Научная статья на тему 'Математическая модель сердца'

Математическая модель сердца Текст научной статьи по специальности «Математика»

CC BY
2836
438
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Биотехносфера
ВАК
Область наук
Ключевые слова
СЕРДЦЕ / МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ / НАСОСНАЯ ФУНКЦИЯ СЕРДЦА / МОДЕЛИРОВАНИЕ / СИСТЕМА АВТОМАТИИ СЕРДЦА

Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Лебеденко Игорь Сергеевич, Новосёлова Елена Сергеевна, Ракитянская Анна Сергеевна, Ефимцева Юлия Андреевна

Статья посвящена моделированию насосной функции сердца 34-го порядка, которая построена по методу технической (физической) функциональной аналогии и отражает взаимосвязь сердечно-сосудистой системы человека. Математическая модель позволяет воспроизводить врожденные и приобретенные пороки сердца и сосудистой системы, давления в предсердиях, желудочках, артериях и венах, расходы крови через клапаны, сосуды и капилляры тела и легких. Модель предназначена для исследования насосной функции сердца при различных отклонениях от нормы сердечно-сосудистой системы.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по математике , автор научной работы — Лебеденко Игорь Сергеевич, Новосёлова Елена Сергеевна, Ракитянская Анна Сергеевна, Ефимцева Юлия Андреевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Pump function mathematical model of heart

Technical function analogy method used that includes studying of physiology, destination, morphology and functioning sequence of modeling organ. This method uses for graphical building of calculation scheme that uses for differential and connection equation system composing. Calculation scheme of pump heart function presents. This scheme used for differential equation system composing, for calculation and physiology parameters based selection of equation coefficients. Solution of equation system allows to plot time diagrams of arteries, veins and heart volumes pressure, time diagrams of input and output heart volumes flows, time diagrams of position, velocity and acceleration of plungers that equivalent to heart volumes motions.

Текст научной работы на тему «Математическая модель сердца»

24

Медицинские компьютерные технологии

УДК 612.171:536.8

И. С. Лебеденко, канд. техн. наук, Е. С. Новосёлова, канд. техн. наук, А. С. Ракитянская, магистрант, Ю. А. Ефимцева, магистрант, Тульский государственный университет

Математическая модель сердца

Ключевые слова: сердце, математическая модель, насосная функция сердца, моделирование, система автоматии сердца

Статья посвящена моделированию насосной функции сердца 34-го порядка, которая построена по методу технической (физической) функциональной аналогии и отражает взаимосвязь сердечно-сосудистой системы человека.

Математическая модель позволяет воспроизводить врожденные и приобретенные пороки сердца и сосудистой системы, давления в предсердиях, желудочках, артериях и венах, расходы крови через клапаны, сосуды и капилляры тела и легких.

Модель предназначена для исследования насосной функции сердца при различных отклонениях от нормы сердечно-сосудистой системы.

Введение. Математическое моделирование биологических объектов методом технической функциональной аналогии

Сущность метода технической функциональной аналогии заключается в том, что сначала тщательно изучаются физиология и функциональное назначение органа, который необходимо моделировать, параметры, которые будут воспроизводиться при моделировании, а также морфология моделируемого органа, последовательность операций, выполняемых при его функционировании. Изучив работу моделируемого биологического органа, переходят к следующему этапу: разработке технической конструкции, способной выполнять сходное по морфологии и воспроизводимым параметрам функционирование и в той же последовательности. Такое конструирование мы будем называть графическим построением расчетной схемы. Построив графически техническую расчетную схему, отражающую морфологию моделируемого биологического органа, необходимо перейти к математическому описанию ее функционирования. Для этого используются уравнения, применяемые для описания технических объектов. Так, для описания движения механических масс используются уравнения Д'Аламбера, для описания движения жидкостей —

уравнения гидродинамики, для описания движения газов — уравнения газовой динамики, для отражения движения токов в электрических цепях — уравнения электрических цепей и т. п. Таким образом, на основе расчетной технической схемы составляется система уравнений, отражающая ее функционирование в общем виде. Применим описанный выше метод для построения математической модели сердца.

