|
Напряжение миокарда существенно зависит от степени его растяжения, т.е. относительной деформации.
Падение активного напряжения миокарда при его растяжении больше чем на 45% объясняется тем, что нарушается электромеханическая связь между сократительными белками в мышечных волокнах. При этом электромеханическая связь ослабляется и полностью прекращается при 90%, причем после этого (при > 96%) мышца вообще не возвращается в исходное состояние. У человека полное напряжение миокарда можно определить по формуле: s = Vс / Vд × ра, где ра - давление в аорте;
Vс - систолический объем левого желудочка; Vд - диастолический объем левого желудочка.
Литература: Губанов Н.И.,Медбиофизика,-1978,с.251-274; Ремизов „Медбиофизика,-1987,с.204-215. Лекции.
|
Вопрос 62. Биомеханика сердца. Сила миокарда. Закон Франка-Стерлинга. Принципы расчёта работы и мощности сердца. pV-диаграмма.
Во время фазы изометрического сокращения миокард образует сферы (желудочки сердца можно приближенно рассматривать как сферы). В это время, сила, развиваемая миокардом, равна: F = ра × S, где
ра - давление в аорте; S - площадь поверхности сферы.
При нормальной работе человеческого сердца объем левого желудочка изменяется от 85 см3 в начале систолы до 25 см3 в конце ее. При этом поверхность левого желудочка сердца уменьшается от 93,7 см2 до 41,2 см2. Тогда, полная сила, развиваемая сердцем
в начале систолы будет равна F = р1 × S1 = 87Н, в конце систолы F = р2 × S2 = 66Н.
При р1 = 70 мм Hg, а р2 =120мм Нg, при меньшем объеме сердце развивает меньшую полную силу. Впервые эту зависимость обнаружили Франк и Старлинг. Закон, сформулированный ими, звучит так: «Сила миокарда есть функция длины его волокон» Fполная = ра × Sсферы = ра × 4 pr 2,
Сила, развиваемая миокардом в продольном направлении, может быть вычислена по формуле:
Fпр = ра × Sкруга = ра × pr2.
При инфаркте миокарда резко ухудшается кровоснабжение сердца. При этом часть мышечных волокон выключается из работы миокарда, происходит гипертрофия мышцы, что приводит к падению сократительной силы миокарда, так как при этом мышца не образует сферы.
Полная работа сердца складывается из работы левого и правого желудочков: А = Алев + Аправ.
При этом: Аправ = 0,2 Алев Алев = ра × Vy + r × Vy × u а 2 / 2 Алев = 1,2(ра × Vy + r × Vy × u а 2 / 2).
Если учесть, что ударный объем крови Vy = 60 см3, плотность крови r = 1,05 × 10 кг/м3; скорость движения крови в аорте u а = 0,5м/с; среднее давление в аорте ра = 100мм Нg, то А = 1 Дж.
Мощность сердца: N = А / t = 1 Дж/0,3 с = 3,3 Вт. Величина ра × V = Авн, называется внешней работой сердца. Эта работа сердца идет на создание гидродинамических градиентов, но рассчитать ее по этой формуле нельзя, так как ра и V являются функциями времени. Поэтому Авн рассчитывается по pV -диаграмме.
СИСТОЛА 1 фаза - изометрическое сокращение, 2 фаза - изгнание крови в аорту.
ДИАСТОЛА 3 фаза - изометрическое расслабление, 4 фаза - наполнение желудочка кровью.
Авн равна площади петли гистерезиса на рисунке.
Литература: Лекции.
Вопрос 63. Эффективность сердца. Рабочая характеристика сердца. Роль предсердий.
К.П.Д. сердца вычисляется по формуле:
h = Авн / Азатр, где Авн - внешняя работа сердца; Азатр - затраченная работа.
При сердечных пороках Азатр резко возрастает, при этом резко уменьшается эффективность сердца.
Рабочая характеристика сердца - это зависимость внешней работы сердца от давления в левом желудочке в конце диастолы. Эта зависимость имеет вид:
Из графика видно, что если диастолическое давление больше или равно б мм Нg, то внешняя работа сердца является максимальной и неизменной. Следовательно, при этом сердце работает с наибольшим КПД.
