Transcript k 21

Modelli a compartimenti
 Modelli funzionali di sistemi strutturalmente
complicati
 Separazione del sistema in un numero finito di
componenti detti compartimenti o stati
 I compartimenti interagiscono tra loro mediante
scambio di materiale
 I compartimenti sono regioni dello spazio reali o
definibili idealmente
Ambiti di applicazione
 Sistemi biologici e fisiologici
 Studio e controllo dei sistemi metabolici degli
organismi viventi
 Cinetica delle reazioni chimiche
 Farmacocinetica
 Sistemi ecologici
 Sistemi sanitari
Definizioni
 Compartimento: quantità di materiale (o sostanza) che
si comporta in maniera omogenea (composto
perfettamente miscelato) dal punto di vista cinetico (o
del ricambio)
Esempio: quantità di sangue nel sistema cardiocircolatorio
 Spazio o volume: la sostanza occupa uno spazio fisico
o ideale
Esempio: spazio extracellulare in un organo
 Interconnessione: definisce le direzioni e i versi di
scambio della sostanza tra un compartimento e l’altro
Costruzione del modello
 Conoscenza adeguata del campo dal quale proviene il fenomeno
 Utile semplificazione del fenomeno
 Appropriata rappresentazione matematica di tipo parametrico:
equazioni e significato dei parametri
 Numero dei compartimenti
 Numero e tipo delle interconnessioni, per lo scambio di
materiale
 Identificabilità strutturale  parametri del modello definiti
univocamente a partire dai dati sperimentali: unicità delle
soluzioni di equazioni non lineari
 Stima parametrica ottima: minimizzazione errore
Precisazioni
 N. di compartimenti: almeno due
 Flusso di materiale: il materiale viene scambiato
attraverso le interconnessioni, passando o
trasformandosi fisicamente e chimicamente;
il materiale entra e/o esce dal sistema
 Sistema aperto o chiuso: con o senza scambi con
l’ambiente esterno
 Sistema reversibile o irreversibile: scambi
bidirezionali o unidirezionali
Schema a blocchi
Esempio di sistema aperto a 3 compartimenti
u1(t)
u1(t)  ingresso
k21
1
k12
k23
k31
kij  parametri del modello
il primo pedice indica
il compartimento di arrivo,
il secondo pedice indica il
compartimento di partenza;
il pedice ‘0’ indica lo spazio esterno
2
k32
3
k03
Tipi di modelli a compartimenti
k21
1
k32
2
k03
3
1
k12
k02
2
aperto, reversibile
2
chiuso, irreversibile
(o catenario chiuso)
aperto, irreversibile
(o catenario aperto)
k21
1
k21
k21
1
k12
2
chiuso, reversibile
Modello mammillare
Sono formati da un compartimento centrale che scambia
in modo reversibile con alcuni compartimenti periferici
e in modo irreversibile con l’esterno
3
k13
k31
k14
4
k41
k21
2
1
k12
k01
Principio di conservazione della massa
Il modello matematico relativo allo schema a compartimenti può essere
ottenuto attraverso l’equazione del bilancio di massa
Bilancio di massa. La variazione nel
tempo della quantità di sostanza
all’interno di un compartimento
(velocità di cambiamento) è pari alla
differenza tra la velocità della sostanza
in ingresso al compartimento e la
velocità della sostanza in uscita dal
compartimento
k21
u1(t)
1
k23
k31
Con riferimento al compartimento 1 dell’esempio, si ha:
2
k12
k32
3
k03
Equazioni di stato e uscita
u1(t)
Sistemi dinamici lineari
k21
1
2
k12
q (t ) = Aq(t ) + Bu(t )
y (t ) = C q(t ) + Du(t )
k23
k31
k32
n. equazioni di stato = n. compartimenti
3
k03
kij costanti  sistema stazionario nei parametri
q1 = u1 (t ) - (k21 + k31 )q1 + k12 q2
q2 = +k21q1 - (k12 + k32 )q2 + k23q3
q3 = +k31q1 + k32 q2 - (k03 + k23 )q3
y (t ) = k03q3
- k21 - k31
k12
0
A=
k21
- k12 - k32
k23
k31
k32
- k03 - k23
1
B= 0
0
C = [ 0 0 k03 ]
D=0
Coefficienti frazionali di trasferimento
I parametri kij del modello a compartimenti esprimono la
velocità con cui avviene il processo di passaggio della
sostanza da un compartimento ad un altro
Dimensionalmente: kij = [t-1]  Talora viene pertanto anche chiamato
‘ritmo di rinnovamento o di trasferimento’
k21
1
2
Con riferimento al semplice modello a un solo parametro k21, in ogni istante,
esce dal compartimento (1) ed entra nel compartimento (2) una frazione
costante della quantità di sostanza esistente in (1) in quel momento
P.es.: k21=0.1, con t espresso in minuti, indica che la sostanza esce dal
compartimento alla velocità del 10% al min.