С технической точки зрения сердце представляет собой четырехкамерный насос. В этом насосном агрегате предсердия выполняют функцию насосов низкого давления (подкачки), а желудочки — функции насосов высокого давления. Эти насосы управляются системой авторегуляции, состоящей из синусного узла с частотой 70-90 ударов в минуту, предсердного узла с частотой собственных колебаний 40-60 ударов в минуту, пучка Гиса с собственной частотой 30-40 ударов в минуту и ножек Гиса, имеющих частоту собственных колебаний 20 ударов в минуту. Эта система работает самостоятельно с понижением частоты ударов в минуту при удалении звеньев с более высокой частотой.

Итак, насосы будем представлять в виде поршней со всасывающим и нагнетательным клапанами, на поршни которых действуют импульсы, вызывающие сокращение объемов камер на определенные промежутки времени. Так, в соответствии с физиологией сердца, предсердия сокращаются синхронно в течение 0,1 с, подавая кровь в желудочки, а желудочки, так же синхронно, сокращаются в течение 0,3 с, сразу за прекращением сокращения предсердий. Остальное время предсердия и желудочки находятся в состоянии расслабления — диастолы. Предсердия и желудочки соединены между собой митральными клапанами. Левый желудочек соединен с жесткими капиллярами тела через упругие сосуды артерии и артери-олы. Жесткие капилляры тела соединены с правым предсердием сердца через упругие вены и ве-нулы (модель Франка [1]). Правый желудочек сердца соединен упругими сосудами (каналами) с жесткими капиллярами легких, которые в свою очередь соединены упругими сосудами легочных

Медицинские компьютерные технологии

вен и венул с левым предсердием. С точки зрения технической аналогии упругость сосудов моделируется упругими камерами переменного объема, т. е. цилиндрами с подпружиненными поршнями [2].

Исходя из уравнений динамики и газовых законов [3-5] составлена система уравнений, описывающая данную модель сердца.

Построение расчетной схемы, математической модели насосной функции сердца, определение параметров, получение графиков, отражающих динамику функционирования сердца

Согласно изложенной выше методике, расчетная схема механико-гидравлической системы сердца имеет вид, показанный на рис. 1.

Так как реальный объект исследования очень сложный, то при моделировании был принят ряд допущений:

• жесткость сердечной мышцы считается постоянной во время систолы;

• площади открытия клапанов постоянны во время систолы (клапаны открываются и закрываются мгновенно), так как их изменение компенсируется сложным характером тока крови;

• масса жидкости, перемещаемая при открытии клапана, неизменна;

• вязкость крови постоянна;

• клапаны считаются безынерционными, а их диаметр — постоянным.

Р4(г)

ПРАВЫЙ ЖЕЛУДОЧЕК

Уравнение движения верхнего поршня, моделирующего воздействие со стороны электрической системы регуляции, имеет вид

О" х (ю) ах (ю)

т —^ + й+ КЧ Ю = ^ Ю - ^шк • (1)

аг

аю

Уравнение движения поршня, описывающее жесткость сосудов:

й2х9(ю) , ах9(ю) , / ч „ , т—^ + + \хг (ю) = РЛА • (2)

аг

аю

Согласно закону сохранения массы, можно записать

^ 1 ^ 2 аг ваг

(3)

где V ^ -V — объемный расход; ^^ —

V ар

изме-

нение объема по времени;---изменение дав-

в а

ления, обусловленное сжимаемостью (В — объемный модуль упругости — величина, обратная коэффициенту сжимаемости).

