13.3. Отложение аэрозолей в респираторном тракте

Остановимся на некоторых определениях, используемых при описании процесса ингаляционного загрязнения организма. Поступление (intake) — количество вещества, попавшее в организм при ингаляции через нос и рот. Отложение (deposition) — количество вещества (в долях от поступившего), которое остается в различных отделах дыхательного тракта после выдоха (иногда его называют мгновенным отложением). Удержание или задержка (retention) — количество вещества (в долях от поступившего), которое сохраняется в дыхательном тракте длительное время или даже постоянно.

Отложениеаэрозолей является начальным процессом, определяющим какое количество радиоактивного материала останется в респираторном тракте после выдоха. Осаждение аэрозольных частиц может иметь место, как при вдохе, так и при выдохе. Поведение аэрозольной частицы в респираторном тракте будет преимущественно определяться ее размерами, формой и плотностью. Наиболее значимым фактором, определяющим поведение аэрозольной частицы является ее размер.

В зависимости от размера аэрозольной частицы доминирующими процессами в ее осаждении на стенки респираторного тракта могут являться:

• гравитационное осаждение (седиментация);
• инерционное осаждение;
• диффузионное осаждение (броуновское движение).

Схематично данные процессы изображены на рис. 13.2. Седиментация и инерционное осаждение являются аэродинамическими эффектами, становятся значимыми при диаметре аэрозолей более 0,1 мкм и возрастают с увеличением диаметра аэрозолей. Диффузионное осаждение, обусловленное броуновским движением, является термодинамическим эффектом, проявляется при диаметре частиц менее 1 мкм и становится более выраженным по мере уменьшения диаметра аэрозолей.

Рис. 13.2. Доминирующие процессы при осаждении аэрозолей в респираторном тракте

Схематичное сопоставление гравитационного и диффузионного осаждения представлено на рис. 13.3. Для гравитационного осаждения (седиментации) под смещением подразумевается вертикальное смещение частицы под действием силы тяжести. Для диффузионного осаждения под смещением понимается корень квадратный из среднего квадрата расстояния, пройденного частицей под действием броуновского движения.

Рис. 13.3. Схематическое сопоставление гравитационного и диффузионного осаждения

Из представленного схематического сопоставления видно, что аэродинамические эффекты пренебрежимо малы для аэрозолей с малым диаметром. Аналогично для частиц с достаточно большими размерами влияние термодинамических эффектов пренебрежимо мало. Для аэрозолей диаметром от 0,1 до 1,0 мкм наблюдается сопоставимое влияние термодинамических и аэродинамических эффектов на процессы осаждения.

Дисперсность аэрозольных частиц во вдыхаемом воздухе может быть различной — от тысячных долей микрона до десятков микрон. Для размера радиоактивных аэрозолей имеет значение характер их образования. При коагуляции активность аэрозольных частиц прямо пропорциональна их радиусу. Если частицы абсорбируются на субмикроскопических пылинках, то активность каждой пылинки пропорциональна ее поверхности. При распылении твердого или жидкого радиоактивного вещества активность обычно пропорциональна объему пылинки. В реальных условиях часто приходится иметь дело с полидисперсными аэрозолями, где не всегда объем частицы характеризует ее активность. В этом случае для оценки биологического эффекта — задержки частиц в органах дыхания и облучения легочной ткани, важное значение имеет не счетный медианный диаметр (СМАД) или массовый медианный аэродинамический диаметр (ММАД), а медианный аэродинамический диаметр распределения аэрозолей по активности (АМАД) или медианный по активности термодинамический диаметр (AMTD).

Медианный по активности аэродинамический диаметр (AMAD) — характеристика статистического распределения активности полидисперсного аэрозоля по аэродинамическому диаметру . Половина активности рассматриваемого аэрозоля ассоциирована с частицами, которые имеют больший, чем AMAD. Применяется, когда доминирующими механизмами, определяющими отложение в органах дыхания, являются инерционное и гравитационное осаждение, как правило, при AMAD, больших 0,5 мкм. При отсутствии фактических данных предполагается логнормальное распределение частиц.

Медианный по активности термодинамический диаметр (AMTD) — характеристика статистического распределения активности полидисперсного аэрозоля по термодинамическому диаметру . Половина рассматриваемой активности ассоциирована с частицами, которые имеют больший, чем AMTD. Применяется, когда диффузия является доминирующим механизмом, определяющим отложение в дыхательной системе, как правило, при AMTD, меньших 0,5 мкм.

Аэродинамический диаметр () — диаметр сферической частицы единичной плотности (1 г/см³), имеющий такую же скорость гравитационного осаждения, как и рассматриваемая аэрозольная частица.

Термодинамический диаметр () - диаметр сферической частицы, который имеет такой же коэффициент диффузии в воздухе, что и рассматриваемая аэрозольная частица.

Исходя из геометрических размеров различных отделов респираторного тракта, типов и режимов дыхания, было рассчитано отложение радиоактивных аэрозолей в различных отделах респираторного тракта в зависимости от размеров аэрозольных частиц. Полностью справочные таблицы по отложению аэрозолей приведены в работах. Пример такого расчета представлен на рис. 13.4. Следует обратить внимание на различное положение кривых в диапазоне AMAD и AMTD от 0,1 до 1,0 мкм — аэрозоли с плотностью большей, чем 1 г/см³ будут иметь большее значение AMAD, чем AMTD при одинаковом отложении в отделах респираторного тракта.

Рис. 13.4. Отложение радиоактивных аэрозолей в различных отделах респираторного тракта для «образцового работника» при носовом типе дыхания. Принята плотность вещества 3 г/см³, логнормальное распределение активности по размерам аэрозолей и динамический форм-фактор частицы, равный 1,5.