Если бы кровь к левому желудочку поступала прямо из полых вен, где давление ниже атмосферного, то КПД был бы мал. Отсюда можно
сделать вывод о назначении предсердий. Их роль заключается в поднятии давления в желудочке перед его систолой до 6 мм Нg, т.е. вывести желудочек на эффективный участок рабочей характеристики сердца. Но сами предсердия неэффективно работают при таком низком давлении, поэтому вначале сокращаются ушки предсердия и повышают давление в предсердии до 2 мм Нg, заставляя предсердия работать эффективно. Затем сокращаются предсердия и повышают давление в желудочке до 6 мм Нg. В настоящее время сердце в функциональном отношении считают шести камерным насосом (два ушка предсердий, два предсердия и два желудочка).
Литература: Лекции.
Вопрос 64. Моделирование. Основные виды моделирования.
Моделирование - выявление подобия между объектом и квазиобьектом или моделью. Приставка "квази" в переводе с латинского означает "ложный". Сходство между объектом и моделью называется изоморфизмом.
Например, глобус - модель земли. В данном случае изоморфизм проявляется в чисто внешнем сходстве.
Всякая модель является упрощением действительности для целей удобства изучения. Искусство моделирования состоит в знании того, что? где? когда? и как? можно и нужно упростить. Когда следует применять моделирование? По крайней мере, в двух ситуациях:
- когда объект не доступен для прямого исследования, а можно изучать лишь внешние проявления его деятельности, например, структура Галактики;
- когда объект слишком сложен и, хотя его можно изучать по частям, невозможно представить функционирование его как единого целого, например, человеческий мозг.
Основные виды моделирования:
1. Внешнее моделирование - такой вид моделирования, при котором сходство между моделью и объектом чисто внешнее.
Пример: кукла - модель человека.
2. Физическое моделирование - такой вид моделирования, при котором есть и внешнее и внутреннее сходство между объектом и моделью, когда изучаемый процесс или явление воспроизводится с сохранением его физической природы.
Пример: уменьшенная в размерах модель плотины,
где m - масса воды, протекающей по трубе в единицу времени;
R - сопротивление, оказываемое трубой протекающей жидкостью;
h - высота падения воды (перепад уровней до и после плотины).
3. Параметрическое моделирование - такой вид моделирования, при котором сходство только внутреннее, по одному или нескольким параметрам. Физическая природа оригинала на модели не сохраняет, и важна лишь аналогичность изменения параметров объекта и модели.
Пример: электрическая модель плотины,
где I - сила тока в электрической цепи (аналог массе воды);
R - сопротивление электрической цепи (аналог сопротивления движению воды)
U - разность потенциалов источника тока (аналог высоте падения воды).
4. Математическое моделирование - это такое абстрагирование, при котором интересующие исследователя отношения между реальными элементами изучаемого объекта или явления соответствуют отношениям между математическими объектами.
Пример: закон Ома I = U / R, является математической моделью плотины! Можно не строить физическую или электрическую модель плотины, а можно создать ее математическую модель, т.е. набор формул, отражающих реальные законы функционирования входящих в нее частей и произвести необходимые расчеты. Это ведь гораздо быстрее и экономичнее! И если Ваши формулы и входные данные верны, то Вы получите правильные ответы на все интересующие Вас вопросы.
Математическое моделирование, как метод исследования, обладает рядом достоинств:
- сам метод изложения количественных закономерностей языком графиков и формул точен и экономичен;
- проверка гипотез, сформулированных на основе опытных данных, может быть осуществлена путем испытания
математической модели, созданной на основе этой гипотезы; результат такого исследования либо дает
дополнительное подтверждение гипотезы, либо приводит к необходимости ее уточнения или пересмотра;
- математическая модель позволяет судить о поведении таких систем и в таких условиях, которые трудно или
невозможно создать в эксперименте или в клинике, например, математическая модель физической защиты от
ионизирующего излучения, в которой анализируются ситуации со 100-процентным летальным исходом.