Рис. 1

Расчетная схема механико-гидравлической системы сердца:

ЛЖ — левый желудочек; ЛП — левое предсердие; ПЖ — правый желудочек; ПП — правое предсердие; А — аорта; ПВ — полая вена; ЛВ — легочная вена; ЛА — легочная артерия; БК — большой круг кровообращения; МК — малый круг кровообращения; — возбуждающие силы; $8— площади поршней; Р4— давление; 01, 08 — массовые расходы крови; хГ х8— перемещения поршней по оси х; й8— диаметры клапанов; к8 — коэффициенты жесткости пружин

2

2

Медицинские компьютерные технологии

следует пренебречь, поскольку кровь рас-

Для моделируемого процесса составляющей

в а

сматривается как несжимаемая жидкость. Тогда уравнение, описывающее изменение объема камер сердца, примет вид

ОУ

а

(4)

С другой стороны, уравнение расхода жидкости можно записать следующим образом:

О = рSv,

где р — плотность жидкости; £ — площадь сечения отверстия; V — скорость течения жидкости.

Скорость V можно выразить через разность давлений:

V =

2(Л - Р2)

Р

тогда

О = ^2р(Р, - Р2).

(5)

Таким образом, кровь перекачивается из области высокого давления в область более низкого давления. Кровь по всей системе кровообращения течет лишь в одном направлении, чему способствует наличие клапанов в сердце, препятствующих обратному току крови.

Для разрабатываемой модели £ — площадь отверстия, закрываемого дисковым клапаном,

£ = - , 4

где й — диаметр отверстия.

Таким образом, уравнение расхода жидкости примет вид

О = ±л*- Р2).

(6)

Уравнения расхода крови через митральный клапан между правым предсердием и правым желудочком:

еслирпп>рпж, то

если -^пж < ^ЛА , то

ЛА'

«2 = 0.

(10)

Уравнение Пуазейля для расхода крови через капилляры малого круга кровообращения:

еслиРЛА>рЛБ, то

0 = Ъа (í) - РЛБ (*).

еслиРЛА<РЛВ, то

«3 = 0.

(11)

(12)

Согласно закону сохранения энергии, вся полезная работа сердца переходит в энергию крови. Поэтому полную работу сердца за систолу можно рассчитать как сумму потенциальной и кинетической энергий крови. В покое «кинетическая» часть работы сердца составляет лишь 2-5 % от полной работы сердца, поэтому при расчетах ею можно пренебречь.

Тогда уравнения, описывающие изменения давлений в правом желудочке и легочной артерии, примут вид:

уравнение давления в правом желудочке:

гпж

а) к

& в [х01 - хг (£)]

х| а) - о2 ю] + в,

(13)

дополнительное уравнение давления в легочной артерии будет иметь вид:

¿РЛА «) РЦА

а)к ^

& Б2 [[ - х2 (0]

х| ю - ^ (*)] + ^^

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

I р аЮ

(14)

Воздействие электрической системы авторегуляции преобразуется в механическое. Сила управления задается следующим образом:

( ) Г^ при 0,2 < г < 0,5 с; 1 ( ' = |о при 0 < г < 0,2 с и 0,5 < г < 0,8 с. (15)

= 7 п^2 ^2р[ рпп (г)- рпж (г)];

еслирпп<рпж, то

= 0.

(7)

(8)

ЛЕВОЕ ПРЕДСЕРДИЕ

Уравнение движения поршня, описывающее жесткость сосудов:

Уравнения расхода крови через клапан легочной артерии:

еслиРпж>РЛА, то

О = - л*2 д/гРр^О-^О];

(9)

й Х, Ц) йХъ (¿) , ч , ч „

т.-^ + + к3х3 (г) = Рлв (¿)£3. (16)

йГ

йг

Уравнение движения верхнего поршня, моделирующего воздействие со стороны электрической системы регуляции, имеет вид

Медицинские компьютерные технологии

т,

а2х4 (ю) + Й ах4 (ю)

аг

+ + (ю) = р* (ю)- Рлп • (1?)

Уравнение расхода крови через клапан между легочной веной и левым предсердием: еслиРлв>Рлп, то

Уравнение расхода крови через клапан между левым желудочком и аортой:

еслиРлж>РА, то

Ов = ±п^2^2р[рлж (*)- Р (*)]; (27)

= 7 п^ ^^(УГ^)]; (18)

еслиРлв<Рлп то

^ = 0.

