CC BY
45
УДК 61:577.3 - 005.591.6
Ж.А. КАЛИЕВА, Б.Г. АХМЕТОВ
АО «Медицинскийуниверситет Астана» Кафедра медицинской биофизики и основы безопасности жизнедеятельности
ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРЕПОДАВАНИИ МЕДИЦИНСКОЙ БИОФИЗИКИ
В преподавании медицинской биофизики с использованием метода визуализации была использована программа для создания ассоциативных карт, самая известная из которых - «FreeMind». Это кроссплатформенное приложение, на основе которого можно создавать карты-схемы, содержащие ссылки на другие диаграммы связей, файлы и веб-страницы. На основе «FreeMind» были создано его ответвление - «FreePlane». Это также кроссплатформенная программа, поддерживающая формат файлов «FreeMind», но содержащая дополнительные опции, не поддерживаемые «FreeMind».
Ключевые слова: Инновационные технологии, преподавание медицинской биофизики, использование метода визуализации, программа «FreePlane», математическое моделирование сердечно-сосудистой системы (ССС).
Введение: Моделирование биологических объектов является неотъемлемой частью всех направлений медицинских, технических и фундаментальных исследований. Одной из главных частей современных диагностических кардиологических комплексов является система синтеза изображения сердца и пациента. В основе функционирования этой системы лежат методы и средства компьютерного моделирования и графики. На практическом занятий по ССС мы внедрили метод визуализации основываясь на материалах семинара-тренинга Е.Н. Волкова и М.В. Плотникова «Визуально-картографические методы в учебной, научной и проектной работе». Цель:
1.Использование метода визуализации на практическом занятии по теме: «Моделирование сердечно-сосудистой системы».
2.Визуализировать представление студентов о ССС и сопровождать процесс работы группового взаимодействия.
3. Визуально выявить противоречия в позициях студентов и документально оформить результаты их преодоления.
4. Помочь студентам идентифицировать себя с результатом и прояснить содержание обсуждаемой темы.
Материалы и методы: Метод визуализации можно использовать на всех практических занятиях. В качестве примера, мы взяли практическое занятие на тему: «Моделирование сердечно-сосудистой системы». Что такое визуализация? Визуализация — это процесс оптического представления мнений, идей, с использованием графических схем, пикботов и других средств наглядности. Визуализация поддерживает процесс коммуникации в группе, но не заменяет его. Все методы модерации сопровождаются визуализацией.
Необходимо выделить четыре основных принципа, объясняющих необходимость наглядного выражения любого знания.
1. Необходимость чувственного восприятия внешнего мира в качестве исходного материала для мыслительной деятельности.
2. Необходимость владения языком символов как определенной системы чувственно воспринимаемых знаков (сигналов), являющихся носителями значения, смысла.
3. Необходимость на любой ступени абстрактного мышления опоры на чувственный материал, в виде иллюстраций, схем, диаграмм, графиков и т. п.
4. Обязательная связь мыслительной деятельности любой степени абстрактности с практикой, представляющей собой предметную, чувственную деятельность.
Визуализацию следует рассматривать в качестве базового процесса модерации, потому что «использование только одного аудиального канала в процессе коммуникации значительно обедняет перспективы взаимопонимания и сотрудничества». В результате ряда исследований группа ученых пришла к следующим утверждениям:
1. если считать, что через глаза и уши человек воспринимает 100% информации, то в этом объеме визуальному восприятию отводится 70-80%;
2. если учесть, что всеми органами чувств человек получает 100% информации, то в этом объеме слуху отводится 20%, зрению — 30%, зрению и слуху — 50%.
Принципы визуализации обычно формулируются следующим образом:
1.Доступность. Всем студентам должен быть обеспечен доступ к материалу.
2. Композиционность. Плакаты должны быть видны и не перегружены разнообразием цветовой гаммы и многообразием форм карточек. Символы и записи должны быть видны с 3-4 метров, кроме того, должны быть выдержаны композиционные правила в размещении текста и рисунков. Необходимо учитывать особенности чтения студентов.
