Исследование механизма управления газообменной функцией организма на математической модели функциональной системы дыхания

Исследование механизма управления газообменной функцией организма на математической модели функциональной системы дыхания

На математической модели функциональной системы дыхания исследовалась роль известных в физиологи стимулов в поддержании газового гомеостаза организма, насколько точно компромиссное разрешение конфликтной ситуации между управляющими и исполнительными органами саморегуляции обеспечивает выбор величин...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2019
Hauptverfasser: Аралов, Н.И., Машкин, В.И.
Format: Artikel
Sprache:Ukrainian
Veröffentlicht: Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України 2019
Schriftenreihe:Теорія оптимальних рішень
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/161672
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Исследование механизма управления газообменной функцией организма на математической модели функциональной системы дыхания / Н.И. Аралов, В.И. Машкин // Теорія оптимальних рішень: Зб. наук. пр. — 2019. — № 18. — С. 40-45. — Бібліогр.: 6 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-161672
record_format dspace
spelling irk-123456789-1616722019-12-19T01:25:09Z Исследование механизма управления газообменной функцией организма на математической модели функциональной системы дыхания Аралов, Н.И. Машкин, В.И. На математической модели функциональной системы дыхания исследовалась роль известных в физиологи стимулов в поддержании газового гомеостаза организма, насколько точно компромиссное разрешение конфликтной ситуации между управляющими и исполнительными органами саморегуляции обеспечивает выбор величин органных и тканевых кровотоков. На математичній моделі функціональної системи дихання досліджувалась роль відомих у фізіології стимулів у підтримці газового гомеостазу організму, зокрема як точно компромісний розв’язок конфліктних ситуацій між керуючими та виконавчими органами саморегуляції забезпечує вибір величин органних та системного кровообігів. Equations of the dynamics of inert gases to the body under hyperbaria are added, complementing the mathematical model of the functional breathing system that can be used to predict the stresses of respiratory gases during compression, exposure on the ground, and decompression of the aquanaut. 2019 Article Исследование механизма управления газообменной функцией организма на математической модели функциональной системы дыхания / Н.И. Аралов, В.И. Машкин // Теорія оптимальних рішень: Зб. наук. пр. — 2019. — № 18. — С. 40-45. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. 2616-5619 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/161672 519.8 uk Теорія оптимальних рішень Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Ukrainian
description На математической модели функциональной системы дыхания исследовалась роль известных в физиологи стимулов в поддержании газового гомеостаза организма, насколько точно компромиссное разрешение конфликтной ситуации между управляющими и исполнительными органами саморегуляции обеспечивает выбор величин органных и тканевых кровотоков.
format Article
author Аралов, Н.И.
Машкин, В.И.
spellingShingle Аралов, Н.И.
Машкин, В.И.
Исследование механизма управления газообменной функцией организма на математической модели функциональной системы дыхания
Теорія оптимальних рішень
author_facet Аралов, Н.И.
Машкин, В.И.
author_sort Аралов, Н.И.
title Исследование механизма управления газообменной функцией организма на математической модели функциональной системы дыхания
title_short Исследование механизма управления газообменной функцией организма на математической модели функциональной системы дыхания
title_full Исследование механизма управления газообменной функцией организма на математической модели функциональной системы дыхания
title_fullStr Исследование механизма управления газообменной функцией организма на математической модели функциональной системы дыхания
title_full_unstemmed Исследование механизма управления газообменной функцией организма на математической модели функциональной системы дыхания
title_sort исследование механизма управления газообменной функцией организма на математической модели функциональной системы дыхания
publisher Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
publishDate 2019
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/161672
citation_txt Исследование механизма управления газообменной функцией организма на математической модели функциональной системы дыхания / Н.И. Аралов, В.И. Машкин // Теорія оптимальних рішень: Зб. наук. пр. — 2019. — № 18. — С. 40-45. — Бібліогр.: 6 назв. — укр.
