Transcript Slide 1
ارائه مدل کنترل تنفس در پستانداران به وسیله کوپلینگ مدل عصبی و مدل انتقال گاز احسان دارستانی فراهانی 88133071 1 فیزیولوژی تنفس: سیستم تنفس ی در انسان از دو قسمت تشکیل شده است بخش عصبی در مغز و ابزار انتقال گاز با محیط پیرامونی تنفس توسط یک شبکه عصبی تولید می شود که در شاخه اصلی مغز قرار دارد این شبکه یک الگوی ریتمیک ایجاد می کند و به تبع آن عضالت تنفس ی به حرکت در می آیند و جریان هوا را به داخل و بیرون از ریه ها هدایت می کنند. برای تنظیم مقدار اکسیژن و دی اکسید کربن نیز سنسور هایی وجود دارد که سیگنال فیدبک را به شبکه اصلی مغزی ارسال می کنند. 2 فیزیولوژی تنفس: مرکز تنفس ی از چندین گروه نورون هاتشکل شده که بطور دو طرفه در بصل النخاع و پل مغزی قرار گرفتهاند .مرکز تنفس ی به سه مجموعه عمده از نورونها تقسیم میشود. یک گروه تنفس ی پشتی که در ناحیه پشتی بصلالنخاع قرار دارد. یک گروه تنفس ی شکمی که در بخش شکمی -جانبی بصلالنخاع قرار دارد. مرکز پنوموتاکسیک که در ناحیه پشتی در بخش فوقانی پل مغزی واقع شده است و به کنترل فرکانس و طرح تنفس کمک میکند . 3 فیزیولوژی تنفس: گروه تنفس ی پشتی شامل یک سازنده مرکزی الگو( )CPGاست که نوسانات عصبی الزم یا همان ریتم تنفس را می سازد و الگوی زمانی فعالیت اعصاب را کنترل می کند. کنترل مستقل دامنه و فرکانس تنفس یک مشخصه عملکری اساس ی CPGاست. سازنده ریتم تنفس ی در این مدل ها از دو چیز پدیدار می شود یکی تقابل نورون های بازدارنده و تحریک کننده است و دیگری مشخصات بیوفیزیکی ذاتی سلول هاست که در سطح کمپلکس pre-botzingerکار می کنند. گروه تنفس ی شکمی VRGکنترل جداگانه دامنه تحریکات عصبی الزم در پرده دیافراگم را به عهده دارند. 4 تاریخچه: سابق بر این تالش هایی برای کوپل کردن فعالیت سیستم عصبی مرکزی با مدل ریه انجام شده است. Eldridgeدر سال 1996از اسیالتور بن هوفر برای بیان کنترل عصبی و کوپل آن با معادالت تعادل جرمی در تبادل گاز های اکسیژن و دی اکسید کربن استفاده کرد. Rybackدر سال 2004یک توصیف جز به جز از شبکه عصبی تنفس ی را به یک مدل ساده شده ریه ،کوپل کرد که شامل فیدبک بود اما تبادل گاز ها و فیدبک شیمیایی را نادیده گرفته بود. Longobardoدر سال 2005مدل واحد سازنده الگوی تنفس را با مدل کنترل با فیدبک عصبی شیمیایی تطبیق داد. 5 کارهایی که دراین مدل انجام می شود مدلی که Ben-talدر سال 2006برای سیستم انتقال گاز ارائه داده است را با سیستم عصبی کوپل کردیم. مشکلی که وجود دارد این است که از فعالیت سیگنال های فیدبک در سطح عصبی اطالعات کمی در دسترس است لذا در این مقاله چندین مکانیسم فیدبک را آزمایش می کنیم . پاسخ دینامیک مدل در تغییر غلظت اکسیژن و دی اکسید کربن تنفس شده از لحاظ کیفیت با داده های آزمایشگاهی مقایسه شد که صحت کار را بیان می کند در این مدل برای سادگی از تاخیر وابسته به سیستم گردش خون صرف نظر شده است. در این مدل متغیر کنترل شده حجم هوایی است که در یک دقیقه استنشاق می شود ()minute ventilation کنترلر سیستم عصبی مرکزی یک black boxاست که یک رابطه ریاض ی بین فشار جزیی اکسیژن و دی اکسید کربن در خون و MVبرقرار می کند. 6 مدل عصبی مدل عصبی از دو مکانیسم استفاده می کند یک مکانیسم برای تولید فعالیت نوسانی تکرار شونده و دیگری برای تولید فعالیت الگوی تنفس که به ما اجازه می دهد فرکانس تنفس و دامنه تحریکات را کنترل کرد -1اسیالتور که تولید کننده ریتم است -2سازنده الگوی تنفس که در آن تبدیل کننده تحریک به یک الگوی rampبرای فعالیت عصبی تولید رمپ توسط یک پروسه leaky intgration شکل موج رمپ از مشخصات سیگنال تحریک اجزای عصبی در VRGاست که به دیافراگم اعمال می شود 7 Rhythm generation معیار فعالیت گروه تنفس ی پشتی Aاست که بیانگر متوسط نرخ اسپایک در واحد زمان می باشد. دینامیک فعالیت گروه تنفس ی پشتی با فرمول زیر قابل بیان است: αوβو γتابع های درایو تحریک کننده یا باز دارنده هستند. Activityبه مقدار زیادی به ولتاژ وابسته است .