Виртуальные легкие: ученые создали компьютерную модель дыхательной системы
В научных лабораториях Пермского Политеха (ПНИПУ) создана уникальная разработка — трёхмерная компьютерная модель дыхательных путей человека, способная детально воспроизвести процесс поступления и оседания частиц загрязнённого воздуха в лёгких. Это открывает новые горизонты в диагностике и профилактике хронических заболеваний дыхательной системы.
Задача государственной важности
Проблемы хронических заболеваний дыхательных путей затрагивают около 80 миллионов человек во всем мире — таковы данные Всемирной организации здравоохранения. Множество из этих болезней напрямую связано с загрязнением воздуха промышленными выбросами, токсичными частицами, пылью и аллергенами, которые поступают в легкие через дыхательные пути. В России, особенно в индустриальных регионах, эта проблема особенно актуальна. Поэтому разработка эффективных инструментов для диагностики и профилактики заболеваний дыхательной системы — задача государственной важности.
В решении этой задачи российские ученые добились заметного успеха. Специалисты ПНИПУ совместно с Федеральным научным центром медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения создали уникальную трёхмерную компьютерную модель дыхательных путей человека. Эта разработка, финансируемая Министерством науки и высшего образования РФ в рамках проекта «Математические модели и новые материалы для высокотехнологичной медицины», позволяет исследовать процесс поступления и распределения частиц различного размера и плотности в дыхательных органах.
В чем особенность разработки
Важной особенностью модели является учёт динамики движения грудной клетки и диафрагмы во время дыхания, что позволяет максимально точно воспроизвести анатомические и физиологические процессы. В отличие от более ранних подходов, которые симулировали только движение воздуха или отдельных частиц, новая модель включает пористые свойства легких и механические характеристики тканей.
Используя данные компьютерной томографии, ученые построили трехмерную модель, учитывающую индивидуальные анатомические особенности дыхательной системы. В рамках расчетов было исследовано, как частицы пыли различных диаметров (от 2,5 до 5 микрометров) и плотностей (от 1000 до 4000 кг/м³) движутся и оседают в носу, носоглотке, бронхах и более глубоких отделах легких.
Так, частицы размером 5 мкм с плотностью 1000 кг/м³, например, плесневые споры, цементная пыль, оседают преимущественно в носоглотке, откуда легко выводятся при чихании. Частицы меньшего размера (2,5 мкм) и высокой плотности (4000 кг/м³), такие как металлическая и минеральная пыль, способны проникать глубже — в бронхи и альвеолы, провоцируя развитие тяжелых заболеваний, включая силикоз, который приводит к необратимому рубцеванию легочной ткани.
Что это даст человечеству
Модель открывает широкие возможности для совершенствования нормативных документов — допустимых концентраций вредных веществ в воздухе, разработки эффективных средств индивидуальной защиты и внедрения персональных программ охраны здоровья у уязвимых групп населения. Эти технологии могут стать основой национальных стандартов промышленной гигиены и экологии, что повысит качество жизни миллионов россиян.
Экспортный потенциал новой разработки также велик. Продукт мультидисциплинарен и применим не только в медицине, но и в промышленной гигиене и экологическом контроле, что открывает возможности для его использования в странах с похожими экологическими и промышленными вызовами. Российские технологии уже готовы конкурировать на мировом рынке, укрепляя позиции страны как центра высокотехнологичных научных решений.
На внутреннем рынке модель может стать базой для комплексных систем мониторинга и предупреждения заболеваний органов дыхания, особенно в регионах с высоким уровнем промышленного загрязнения — в Сибири, на Урале, в Поволжье. Интеграция модели с современными информационными системами позволит проводить индивидуальный анализ рисков, своевременно выявлять угрожающие ситуации и разрабатывать стратегии профилактики.
Исторически разработка модели является значительным шагом вперед в сравнении с существующими методиками, которые зачастую игнорировали сложные механические взаимодействия в тканях легких. Российские ученые смогли соединить трехмерное моделирование с биомеханикой, создав инструмент, который существенно расширяет горизонты исследований и практического применения.
Как это будет развиваться
В перспективе планируется дальнейшее развитие модели — интеграция с иммунологическими и клеточными процессами, учет индивидуальных особенностей пациентов с хроническими заболеваниями и внедрение в телемедицинские платформы. Это позволит обеспечить персонализированный мониторинг и прогнозирование здоровья дыхательной системы на новых технологических уровнях.
Таким образом, Пермский Политехнический университет и Федеральный научный центр медико-профилактических технологий внесли весомый вклад в развитие российской медицинской науки и технологий. Их разработка — пример того, как российский интеллект и инновации служат укреплению здоровья нации, повышению качества жизни и обеспечению технологического суверенитета страны.
Российская наука вновь доказывает, что она не просто идёт в ногу со временем, а задаёт темп, создавая передовые решения, способные изменить мир к лучшему. Вклад в здравоохранение, промышленную безопасность и экологию — важнейшая часть национального развития и гордость страны.