(19)

Уравнение расхода крови через клапан между левым предсердием и левым желудочком:

еслиРлп>Рлж, то

^ =

7 п^ ^^^^Й^У^^а^)]; (20)

еслиРлп<Рлж, то

(21)

Дополнительное уравнение давления в легочной вене:

^ЛВ (0 *лв (*)К

^ [Хоз - Х(0]

X

^ [С3(0 - 04 ф] + &

[р- " ^ № Уравнение давления в левом предсердии:

<рлп (*) _ рлп

<И &4 [х04 - х4 (£)]

х{ а) - ^ ю] + }.

(22)

(23)

Воздействие электрической системы авторегуляции преобразуется в механическое. Сила управления задается следующим образом:

еслиРлж<РА, то

^6 = °.

(28)

Уравнение Пуазейля для расхода крови через капилляры большого круга кровообращения:

если РА > -Рпв, то

_ _ РА (г) - Рпв (г). ^ _-,

X,

если РА < Рпв, то

= 0.

(29)

(3°)

Уравнение давления в левом желудочке:

<рлж(1) _ рлж (*)К х < ^ [[ - X (<)]

х{(¿) - ОЮ] + [р м

(31)

Дополнительное уравнение давления в аорте:

арк а) _ рА а)к х

М Бв [[ - Хд

х{ ю - о ю] + ^^ [ р м

(32)

Воздействие электрической системы авторегуляции преобразуется в механическое. Сила управления задается следующим образом:

Ъ (г)_

Ъ при 0,2 < г < 0,5 с; 0 при 0 < г < 0,2 с и 0,5 < г < 0,8 с.

(33)

, . Ъ при 0,1 < г < 0,2 с; Ъ (г)_{ (24)

[0 при 0 < г < 0,1 с и 0,2 < г < 0,8 с.

ПРАВОЕ ПРЕДСЕРДИЕ

ЛЕВЫЙ ЖЕЛУДОЧЕК

Уравнение движения верхнего поршня, моделирующего воздействие со стороны электрической системы регуляции, имеет вид:

а2х (ю) Ох (ю) ть—^ + Й + кх (ю) _ (ю) - Рлж (*)«5 • (25) аг аю

Уравнение движения поршня, описывающее жесткость сосудов:

ОХ* (ю) , ОХа (ю) , , ч „ ,

+ Й^^ + кх(ю) _ Ра(^• (26)

Уравнение движения поршня, описывающее жесткость сосудов:

Охч(ю) , ах(ю) , , ч ^ , т У + Й^^- + Кх(ю) _ Рпвю^г• (34)

Уравнение движения верхнего поршня, моделирующего воздействие со стороны электрической системы регуляции, имеет вид

а^х (ю) Ох (ю)

т —^ + й-о^- + ю _ ^ ю - рпп ад • (35)

аю аю

Уравнение расхода крови через клапан между полой веной и правым предсердием: если Рпв > Рпп, то

G8 = Ind62^2р[Рпв (i)- Рпп (i)]; (36)

если Рпв < Рпп, то

G0 = 0.

(37)

Дополнительное уравнение давления в полой вене:

¿Рпв (t) _ Рпв (t)K w

dt S7 [x07 - x7 (t)] dx7 (t)

x|(t) - Ge (t)] + S

dt

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

(38) _

Уравнение давления в правом предсердии:

¿Рпп (t) _ Р (t)K w dt S [[ - xs(t)]

x|(t) - G (t)] + S

dx8 (t) dt

(39)

Воздействие электрической системы авторегуляции преобразуется в механическое. Сила управления задается следующим образом:

F (t)_

F при 0,1 < t < 0,2 с; 0 при 0 < t < 0,1 с и 0,2 < t < 0,8 с.

