WWW.PDF.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Разные материалы
 

«УДК 612.213, 532.542.1 Ю. С. Семенов1,2, А. И. Дьяченко1,2,3 Московский физико-технический институт (государственный университет) ГНЦ РФ Институт медико-биологических проблем РАН ...»

Молекулярная физика и физика живых систем

102 ТРУДЫ МФТИ. — 2014. — Том 6, № 3

УДК 612.213, 532.542.1

Ю. С. Семенов1,2, А. И. Дьяченко1,2,3

Московский физико-технический институт (государственный университет)

ГНЦ РФ Институт медико-биологических проблем РАН

Институт общей физики им. А. М. Прохорова РАН

Оценка влияния изменений внутригрудного давления

на церебральную гемодинамику

(математическая модель)

Данное исследование проводилось в рамках разработки метода коррекции гемодинамических сдвигов, происходящих в условиях микрогравитации. C первых минут пребывания в невесомости отсутствие гравитации приводит к перераспределению жидкости в организме космонавтов, в первую очередь крови, по направлению к голове, что приводит ко множеству негативных явлений. Суть разрабатываемого метода заключается в снижении внутригрудного давления путем создания дозированного разрежения в ротовой полости на вдохе. В данной работе представлена математическая модель кардиореспираторной системы человека, описывающая влияние изменений внутригрудного давления на церебральную гемодинамику. Впервые теоретически показано, что снижение внутригрудного давления должно приводить к снижению внутричерепного давления у человека. Полученные результаты согласуются с имеющимися экспериментальными данными и являются теоретическим обоснованием возможности применения ДОД в качестве профилактического средства при повышении внутричерепного давления.

Ключевые слова: кардиореспираторная система, математическая модель, церебральная гемодинамика, внутригрудное давление, профилактика гемодинамических расстройств, дыхание под отрицательным инспираторным давлением.

1. Введение Данное исследование проводилось в рамках разработки метода коррекции гемодинамических сдвигов, происходящих в условиях микрогравитации. C первых минут пребывания в невесомости отсутствие гравитации приводит к перераспределению жидкости в организме, в первую очередь крови. При длительном (более нескольких часов) отсутствии гравитации заметная часть крови перераспределяется в направлении головы, вызывая различные отечные явления. Снижается работоспособность космонавтов, ухудшается самочувствие, появляется ощущение заложенности носа. Адаптация к условиям невесомости вызывает послеполетную ортостатическую неустойчивость. Необходима простая и удобная методика, позволяющая хотя бы временно устранить негативные эффекты, связанные с перераспределением крови в период острой адаптации. В последние годы появился новый подход к этой проблеме: дыхание под отрицательным (относительно атмосферного) давлением (ДОД) [1, 2, 3]. Отрицательное давление можно создавать как во время всего цикла дыхания, так и на отдельных его фазах.

Цель данного исследования – построить математическую модель кардиореспираторной системы человека, описывающую влияние изменений внутригрудного давления на церебральную гемодинамику.

При разработке модели мы использовали подход Ф. Гродинза к описанию работы сердца [4], а также модель церебральной гемодинамики [5]. Предлагаемая нами модель состоит из пяти компартментов: голова, левое сердце, правое сердце, малый круг кровообращения, большой круг кровообращения (исключая голову). Модель описывает изменение средних значений давлений и потоков в системе кровообращения за времена порядка 10 с, пульсовые колебания не рассматриваются. Модель включает регуляцию сердечной деятельноТРУДЫ МФТИ. — 2014. — Том 6, № 3 103 Ю.

С. Семенов, А. И. Дьяченко сти по механизму Франка-Старлинга. При описании церебральной гемодинамики учитываются процессы капиллярной фильтрации и ауторегуляция тонуса артериол. Так как не учитываются регуляторные реакции со стороны нервной системы, такие как барорефлекс, модель применима для описания только малых изменений внутригрудного давления (не более 15 см вод. ст.). Также модель не учитывает гуморальную регуляцию (например, рефлекс Генри-Гауэра), поэтому модель можно использовать лишь для описания процессов, длительность которых не превосходит одного часа.

–  –  –

Согласно модели Гродинза [4] наполнение расслабленного желудочка во время диастолы аналогично наполнению эластичного сосуда. Мы модифицировали модель, введя внутригрудное давление

Уравнение, описывающее диастолу, в этом случае записывается так:

–  –  –

= ( ( 1 )) + ( 1 ) = ( 1 ) (1 ) +, (1)

–  –  –

0 ( 1 ) (1 ) =.

( 1 ) (1 ) + 0

–  –  –

отражают нелинейные упругие свойства церебральных артерий и цереброспинального компартмента.

