CCo Public Domain

Команда инженеров из Кембриджского университета с помощью моделирования и технологий высокоскоростной видеосъемки показала, что является причиной возникновения хрипов в легких – заболевания, поражающего до четверти населения мира.

Как пишет издание «Машины и Механизмы», многие из нас в определенный период своей жизни испытывали хрипы – высокие свистящие звуки, возникающие при дыхании. В большинстве случаев это состояние временно и является результатом простуды или умеренной аллергической реакции, однако постоянные хрипы могут быть симптомом серьезных заболеваний – астмы, эмфиземы, хронической обструктивной болезни легких и некоторых видов рака.

« На протяжении столетий с помощью этих звуков ставили диагнозы, но механизм, лежащий в их основе, все еще остается малоизученным» , – комментирует доктор Аластар Грегори, ведущий автор исследования.

Доктор Анураг Агарваль, глава лаборатории акустики кафедры инженерии Кембриджского университета, заинтересовался природой возникновения хрипов после того, как сам испытал это состояние несколько лет назад. Его хрипы, вероятнее всего, были вызваны аллергией на пылевых клещей, которая легко снимается антигистаминными препаратами. Но, поговорив с коллегами, Агарваль неожиданно для себя узнал, что несмотря на распространенность этого явления, его природа остается загадкой.

« Поскольку хрипы связаны с различными заболеваниями, довольно сложно точно сказать, что именно не так с пациентом только на основании этих звуков , – говорит исследователь. – Поэтому мы решили выяснить, как именно возникают хрипы, чтобы постановка диагноза была более верной ».

Дыхательные пути представляют собой разветвляющуюся сеть гибких трубочек – бронхиол, которые постепенно укорачиваются и сужаются по мере «погружения» в легкие. С помощью резистора Старлинга инженеры смоделировали процесс, при котором воздушный поток направляется через эластичные трубки разной длины и толщины. Специальная технология многокамерной стереоскопии позволила снять этот процесс на видео, чтобы понять, какой физический механизм вызывает появление хрипов. Оказалось, что для этого необходимо два условия: во-первых, давление на трубки должно быть такой силы, чтобы поставить одну или более бронхиол на грань разрыва, во-вторых, воздух должен проходить через поврежденную бронхиолу с достаточной для возникновения колебаний силой. При удовлетворении обоих условий колебания будут расти и поддерживаться с помощью механизма возникновения флаттера (вибрации) – похожий процесс наблюдается у крыльев самолетов, когда они выходят из строя, или при обрушении мостов. Эти данные позволили исследователям вывести так называемый «закон трубки», который помогает предсказать возникновение потенциально опасных колебаний в зависимости от особенностей строения трубки, ее геометрии и степени натяжения.

« Этот закон мы применили для построения модели, предсказывающей развитие хрипов, которая может стать недорогим и быстрым средством диагностики заболеваний легких , – говорит доктор Грегори. – Вместо таких дорогостоящих и времязатратных методов, как рентгенография и МРТ, понадобится только микрофон и стетоскоп ».

Анализ частоты хрипов, записанных с помощью встроенного микрофона, позволит определить, какая бронхиола находится на грани разрыва и в каком состоянии дыхательные пути, чтобы назначить адресное лечение.