류됩니다. [[LTLT]를 통해 이 응답의 밑에: [LT]: 인간적인 호흡은 인간적인 구조의, 인간적인 구조, 인간적인 구조, 인간적인 구조, 인간적인 구조, 인간적인 구조의 구조, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전, 안전

인체는 부분적으로 acclimatization를 통해 hypoxia에 적응할 수 있지만, 과정은 주에 일 소요되며 매우 개인적입니다. 호흡 시스템의 수학 및 계산 모델은 연구자가 개인의 폐, 대기, 가슴 벽 및 제어 메커니즘이 감소 된 산소 조건에서 행동하는 방법을 예측 할 수 있습니다. 이러한 시뮬레이션은 중요한 질문에 답변하는 데 도움이됩니다. 심각한 산병의 위험은 무해하게 될까요? 사전 예방 조치는 어떻게됩니까? 폐, 폐, 골관, 가슴 벽 및 제어 메커니즘은 산소 조건에서 작동합니까? 이러한 시뮬레이션은 심각한 질병의 위험이 어떤 위험이 있습니까? 어떻게 전 ‐ 간에 영향을 미치는가?

생리학 기초: Hypoxia와 Acclimatization

높은 고도에서 호흡하는 것은 무엇입니까?

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다른 중요한 적응은 증가된 심박수, 높은 폐 동맥 압력 (hypoxic pulmonary vasoconstriction) 및 산소 ‐ hemoglobin 연관 곡선에 있는 교대를 포함합니다. 이 성분의 각각은 현실적인 예측을 산출하기 위하여 종합적인 호흡기 가장에서 대표되어야 합니다.

웅메카닉스의 역할

호흡기 기계는 이동 공기에서 폐의 밖으로 관여된 물리적 힘을 설명합니다. 2개의 1 차적인 모수는 lung 수락 (압력에 있는 단위 변화 당 폐 양에 있는 변화) 및 기하 저항 ] (공기에 반대)입니다. 고도에, 감소된 공기 조밀도는 약간 대기권 저항을 감소시키고, 그러나 이 이익은 더 큰 피로를 위해 증가한 운동량 및 운동량에 의해 감소시킵니다. 또한, 이 운동량은 특히 운동량에 대한 더 큰 변화에 영향을 미칠 수 있습니다.

시뮬레이션 접근법: Lumped Parameters에서 CFD로

Lumped-Parameter 모델

이 구획 모형은 축전기 (궁과 가슴 벽), 저항기 (항공기) 및 근원 (근육)의 네트워크로 호흡 체계를 대표합니다. 그들은 압력, 교류 및 양을 위한 정규적인 차별 방정식을 해결합니다. 고도 (예를들면, 낮은에 의하여 고무 부분 압력)를 위한 모수를 조정해서, 연구원은 분 환기, 동맥 혈액 가스를 가장할 수 있고, 산소 포화는 시간에 걸쳐 일렬로 세웁니다. 그런 모형은 적절하게 능률적인 능률적인 차원이고 심혈관을 가진 통합적인 학문은 또는 가장 진보된 학문적인 체계에 적용될 수 있습니다.

Computational 유체 역학 (CFD)

CFD는 브로슈어로 내려진 항공에서 기류의 매우 미세한 공간적 해상도를 제공합니다. 기하학적 모델은 CT 또는 MRI 스캔에서 재구성되며 Navier-Stokes 방정식은 꾸준한 또는 비정상적 흐름을 위해 해결됩니다. 고도로 감소된 가스 밀도가 변동되는 유량계 (예를 들어, 낮은 Reynolds 번호) 및 입자 증착에 영향을 미치며, 이는 약물 전달을 위해 중요한 역할을 합니다. 이 제품은 산소 및 산소를 공급하는 데 도움이 될 수 있습니다.

전체 바디 Physiome 모델

Physiome 프로젝트 또는 독점 항공 모델은 심혈관, 신경 및 내분비 시스템을 가진 호흡기 기계 통합합니다. 그들은 몇 주에서 일까지의 전체 가속 시간 라인을 시뮬레이션 할 수 있으며 연령, 성, 신체 구성 및 고도 노출 기록을 기반으로 개별 가변성을 예측합니다. 이 모델은 상승 및 산소 계획을위한 더 안전한 상승 프로파일에 사용됩니다.

이러한 통합 모델에 더 깊은 다이빙을 위해 Bates et al. (2017) 호흡 기계 를 위한 가상 환자에.