series Теорія оптимальних рішень
work_keys_str_mv AT aralovni issledovaniemehanizmaupravleniâgazoobmennojfunkciejorganizmanamatematičeskojmodelifunkcionalʹnojsistemydyhaniâ
AT maškinvi issledovaniemehanizmaupravleniâgazoobmennojfunkciejorganizmanamatematičeskojmodelifunkcionalʹnojsistemydyhaniâ
first_indexed 2025-07-14T14:15:48Z
last_indexed 2025-07-14T14:15:48Z
_version_ 1837632113142136832
fulltext 40 ISSN 2616-5619. Теорія оптимальних рішень. 2019, № 18 ТЕОРІЯ ОПТИМАЛЬНИХ РІШЕНЬ На математической модели функ- циональной системы дыхания ис- следовалась роль известных в физи- ологи стимулов в поддержании газового гомеостаза организма, на- сколько точно компромиссное раз- решение конфликтной ситуации между управляющими и исполни- тельными органами саморегуляции обеспечивает выбор величин орган- ных и тканевых кровотоков.  Н.И. Аралова, В.И. Машкин, 2019 УДК 519.8 Н.И. АРАЛОВА, В.И. МАШКИН ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА УПРАВЛЕНИЯ ГАЗООБМЕННОЙ ФУНКЦИЕЙ ОРГАНИЗМА НА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДЫХАНИЯ Введение. При любых возмущающих воздей- ствиях на организм возникают конфликтные ситуации. Во-первых, естественный конфликт между исполнительными органами управле- ния (дыхательные мышцы, сердечная мышца, гладкие мышцы сосудов) и периферическими тканями при поддержании общего и локаль- ного гомеостазиса в условиях дефицита кисло- рода или избытка углекислого газа. Во- вторых, при некоторых возмущениях окружа- ющей среды (гипобария, гипербария) кон- фликт проявляется воздействием соответ- ствующих стимулов регуляции – гипоксичес- кого и гиперкапнического, гиперазотного и гаперкапнического. Математическая модель массопереноса и массообмена респираторных газов в организме [1, 2] позволяет рассчитать распределение кровотоков и напряжения респираторных газов по тканям и, таким образом, прогнозировать функционирование системы дыхания, а также определить состояние данной системы при различных ви- дах внутренних и внешних возмущающих воздействий, что играет важную роль в ме- дико-биологическом контроле при различных видах человеческой деятельности. Математическая модель. Применяя сис- темный подход для описания процесса массо- переноса респираторных газов в организме, представим систему дыхания в виде управляе- мой системы, в которой осуществляется массоперенос кислорода, углекислого газа, азота и управляющей, которая вырабатывает ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА УПРАВЛЕНИЯ ГАЗООБМЕННОЙ ФУНКЦИЕЙ ОРГАНИЗМА ... ISSN 2616-5619. Теорія оптимальних рішень. 2019, № 18 41 определенные воздействия, обеспечивающие нормальное течение процесса массопереноса газов [3]. Математическая модель управляемой части системы дыхания в [1, 2] описывается системой обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих динамику напряжений кислорода на всех этапах его пути в организме, в кратком виде имеет вид 2 2 2 2 2( , , , , , , , ), i i i i i i i t t t dp O p O p CO V Q Q G O q O d     2 2 2 2 2( , , , , , , , ), i i i i i i i t t t dp CO p O p CO V Q Q G CO q CO d     (1) где функции  и  детально описаны в [1, 2], V – вентиляция,  – степень насыщения гемоглобина кислородом, Q – объемная скорость системного и it Q – локальных кровотоков, 2Oq it – скорость потребления кислорода i -ым тканевым резервуаром, 2COq it – скорость выделения углекислого газа в i -ом тканевом резервуаре. Скорости 2OG it потока кислорода из крови в ткань и 2COG it углекислого газа из ткани в кровь определяется соотношением ( ), i i i i it t t ct tG D S p p  (2) где it D – коэффициенты проницаемости газов через аэрогематический барьер, it S – площадь поверхности газообмена. Цель управления [4] – это вывод возмущенной системы в стационарный режим, при котором выполняются соотношения 2 2 1| | , i it tG O q O   2 2 2| | , i it tG CO q CO   (3) где 1, 2 заранее заданные достаточно малые положительные числа. При этом на управляющие параметры накладываются ограничения max0 VV   , max0 QQ  , QQ it 0 , QQ it m i  1 , (4) где m – количество тканевых резервуаров в организме. Кроме того, для разрешения конфликтной ситуации между исполни- тельными органами регуляции (дыхательными мышцами, сердечными мышцами и гладкими мышцами сосудов), являющимися в то же самое время потреби- телями кислорода, и остальными тканями и органами [3], введены соотношения )(2.. VfOq мдых  , . . 2 ( ),серд мq O Q  . . 2 ( ).глад мq O Q  (5) В качестве критерия регуляции рассматриваем функционал max 0max 2 2 1 2 2 2 2 2 0 0 min [ ( ) ( ) ] , i i i i i i i i ti T t t t t t t V V t tQ Q I G O q O G CO q CO d              mi ,1 , (6) Н.