مدل سازی بیولوژیکی سیستم تنفسی

مدل سازی بیولوژیکی سیستم تنفسی

اسلاید 1: مدلسازي سيستم هاي بيو لوژيکي دكتر توحيدخواهسيستم تنفسي

اسلاید 2: مقايسه سيستم تنفسي با سيستم گردش خوناز نظر مداري سيستم تنفسي پيچيدگي کمتري دارد و داراي انشعابات کمتري استهوا بر خلاف خون قابل تراکم است که آناليز را مشکل تر مي کنددر سيستم تنفسي بر خلاف گردش خون شير وجود ندارد ولي سيستم شديدا غير خطي استعبور جريان هوا در ريه ها دوجهته (جزرومدي) است بر خلاف گردش خون که در يک جهت حرکت مي کندوظيفه 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

اسلاید 3: تعاريفقانون گازهاي ايده آل (قانون چالز)P= (mmHg)فشار گاز V= (lit) حجم گازT= (Kelvin) دماي گازn= جرم مولکولي/جرم گازR= 62.36شرايط متعارف :1- شرايط استاندارد فشار و دما P = 760 mmHg2-شرايط فشار و دماP = 760 mmHg

اسلاید 4: 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 بدنضريب استوالد =حجم سيال/ حجم گاز حل شده

اسلاید 5: 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

اسلاید 6: تغييرات فشار گازها در شرايط مختلف سيستم تنفسي

اسلاید 7:

اسلاید 8: lungsRHLHbody tissueBLOOD FLOWمدل steady state

اسلاید 9:

اسلاید 10: مصرف اکسیژنTidal volume(حجم جاري):0.6 litFreq 11 Air ventilation rate=6.6 lit/minمقداري از هوا در ناحيه مرده جلو و عقب مي رود كه در تهويه شركت ندارد بنابراين(حدود 1.5 ليتر)

اسلاید 11: 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

اسلاید 12: Oxygen-hemoglobin dissociation curve.

اسلاید 13: 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.

اسلاید 14: cardiac output ميزان تهويه اكسيژن قابليت انحلال*مساحت غشا*اختلاف فشار ميزان =----------------------------------- ضخامت غشا*جزر وزن مولكولي

اسلاید 15: 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.

اسلاید 16: مدل مكانيكي و الكتريكي سيستم تنفسي

اسلاید 17: مدل مكانيكي تنفسفشار حبابچه: 1- دم: -3mmHg 2- بازدم:+3mmHg فشار بين جنبي بين ريه ها وقفسه سينه: 1- دم: -8mmHg 2- بازدم: -2mmHg

اسلاید 18: 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 استغشا 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.مدل مكانيكي تنفس

اسلاید 19: مدلسازي سيستم تنفسيفرضيات:1- از خاصيت سلفي صرفنظر شده است.2-مقاومتها خطي فرض شده اند3-compliance= تراكم پذيري+اثر ارتجاعي ديواره ها خطي فرض مي شود4-از ديناميك عضلات صرفنظر مي شود.

اسلاید 20: تمرين: برنامه RESP-PFانتقال اكسيژن گاز كربنيك در سيستم تنفسي

اسلاید 21: محاسبه جريان F ها بستگي به جهت آن دارد(يعني مدل براي دم و بازدم متفاوت است) فرضا:

اسلاید 22: مدلسازي سيستم تنفسيمدل براي حالت دم:مدل براي حالت بازدم:

اسلاید 23: تركيب دو مدل (I)اشكال:قطع جريان در يك منبع جريان عملي نيست.تركيب دو مدل (II):

اسلاید 24:

اسلاید 25: مدل انتقال اكسيژن به بافتها توسط سيستم گردش خون

اسلاید 26: 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)

اسلاید 27: مدلسازي سيستم تنفسي(ادامه)فشار اكسيژن در وريد ريوي فشار اكسيژن در شريانهاي ريوي

اسلاید 28: اگر تبادل اكسيژن در ريه از نوع perfusion limited‌بودهفشار اكسيژن در وريدهاي ريوي فشار اكسيژن در كيسه هاي هوايي

اسلاید 29: بنابراين رابطه و رابطه يك رابطه غيرخطي است و مدل را ميتوان بصورت زير تكميل كرد:

اسلاید 30: كنترل ميزان اكسيژن خون

اسلاید 31: 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)

اسلاید 32:

اسلاید 33: تعداد و عمق تنفس توسط 4 عامل كنترل مي شود:1- فشار دي اكسيد كربن در خون ( )2- غلظت يون هاي هيدروژن (PH) در خون3- فشار اكسيژن ( ) در خون4- سيگنالهاي عصبي كه از نواحي كنترل كننده در مغز صادر مي شود

اسلاید 34: ادامهمورد اول و دوم از سوم بسيار مهمتر استهنگام 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, . ...)

اسلاید 35: 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.

اسلاید 36: 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.

اسلاید 37: عوامل موثر برتهویه حبابچه ای1-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.

اسلاید 38: 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.

اسلاید 39: 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.

اسلاید 40: کنترل میزان اکسیژن و گاز کربنیک:دبی حجم تنفس = نرخ تنفسی * عمق تنفس CNS & muscles

اسلاید 41: 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

اسلاید 42:

اسلاید 43: 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

اسلاید 44: 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%