중요한 모형 모수 및 그들의 고도 의존

고도 호흡 기계의 모든 신뢰성있는 시뮬레이션은 다음과 같은 매개 변수를 통합해야합니다. 각 노출의 고도 또는 지속 시간으로 변경 :

  • ]내부 압력 (PI]O]2]]):]):):]배압 압력으로 선형적으로 떨어지는. 5,500m(18,000 ft), PIO]]2]]]]]2]]]]2]]]]]]]
  • 앨브론 환기 (V̇]A]]]:]] hypoxic 드라이브의 결과로 증가, 그러나 정확한 관계는 화학성 이득과 이산화탄소 세트 점에 달려 있습니다.
  • 압축성:]경축성압축성경화로 인한 증가, 오른쪽경화 후부하량을 올리고, 고위도 폐막증(HAPE)에 잠재적으로 지도한다.
  • Lung Compliance:은 멸균이 HAPE로 개발하거나 폐 계면 활성 함수가 변경되는 경우, 멸균이 줄어들면 감소할 수 있습니다.
  • Airway 저항: 낮은 공기 밀도로 감소하지만, 이 효과는 감소된 유량과 민감한 개인에 있는 가능한 bronchoconstriction로 상쇄됩니다.
  • 흡입 근육 강도: 장기간의 비분쇄에서 피로로 임하며 근육에 산소 전달을 감소시켜줍니다.
  • Hemoglobin 산소 친화도: 증가 2,3 ‐ biphosphoglycerate (2,3 ‐BPG) 생산, 조직에서 내리는 산소를 촉진하는 고도에서 약간 증가.

이 매개 변수의 정확한 모델링은 연구원들은 신속하게 압축, 고도에서 운동, 또는 환기를 자극하는 약리학 에이전트 (예 : acetazolamide)와 같은 시나리오를 시뮬레이션 할 수 있습니다.

의학 및 안전에 대한 응용

급성 산 딕스와 HAPE 예측

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호흡 보호 장비의 설계

항공 및 산재에 사용되는 산소 마스크는 고도의 높은 농도를 제공해야하며 호흡 저항 및 죽은 공간. CFD 시뮬레이션은 마스크 기하학, 밸브 설계 및 높은 환기 요구 사항에 따라 적절한 산소를 보장하기 위해 흐름율을 최적화합니다. 예를 들어, [[FLT : 0]] NASA 항공기 수명 지원 시스템[[FLT :1]] 비행 인증 전에 광범위한 계산 테스트를 거친다.

대원 건강에 대한 압축 항공기

불압을 입힌 가벼운 항공기 및 고성능 글라이더 얼굴 hypoxia 위험의 안내장. 점차적인 감압에 대한 호흡 응답의 시뮬레이션은 시간의 ‐의 ‐의 ‐ 의식 (TUC) 곡선을 정의하고 응급 절차를 알려줍니다. 그런 모델은 또한 초기 경추적 증상을 인식하기 위해 조종사를 가르치는 훈련 시뮬레이터에서 사용됩니다.

미래 지향: 개인화 및 실시간 데이터

기계 학습 및 착용감 센서

이 연구는 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발 및 개발, 연구 및 개발 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발 및 개발, 연구 및 개발 및 개발, 연구 및 개발 및 개발, 연구 및 개발 및 개발 및 개발, 연구 및 개발 및 개발 및 개발, 생산 및 개발 및 개발 및 개발 및 개발 및 개발, 생산 및 개발 및 개발 및 개발 및 개발 및 개발.

멀티 ‐ scale 및 멀티 ‐ 오간 모델링

현재 호흡 모델은 종종 신체의 나머지에서 격리됩니다. 고급 체리롬 모델은 이제 심장 기능, 뇌혈류, 신장 보상과 함께 폐 기계. 이러한 통합 시뮬레이션은 호흡뿐만 아니라 고도의 뇌종 (HACE) 및인지 장애의 위험 예측할 수 있습니다. 다 가늠자 모델링의 포괄적 인 검토는 [[FLT : 0] 국제 의사당 [FLT : 0] 국제 의사당 [FLT : 1) [FLT : 1) 과학 프로젝트 [FLT : 1)]

극한 환경을위한 높은 ‐ Fidelity 시뮬레이션

문이나 Mars에서 연장된 체류 계획으로, 습관은 대기압을 감소시키고, 호흡 시뮬레이션이 불가피하게 될 것입니다. NASA Human Research Program]의 연구자들은 추가적인 활동에 대한 최소한의 안전한 산소 부분 압력을 결정하기 위해 모델을 사용하여 우주선에서 기압의 위험을 예측합니다. 이 모델은 독특한 가스 혼합물 (또는 산소)에 대한 계정해야합니다.

결론: 심전의 성장 수입

고도 환경에서 인간 호흡 기계의 시뮬레이션은 더 이상 틈새 운동이 없습니다. 그것은 고도에서 일하는 수백만의 안전, 여행, 또는 경쟁하는 고도에서 고도에서 고도에 경쟁합니다. Himalayan 가이드에서 전투기 조종사에. 직업 능력을 가진 상세한 생리학을 통합함으로써, 우리는 개인적인 위험, 디자인 더 나은 장비를 예상하고 궁극적으로 생명을 구할 수 있습니다. 직업 기술 진보와 자료가 더 접근할 수 있는 것과 같이, 이 가장 정밀한 의학은, 이 극단적으로 개인화될 것입니다.