زمانی نرون فعال است که ولتاژ دو سر آن از یک حد خاص ی بیشتر باشد. این رابطه نشان می دهد که درایو خارجی نیز در مقدار Aاثر دارد)2005 Rinzel (. 8 Rhythm generation آزمایشات تجربی Buteraدر سال 1999نشان می دهد که در صورت عدم فعالیت شبکه ،جریان پایدار سدیم نقش مهمی در کنترل دوره تنفس بازی می کند .با توجه با این موضوع ضرایب معادله دینامیک Aبه صورت زیر در می آید: فعالیت گیت در جریان ثابت سدیم در حالت مانا غیر فعال بودن گیت در جریان پایدار سدیم را نشان می دهد دینامیک آن به صورت زیر است: 9 Rhythm generation خروجی های مدل که رفتار pre-Botsرا همانطوری که در آزمایشات دیده شده بود تقلید می کنند. دقت شود که وقتی hpبه مقدار ماکسیمم می رسد Aشروع به کاهش می کند. 10 تاثیر پارامتر g̃tبرای کنترل فرکانس -1سطح پایین فعالیت که برابر با سطح خاموش ی در سیستم عصبی است. -2سطح نوسانی که برابر با rhythmic burstingدر سیستم عصبی است. -3سطح باالی فعالیت که beating activityدر سیستم عصبی است. 11 ramp generation ramp generation -1را از نظر مفهومی معادل با leaky integrationدر نظر گرفتیم. -2در سیستم عصبی زمانی VRGشروع به فعالیت می کند که دامنه Aاز یک سطحی باالتر باشد که برای آن ترشولد در نظر گرفته شده است()Tr1 -3در سیستم عصبی برای حفظ سیر تکاملی rampبه یک driveخارجی ممتد نیاز است که از طرف نورون های آشکارساز اکسیژن و دی اکسید کربن می آید .دراین مدل ثابت Kکه با مقدار انتگرال گیر جمع می شود بیانگر این driveخارجی است. -4نورون های بازدارنده پس تنفس ی باعث کاهش فعالیت اسیالتور شده و ramp generatorریست می شود .این پدیده با قرار دادن Tr2در مدل انجام می شود. -5زمانی که Aدر باالترین سطح فعالیت قرار دارد باعث اشباع شدن انتگرال گیر می شود که برای حل این مشکل Tr3تعریف می شود که انتگرال گیر را موقف می کند اما ریست نمی کند. 12 سیگنال rampبه صورت زیر ساخته می شود مقدار Tr4مربوط به زمانی است که اگر پله های انتگرال کوچک بود و مقدار آستانه نرسد به مقدار Kریست شود. در شبیه سازی مقادیر به صورت زیر در نظر گرفته شده اند: 13 ramp generation تاثیر Ilروی شکل موج های ramp در شکل روبه رو دیده می شود 14 مربوط به سه سطح فعالیت سیستم عصبیRamp generation silent state-1 bursting state-2 beating state-3 15 کنترل دامنه در مدل عصبی دامنه تنفس را می توان به وسیله 3پارامتر g̃t , K,Il کنترل کرد. 16 کوپلینگ مدل عصبی و مدل انتقال گاز 17 Muscle compartment سطح شدت انقباض با دو مکانیسم اصلی کنترل می شود: -1تغییر در فرکانس انقباض -2تغییر در تعداد موتور یونیت ها فرض می کنیم نیروی اصلی از طرف دیافراگم است. عضله به صورت یک فنر مدل می شود که یک تحریک خارجی دارد. Xmجابه جایی عضله است. Plفشار جنبی و Pmفشار دهان است. 18 Lung compartment حجم مویرگ ها به اندازه بون ده قلبی است زمان انتقال خون از طریق شش ها به همان اندازه زمان بین ضربان قلب است. PAفشار میانگین آلوئول ها Fo,fcغلظت اکسیژن و دی اکسید کربن Po,Pcفشار جزئی اکسیژن و دی اکسید کربن در خون Eاالستیسیته ریه Do,Dcظرفیت دیفیوژن(فاکتور انتقال) اکسیژن و دی اکسید کربن Pao,Pacفشار جزئی اکسیژن و دی اکسید کربن در آلوئول Pwفشار بخار آب در 37درجه Q Aفلوی کل گاز به آلوئول فلوی هوا 19 q Lung compartment Rمقاومت مسیر هوایی qiجریان هوای دم ) F(Poتابع اشباع هموگلوبین L2نرخ واکنش هیدراته شدن r2نرخ واکنش غیر هیدراته شدن ] [H+مقدار ثابت فرض شده Vcحجم مویرگی σحاللیت اکسیژن THغلظت مولکول هموگلوبین در خون δپارامتر