مدلسازي سيستم هاي بيو لوژيکي دكتر توحيدخواه سيستم تنفسي

مقايسه سيستم تنفسي با سيستم گردش خون از نظر مداري سيستم تنفسي پيچيدگي کمتري دارد و داراي انشعابات کمتري است هوا بر خلاف خون قابل تراکم است که آناليز را مشکل تر مي کند در سيستم تنفسي بر خلاف گردش خون شير وجود ندارد ولي سيستم شديدا غير خطي است عبور جريان هوا در ريه ها دوجهته (جزرومدي) است بر خلاف گردش خون که در يک جهت حرکت مي کند وظيفه سيستم تنفسي کنترل تنفسي کنترل يا ثابت نگه داشتن ميزان اکسيژن و گاز کربنيک خون است که توسط سيستم عصبي و غدد درون ريز انجام مي شود

تعاريف قانون گازهاي ايده آل (قانون چالز) P= (mmHg)فشار گاز V= (lit) حجم گاز T= (Kelvin) دماي گاز n= جرم مولکولي/جرم گاز R= 62.36 شرايط متعارف : 1- شرايط استاندارد فشار و دما P = 760 mmHg 2-شرايط فشار و دما

مدلسازي سيستم تنفسي(ادامه) فشار نسبي: فشار نسبي يک گاز مقدار فشاري است که توسط آن گاز در مخلوطي از گازها ايجاد مي شود. قانون دالتون: ((dalton’s low فشار کل گاز= مجموع فشارهاي جزيي اجزاي تشکيل دهنده مثلا براي هوا: =159 + 597 + 0.3 + 3.7 = 760 mmHg فشار بخار آب بشدت با افزايش دما افزايش مي يابد. ضريب حلاليت استوالد (ostwald) : دما=دماي بدن ضريب استوالد =حجم سيال/ حجم گاز حل شده

مدلسازي سيستمهاي تنفسي (ادامه) ميزان حلاليت براي گازهاي اکتيومثل اکسيژن در خون(که با هموگلوبين گلوبول قرمز ترکيب مي شود) بسيار بالاتر از ضريب حلاليت متعارف است. قانون هنري: گازهايي که با حلال واکنش ندارند ديونيزه نمي شوند به نسبت فشارهاي جزيي در حلال حل مي گردند. فشارکل/فشار جزيي=نسبت محلول/نسبت جرم=دانسيته تغييرات فشار بخار آب با دما 4.6 17.4 20 44.2 36 46.6 37 49.3 38

تغييرات فشار گازها در شرايط مختلف سيستم تنفسي Expired Partial Pressure Alveolar partial pressure Humidified and Warmed Normal Atmosphere Gas 566 569 563.4 597 120 104 149.3 159 27 40 0.3 47 3.7 760 Total

مدل steady state lungs RH LH BLOOD FLOW body tissue

مصرف اکسیژن Tidal volume(حجم جاري):0.6 lit Freq 11 Air ventilation rate=6.6 lit/min مقداري از هوا در ناحيه مرده جلو و عقب مي رود كه در تهويه شركت ندارد بنابراين(حدود 1.5 ليتر)

مقدار اكسي‍‍ژني كه توسط هموگلوبين جذب مي شود بستگي به فشار اكسيژن و دارد. انتقال به 3 روش انجام مي شود: 1- محلول در خون 7% 2-تركيب با آب و ايجاد اسيد كربنيك (70%) 3-تركيب هموگلوبين (مي تواند همزمان با باشد 23%‌) ميزان ميل تركيبي منواكسيد كربن ( ) با هموگلوبين 210 برابر بيشتر از ميل تركيبي با هموگلوبين است و جايگزين در هموگلوبين مي شود. 0.1% (200 برابر كمتر از ) ظرفيت حمل نصف مي شود. 0.2% (100 برابر كمتر از ) مرگ

Oxygen-hemoglobin dissociation curve.

اگر بافت نياز به اكسيژن بيشتري داشته باشد مقدار فشارجزيي افت پيدا كرده و نتيجتا ميزان تركيب شده با هموگلوبين كاهش مي يابد(اكسيژن آزاد مي شود) از 70% به 10% ممكن است برسد بنابراين ضريب مصرف از حدود 27% به 80يا90%‌ميرسد.هموگلوبين همچنين بعنوان يك ظرفيت موقت براي ثابت نگه داشتن فشار اكسيژن در حدود 20 تا 45mmHg بكار مي رود.

cardiac output ميزان تهويه اكسيژن قابليت انحلال. مساحت غشا

مقدار اكسيژني كه توسط هموگلوبين گلوبولهاي قرمز منتقل مي شود 60 برابر مقدار حل شده در حون است. هر 100cc خون در حالت نرمال 5cc اكسيژن و در حالت ورزش 15cc تا 18cc اكسيژن به بافتها منتقل مي كند.