(40)

В приведенной выше системе: т1, ..., т8 — массы поршней; х1, ..., х8 — перемещения поршней по оси х; К — коэффициент вязкости крови; F1(t), ..., — силы, отвечающие за внешнее воздействие со стороны авторегуляции сердца и подающие сигнал на систолу; к1, ..., к8 — коэффициента жесткости пружин; Рпж, рла, рлв, рлп, рлж, РА, Рпв, Рпп — давления соответственно в правом желудочке, легочной артерии, легочной вене, левом предсердии, левом желудочке, аорте, полой вене, правом предсердии; £1, ..., £8 — площади поршней; К — поправочный коэффициент; р — удельная плотность крови; й1, ..., й6 — диаметры клапанов; ..., «8 — массовые расходы крови; Хг Х2 — общее периферическое сопротивление сосудов малого и большого кругов кровообращений.

Система уравнений (1)-(2), (7)-(40) представляет собой математическую модель сердца.

Определим значения перечисленных параметров с учетом физиологии сердца [6, 7, 8 ].

раз больше массы поршня правого желудочка: т2 _ 0,0833-5 _ 0,417 кг; 1

• для левого предсердия _—• 0,175 _

3

_ 0,0583 кг; масса поршня легочной вены в пять раз больше массы поршня левого предсердия: т3_ _ 0,0583-5 _ 0,2915 кг; 2

• для левого желудочка т5 _ — • 0,175 _

_ 0,1167 кг; масса поршня аорты в пять раз больше массы поршня левого желудочка: т6_ 0,1167 • 5 _ _ 0,5833 кг; 1

• для правого предсердия _—• 0,125 _

3

0,04167 кг; масса поршня полой вены в пять раз больше массы поршня правого предсердия: т7 = = 0,04167-5= 0,2084 кг.

ПЛОЩАДИ ПОРШНЕЙ ..., в8

Примем площади поршней камер сердца равными 10 см2, а вен и артерий — в 10 раз больше, т. е. £1 = £4 = £& = £8 = 10 см2 = 0,001 м2, £2 = £3 = = £6 = £7 = 100 см2 = 0,01 м2.

ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПОРШНЕЙ ПО ОСИ х

(ХОД ПОРШНЕЙ) х1, ..., х8

Ход поршней камер сердца равен 5 см: х1 = х4 = = х5 = х8 = 5 см = 0,05 м.

Найдем средние значения конечно-систолического и конечно-диастолического объемов:

т 40 + 60 кп п

К =-= 50 мл = 0,05 л;

с 2

V = 65 +130 = 97,5 мл = 0,0975 л. д 2

Объем выброса крови

д^ = Гд - Гс = 0,0975 - 0,05 = 0,0475 л.

Отсюда перемещения поршней вен и артерий будут равны результату деления объема выброса крови на площадь поршня:

->-з

0,0475 • 10-л . „к -.„-з

_ Хч _ —-_ 4,75 • 10 м.

0,01

МАССЫ ПОРШНЕЙ m

1'

, m0

Общая масса сердца 300 г. Основная ее часть приходится на левую половину. Тогда массу левой половины примем равной 175 г, правой — 125 г. Массы предсердий составляют 1/3 от масс соответствующих половин. Следовательно, в данной математической модели сердца примем: ^

• для правого желудочка т1 = —• 0,125 =

3

= 0,0833 кг; масса поршня легочной артерии в пять

КОЭФФИЦИЕНТЫ ЖЕСТКОСТИ ПРУЖИН к1, ..., к8

Сила, отвечающая за внешнее воздействие правого желудочка со стороны авторегуляции сердца,

_ рсист. ПЖА1'

где £1 — площадь поршня. 1 25 + 30

Если R

сист. ПЖ

_ 27,5 мм рт. ст. _

_ 3619 Па, то F1 _ 3619-0,001 _ 3,619 Н.

Тогда

Тогда

К _ Ъ _ 3,619 _ 72 38 н/м_

X 0,05

К _

Ъ _ 15,134 X 0,05

_ 302,68 Н/м.

Найдем коэффициент жесткости пружины поршня легочной артерии &2. Определяем давления систолы Р ттл и диастолы Р „л легочной ар-

сист. лА ^ диаст. лА ^

терии:

' сист. ЛА

25 + 30 2

6 +10

■ диаст. ЛА

Тогда

_ 27,5 мм рт. ст. _ 3619 Па; _ 8 мм рт. ст. _ 1052,8 Па.

