پاورپوینت مدلسازی سیستم های بیو لوژیکی و سیستم تنفسی

مدلسازی سیستم های بیو لوژیکی
سیستم تنفسی

مقایسه سیستم تنفسی با سیستم گردش خون
از نظر مداری سیستم تنفسی پیچیدگی کمتری دارد و دارای انشعابات کمتری است
هوا بر خلاف خون قابل تراکم است که آنالیز را مشکل تر می کند
در سیستم تنفسی بر خلاف گردش خون شیر وجود ندارد ولی سیستم شدیدا غیر خطی است
عبور جریان هوا در ریه ها دوجهته (جزرومدی) است بر خلاف گردش خون که در یک جهت حرکت می کند
وظیفه سیستم تنفسی کنترل تنفسی کنترل یا ثابت نگه داشتن میزان اکسیژن و گاز کربنیک خون است که توسط سیستم عصبی و غدد درون ریز انجام می شود

تعاریف

قانون گازهای ایده آل (قانون چالز)

P= (mmHg)فشار گاز
V= (lit) حجم گاز
T= (Kelvin) دمای گاز
n= جرم مولکولی/جرم گاز
R= 62.36
شرایط متعارف :

1- شرایط استاندارد فشار و دما
P = 760 mmHg

2-شرایط فشار و دما
P = 760 mmHg

مدلسازی سیستم تنفسی(ادامه)
فشار نسبی: فشار نسبی یک گاز مقدار فشاری است که توسط آن گاز در مخلوطی از گازها ایجاد می شود.
قانون دالتون: ((dalton’s low
فشار کل گاز= مجموع فشارهای جزیی اجزای تشکیل دهنده مثلا برای هوا:

=159 + 597 + 0.3 + 3.7 = 760 mmHg
فشار بخار آب بشدت با افزایش دما افزایش می یابد.

ضریب حلالیت استوالد (ostwald) :
دما=دمای بدن
ضریب استوالد =حجم سیال/ حجم گاز حل شده

مدلسازی سیستمهای تنفسی (ادامه)

میزان حلالیت برای گازهای اکتیومثل اکسیژن در خون(که با هموگلوبین گلوبول قرمز ترکیب می شود) بسیار بالاتر از ضریب حلالیت متعارف است.
قانون هنری: گازهایی که با حلال واکنش ندارند دیونیزه نمی شوند به نسبت فشارهای جزیی در حلال حل می گردند.
فشارکل/فشار جزیی=نسبت محلول/نسبت جرم=دانسیته

تغییرات فشار گازها در شرایط مختلف سیستم تنفسی

lungs
RH
LH
body tissue
BLOOD FLOW
مدل steady state

مصرف اکسیژن

Tidal volume(حجم جاری):0.6 lit
Freq 11 Air ventilation rate=6.6 lit/min
مقداری از هوا در ناحیه مرده جلو و عقب می رود که در تهویه شرکت ندارد بنابراین(حدود 1.5 لیتر)

مقدار اکسی‍‍ژنی که توسط هموگلوبین جذب می شود بستگی به فشار اکسیژن و دارد.
انتقال به 3 روش انجام می شود:
1- محلول در خون 7%
2-ترکیب , آب و رگ و ایجاد اسید کربنیک (70%)
3-ترکیب هموگلوبین (می تواند همزمان با باشد 23% )
میزان میل ترکیبی منواکسید کربن ( ) با هموگلوبین 210 برابر بیشتر از میل ترکیبی با هموگلوبین است و جایگزین در هموگلوبین می شود.
0.1% (200 برابر کمتر از ) ظرفیت حمل نصف می شود.
0.2% (100 برابر کمتر از ) مرگ

اگر بافت نیاز به اکسیژن بیشتری داشته باشد مقدار فشارجزیی افت پیدا کرده و نتیجتا میزان ترکیب شده با هموگلوبین کاهش می یابد(اکسیژن آزاد می شود) از 70% به 10% ممکن است برسد بنابراین ضریب مصرف از حدود 27% به 80یا90% میرسد.هموگلوبین همچنین بعنوان یک ظرفیت موقت برای ثابت نگه داشتن فشار اکسیژن در حدود 20 تا 45mmHg بکار می رود.

cardiac output میزان تهویه اکسیژن قابلیت انحلال*مساحت غشا*اختلاف فشار میزان =———————————– ضخامت غشا*جزر وزن مولکولی

مقدار اکسیژنی که توسط هموگلوبین گلوبولهای قرمز منتقل می شود 60 برابر مقدار حل شده در حون است.