مدل مكانيكي و الكتريكي سيستم تنفسي

مدل مكانيكي تنفس فشار حبابچه: 1- دم: -3mmHg 2- بازدم:+3mmHg فشار بين جنبي بين ريه ها وقفسه سينه: 1- دم: -8mmHg 2- بازدم: -2mmHg

مدل مكانيكي تنفس اگر شخص دهان و بيني اش را ببندد فشار حبابچه اي در موقع دم مي تواند به 80mmHg- و در موقع بازدم به 100mmHg برسد كه نشان دهنده اینست که قدرت عضلات تنفسي بسيار بيشتر از قدرت لازم براي تنفس آرام است. مساحت كلي غشا تنفسي (ريوي) حدود 70 متر مربع است و خون موجود در مويرگها يي كه در تماس با اين غشا هستند كمتر از 100ml در هر لحظه است غشا تنفسي بقدري نازك است (ضخامت غشاء كمتر از 1 ميكرون) كه خون وريدي وارد شده به مويرگ هاي ريوي در 0.8 ثانيه با هواي حبابچه اي به حالت تعادل كامل گازي در مي آيد.

مدلسازي سيستم تنفسي فرضيات: 1- از خاصيت سلفي صرفنظر شده است. 2-مقاومتها خطي فرض شده اند 3-compliance= تراكم پذيري+اثر ارتجاعي ديواره ها خطي فرض مي شود 4-از ديناميك عضلات صرفنظر مي شود.

تمرين: برنامه RESP-PF انتقال اكسيژن گاز كربنيك در سيستم تنفسي

محاسبه جريان F ها بستگي به جهت آن دارد(يعني مدل براي دم و بازدم متفاوت است) فرضا:

مدلسازي سيستم تنفسي مدل براي حالت دم: مدل براي حالت بازدم:

تركيب دو مدل (I) اشكال:قطع جريان در يك منبع جريان عملي نيست. تركيب دو مدل (II):

مدل انتقال اكسيژن به بافتها توسط سيستم گردش خون

مدلسازي سيستم تنفسي فلوي خروجي اكسيژن در شريانها فلوي خون در مويرگها فلوي اكسيژن در وريد ريوي ماكزيمم اكسيژن كه در خون حل مي شود*(درصد اكسيژن در مويرگهاي شرياني – درصد اكسيژن در مويرگهاي ريوي)

مدلسازي سيستم تنفسي(ادامه) فشار اكسيژن در وريد ريوي فشار اكسيژن در شريانهاي ريوي

اگر تبادل اكسيژن در ريه از نوع perfusion limited‌بوده فشار اكسيژن در وريدهاي ريوي فشار اكسيژن در كيسه هاي هوايي

بنابراين رابطه و رابطه يك رابطه غيرخطي است و مدل را ميتوان بصورت زير تكميل كرد:

كنترل ميزان اكسيژن خون

مراكز كنترل تنفس در ماده مشبك بصل النخاع و پل مغزي ساقه مغز تنظيم مي شود: ناحيه بازدمي (در موقع ورزش سنگين ناحيه بازدمي عضلات بازدمي را فعال و باعث خروج هوا مي شود.) ناحيه پنوموتاكسيك (مقدار تنفس را زياد مي كند ولي عمق را كاهش مي دهد)

تعداد و عمق تنفس توسط 4 عامل كنترل مي شود: 1- فشار دي اكسيد كربن در خون ( ) 2- غلظت يون هاي هيدروژن (PH) در خون 3- فشار اكسيژن ( ) در خون 4- سيگنالهاي عصبي كه از نواحي كنترل كننده در مغز صادر مي شود

ادامه مورد اول و دوم از سوم بسيار مهمتر است هنگام فعاليت مراكز كنترل حركتي سيگنالهايي را نيز به مراكز كنترل تنفسي مي فرستند تا ميزان تنفس را افزايش داده و اكسيژن لازم را تامين نمايند. داروهاي خواب آور نرونهاي تنفسي را بيحس كرده و در صورت مصرف براي خودكشي ريتم تنفس را متوقف مي كند. براي علاج نياز به تنفس مصنوعي است . از كمتر دارويي مي توان براي تحريك مركز تنفسي استفاده نمود(از جمله كافيين , ميكروتوكسين, . ...)

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 هموگلوبین تقریبا بصورت کامل با اکسیژن اشباع می شود .لذا 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 به 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 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 CO2 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 5 تا 7 برابر میزان تهویه حبابچه ای را تغییر داده و اثر غلظت CO2 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 یابد 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 (مانند دوش آب سرد ...) 4- تکلم : کنترل طنابهای صوتی و جریان هوا باهم صورت می گیرد.

کنترل میزان اکسیژن و گاز کربنیک: 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 توسط 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%