- правильно созданная математическая модель позволяет уменьшить время исследования биологического
объекта, сократить количество необходимых экспериментальных животных для такого исследования и число
необходимых экспериментов;
- математическая модель облегчает решение задач прогнозирования хода и результатов научных экспериментов
и течения тех или иных заболеваний у конкретного больного, оценить эффективность проведенного лечения.
5. Стохастическое моделирование (вероятностное), вид математического моделирования, в котором для описания модели используются случайные величины.
Пример: статистическая модель заболеваемости населения региона гриппом или инфекционным гепатитом.
6. Кибернетическое моделирование - вид математического моделирования систем управления в обществе или каких-то системах живого организма. Нередко в данном виде моделирования используется метод так называемого "черного ящика". Под "черным ящиком" понимается система, в которой исследователю доступны только входные и выходные величины, а внутреннее устройство не известно. При этом оказывается, что ряд важных выводов о поведении данной системы можно сделать, наблюдая лишь реакцию выходных параметров системы на изменение входных величин.
Пример: модель управления обществом.
Метод использования "черного ящика" применим при решении задач исследования систем управления в тех случаях, когда представляет интерес поведения системы, а не ее строение. Изучение системы данным методом принципиально не может привести к однозначному выводу о ее внутренней структуре, но может привести к выводу о том, что такая структура не может быть (т.е. отвергнуть гипотезу).
Следует отметить, что в биологии и медицине кибернетическое моделирование следует использовать с большой осторожностью, чем менее детерминирована изучаемая биологическая система и чем больше в такой модели "черного ящика", тем хуже модель!
7. Биофизическое моделирование - такой вид моделирования, когда модель создается на основе знаний о структуре и функции моделируемого объекта. В свое время академик АН СССР Г.М. Франк дал следующее определение биофизики: "Биофизика - область изучения физических основ жизненных явлений, приложение к биологии физических идей и инструментальных физических методов, а также методов математической физики и построения физических и математических моделей явлений".
Таким образом, конечной целью биофизики является построение математических моделей биологических явлений, т.е. открытие биологических законов! В настоящее время биофизическое моделирование следует признать наиболее ценным видом моделирования в биологии и медицине.
Примеры: биофизическая модель молекулы ДНК; биофизическая модель систем гомеостаза человеческого организма; искусственная почка и т.п.
Вопрос 65. Информация. Количественная и качественная оценка информации. Теория игр.
Информация - сообщение, которое может быть использовано системой управления для устранения неопределенности (качественная оценка).
Информация - мера устранения неопределенности (количественная оценка).
Для определения количества полученной информации можно использовать формулу К. Шеннона для равновероятных состояний: Н = log 2 N, где Н - количество полученной информации в битах, N -число равновероятных состояний или событий.
Бит - количество информации в двоичной системе счисления, если N равно двум, т.е. если выбор производится из двух равновероятных состояний. Само название "бит" происходит от двух английских слов: binary digit (bit), что и означает в вольном переводе "выбор из двух пальцев", т.е. равновероятный выбор.
Пример: нейрон может находиться в двух равновероятных состояниях возбужденном или невозбужденном. Какое количество информации необходимо получить для полного устранения неопределенности?
Н = log 2 N = log 22 = 1 бит.
Пример: в пачке находится 16 экзаменационных билетов. Какое количество информации получит студент, если ему сообщить, где находится билет №3?
Н = log 2 N = log 216 = 4 бита.
Теория игр - теория математических моделей принятия оптимальных решений в условиях неопределенности.
Свое название этот раздел кибернетики получил из-за того, что фактор неопределенности можно интерпретировать как противника в спортивной игре, который препятствует принятию оптимального решения.
Пример: вы - врач приемного отделения какой больницы. К Вам доставлен больной с жалобами на интенсивные боли в области живота. Как за минимальное время определить правильный диагноз у данного больного? Можно, конечно, поступить так, как обычно поступает начинающий и неопытный врач - начать проверять первым тот возможный диагноз, который Вы вспомнили первым (или тот, который Вы лучше помните из курса обучения в ВУЗе!). Если диагноз при Вашем обследовании не подтвердился, то потом можно приступить к проверке какого-то другого и т.д.