Математическое моделирование биологических объектов представляет собой аналитическое описание идеализированных процессов и систем, адекватных реальным.
Идеальных систем в природе не существует, однако полученные результаты в известных пределах можно применять к реальным процессам и системам, так как они имеют общие свойства с идеальными.
Математические модели строятся на основе экспериментальных данных, (материальное или предметное моделирование), либо умозрительно, используя гипотезу или известную закономерность (теоретическое моделирование). Теоретическое моделирование требует последующей опытной проверки. Особенно полезно теоретическое моделирование там, где провести эксперимент невозможно или сложно. Применение компьютерной обработки для математической модели биологического процесса, трудно воспроизводимого в эксперименте, позволяет предвидеть изменение процесса в зависимости от условий, предсказать некоторые новые явления.
Основным элементом любых систем моделирования ССС является трехмерная модель сердца, отражающая основные изменения его функционирования в динамическом режиме. Ниже дается классификация основных моделей сердца и сердечнососудистой системы.
Одной из простейших математических моделей сердца является кинетическая модель ССС. Согласно данной модели сердце рассматривается как два полых мышечных органа -«левое» сердце и «правое» сердце, каждое из которых состоит из предсердия и желудочка.
Кровь от органов и тканей организма поступает к правому сердцу, выталкивающему ее к легким, где она насыщается кислородом, возвращается к левому сердцу, из которого
вновь поступает к органам, откуда возвращается к правому сердцу.
Нагнетательная функция сердца основана на чередовании расслабления и сокращения желудочков. Во время диастолы желудочки заполняются кровью, а во время систолы они выбрасывают ее в крупные артерии. Перед заполнением желудочков, кровь накапливается в предсердиях. Четырехкамерная модель может быть представлена как объединение двухкамерных:
Известна также точечная модель двухкамерного сердца, учитывающая гемодинамику сердечно-сосудистой системы, где вершине к соответствует предсердие, вершине к -
желудочек, ребро 11 представляет венозный синус, ребро ¡2 -восходящую дугу аорты:
Работа при каждом сокращении левого желудочка затрачивается на сообщение объему выталкиваемой крови энергии, необходимой для его продвижения по всей сосудистой системе. Эта энергия состоит из потенциальной энергии давления, которое должно быть создано вначале для преодоления сопротивления движению крови по всей сосудистой системе (статистический компонент при работе
сердца) и кинетической энергии для сообщения массе крови необходимой скорости движения (кинетический компонент).
Статистический компонент работы левого желудочка определяется произведением ударного объема сердца Уу на среднее давление крови (Ра) в аорте:
Кинетический компонент работы левого желудочка определяется кинетической энергией крови в аорте:
т^у V
А2= — =
Тогда Ллж = Аг+ А2
Где р - плотность крови, V - скорость крови в аорте,
Тогда работа Ас выполняемая сердцем, может быть определена по формуле:
V2
Ас = Ллж + 0,2Ллж = 1,2 • (А! + А2) = 1,2 • (Уу •Ра + р—)
А1 = Уу^Ра
Ас = 1,2 • (V^Pa + р-) (Дж)
[1)
Среднее динамическое давление крови определяется по систолическому (Ра max) и диастолическому (Ра min) артериальному давлениям по формуле Гиккем:
P =р . + PL =р . + Pamax -Pamln (2)
'a 1 a min 1 3 amin 1 3 ^ '
где Pn - пульсовое давление, Pn = Pa max - Pa min ;
В гемодинамике ударный объем крови можно определить косвенно, зная систолическое и диастолическое давления и возраст (В) человека по формуле Старра:
V = 100 + 0,5Pn - 0,6Pamin - 0,6В (мл) (3)
Длительность сердечного цикла: tc, = 60
Время сокращения желудочков сердца t равно примерно одной трети длительности сердечного цикла:
где f - частота пульса в уд/мин;
Тогда мощность, развиваемая сердцем в момент систолы равна
= ь, = 60 • !(С)=2°.