هر 100cc خون در حالت نرمال 5cc اکسیژن و در حالت ورزش 15cc تا 18cc اکسیژن به بافتها منتقل می کند.

مدل مکانیکی و الکتریکی سیستم تنفسی

مدل مکانیکی تنفس

فشار حبابچه:

1- دم: -3mmHg
2- بازدم:+3mmHg

فشار بین جنبی بین ریه ها وقفسه سینه:

1- دم: -8mmHg
2- بازدم: -2mmHg

اگر شخص دهان و بینی اش را ببندد فشار حبابچه ای در موقع دم می تواند به 80mmHg- و در موقع بازدم به 100mmHg برسد که … نیست. قدرت عضلات تنفسی بسیار بیشتر از قدرت لازم برای تنفس آرام است.

مساحت کلی غشا تنفسی (ریوی) حدود 70 متر مربع است و خون موجود در مویرگها یی که در تماس با این غشا هستند کمتر از 100ml در هر لحظه است(کمتر از 1 میکرون)

غشا تنفسی بقدری نازک است که خون وریدی وارد شده به مویرگ های ریوی در 0.8 ثانیه با هوای حبابچه ای به حالت تعادل کامل گازی در می آید.

مدل مکانیکی تنفس

مدلسازی سیستم تنفسی

فرضیات:
1- از خاصیت سلفی صرفنظر شده است.
2-مقاومتها خطی فرض شده اند
3-compliance= تراکم پذیری+اثر ارتجاعی دیواره ها خطی فرض می شود
4-از دینامیک عضلات صرفنظر می شود.

تمرین: برنامه RESP-PF
انتقال اکسیژن گاز کربنیک در سیستم تنفسی

محاسبه جریان F ها بستگی به جهت آن دارد(یعنی مدل برای دم و بازدم متفاوت است) فرضا:

مدلسازی سیستم تنفسی
مدل برای حالت دم:

مدل برای حالت بازدم:

ترکیب دو مدل (I)

اشکال:قطع جریان در یک منبع جریان عملی نیست.
ترکیب دو مدل (II):

مدل انتقال اکسیژن به بافتها توسط سیستم گردش خون

مدلسازی سیستم تنفسی
فلوی خروجی اکسیژن در شریانها

فلوی خون در مویرگها فلوی اکسیژن در ورید ریوی

ماکزیمم اکسیژن که در خون حل می شود*(درصد اکسیژن در مویرگهای شریانی – درصد اکسیژن در مویرگهای ریوی)

مدلسازی سیستم تنفسی(ادامه)

فشار اکسیژن در ورید ریوی فشار اکسیژن در شریانهای ریوی

اگر تبادل اکسیژن در ریه از نوع perfusion limited بوده

فشار اکسیژن در وریدهای ریوی فشار اکسیژن در کیسه های هوایی

بنابراین رابطه و رابطه یک رابطه غیرخطی است و مدل را میتوان بصورت زیر تکمیل کرد:

کنترل میزان اکسیژن خون

مراکز کنترل تنفس در ماده مشبک بصل النخاع و پل مغزی ساقه مغز تنطیم می شود:

ناحیه بازدمی (در موقع ورزش سنگین ناحیه بازدمی عضلات بازدمی را فعال و باعث خروج هوا می شود.)

ناحیه پنوموتاکسیک (مقدار تنفس را زیاد می کند ولی عمق را کاهش می دهد)

تعداد و عمق تنفس توسط 4 عامل کنترل می شود:
1- فشار دی اکسید کربن در خون ( )
2- غلظت یون های هیدروژن (PH) در خون
3- فشار اکسیژن ( ) در خون
4- سیگنالهای عصبی که از نواحی کنترل کننده در مغز صادر می شود

ادامه
مورد اول و دوم از سوم بسیار مهمتر است
هنگام فعالیت مراکز کنترل حرکتی سیگنالهایی را نیز به مراکز کنترل تنفسی می فرستند تا میزان تنفس را افزایش داده و اکسیژن لازم را تامین نمایند.