Согласно [8] соотношение объем–давление для краниоспинального компартмента может быть представлено в следующем виде:

2 = ( ), (4)

–  –  –

Артериальный бассейн рассматривается как совокупность большого числа одинаковых сосудов, соединенных параллельно. В этом случае совокупность сосудов будет описываться теми же уравнениями, что и один сосуд. Различными будут только величины коэффициентов.

При рассмотрении мозгового кровообращения крайне важно учесть регуляторные реакции. В качестве первого приближения учитывается реакция артериального бассейна только на изменения кровотока.

Уравнение ауторегуляции артериол [5]:

( ( )) + =,

–  –  –

сосуда, описываемое законом Хагена–Пуазейля, обратно пропорционально четвертой степени радиуса, т.е. при постоянной длине обратно пропорционально квадрату объема:

–  –  –

Отдельно стоит упомянуть, что для повышения точности расчета и устойчивости алгоритма одно из уравнений модели было заменено на условие постоянства объема жидкости в системе. Отдельно контролировалось условие применимости приближения резистора Старлинга: системное венозное давление не должно быть больше внутричерепного.

6. Результаты моделирования

Ниже приведены (рис. 4, 5, 6, 7) рассчитанные зависимости. Стоит отметить, что при (1 ) снижении и небольшом повышении внутригрудного давления поведение модели совпадает с характерным для кардиореспираторной системы человека. В частности, модель воспроизводит «присасывающее» действие грудной клетки, т.е. рост системного кровотопри снижении внутригрудного давления. Причем системное артериальное давление ка ( ) при этом несколько увеличивается, а системное венозное давление ( ) снижается.

Данные изменения сопровождаются увеличением объема крови в системных артериях ( ) и его снижением в системных венах ( ).

Рис. 4. Результаты моделирования действия изменений внутригрудного давления на систему кровообращения (положение равновесия системы), пояснения в тексте

–  –  –

Рис. 5. Результаты моделирования действия изменений внутригрудного давления на систему кровообращения (положение равновесия системы, продолжение), пояснения в тексте Предсказания модели соответствуют имеющимся экспериментальным данным [1, 2, 3, 9, 10, 11, 12, 13]. Но стоит обратить внимание на довольно заметное увеличение артериального системного давления (и соответствующее увеличение кровотока). Данные экспериментов свидетельствуют о повышении давления и кровотока, но величина эффекта заметно меньше расчетной. Данное несоответствие, вероятно, связано с отсутствием в модели барорефлекса.

Без учета барорефлекса также невозможно моделирование ортопробы. Вопрос введения в модель барорефлекса заслуживает более детального рассмотрения.

Таким образом, представленная модель верно отражает процессы, происходящие в кардиореспираторной системе, но, возможно, несколько завышает величины эффектов.

Наиболее интересно оценить с помощью модели изменения церебральной гемодинамики при ДОД. Как можно видеть из рис. 4 и 5, ДОД приводит к уменьшению внутричерепного давления и небольшому увеличению церебрального кровотока причем при снижении внутригрудного давления ниже мм рт. ст. ауторегуляции артериол становится недостаточно для поддержания неизменного кровотока. Давление в капиллярах краниоспинального компартмента при снижении внутригрудного давления изменяется немонотонно.

Следующим шагом было моделирование процесса свободного дыхания и дыхания с дополнительным отрицательным давлением на вдохе (ДОДвд).

ТРУДЫ МФТИ. — 2014. — Том 6, № 3 109 Ю. С. Семенов, А. И. Дьяченко Рис. 6. Результаты моделирования действия УДОД на систему кровообращения, пояснения в тексте Как отмечалось в работе [10], дыхание через устройство, создающее дополнительное отрицательное давление на вдохе (УДОД), приводит к снижению частоты дыхания вплоть до четырех раз в минуту. Поэтому для удобства сравнения при моделировании свободного дыхания была выбрана именно эта частота.

В работе [1] определили, что изменения внутригрудного давления примерно в два раза меньше изменений давления в подмасочном пространстве. Поэтому для моделирования ДОДвд была выбрана величина снижения внутригрудного давления мм рт. ст., что примерно соответствует максимальному разрежению, использовавшемуся в работах [1, 2, 3, 10].

–  –  –

Наиболее медленно изменяющейся переменной оказалось внутричерепное давление ( ), именно поэтому период до начала «дыхания» составлял 3000 с (пример релаксации данного параметра приведен на первом графике рис. 6, для данного графика внутригрудМолекулярная физика и физика живых систем 110 ТРУДЫ МФТИ. — 2014. — Том 6, № 3

–  –  –

различий в параметрах сосудов согласуется с результатами измерения концентрации гемоглобина в тканях головы, проведенных с помощью методов инфракрасной спектроскопии [3]. При наибольшем и наименьшем разрежениях в подмасочном пространстве концентрации почти не отличаются от фоновых, а при среднем разрежении наблюдается максимальный эффект.