Найдем коэффициент жесткости пружины поршня аорты к6. Определим давления систолы Рсист А и диастолы Рдиаст. А аорты:

Рсист. а _ 11в + 12в _ 115 мм рт. ст. _ 15 134 Па;

■ диаст. А

Тогда

2

60 + 75

_ 67,5 мм рт. ст. _ 8883 Па.

АР _ Рсист. ЛА - Рдиаст. ЛА _ 3619 - 1052, 8 _ _ 2566,2 Па. Сила, действующая на поршень легочной артерии,

ЪЛА _ ДР£2 _ 2566,2 • 0,01 _ 25,662 Н. Тогда

АР _ Р - Р •

сист. А диаст. А'

К _

^ _ 25,662 _ 5402,53 н/м_

X 0,00475

АР _ 15 134 - 8883 _ 6251 Па. Сила, действующая на поршень аорты ЪА _ДР£а _ 6251 • 0,01 _ 62,51 Н. Тогда

ЪА _ 62,51

К _

X 0,00475

_13160 Н/м.

Найдем коэффициент жесткости пружины пор- Найдем коэффициент жесткости пружины пор-

шня легочной вены к3.

Давление диастолы легочной вены

рдиаст. Л В _ _ 9 мм Рт- ст- _ И84,4 Ш.

Сила, действующая на поршень легочной вены, -лв _ рдиаст. лва _ 1184,4 • 0,01 _ 11,844 Н. Тогда

ЪЛВ _ 11,844

шня полой вены к7.

Давление диастолы полой вены

0 + 2

Р _ Р

диаст. ПВ -1 диаст. ПВ

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

_ 1 мм рт. ст. _

К=

X о, 00475

_ 2493,5 Н/м.

_ 131,6 Па.

Сила, действующая на поршень полой вены,

-в _ рдиаст. Пва _ 131,6 • 0, 01 _ 1,316 Н.

Тогда

Ъв _ 1,316

Сила, отвечающая за внешнее воздействие левого предсердия со стороны авторегуляции сердца,

—2 _ Рсист. ЛПА4 • О 10 +12

Если рсист лп _ —2— _ 11 мм рт- ст- _

_ 1447,6 Па, то

Ъ _ 1447,6 • 0,001 _ 1,4476 Н.

Тогда

_ Ъ _ М476 _ 28,952 н/м.

4 х °5

Сила, отвечающая за внешнее воздействие левого желудочка со стороны авторегуляции сердца,

К=

X 0,00475

_ 277,05 Н/м.

Сила, отвечающая за внешнее воздействие правого предсердия со стороны авторегуляции сердца,

— _ рист. пп^в •

3 + 7

Если Рсист> пп _ —— _ 5 мм рт. ст. _ 658 Па, то 2

Ъ _ 658 • 0,001 _ 0,658 Н.

Тогда

—3 _ Рсист. ЛЖ^ •

Если Р

110 +120

сист. ЛЖ

= 15 134 Па, то

_ 115 мм рт. ст. _

Ъ _ 15 134 • 0,001 _ 15,134 Н.

, Ъ 0,658 ,„ 1 „ „ ,

К _ — _ —-_ 13,16 Н/м.

^ X 0,05

ДИАМЕТРЫ КЛАПАНОВ d1, ..., d6

Диаметры клапанов принимаем равными 0,02 м, т. е. = й2 = й3 = й4 = й5 = й6 = 0,02 м.

31

Медицинские компьютерные технологии

УДЕЛЬНАЯ ПЛОТНОСТЬ КРОВИ р

х,

07

= о, 15;

х08 = 0,0975.

Примем значение удельной плотности крови р равным 1060 кг/м3. Значения й1, ..., й8 примем равными 10 кг/с.

