22 Сен

СТАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЫХАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕКА




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Введение. В основу разработанной виртуальной модели положены основные уравнения и допущения из работы Ховарда Милхорна (Howard T. Milhorn) и соавторов [1], представляющих дыхательную систему человека (ДСЧ) в виде компартментной структуры, состоящей из компартментов легких, мозга, тканей тела и двух компартментов сердца (правая половина сердца, левая половина сердца).

Дыхательная система человека проявляет свойства системы управления типа регулятора. Она регулирует уровни кислорода и углекислого газа через отрицательную обратную связь. Изменения уровня  или  вызывают регулирующие эффекты через вентиляционные (параметры дыхания) и циркуляционные (параметры кровообращения) параметры.

Допущения.

  1. Система состоит из трех компартментов (легкие, ткани мозга, ткани тела).
  2. Приток крови к мозгу зависит от церебрально-артериальных парциальных давлений кислорода (PO2) и углекислого газа (PCO2).
  3. Минутная альвеолярная вентиляция регулируется PO2 и PCO2.
  4. Время циркуляции конечно.
  5. Кривые диссоциации кислорода одинаковы для артериальной и венозной крови.
  6. Артериальное PO2 равно k5×альвеолярное PO2 во всех случаях, когда k5 есть константа, меньше единицы.
  7. Венозное PO2 равно PO2 в тканях постоянно. Это относится и к резервуару мозга и к резервуару тканей.
  8. Кривые диссоциации углекислого газа одинаковы для артериальной и венозной крови.
  9. Артериальное PCO2 равно альвеолярному PCO2 постоянно.
  10. Венозное PCO2 равно PCO2 в тканях постоянно.
  11. Быстрые фазовые изменения концентрации газов в альвеолах и крови на каждом дыхательном цикле игнорируются.
  12. Дыхательный коэффициент постоянен и равен единице.

Таблица 1.

Используемые обозначения переменных и констант

Обозначение Величина
MB O2 Потребление мозгом кислорода
MB CO2 Выработка углекислого газа мозговой тканью
MT O2 Потребление телом кислорода
MT CO2 Выработка углекислого газа тканями тела
Сердечный выход
Мозговой кровоток
Нормальный мозговой кровоток
Минутная альвеолярная вентиляция
Средний альвеолярный объем
CI O2, CI CO2 Концентрации поглощенных кислорода и углекислого газа, насыщенных водяным паром при температуре тела человека
CА O2, CА CO2 Альвеолярные концентрации кислорода и углекислого газа
CВ O2, CВ CO2 Концентрации кислорода и углекислого газа в мозговой ткани
CТ O2, CТ CO2 Концентрации кислорода и углекислого газа в тканях тела
Cа O2, Cа CO2 Альвеолярно-артериальные концентрации кислорода и углекислого газа
CVB O2, CVB CO2 Концентрации кислорода и углекислого газа в венах мозга
CVT O2, CVT CO2 Концентрации кислорода и углекислого газа в венах тела
PB Нормальное атмосферное давление на уровне моря
S Коэффициент растворимости кислорода при температуре тела
k1, k2 Коэффициенты кривой диссоциации углекислого газа
k3, k4 Коэффициенты кривой диссоциации кислорода
k5 Отношение нормального артериального парциального давления кислорода к нормальному альвеолярному парциальному давлению кислорода
a, b Коэффициенты зависимости альвеолярной вентиляции от CВ CO2
d, n, m Коэффициенты зависимости альвеолярной вентиляции от СА О2
h, i, j, p, q, r Эмпирические коэффициенты зависимости мозгового кровотока от СА СО2
f, s, g Эмпирические коэффициенты зависимости мозгового кровотока от СА О2
W Число 100-граммовых приращений мозговой массы, деленное на 1000 для перевода кубических сантиметров в литры

Уравнения основные и дополнительные. Стационарные уравнения, описывающие функционирование нормальной ДСЧ:

bezymyannyj

bezymyannyj

Кроме того, необходимо использовать дополнительные выражения для артериальных и венозных концентраций:

bezymyannyj2

Вектор переменных:

bezymyannyj3

Лицевая панель. Указанные переменные и формулы вошли в разработку виртуального прибора в системе LabVIEW. На рисунке 1 представлена лицевая панель разработанного виртуального прибора.

На лицевой панели расположены следующие элементы управления и индикации:

1) блок задания концентраций поглощенных кислорода и углекислого газа;

2) блок вывода результатов расчета альвеолярной вентиляции в виде графиков и таблиц;

3) таблица результатов вычисления параметров ДСЧ.

bezymyannyj4

Рисунок 1. Лицевая панель виртуального прибора

Блок-диаграмма. На рисунке 2 представлена блок-диаграмма разработанного ВП, состоящая из трех блоков:

1) блок вычисления параметров дыхательной системы при заданных параметрах CI O2 и CI CO2 и вывод результатов в виде таблицы;

2) блок вычисления альвеолярной вентиляции при различных значениях CI CO2 и вывода результатов в виде графика и таблицы;

3) блок вычисления альвеолярной вентиляции при различных значениях CI O2 и вывода результатов в виде графика и таблицы.

bezymyannyj5

Рисунок 2. Блок-диаграмма виртуального прибора

Заключение. Проведенные эксперименты над моделью показывают, что модель адекватна и соответствует реальной работе дыхательной системы.

Список литературы:

  1. Howard T. Milhorn, Jr., Richard Benton, Richard Ross, and Arthur C. Guyton. A mathematical model of the human respiratory control system // Biophysical Journal. – 1965. – Volume 5. – P. 27-46.
    СТАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЫХАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕКА
    Статья посвящена моделированию дыхательной системы человека в системе LabVIEW. Вынесены основные теоретические допущения, обозначения используемых переменных и констант, основные и дополнительные уравнения. Представлены лицевая панель и блок-диаграмма разработанного виртуального прибора.
    Written by: Мордовина Светлана Александровна
    Published by: Басаранович Екатерина
    Date Published: 12/07/2016
    Edition: euroasia-science_30_22.09.2016
    Available in: Ebook