И. АРАЛОВА, В.И. МАШКИН 42 ISSN 2616-5619. Теорія оптимальних рішень. 2019, № 18 где 0 – момент начала воздействия возмущения на систему, T – длительность этого воздействия, 1 и 2 – коэффициенты, характеризующие чувствительность конкретного организма к гипоксии и гиперкапнии, it  – коэффициенты, отража- ющие морфологические особенности отдельного тканевого резервуара .i При таком управлении минимизируются общие затраты кислорода в орга- низме и в каждом тканевом регионе, а также накопление углекислого газа. При физической нагрузке математическая модель (1) – (6) имитирует разре- шение конфликтной ситуации между тканями исполнительных и управляющих органов регуляции в борьбе за кислород [3] в виде перераспределения кро- вотока. Численный эксперимент. Для исследования на модели осуществлялась имитация покоя для организма среднестатистического человека – масса тела 75 кг, скорость потребления кислорода 4,3 мл/с, объемная скорость системного кровотока 87 мл/с. При имитации физической нагрузки скорость потребления кислорода возрастала до 43 мл/с. Задача управления газовым гомеостазисом решалась при 2 3 0   (гипо- ксический стимул регуляции), 1 3 0   (гиперкапнический стимул регуля- ции), 3 0  (совместное воздействие гипоксического и гиперкапнического стимулов регуляции). Оказалось, что при имитации физической нагрузки во всех трех случаях скорость системного кровотока приблизительно одинакова 415 – 422 мл/с [4], также сохраняется распределение органных кровотоков, однако достоверно различается время переходных процессов. Так при регуляции лишь по гипоксическому стимулу длительность переходного периода – доли секунды, с учетом лишь гиперкапнического – десятки секунд, в этом случае напряжение кислорода в мышце сердца и скелетных мышцах снижается до 13,02 – 16,03 мм рт. ст. Совместный учет гипоксического и гиперкапнического стимулов регуляции сокращает переходной процесс до нескольких секунд и дает возможность поддерживать достаточно высокий уровень 2pO и снизить уровень 2pCO в тканевых резервуарах [5]. Обсуждение результатов имитационного моделирования. Модель позво- ляет проанализировать причину неадекватности объемной скорости системного кровотока при артериальной гипоксемии. Расчеты показали, что если бы регуля- ция велась только с учетом гипоксического стимула, то при артериальной гипоксемии ( 2 70,4ap O  мм рт. ст., 2 30ap CO  мм рт. ст.) объемная скорость системного кровотока должна равняться 122,3 мл/с, что превышает значения этого показателя, полученные экспериментальным путем. При этом доля орган- ных кровотоков распределяется следующим образом: ткани мозга – 15 %, сердечная мышца – 7,7 %, ткани печени и ЖКТ – 25,7 %, почек – 24,2, скелетные мышцы и кожа –18,4 %, другие ткани – 9 % (рисунок). ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА УПРАВЛЕНИЯ ГАЗООБМЕННОЙ ФУНКЦИЕЙ ОРГАНИЗМА ... ISSN 2616-5619. Теорія оптимальних рішень. 2019, № 18 43 Мозг 15% Сердце 8% Печень 24% Почки 24% Кожа 2% Другие ткани 9% Скелетные мышцы 18% РИСУНОК. Распределение органных кровотоков по тканям работающих органов при артериальной гипоксемии с 2 70,4ap O  мм рт. ст., 2 30ap CO  мм рт. ст. при гипоксическом стимуле регуляции При численном эксперименте при такой же артериальной гипоксемии с учетом комбинированного воздействия гипоксического и гиперкапнического стимулов объемная скорость системного кровотока составляет 99,6 мл/с, что близко к величине этого показателя, полученного экспериментально. При этом органные кровотоки распределялись следующим образом: ткани мозга – 14,9 %, сердечная мышца – 5,7 %, ткани печени и ЖКТ – 24,7 %, почек – 22,3, скелетные мышцы и кожа – 21,5 %, другие ткани – 10,9 %. Расчетные значения напряжений респираторных газов при совместном воздействии гипоксического и гиперкап- нического стимулов представлены в таблице. ТАБЛИЦА. Расчетные значения напряжений респираторных газов в тканях при артериальной гипоксемии 2 70,4ар О  при совместном воздействии гипоксического и гиперкапнического стимулов регуляции Ткани Мозг Сердце Печень Почки Скелетные мышцы Другие 2pO , мм рт. ст. 36 22 42 52 29 38 2pCO , мм рт. ст. 34 40 40 32 47 48 Н.И. АРАЛОВА, В.И. МАШКИН 44 ISSN 2616-5619. Теорія оптимальних рішень. 