Рис. 8. Предсказанная моделью зависимость объема артериальной крови в тканях мозга от внутригрудного давления

7. Обсуждение Качество модели невозможно оценить без сравнения с экспериментальными данными.

К сожалению, большинство переменных модели невозможно измерить неинвазивно в абсолютных единицах или же, как в случае с дыхательными колебаниями артериального давления, точность неинвазивных измерений недостаточна в силу несовершенства измерительных методов. Инвазивных же измерений в исследованиях ДОДвд с участием добровольцев не проводилось. Несколько лучше ситуация обстоит с данными, полученными на животных. Подавляющее большинство данных было получено при использовании постоянного ДОД (и на вдохе, и на выдохе).

Несмотря на примитивность модели, она отражает поведение кардиореспираторной системы, наблюдавшееся экспериментально. Так, в работах [11, 12] отмечается снижение давления в венах при ДОД. Кроме того, авторы работы [12] также наблюдали увеличение минутного кровотока. Некоторое увеличение артериального давления наблюдали авторы работы [9] при ДОДвд, давление измеряли с помощью методики Пеньяза, позволяющей получать данные об артериальном давлении с временным разрешением около 1 с. Также об увеличении артериального давления и минутного кровотока в ряде случаев говорят авторы работы [13], применявшие ДОД на протяжении всего дыхательного цикла. Помимо изменений артериальных и венозных давлений и кровотока в работе [9] отмечалось снижение внутричерепного давления и увеличение церебрального кровотока сразу же после начала ДОДвд. Авторы затруднились предложить механизм, позволяющий объяснить данный Молекулярная физика и физика живых систем 112 ТРУДЫ МФТИ. — 2014. — Том 6, № 3 эффект. В рамках предложенной нами модели столь быстрые изменения внутричерепного давления также не удается описать, наиболее вероятной причиной является изменение объема крови, депонированной в церебральных венах, вследствие оттока в грудную клетку при снижении внтригрудного давления. Изменение же церебрального кровотока, помимо механических причин, может быть вызвано даже небольшим увеличением количества углекислого газа, растворенного в плазме крови вследствие увеличения мертвого пространства, связанного с наличием дыхательной маски.

Следует отметить противоречивость некоторых экспериментальных данных, касающихся ДОД. В частности, различные косвенные данные указывают как на снижение, так и на увеличение церебрального кровотока под действием ДОД в антиортостатическом положении [1].

Одним из наиболее слабых мест предлагаемой модели является отсутствие различных механизмов регуляции. Наша модель включает только два механизма регуляции: закон саморегуляции сердца Франка–Старлинга и регуляцию растяжимости церебральных артерий в соответствии с величиной кровотока в артериях мозга. Для более адекватного описания гемодинамических реакций на ДОД необходимо учесть и другие механизмы регуляции кровообращения, предположительно играющие большую роль при ДОД, в первую очередь механизмы симпатической и парасимпатической регуляции, барорефлекса и хеморефлекса, количественно описанные в работе [14] и ряде других работ.

8. Заключение

Впервые теоретически показано, что ДОД должен снижать интракраниальное давление у человека. Ранее снижение интракраниального давления было продемонстрировано только в отдельных экспериментах, проведенных на животных. Также мы оценили предполагаемое увеличение мозгового кровотока. В ранее проведенных экспериментах наблюдалось увеличение индексов, характеризующих мозговой кровоток, однако абсолютное значение роста кровотока оставалось неизвестным.

Таким образом, полученные результаты являются теоретическим обоснованием возможности применения ДОД в качестве профилактического средства при повышении внутричерепного давления.

Литература

1. Тихонов М.А., Котов А.Н., Реушкин В.Н., Реушкина Г.Д., Ушаков Б.Б., Фомина Г.А., Донина Ж.А., Лаврова И.Н., Баранов В.М. Респираторные и сердечно-сосудистые механизмы гипобарической коррекции антиортостатического перераспределения региональных объемов крови // Авиакосм. и эколог. мед. — 2003. — Т. 37, вып. 2. — С. 51–59.

2. Семенов Ю.С., Попова Ю.А., Дьяченко А.И., Реушкина Г.Д., Колесников В.И., Суворов А.В. Особенности влияния дыхания под отрицательным давлением на вдохе на кардиореспираторную систему человека в условиях 5-суточной иммерсии // Авиакосм.