Modello della farmacocinetica
(farmaco ingerito per via orale)
I(t)
1
2
k21
k02
Circolazione
sanguigna
q2(t)
Tratto gastrointestinale
q1(t)
I(t) = intensità di introduzione del farmaco
k21 = costante di distribuzione del farmaco
k02 = costante di eliminazione del farmaco
qi(t) = quantità di farmaco nei compartimenti (i=1,2)
q1 = I (t ) - k21q1
q 2 = +k21q1 - k02 q2
q2
y (t ) = c2 =
V2
A=
- k21
0
k21
- k02
1
B=
0
C = [ 0 1 / V2 ]
D=0
c2 = concentrazione ematica
~ 5 litri
V2 = volume ematico costante =
Farmacologia
In farmacologia si studia q2(t) o c2(t) per valutare la dose D del farmaco
c2(t)
Effetti noti dei
principi attivi del
farmaco
+
=
Dosaggio ottimale
del farmaco
q1 (verde ---) q2 (rosso) [mg]
Quantità di farmaco nei compartimenti
400

D   I (t )dt
0
300
tmax = tempo di
massima azione
200
100
0
tmax
0
60
t1/2
120
180
240
300
360
tempo [min]
t1/2 = tempo di
emivita
Esercizio di farmacologia
Valutare il dosaggio e i tempi di azione massima e di emivita di un
farmaco introdotto oralmente, affinché la sua massima azione
corrisponda a una concentrazione ematica di 10 mg/litro, con le
seguenti specifiche:
Volume ematico V2 = 5 litri
I(t) = I0(e-t – e-3t)
mg/s
1/k21 = 30 min
1/k02 = 2 h
Col dosaggio trovato, valutare nuovamente i tempi caratteristici
raddoppiando la costante di tempo di eliminazione (cioè 1/k02 = 4 h)
per simulare un’insufficienza renale, traendo le dovute conclusioni.
Modello della diffusione tra membrane cellulari
Membrana semipermeabile
1
kk12
1
2
2
Compartimentok Compartimento
intracellulare 2 extracellulare
q1(t)=V1c1(t) k1
q2(t)=V2c2(t)
k02
Hp:  permeabilità di membrana
diversa nelle due direzioni
21
Legge di Fick. Il flusso di diffusione della
sostanza attraverso la membrana
è proporzionale al gradiente di
concentrazione tra le due regioni
S
d
S
q 2 (t ) = [ h21c1 (t )- h12c2 (t )] - k02V2 c2 (t )
d
S
S
k12 = h12
k 21 = h21
V2 d
V1d
q1 (t ) = [-h21c1 (t )+ h12c2 (t )]
c1(t), c2(t) = concentrazioni
V1, V2 = volumi costanti
h12 h21 = coefficienti di
diffusione che dipendono dalle
caratteristiche chimico-fisiche
di solvente e soluto
S = superficie membrana
d = spessore membrana
Modello dei flussi ospedalieri
t valutato in giorni (g)
u2(t)
u1(t)
k21
1
Territorio
locale
k13
2
Territorio
esterno
k12
k31
k32
3
Ospedale
y(t)=k03n3f3(t)
f1(t ) = frazione persone presenti nel territorio locale
(TL), rispetto ai residenti locali
f2(t) = frazione di persone presenti nel territorio esterno,
(TE), rispetto ai residenti esterni
f3(t) = frazione di persone in cura all’ospedale, rispetto
alla capacità media
n1, n2, n3 = residenti locali, residenti esterni, capacità
ospedale (n. medio pazienti giornalieri serviti)
k12/k21 = coeff. frazione giornaliera relativa
persone che si muovono da TE/TL a TL/TE
k31/k32 = coeff. flussi persone da TL/TE a O
(esclusi visitatori, personale sanitario, ecc..)
k13 = coeff. pazienti da O a TL
y(t) = morti
u1(t) /u2(t) = bilancio input-output TL/TE
Hp: I pazienti vengono dimessi solo su TL, quelli su TE transitano da TL per k21.
Non si considerano morti direttamente su TL mentre quelli su TE che non accedono a O
sono compresi in u2(t), dove vi sono anche migrazioni (immigrati-emigrati), turisti, ecc
u1(t) comprende gli stessi soggetti di TE, tranne i morti considerati tutti in O
Equazioni modello dei flussi ospedalieri
u1(t)
u2(t)
k21
1
Territorio
locale
k13
2
Territorio
esterno
k12
k31
k32
3
Ospedale
y(t)=k03n3 f3(t)
n1 f1 = u1 (t ) - (k21 + k31 )n1 f1 + k12 n2 f 2 + k13n3 f 3
n f = u (t ) + k n f - (k + k )n f
2 2
2
21 1 1
12
32
2 2
n3 f3 = k31n1 f1 + k32 n2 f 2 - (k03 + k13 )n3 f 3
y (t ) = k03n3 f 3
f1  [u1 (t ) - (h21  h31 ) f1  h12 f 2  h13 f 3 ] / n1
f  [u (t )  h f - (h  h ) f ] / n
2
2
21 1
12
32
2
2
f3  [h31 f1  h32 f 2 - (h03  h13 ) f 3 ] / n3
y (t )  h03 f 3
h ji  k ji ni
Esercizio: analisi dei flussi ospedalieri
Con riferimento al modello a 3 compartimenti dei flussi ospedalieri,
sono dati i seguenti valori e le seguenti specifiche:
 n1 =100000; n2 =3000000; n3 =1000
 Giornalmente entrano ed escono dall’ospedale l’80% di pazienti, il restante
20% sono ricoverati per più di un giorno.
 Il 90% dei pazienti giornalieri proviene dal territorio locale (TL), il 10% dal
territorio esterno (TE)
 Il 10% di persone esce giornalmente da TL verso TE per lavoro, turismo, ecc.
 Lo 0.33% di persone del TE entra nel TL per gli stessi motivi.
 Il numero giornaliero di deceduti in ospedale è lo 0.5% dei pazienti presenti.
 L’ingresso a TL comprende 3 nascite e 2 migranti al giorno.
 L’ingresso a TE comprende 40 migranti e 5 perdite (differenza morti-nati).
Valutare la dinamica dei pazienti in cura all’ospedale conseguente ad un
improvviso aumento di turisti su TL del 50% rispetto ai residenti, in una
settimana, e successiva uscita degli stessi durante il mese successivo.