15.11.2011

1. Modelovanie a simulácie v biomedicíne Model regulácie dýchania 15.11.2011

2. Modelovanie a simulácie v biomedicíne • Základnou úlohou dýchania je príjem kyslíku a jeho transport do jednotlivých orgánov a výdaj vyprodukovaného oxidu uhličitého. • Výmena plynov prebieha na viacerých úrovniach: • Pľúcna ventilácia tj. výmena plynov medzi atmosferickým vzduchom a vzduchom v pľúcnych alveolách • Výmena dýchacích plynov medzi alveolárnym vzduchoma krvou • Výmena dýchacích plynov medzi krvoua intersticiálnym mokom • Výmena medzi intersticiálnym mokom a bunkami Vonkajšie dýchanie Vnútorné dýchanie Intersticiálna tekutina alebo tkanivový mok je označenie vodného roztoku organických a anorganických látok, ktorý obklopuje bunky mnohobunkových organizmov, vrátane človeka.

3. Modelovanie a simulácie v biomedicíne • Priemerná frekvencia dýchania: 12 až 16 za minútu • Pri každom vdychu a výdychu sa vymení cca 500ml vzduchu • Minútová ventilácia tvorí 6 až 8 litrov • Za jednu minútu sa spotrebuje približne 250ml kyslíku O2 a vyprodukuje 200ml oxidu uhličitého CO2

4. Modelovanie a simulácie v biomedicíne Na pľúcnej ventilácii sa nepodieľa celý objem vdýchnutého vzduchu, ale iba jeho časť. Od celkového objemu je potrebné odpočítaťobjem „mŕtveho priestoru“, ktorý je tvorený dýchacími cestami a predstavuje približne 150ml. Krv sa v alveolách priamo nestretáva s atmosférickým vzduchom, pretože pri každom nádychu sa do alveol dostáva plyn z mŕtveho priestoru, ktorý predstavuje záver expirovaného vzduchu z predchádzajúceho dýchacieho cyklu. V alveolárnom vzduchu je preto oproti atmosférickému vzduchu menšie množstvo O2 (14% miesto 21%) a väčšie množstvo CO2 (5% miesto 0,04%) z čoho vyplývajú aj hodnoty parciálnych tlakov v alveolárnom priestore (O2 – 100mmHg, CO2 – 39mmHg)

5. Modelovanie a simulácie v biomedicíne Parciálny tlak CO2v alveolách je nižší než parciálny tlak CO2 vo venóznej krvi, naopak hodnota parciálneho tlaku O2 vo venóznej krvi je nižšia než alveolárny parciálny tlak. Takto vniknutý tlakový gradient umožňuje difúziu CO2 stenou kapilár do alveol a difúziu O2 opačným smerom. Prestup plynov je ovplyvňovaný ventiláciou alveol, prietokom krvi pľúcami a alveolárnou membránou. V arteriálnej krvi, ktorá opúšťa pľúca sú za normálnych okolností parciálne tlaky dýchacích plynov prakticky rovnaké s ich parciálnymi tlakmi v alveolách.

6. Modelovanie a simulácie v biomedicíne Bežná hodnota parciálneho tlaku O2 v tkanive je cca 40 mmHg, teda výrazne nižšia než v pritekajúcej krvi. Za týchto okolností dochádza k rýchlemu uvoľňovaniu O2 z hemoglobínu a jeho difúzii do intersticiálneho moku a buniek. Opačným smerom ako O2postupujú molekuly CO2 tvoreného v tkanivách (difúzia z bunky do moku a následne stenou kapilár do krvi). Vzhľadom na mnohonásobne vyššiu rozpustnosť CO2 v krvi než O2 a väčšej krvnej kapacite pre CO2 je aj koncentrácia oxidu v krvi vyššia (cca 55ml/100ml arteriálna krv a 60ml/100ml venózna krv). Množstvo oxidu uhličitého rozpusteného v krvi je priamoúmerné jeho parciálnemu tlaku. Z kapilár sú molekuly oxidu dopravované do pľúc.

7. Modelovanie a simulácie v biomedicíne Dýchanie ako jedna zo základných životných funkcií je riadenémnožstvom regulačných mechanizmov. Voľné zmeny dýchania sú regulované mozgovou kôrou, dýchacia automatika je zase zabezpečovaná dýchacími centrami v predĺženej mieche a v moste. Je nevyhnutné aby bola aktivita dýchacích centier v súlade s metabolickou situáciou organizmu, aby reagovala na zmeny obsahu dýchacích plynov vo vnútornom prostredí organizmu. Hovoríme o chemickom riadení dýchania, ktorého hlavnou úlohou je udržiavať relatívne stabilné parciálne tlaky O2 a CO2, a to hlavne v arteriálnej krvi. Pri zostavovaní modelu by sme mali zohľadňovať všetky uvedené poznatky

8. Modelovanie a simulácie v biomedicíne Komplexný model regulácie dýchania

9. Modelovanie a simulácie v biomedicíne Model umelej pľúcnej ventilácie Pre jednoduchosť budeme uvažovať model pľúc, ktorý bude tvorený 3ma vakmi (mŕtvy priestor, pľúcne alveoly, interpleurálna dutina) a 2ma trubicami (horné cesty a dolné cesty dýchacie).

10. Modelovanie a simulácie v biomedicíne Pľúca sú pripojené k ventilátoru umelej pľúcnej ventilácie, ktorý periodicky vháňa tlakom PAOvzduch do pľúc. P0je tlak okolitej atmosféry. Prúd vzduchu Qprúdi skrz horné cesty dýchacie, ktorých odpor jeRC. Z hornýchciest dýchacích sa vzduch prediera dolnými dýchacími cestami do alveol. Odpor dolných dýchacích ciest je RP, tlak v centrálnych partiách dýchacích ciest (na rozhraní horných a dolných dýchacích ciest) jePAW, tlak v alveolech je PA. Vzduch rozťahuje pľúcne alveoly, ktorých poddajnosť je CL(ako celková poddajnosť pľúc). Medzi pľúcami a hrudným košom je interpleurálna dutina. Tlak v nej je PPL. Pri umelej pľúcnej ventilácii, kedy sa pod tlakom vháňa vzduch do pľúc, sa ešte musí roztiahnúť hrudník – poddajnosť hrudníku je CW. Malá časť vzduchu, ktorá sa nedostane až do alveol, iba rozťahuje dýchacie cesty – ich poddajnosť je CS(predychávanie tzv. mŕtveho priestoru).

11. Q QA RP RC Q-QA CL PAO PA PAW CS P0 CW PPL Modelovanie a simulácie v biomedicíne Ako vo väčšine prípadov existuje aj analógia v elektrotechnike

12. Modelovanie a simulácie v biomedicíne Model umelej pľúcnej ventilácie v prostredí SIMULINK