آزاد که اثر آنزیم کربونیک آنهیدراز را بیان می کند VAحجم کل ریه 20 Lung compartment foi, fciغلظت اکسیژن و دی اکسید کربن در دم VDحجم فضای مرده ریه fodغلظت اکسیژن در فضای مرده ریه Fomغلظت اکسیژن در دهان Viحجم پر شده از هوای دم 21 Feedback modeling Erc,Eroخطای حلقه فیدبک برای اکسیژن و دی اکسید کربن Pce,Poeفشار جزئی در انتهای مویرگ ها Pcr,Porمقادیر رفرنس که همان میانگین Poe,Pceدر شریط نرمال ̃ Fتابع اشباع هموگلوبین که در Ben- ) tal(2006بیان شده است 22 نتایج کنترل حلقه باز کنترل حلقه باز :در این کنترل دو رژیم وجود دارد -1 :افزایش فرکانس با کاهش دامنه همراه است( زمانی که فقط g̃tمتغیر است) -2افزایش فرکانس با افزایش دامنه همراه است( وقتی که هر دو g̃t,kمتغیر است) 23 نتایج کنترل حلقه بسته کنترل حلقه بسته: با افزایش سطح دی اکسید کربن و کاهش سطح اکسیژن مقدار MVافزایش می یابد ولی مشخص نیست که چه مقدار از این به علت تغییر در دامنه و چه مقدار به علت تغییر در فرکانس است .پاسخ ها در شرایط مختلف متفاوت است برای مثال در انسان بیدار و زمانی که در خواب remاست هر دوی دامنه و فرکانس افزایش می یابد ولی در خواب غیر remافزایش دامنه غالب است. دو آزمایش توسط comroeدر سال 1997ارائه شد: -1غلظت نرمال گاز ( ) 21% O2,0% CO2در 120ثانیه اول و 7.5% CO2برای 120 ثانیه دوم و در ادامه 0% CO2استنشاق شد -2گاز نرمال برای 120ثانیه اول و 5% O2برای 120ثانیه دوم و در ادامه 100% O2 استنشاق می شود. 24 نتایج کنترل حلقه بسته 25 نتایج کنترل حلقه بسته شکل های صفحه قبل مربوط به آزمایش اول بود. در پاسخ به افزایش غلظت CO2دمی دامنه افزایش یافت ولی پاسخ در کنترلر PIکند تر است که با یافته های تجربی مطابقت دارد همچنین کنترلر Pبه مقدار مانا رسید در حالی که کنترلر PIبه مقدار مانا نمی رسد. ابتدا Ercافزایش می یابد و در ادامه وقتی که به یک سطح مانا رسید از به دلیل وجود ضریب C2در کنترلر K ، PIدر حال افزایش خواهد ماند. 26 نتایج کنترل حلقه بسته 27 نتایج کنترل حلقه بسته شکل های صفحه قبل مربوط به آزمایش دوم بود. زمانی که 100%O2اعمال می شود هر دو شکل آپنه ( ایست تنفس ی در حالت استراحت تنفس ی) نشان می دهد .مدل نشان می دهد که آپنه از نتایج حذف ناگهانی ترم B2Eroاست و به علت Ercبه طور ناگهانی کمتر از مقدار ترشولد انتگرال گیر می شود. این موضوع در کنترلر Pسریع جبران می شود در حالی که در کنترلر PIبه علت انتگرال گیری باالتر آپنه طوالنی تری دیده می شود .این آپنه طوالنی تر با مشاهدات comreoدر سال 1997سازگار است. 28 نتایج کلی کنترل حلقه باز سیستم را بررس ی کردیم و نشان داده شد که دو رژیم وجود دارد -1 :افزایش فرکانس با کاهش دامنه همراه است( زمانی که فقط g̃tمتغیر است) -2افزایش فرکانس با افزایش دامنه همراه است( وقتی که هر دو g̃t,kمتغیر است) در مدل کنترل حلقه بسته دینامیک chemoreceptorها محاسبه نشد اما با به کار گیری دو کنترلر استاندارد نتایج جالبی به دست آمد. کنترلر PIبا نتایج تجربی به دست آمده مطابقت بیشتری داشت .این نتایج مربوط به پاسخ کند تر و زمان آپنه طوالنی تر بود که در اسالید قبل توضیح داده شد. در شکل رو به رو نیز MVرا بر حسب CO2دم مشاهده می کنید که کنترلر PIبا یافته های comreaدر سال 1997بیشترین شباهت را دارد. 29 مراجع A model for control of breathing in mammals: Coupling neuraldynamics to peripheral gas exchange and transport Batzel, J.J., Tran, H.T., 2000. Modeling instability in the control systemfor human respiration: applications to infant non-REM sleep. Appl.Math. Comput. 110, 1– 51. Ben-Tal, A., 2006. Simplified models for gas exchange in the human lungs.J. Theor. Biol. 238, 474–495. 30 با تشکر از توجه شما 31