сц 3 f 3 W f>
(4)
N = ^ = ^ (Вт)
с t 20 1 1
(5)
Минутный объем крови (МОК) равен:
Q = ^/(л)
(б)
Для моделирования ССС в динамике студенты определяют систолическое и диастолическое артериальное давление, пульс и возраст пациента до нагрузки, сразу после физической нагрузки и через 5-10 минут после нагрузки. Значения плотности крови и скорости крови в аорте берут
Таблица 1 - Параметры ССС человека.
из таблицы 1 как среднестатистические, так как для их экспериментального определения необходимы
специальные методики и оборудование. Расчет параметров ССС производится на ЭВМ.
№ Наименование Обозначение Размерность Физиологические пределы
Макс. Номин. Мин.
1 Максимальное артериальное давление Ра max mm^.d'. 240 120 60
2 Минимальное артериальное давление Ра min Мм.рт.ст. 160 75 20
3 Частота пульса f Уд/мин 140 70 40
4 Плотность крови р Кг/м3 1150 1050 1010
5 Скорость крови в аорте v м/с 0,85 0,5 0,34
6 Время сокращения желудочков t c 0,38 0,30 0,19
В целом, использование методов визуализации, а также математических моделей ССС на практических занятиях по медицинской биофизике позволяет не только наглядно показать студентам работу сердечно-сосудистой системы в
динамике, но и научить студентов правильно использовать формулы, позволяющие оценивать состояние сердечнососудистую систему.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Волков Е.Н., Плотников М.В. Визуально-картографические методы в учебной, научной и проектной работе // Материалы семинара-тренинга. - Астана: 18-22 июня 2012. - 118 с.
2 Ремизов А.Н. Медицинская биологическая физика. Учебное пособие. - М.: Высшая школа, 2013. - 608 с.
3 Антонов В.Ф. Биофизика. Учебник для студентов вузов. - М.: Валдос, 2006. - 287 с.
Ж.А. КАЛИЕВА, Б.Г. АХМЕТОВ
«Астана медициналъщ университет1» АК Медициналъщ биофизика жэне т1рш1М1к цаутазд!г!ц нег!здер! цафедрасы
МЕДБИОФИЗИКА ПЭИ1И ОЦЫТУДА ИННОВАЦИЯЛЬЩ ТЕХНОЛОГИЯЛАРДЫ ЦОЛДАНУ
ТYЙiн: Визуализация эдкш к;олдана отырып медбиофизика пэшн о;ытуда кещнен таралган «FreeMmd» программасы пайдаланылды. Ол программа ассоциативтш карта куруга арналган. Осыныц ;осымша эмбебап платформасына непзделе отырып арнай <^гееР1апе» программасы жасалган. «FreePlane» программасы ар;ылы сызба-нуск;алар, байланыстар диаграммасын, файлдарды жэне веб-пара;тарын курастыруга болады.
ТYЙiндi свздер: Инновациялы; технология, медициналы; биофизиканы о;ыту, визуализация эдостерш ;олдану, «^гееРкпе» багдарламасы, журек ;антамыр жуйейн (ЖКТЖ) математикалы; модельдеу.
ZH.A. KALIYEVA, B.G. AKHMETOV
"Medical University Astana"JSC Department of medical biophysics and basics of life safety
INNOVATIVE TECHNOLOGIES IN THE TEACHING OF MEDICAL BIOPHYSICS.
Resume: which is "FreeMind". This is a cross-platform application from which you can create maps that contain links to other diagrams links, files and Web pages. On the basis of "FreeMind" were created on its offshoot "FreePlane". It's also cross-platform application that supports the file format "FreeMind", but contains additional options that are not supported by "FreeMind".
Keywords: Innovative technologies, teaching of medical biophysics, use of method of visualization, program «FreePlane», mathematical design of the cardiovascular system.