داروهی خواب آور نرونهای تنفسی را بیحس کرده و در صورت مصرف برای خودکشی ریتم تنفس را متوقف می کند. برای علاج نیاز به تنفس مصنوعی است . از کمتر دارویی می توان برای تحریک مرکز تنفسی استفاده نمود(از جمله کافیین , میکروتوکسین, . …)

اگر غلظت دی اکسید کربن بسیار کم شود ممکن است نتایج خطرناک بدنبال داشته باشد مثلا در اثر دفع از مایعات بدن بیش از حد الکالوز ایجاد می شود(قلیایی بودن) الکالوز بعدا موجب افزایش تحریک پذیری سیستم عصبی شده و گاها موجب انقباضات کزازی یا حتی تشنجات صرعی می شود.

در حالت نرمال افزایش های بسیار شدید یا کاهش متوسط تهویه حبابچه ای تفاوت بسیار کمی در مقدار اکسیژن حمل شده از ریه ها توسط هموگلوبین را دارد.زیرا خموگلوبین تقریبا بصورت کامل با اکسیژن اشباع می شود.لئا نیازی به تنظیم بسیار حساس تنفس برای حفظ غلظت ثابت اکسیژن در خون وجود ندارد.

با این همه در موارد نادر (ارتفاع بالا یا در موقع بیماری های کاهش دهنده اکسیژن در حبابچه ها )غلظت در حبابچه ها بسیار کم می شود و قادر به تامین اکسیژن کافی جهت اتصال , هموگلوبین نیست . در این حالت گیرنده های شیمیایی در مجاورت آئورت و شریانهای ….. در سینه و گردن کمبود اکسیژن را در خون حس نموده و سیگنالهای تحریک از طریق اعصاب و …. و زمانی حلقی به بصل النخاع می فرستند که در آنجا مرکز تنفسی را تحریک و تهویه حبابچه ای را افزایش می دهد.

عوامل موثر برتهویه حبابچه ای
1-کمبود بسیار شدید می تواند تهویه حبابچه ای را تا 1.6 برابر مقدار … تغییر دهد.
2-افزایش غلظت می تواند تهویه حبابچه ای را تا 10 برابر مقدار … تغییر دهد.
3-افزایش غلظت یونهای H می تواند تهویه حبابچه ای را تا 5 برابر مقدار …. تغییر دهد.
البته اگر شخصی مدتها در ارتفاعات زندگی کند اثر کمبود اکسیژن می تواند تا 5 تا 7 برابر میزان تهویه حبابچه ای را تغییر داده و اثر غلظت کاهش یابد.

ورزش
گیرنده های شیمیایی ( , و H) در مرحله دوم تنظیم وارد عمل می شوند . در مرحله اول هنگام ورزش ابتدا سیگنالهای تحریکی از ….. و عضلات به مراکز کنترل تنفسی ارسال می گردد که همزمان میزان تهویه را افزایش می دهد. اگر مع الوصف میزان افزایش سابد مکانیزمهای شیمیایی عمل می کنند.

عوامل دیگر موثر بر تنفس
1- افزایش فشار شریانی باعث کاهش تهویه می گردد.

2- تحریکات روانی (هیجانات روانی)

3- ایمپالسهای حسی (روش …)

4- تکلم : کنترل طنابهای صوتی و جریان هوا باهم صورت می گیرد.

کنترل میزان اکسیژن و گاز کربنیک:
دبی حجم تنفس = نرخ تنفسی * عمق تنفس

CNS & muscles

اگر کنترل کننده تناسبی (proportional) باشد:
نرخ خروج از خون تویط ریه ها:
نرخ تولید توسط بافتها که وارد خون می شود:
بنابراین:

تغییر غلظت در خون حجم خون

Charles’ or the Ideal gas Law Pressure is inversely proportional to volume and directly proportional to absolute temperature and quantity of gases. p * v = n * R * T where p = pressure in mm Hg; v = volume in ml; n = quantity of gas in moles; T = temperature in degree Kelvin; R = universal gas constant (62.37) Some standard abbreviations: STPD = Standard Temperature at 273 K, Pressure at 760 mmHg, Dry gas no water vapor BTPS = Body Temperature at 310 K, Pressure at 760 mmHg, Saturated H2O vapor at 47 mmHg

Dalton’s Law The total gas pressure of a gas mixture is equal to the sum of the partial pressures of the component gases: Total pressure P = PO2 + PN2+ PCO+ PH2O =159 + 597 + 0.3 + 3.7= 760 mm Hg Gas Composition = 20.9%+ 78.5% + 0.04% + 0.5% =100%