Вероятность того, что Вы случайно наткнетесь на правильный диагноз, очень мала. Поступая, таким образом. Вы проводите много лишних исследований, что само по себе не рационально с экономической точки зрения, но главное, что Вы, проводя ненужные исследования, теряете драгоценное время оставшейся жизни пациента и, если состояние больного тяжелое, он может просто не дожить до того момента, когда Вы, наконец, поставите правильный диагноз! Как же поступить? Теория игр рекомендует поступить следующим образом:
а) все предполагаемые диагнозы следует поделить на две группы взаимно исключающих друг друга диагнозов
и провести исследования, с целью исключения (или подтверждения) одной группы диагнозов. Так, например.
Вы вспомнили о том, что интенсивные боли в могут быть при 32 заболеваниях (в действительности таких
больше!). Вы поделили все эти диагнозы на две группы: сердечные заболевания (14 диагнозов) и остальные,
не связанные с поражением сердца. Для исключения сердечной этиологии (боли в области живота могут
быть, например, при инфаркте миокарда) следует провести запись электрокардиограммы. После анализа ЭКГ
Вы убедились в том, что сердечной патологии у пациента нет, поэтому Вы можете отбросить всю эту группу
диагнозов.
На этом этапе Вы получили 1 бит информации: Н = log 2 N = log 22 = 1 бит.
Общее количество информации, которое Вам нужно получить при обследовании пациента равно 5 битам:
Н = log 2 N = log 232 = 5 бит.
Таким образом, Вам осталось пройти еще 4 шага и получить еще 4 бита информации для отыскания
правильного ответа! Перейдем к следующему этапу.
б) снова оставшиеся 18 возможных диагнозов поделим на две группы взаимно исключающих диагнозов,
например, заболевания, связанные с заболеваниями поджелудочной железы (в нашем примере 11) и
остальные диагнозы. Для исключения (или подтверждения) первой группы диагнозов проведем, например,
определение диастазы в моче и убедимся, что поджелудочная железа к этому болевому синдрому отношения
не имеет. На этом этапе мы получили еще 1 бит информации.
в) разделим оставшиеся 10 диагнозов на две группы: заболевания, связанные с заболеваниями желудка и не
связанные с заболеваниями желудка. Для исключения (или подтверждения) одной из этих групп диагнозов
проведем гастроскопию и т.д. Сведения о конкретных методиках получения диагноза при различных
заболеваниях Вам дадут на клинических кафедрах. Преимуществом поиска диагноза по теории игр является
то, что мы обязательно придем к правильному решению самым кратким путем, в нашем примере всего за 5
шагов!
Литература: Лекции.
Вопрос 66. Теория управления. Понятие о системе управления. Прямые и обратные связи.
Теория управления - раздел кибернетики, изучающий системы управления.
Кибернетическая система или система управления - упорядоченная совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, закономерно образующих единое целое, которое обладает свойствами, отсутствующими у элементов, образующих это целое. Пример: человеческий организм.
Основные свойства систем:
1) наличие качеств, отсутствующих у отдельных элементов;
2) управляемость систем;
3) целенаправленность систем;
4) целостность систем;
5) саморегулирование систем;
6) самоорганизация систем;
7) иерархичность систем.
Система управления, как минимум, содержит в себе два основных блока или устройства:
управляющее устройство (УУ) и управляемый объект (УО), между которыми имеются прямые и обратные связи. По каналу прямой связи передаются команды или управляющие воздействия к управляемому объекту с целью перевода его в требуемое состояние. По каналу обратной связи передается информация об эффективности управления. Обратные связи могут быть двух типов: положительные и отрицательные.
Под положительной обратной связью понимают такую связь, при которой система переходит на более высокий уровень функционирования.
Пример: возникновение потенциала действия.
Процесс лавинообразно нарастает и заканчивается генерацией потенциала действия, а клетка, в которой это произошло, переходит в возбужденное состояние.
Под отрицательной обратной связью понимают такую связь, при которой происходит стабилизация параметров системы.
Пример: регулирование содержания тироксина в крови.