2019, № 18 Эти расчеты демонстрируют роль гиперкапнического стимула регуляции дыхания, как фактора, сдерживающего рост объемной скорости системного кровотока. Еще больший вклад в этот процесс вносит конкуренция между тканями исполнительных органов саморегуляции и периферическими тканями в борьбе за кислород [6]. Организм имеет теоретическую возможность увели- чить объемную скорость системного кровотока хотя бы в пять раз (как это бывает при физической нагрузке). Но тогда в сердечной мышце, имеющей наибольшую удельную скорость потребления кислорода возникает наибольший дефицит и, соответственно, самая глубокая гипоксия. Чтобы этого не происхо- дило, осуществляется компромиссное разрешение конфликтной ситуации с уче- том морфологических и функциональных особенностей каждого тканевого региона, каждый регион недополучает кислород, но это снижает нагрузку с сердечной мышцы и увеличивает запас регуляторных возможностей организма. Также на модели имитировалась физическая нагрузка мощностью 600 кГм/мин при различных степенях артериальной гипоксемии. Расчеты пока- зали, что при 2 70,4ap O  мм рт. ст., 2 30ap CO  мм рт. ст. оптимальной оказа- лась величина объемной скорости системного кровотока 459,6 мл/с со следу- ющим распределением на органные ткани мозга – 5,4 %, сердечная мышца – 7,8 %, ткани печени и ЖКТ – 11,4 %, почек – 5,6 %, скелетные мышцы и кожа – 66,9 %, другие ткани – 2,9 %. Нагрузка такой же интенсивности но при более выраженной артериальной гипоксемии 2 58,2ap O  мм рт. ст., 2 22ap CO  мм рт. ст. требует увеличения объемной скорости системного кровотока до 529,9 мл/с, при этом он распределяется следующим образом: ткани мозга – 25,8 мл/с, сердечная мышца – 43,1 мл/с, ткани печени и ЖКТ – 70,1 мл/с, почек – 42 мл/с, скелетные мышцы и кожа – 333,7 мл/с, другие ткани – 16,2 42 мл/с. Выводы. Имитация на математической модели функциональной системы дыхания артериальной гипоксемии в покое и при физической нагрузке показали роль гиперкапнического стимула регуляции дыхания и компромиссного разре- шения конфликтной ситуации между исполнительными органами саморегу- ляции и периферическими органами, как фактора, сдерживающего рост объем- ной скорости системного кровотока. Н.І. Аралова, В.Й. Машкін ДОСЛІДЖЕННЯ МЕХАНІЗМУ КЕРУВАННЯ ГАЗООБМІННОЮ ФУНКЦІЄЮ ОРГАНІЗМУ НА МАТЕМАТИЧНІЙ МОДЕЛІ ФУНКЦІОНАЛЬНОЇ СИСТЕМИ ДИХАННЯ На математичній моделі функціональної системи дихання досліджувалась роль відомих у фізіології стимулів у підтримці газового гомеостазу організму, зокрема як точно компро- місний розв’язок конфліктних ситуацій між керуючими та виконавчими органами само- регуляції забезпечує вибір величин органних та системного кровообігів. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА УПРАВЛЕНИЯ ГАЗООБМЕННОЙ ФУНКЦИЕЙ ОРГАНИЗМА ... ISSN 2616-5619. Теорія оптимальних рішень. 2019, № 18 45 N.I. Aralova, V.I. Mashkin THE EQUATIONS OF INERT GASES DYNAMICS FOR OPTIMIZATION OF DECISION-MAKING IN PROVIDING SAFE DECOMPRESSION OF THE AQUANAUT Equations of the dynamics of inert gases to the body under hyperbaria are added, complementing the mathematical model of the functional breathing system that can be used to predict the stresses of respiratory gases during compression, exposure on the ground, and decompression of the aquanaut. Список литературы 1. Онопчук Ю.Н. Гомеостаз функциональной системы дыхания как результат внутри- системного и системно-средового информационного взаимодействия Биоэкомедицина. Единое информационное пространство под общ. ред. В.И. Гриценко. Киев. 2001. С. 59 – 84. 2. Онопчук Ю.Н. Гомеостаз функциональной системы кровообращения как результат внутрисистемного и системно-средового информационного взаимодействия Биоэкомеди- цина. Единое информационное пространство под общ. ред. В.И. Гриценко. Киев. 2001. С. 85 – 106. 3. Полинкевич К.Б., Онопчук Ю.Н. Конфликтные ситуации при регулировании основной функции дыхания организма и математические модели их разрешения. Кибернетика. 1986. № 3. С. 100 – 104. 4. Бобрякова И.Л., Онопчук Ю.Н. Роль параметров модели массопереноса газов в органи- зме в стабилизации переходных процессов. Кибернетика и вычислительная техника. 1993. Вып. 98. С. 67 – 71. 5. Молчанова Н.И., Полинкевич К.Б. Исследование механизма, управления газообменной функцией организма. Исследование методов решения экстремальных задач. Киев: Институт кибернетики им. В.М. Глушкова АН УССР. 1986. С. 37 – 40. 6. Аралова Н.И. Исследование на математической модели роли гипоксии, гиперкапнии и гипо- метаболизма в саморегуляции системы дыхания при внутренних и внешних возмущениях. Кибернетика и вычислительная техника. 2017. Вып. 2 (188). С. 49 – 64. DOI: https//doi.org/10.15407/kvt188.02.049 Получено 25.02.2019

Ähnliche Einträge