и эколог. мед. — 2011. — Т. 45, вып. 6. — С. 37–40.

3. Сафонова Л.П., Дьяченко А.И., Семенов Ю.С. Изменения в церебральной гемодинамике под влиянием отрицательного инспираторного давления // Биомедицинская радиоэлектроника. — 2011. — № 10. — С. 65–72.

4. Гродинз Ф. Теория регулирования и биологические системы. — М.: Мир, 1966.

5. Ursino M., Lodi C.A. A simple mathematical model of the interaction between intracranial pressure and cerebral hemodynamics // J. Appl. Physiol. — 1997. — V. 82, N 4. — P. 1256– 1269.

–  –  –

7. Шмидт Р., Тевс Г. Физиология человека. Т. 2. — М.: Мир, 2005.

8. Marmarou A., Shulman K., Rosende R.M. A nonlinear analysis of the cerebrospinal fluid system and intracranial pressure dynamics // J. Neurosurg. — 1978. — V. 48, N 3. — P. 332–344.

9. Convertino V.A., Cooke W.H., Lurie K.G. Restoration of central blood volume: application of a simple concept and simple device to counteract cardiovascular instability in syncope and hemorrhage // J. Gravit. Physiol. — 2005. — V. 12, N 1. — P. 55–60.

10. Гусева Е.А., Дьяченко А.И., Суворов А.В., Черногоров Р.В., Шулагин Ю.А. Влияние дыхания с дополнительным сопротивлением на вдохе на кардиореспираторную систему в условиях водной иммерсии // Альманах клинической медицины. — 2008. — Т. 17, вып. 2. — С. 51–53.

11. Holt J.P. The effect of positive and negative intrathoracic pressure on peripheral venous pressure in man // Am. J. Physiol. — 1943. — V. 139, N 2. — P. 208–211.

12. Gauer O.H., Henry J.P., Sieker H.O., Wendt W.E. The effect of negative pressure breathing on urine flow // J. Clin. Invest. — 1954. — V. 33, N 2. — P. 287–296.

13. Kaye H., Kilburn H., Sieker H.O. Hemodynamic effects of continuous positive and negative pressure breathing in normal man // Circulation Research. — 1960. — V. 8, N 3. — P. 660– 669.

14. Cheng L., Ivanova O., Fan H.-H., Khoo M.C.K. An integrative model of respiratory and cardiovascular control in sleep-disordered breathing // Resp. Physiol. and Neurobiology. — 2010. — V. 174. — P. 4–28.

–  –  –



Похожие работы:

«Федеральное агентство по образованию Дальневосточный государственный технический университет (ДВПИ им. В. В. Куйбышева) Е.А. Жарикова ЭКОЛОГИЯ ПОЧВ В ВОПРОСАХ И ОТВЕТАХ Рекомендовано Дальневосточным региональным учебнометодическим центром в ка...»

«Екатерина Викторовна Краева Тесты по биологии. 8 класс Тесты по биологии: 8 класс:К учебнику Н. И. Сонина, М. Р. Сапина «Биология. Человек. 8 класс»: Экзамен; Москва; 2008 ISBN 5-377-00168-0(978-5-377-00168-3) Аннотац...»

«Экосистемы, их оптимизация и охрана. 2014. Вып. 10. С. 193–200. УДК 631.417.1 ЛАБИЛЬНОЕ ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО ПОЧВЫ КАК ИНДИКАТОР ЕЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА В РАЗНЫХ УСЛОВИЯХ ЗЕМЛЕПОЛЬЗОВАНИЯ Гамкало З. Г.1...»

«ХИМИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ. 2007. №3. С. 69–76. УДК 547.9:582.284.5 ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ ГИДРОЛИЗ ПОРОШКОВЫХ ЦЕЛЛЮЛОЗ, ПОЛУЧЕННЫХ РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ М.А. Торлопов1*, Д.В. Тарабукин2, С.В. Фролова1, Т.П. Щербакова1, В.В. Володин2 © Институт химии Коми научного центра Уральского отд...»

«ПРОГРАММА вступительных испытаний в аспирантуру в 2016 году по направлению подготовки 06.00.00 Биологические науки направленность подготовки (профиль) – Физиология. Общие положения Цель вступительных испытаний установить глубину знани...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования кСаратовскиЙ национальныЙ исследовательскиЙ государственный универс...»

«ФГАОУ ВПО Казанский (Приволжский) федеральный университет 1. Вопросы программы кандидатского экзамена по специальности 03.02.04 – Зоология 1. История зоологии Накопление зоологических знаний в античное время, средневековье, эпоху Возрождения. Становление современной зоологии в 18-ом – 19-ом веках....»









 
2017 www.pdf.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - разные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.