Данная система поддерживает концентрацию тироксина в крови на строго постоянном уровне. Система работает так: тироксин является отрицательной обратной связью в этой системе управления, он тормозит выработку гипофизом тиреотропного гормона (ТТГ). При уменьшении концентрации тироксина в крови гипофиз начинает вырабатывать большее количество ТТГ, который заставляет щитовидную железу больше вырабатывать тироксина. Если тироксина в крови стало больше нормы, то увеличивается тормозящее влияние этого гормона на гипофиз, ТТГ вырабатывается меньше и щитовидная железа меньше вырабатывает тироксина. Литература: Лекции.
Вопрос 67. Принципы работы системы автоматического регулирования (САР) с воздействием по рассогласованию (на примере регуляции кровяного артериального давления при кровопотере).
Управление - процесс воздействия на управляемый объект с целью перевода его в требуемое состояние. Управление бывает двух видов - сохраняющее и поисковое.
Поисковое управление такой вид управление, при котором заранее неизвестно требуемое значение параметров и это значение отыскивается в ходе управления.
Пример: поиск оптимальной величины кровяного артериального давления при нагрузке.
Более простым видом управления является сохраняющее управление, когда значение какого-то параметра сохраняется на строго заданном уровне. Сохраняющее управление иначе называют регулированием.
Пример: поддержание постоянства концентрации тироксина в крови.
Рассмотрим принципы работы и блок-схему САР с воздействием по рассогласованию.
Условные обозначения:
1 - регулируемый объект, 2 - измерительное устройство, 3,4,5 - сосудодвигательный центр,
Х - регулируемый параметр (величина артериального давления),
Z - помеха - кровопотеря, происшедшая в результате ранения сосуда.
Величина параметра измеряется измерительным устройством 2 - в нашем организме это баро - или прессорецепторы, располагающиеся в дуге аорты и вырабатывает сигнал Х1 о величине параметра X. Сравнивающее устройство 3 проводит сравнение должного значения параметра Х0, которое вырабатывается эталоном или акцептором результатов действия 5. В результате такого сравнения вырабатывается сигнал рассогласования e, в соответствии с величиной и знаком, которого регулирующее устройство 4 вырабатывает команду или регулирующее воздействие b, которое переводит регулируемый объект 1 в требуемое состояние, при этом АД приходит к нормальному уровню.
Следует отметить, что 3, 4 и 5 устройства - это группы нейронов, расположенные в так называемом сосудодвигательном центре. Регулируемый объект 1 - это интегрированное понятие:
- во-первых, это сердце, увеличение частоты сокращений (положительный хронотропный эффект) или увеличение систолического объема (положительный инотропный эффект) увеличивают минутный объем и, как результат, приводят к повышению АД;
- во-вторых, это сосуды, повышение сосудистого тонуса приведет к повышению АД;
- в-третьях, это кровяные депо, выход крови из дело в кровяное русло увеличит массу циркулирующей крови и увеличит АД;
- в-четвертых, это органы пищеварения, при кровопотере у человека появляется чувство жажды, при приеме определенного количества воды она поступает в кровяное русло, увеличивая массу циркулирующей крови и увеличивает АКД;
- в-пятых это органы выделения, почки резко уменьшают мочеотделение, что ведет к задержке жидкости в организме и тоже ведет к повышению АД и т.д.
Таким образом, в понятие "регулируемый объект" входят практически все органы и системы человеческого организма, что повышает эффективность регулирования.
Литература: Лекции.
Вопрос 68. Принципы работы системы автоматического регулирования с воздействием по возмущению (на примере регуляция уровня кислорода в крови при экспериментальном закрытом пневмотораксе).
Недостатком САР с воздействием по рассогласованию является то, что система начинает регулировать только тогда, когда параметр уже отклонился от заданного уровня и, поэтому, с помощью данной системы регулирования невозможно получить истинные константы. Было обнаружено, что подобным образом работают системы у больного человека, а у здорового они работают более совершенно, когда колебания регулируемого параметра практически исключены даже при действии значительных по величине помех. Подобные системы регулирования были названы "САР с воздействием по возмущению". Рассмотрим блок-схему САР с воздействием по возмущению.
Условные обозначения:
1 - дыхательные мышцы, 2 - хеморецепторы, 3,4,5 - дыхательный центр, 6 – механорецепторы.