По таблице основных параметров физиологии сердца [8] были приняты следующие значения х01, ... х00, определяющие максимальные объемы ка-

08'

мер сердца, вен и артерий:

х

01

= 0,0975; х02 = 0,01667; хпя = 0,01667

03

х

04

= 0,0975; х05 = 0,0975; хпв = 0,15

06

Расход крови „ „ „ О , 0,14

Ор кг/с 0 12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0

Расход крови 0 16

°-Кг/с 0'Л2 0,1 0,08 00,,0046 0,02

Расход крови 0 25 05,кг/с 0,2 0,15 0,1 0,02 0

Расход крови 0 д

О^ кг/с 0,25 0,2

0,12 0,1 0,02 0

Давление в левом 1350-предсердии Рлп, Па 1300

/1

Давление в левом 1800i желудочке Рлж, Па 1600

Давление в правом 1450 желудочке Рпж, Па 1400

Давление в правом предсердии Рпп, Па 1350 1300 1250 1200

К

LL

В качестве среды реализации алгоритма решения данной системы уравнений была выбрана среда компьютерной алгебры Maple.

На рис. 2 представлены некоторые результаты моделирования насосной функции сердца.

Заключение

Таким образом, в данной работе были поставлены и решены следующие задачи:

fV

fV

(V

t, с

t, с

8 t, с

Рис. 2 Результаты моделирования

• на основании тщательного изучения физиологии сердца найдены технические элементы различной физической природы, которые в совокупности выполняют аналогичную функцию моделируемого объекта;

• составлена расчетная схема механико-гидравлической системы сердца (см. рис. 1);

• на основании расчетной схемы механико-гидравлической системы и с учетом исходных данных составлена система уравнений, представляющая собой математическую модель сердца;

• составлена программа решения полученной системы уравнений в среде компьютерной алгебры Maple;

• получены результаты моделирования в виде графиков изменения различных физических величин, меняющихся в течение кардиоцикла.

Сравнив результаты моделирования с экспериментальными данными, полученными из физиологии, можно сделать вывод, что разработанная модель сердца достаточно достоверно отражает качественный характер насосной деятельности сердца.

При дальнейшей доработке системы уравнений, описывающих процессы функционирования сердца, а также более точном подборе коэффициентов, содержащихся в них, такая модель может быть использована в медицине в диагностических целях. С помощью данной модели можно производить экспериментальные исследования без причинения вреда здоровью человека и выдавать информацию о нагрузках, выносимых сердцем, поведении

сердечной мышцы при возможных отклонениях работы сердца, в частности — инфаркте, инсульте. Также при использовании математической модели кардиологи смогут определять генетические патологии и различные типы патологий работы сердца, возникшие в результате деятельности сердечной мышцы.

| Л и т е р а т у р а |

1. Бегун П. И., Шукейло Ю. А. Биомеханика: Учеб. для вузов. СПб.: Политехника, 2000. 463 с.

2. Амосов Н. М. Моделирование сложных систем. К.: Наук. думка, 1968. 392 с.

3. Подчуфаров Б. М. Тепломеханика: Учеб. пособие. Тула: ТПИ, 1983. 100 с.

4. Лебеденко И. С., Немущенкова Н. И. Электрическая модель авторегуляции сердца//Изв. ТулГУ. Пробл. спец. машиностроения: Материалы Всерос. НТК. Тула, 2003, вып. 6, ч. 2. С. 17-19.

5. Лебеденко И. С., Немущенкова Н. И. Модели желудочков и предсердий//Биотехн., мед. и экол. системы и комплексы: Материалы Всерос. НТК. РГРА. Рязань, 2003. С. 106-108.

6. Морман Д., Хеллер Л. Физиология сердечно-сосудистой системы. Пер. с англ. Под ред. Р. В. Болдырева. 4-е изд., СПб.: Питер, 2000, 256 с.

7. Физиология кровообращения. Физиология сердца. Л.: Наука,1980. 598 с.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

8. Физиология сердца: Учеб. пособие/ С. В. Б а р а б а-нов, В. И. Евлахови др. Под ред. Б. И. Т к а -ченко. 2-е изд. СПб.: СпецЛит, 2001. 143 с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.