В отличие от ранее рассмотренной блок-схемы в данную дополнительно включен второй канал обратной связи с измерительным устройством б, которое измеряет величину помехи!
Предположим, что собаке в эксперименте (этот эксперимент первым провел известный советский ученый академик Анохин) одномоментно с помощью шприца и инъекционной иглы в плевральную полость было введено 250 миллилитров воздуха (закрытый пневмоторакс). Подобное воздействие (помеха 2) должно было привести к повышению внутри плеврального давления и, как результат, к уменьшению поступления воздуха в легкие и, соответственно, к уменьшению поступления кислорода в кровь.
В организме животного имеется кислородное депо - миоглобин, вещество похожее на гемоглобин и находящееся в скелетных мышцах. Было рассчитано, что при недостаточном поступлении кислорода в кровь из воздуха будет поступать кислород из депо. Запасы кислорода в депо таковы, что они будут израсходованы через 10-12 вдохов животного и тогда, по предположению исследователей, концентрация кислорода в крови уменьшится (возникнет рассогласование) и животное произведет более глубокий вдох. Эксперименты опровергли это предположение - первый же вдох животного, после наложения пневмоторакса, оказался более глубоким! Как же организм животного "догадался", что ему к 10-му - 12-му вдоху угрожает тканевая гипоксия?
Последовательность событий в процессе регулирования следует представить себе так: после наложения пневмоторакса животное делает очередной вдох. Глубина каждого вдоха в организме параметризована, т.е. должна быть такой, чтобы покрыть потребности тканей в кислороде, и это контролируется с помощью механорецепторов (устройство 6 на блок-схеме), которые располагаются в висцеральной плевре и паренхиме легкого. Вдох продолжается до тех пор, пока, пока механорецепторы не будут растянуты в должной мере, таким образом, помеха как бы была измерена и, в соответствии с этим, была сделана необходимая поправка в регулировании.
Чем больше каналов обратной связи имеется в системе регулирования, тем более надежно поддерживаются параметры на строго заданном уровне.
Литература: Лекции.
Вопрос 69. Процессы управления в биологических системах. Устойчивость н надежность систем автоматического регулирования. Принципы обеспечения высокой надежности биологических систем.
В большинстве случаев при заболеваниях нарушаются процессы управления в организме, при этом параметры перестают поддерживаться на оптимальном уровне. Главной врачебной задачей на данном этапе является задача, связанная с нахождением той системы автоматического регулирования в организме, которая стала работать неустойчиво с тем, чтобы попытаться восстановить ее работу.
Для того чтобы определить устойчиво работает данная САР или нет, следует произвести исследование переходных функций САР (в клинике подобные исследования называют функциональными пробами). Под переходными функциями САР понимают реакцию системы на воздействие в виде одиночного скачка. В качестве примера рассмотрим определение устойчивости системы регуляции уровня сахара в крови у больного со скрытой формой диабета. Для того чтобы установить устойчиво или нет, работает САР уровня сахара в крови, необходимо заставить эту систему работать.
Для достижения этой цели следует создать строго дозированную помеху, которая бы отклонила регулируемый параметр от нормального уровня. Для этого внутривенно одномоментно вводят 40% раствор глюкозы из расчета 0.2 грамма на килограмм массы тела больного, в результате чего концентрация сахара в крови увеличится, т.е. возникнет рассогласование (смотри рисунок). Если диабета у данного пациента нет, то САР в течение 35-45 минут вернет уровень сахара в крови к норме. Если же у данного пациента диабет, то возвращение уровня сахара к норме может затянуться на многие часы или даже сутки (возможно многократное перерегулирование). Чем тяжелее диабет, тем дольше продолжается этот процесс.
Надежность систем автоматического регулирования - способность САР поддерживать регулируемые параметры на заданных уровнях в условиях действия реальных помех.
Функциональным элементом центральной нервной системы (ЦНС) является нейрон. Каждый нейрон очень ненадежен, т.к. каждый час гибнет (и не восстанавливается!) около 1000 нейронов. Почему же, если сами нейроны очень ненадежны, биологические системы являются чрезвычайно надежными? Вот основные принципы обеспечения надежности биологических систем:
Дата добавления: 2015-11-04; просмотров: 32 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |