автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Имитационная система моделей взаимодействующих физиологических систем организма и ее использование для прогнозирования адаптивных реакций

; Го ол

1 1 НОЯ 1986

На правах рукописи

ЛЕБЕДИНСКАЯ Елена Николаевна

ИМИТАЦИОННАЯ СИСТЕМА МОДЕЛЕЙ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ОРГАНИЗМА И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ АДАПТИВНЫХ РЕАКЦИЯ

05.13.16 — применение вычислительной техники, математического моделирования и математических метод«» в научных исследованиях

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону — 1996 —

Работа выполнена в Ростовском государственном университете. '

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

профессор.......................................Горстко А. Б.

Официальные оппоненты: доктор технических паук,

профессор...................................Калакутский Л. И.

доктор биелогических наук, кандидат физико-математических наук,

профессор...............................Владимирский Б. М.

Ведущая организация:.................Таганрогский государст-'

венный радиотехнический университет

Зашита состоится « ».............. 1996 г. в . • .

часов на заседании диссертационного совета К063.52.12 по физико-математическим н техническим наукам в Ростовском государственном университете по адресу: 344090, Ростов-на-До-пу, пр. Стачки, 200/1, корпус 2, Вычислительный центр РГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке РГУ по адресу: ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан « /Т . . 1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета, ——-

кандидат физ.-мат. наук --- Муратова Г. В.

ОЫДЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Лкгуалыгость тгмы. Превращение среды обитания е источник экстремальных внешних воздсйстаий, шзаатюа развитием современной техники н производств, етшшт исирос о возможности по.'пгецгпного выживания организма п эпк условиях. Особую актуальность в связи с этим приобретают »сследоаакия адаптационных возможностей организма при поздснстпн!! коиплексио« вигишей нагрузки.

Адаптивная реакция организма яшистся р<яультатохг сложного яззимодсмстпия его систем, что обусловило больтои интерес со стороны ыедпкоп и физиологов к изучению этого пзанмодейсхшы.

Одним го подходов, к исследованию адагтшаной • реакции организма на енсшшою нагрузку является построение математических моделей , отржкающн:-: взлимосиязанпос

функционирование сс.човпьгс систем организма, участаугонагё в адаптации. , .

' Рлзв'пг.с г.годелирспгшня г. физиологии до педапнего лремеш: имело тенденцию к созданию все более подробных МОДСЛСЙ отдельных компонентов, что из могло пс приг.ести к пыбору нее более мелких оЗъсктиз для моделирования. Создано достаточно большое количество моделей отдельных спс гем организма, но только з последние годы появились модели. описывающие функцпонироклнне нескольких нодснстем организма одновременно. Однако включение ноиых подсистем в болыинпстяо таких моделей

Затрудняю тем, что в них изменение гарамстроз, регулирующих !Л1угр«!;!ьч)ш среду организма, жмткэ задастся функциональной зависимостью. .

Помимо, правер'а! различных пщотез с мехазяпмах регуляции. система ‘ ыодедой, отражающая взаимосвязанное фуИКЦИОИИрОВОПНС основных физиологических систем организма , МО-<СТ ШиОЛЬЗОБОТЪСЯ Б целях обучения.:

В связи со сраццктслык/й иолодостыо системного подхода и физиологии, учебного материала по взакмодс&ятоно' фклкологтсск11хснсгс(.! организма праюпчсскн нот.

В последнее время в учеб:юм процессе широко используются компьютерные обучающие системы. Эго. форма обучения обееярцизает целый рад новых воамоздюстей для обучающшсся, что зпач:ггсди;о повышает эффестивиост^ учоипого процесса.

Существует несколько компьютерных обу1ЯЮГДИХ систем г. области физиологии, в основном зарубежного производства, однако все ош{ отражают традиционный подход к физиологии, как к физиологии отдельных органов и систем. Кроме того, большинство из Щ1Х носит чисто информационный характер, предоставляя информацию о структуре орпшоц и физиологических систем и о происходящих п них процессах.

Создание компьютерной обучающей системы, шшочающей и себя разделы но взаимодействию физиологических систем организма при адаптивной реакции па внешние поздейстпия. может внести существенный вклад в модернизацию учебного материала по физиологии человека.

. 5 .

Оспсикой цсгйло .-работы- - является сдадааие системы »занмосшаанимх моделей фкзнолоппссюпс систем организма, поддержноающкх гомеостаз, . позволяющей последовать формирование адаптивной' реакции организма при различных онешннх воздействиях и различном состоянии ппугрегшей среды организма, а также; создание на б:ас модели компьютерной обучающей снсгемы по курсу "Вззтгоденстпне фтнологнчеекпх систем ор^шизма’’.

В рамках поставленной задачи нецелесообразно коделнроаать спвсшую рсиаиио каждой из физиологических систем в отдс;ц,1 гости, поскольку адаптивная реакция должна учитывать интересы организма'а целом, что, приникая по зннйапие ттеныс взаимосвязи между подсистемами, делает необходимом учет показателей г.сех остальных подсистем. Для достижения этой цеди необходимо было сделать следующее:

- изучить сосремсиные представления о работе основных физиологических систем оргашама, поддерзкивагааргс гомеостаз, формировании алаптиеной реакции организма при .. различных внешних цоздайстрнгх. оспопных принципах саморегуляции в организме,

- провести анализ существующих моделей подсистем и процессов в организме'.

- разработать структуру имитационной системы и осуществить са программную реализацию;

- провести исслсдоімііия системы lia предмет качественного соотаегстиия сс поведении поведению реального организма гірн аналогичных воздейстинях;

- разработать на Сазе исследовательской системы обучающую систему, позволяющую изучать взаимодействие основных, физиологических подсистем организма при формировании

. адаптивной реахцші ;іа различные внешние воздействия.

Научняи иапюпа работы состой г в применении ноно го подхода к построению ¡ізанмодейстауюіщіх моделей подсистем организма, . поддерживающих • гомеостаз, создании па базе разработанной модели компьютер:¡ой системы.

Предложенный в данной работе подход к построению модели организма основывается на теории функциональных систем. [П.К. Аіїохші, 1973r.J. Организм рассматривается как сложная самореіулїірующаяся система, имеющая своей целмо адекнзпюа поддержание обменного обеснечешш жизнедеятельности н постоянства !;!гутрспнсй среды организма. Под постоянстцом внутренней среды организма в теории функциональных. систем понимается поддержание основных гомеосітпнческнх показателей организма и одггцмальных для метаболизма пределах. Изменений ьектора. состояния системы происходят под влиянием шісіішкх н вьугрсїнггіх БйЗДеЙСГВНЙ.

Построение модели ихяюмало еледуюівде этапы:

і. Построение схемы прямых взаимосвязей между показателями внутренней среды организма, участвующих и ¡{юРМ1Ф°п:шик

гомеостатических показателей, и связей между параметрами внутренней и внешней среды.

2, Определение функциональных зависимостей между

связанными показателями, что. запершило построение модели , позволяющей проследить цепь ИЗМЄНЄШІЙ в организме, вызванную воздействием внешних факторов.

3. Построении «одели регуляции, определившей второй

уровень связей мкгецу показателями внутренней среды.

Сг.морггуляция орппппма осуществляется посредство!.* изменения вектора независимых переменных системы - манипуляторов. Выбор вектора манипуляторов па каждом шаге осуществляется из соображений минимизации суммарного отклонения основных показателей; внуїренней среды орпнппма от допустимых интервалов их изменения, причем в случае невозмоззшости достжепия всеми показателе«« интервалов их допустимых знпчешй предпотпйгао отдается компенсации отклонения наиболее жнзиеино важного показателя.

•1. Программная реализация описываемой нмитацноїтой молелн и се исследование с помощью компьютерных акспсримсіпоа.

5. Разработка компьютерной обучающей системы позволшошей наблюдать за формированием адаптивной реакции организма в ответ на внешние воздействия, а также формировать згу реакцию «вручную».

Практическая значимость. Работа может . быть исполыоолка в исследовательских целях изучения влияния

различных-факторов на адаптивные возможности организма и г. качество учебного пособия для изучения вопросов формирования целостной реакции организма на различные изменения состояния внешней и внутретгеи среды.

Апробация работы. Основные результата докладывались ¡¡а отчетных конференциях по программе < "Автоматизироьаш1Ыс системы медико-биологического назначения", II Международной конференции " Безопасность н экология горных территорий" , конференции молодых ученых Северного Кавказа по физиологии, еешишрах кафедры прикладной математики и программирования и кафедры физиологии человека и животных.

Структура работы.

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, библиографического списка .и 26 приложений.

Содержание работы изложено на 1 У? страницах машинописного текста. .

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

II первой главе дан обзор существующих моделей физиологических систем. Выделено дна основных подхода к построению моделей в физиологии - вероятностный и детерминистический. Проанализированы достоинства и недостатки обоих подходов.

Аргументом в-пользу пероятиостпого подхода янлясгся то, что учесть вес факторы , определяющие значения параметров жшнедсятелыгсети, невозможно. Кроме того, при действии одной п тон же причины реакция организма может быть далеко не одинаксіісГї, процессы, протекающие п органах н ткшшх при реакции, носят статистический характер. Для решения таких задан предлагается строть модели nina "черного ящика” с множеством сходных и пыходных каналов спязн.

К недостатка?.! этого подхода можно очнссш ограниченно моделирования "черным ящиком*. Дейстннгспмю, ;їля биологии далеко по безразлично, хак организм приходит к тем или иным рсзульгаїам, а познание зтого возможно только на «снопе позиашт и отражения и моделях структуры организма. Существенная полі.?;; моделмплх исследовании состоит п верификации нподчмы.к їсонцспіуальпмх и теоретических понятий, что осуществимо только ;ьп детерминированных моделей, оір;іжа:оіних структуру объекта.

Что касается ненозможиости учесть псе элементы обьекта, п настоящее время утвердилось понятие того, что модель не моасет и не должна отображать псе детали обілета исследования.

О нерпой глано кратко описаны существующие подход« к построению дс’іермшінрокапньтх моделей различныхсистем.

По iHopoií глане приведены основные положения теории функциональных систем, которые были использованы при построении описываемой системы моделей.

ІІ третьей гланс описана общая структура имитационной сиеіемьі п построение модели регуляции.

ю

В состав системы «ходят модели расиста параметров сердечно-сосудистой, дыхательной систем, системы

кроаеобразовзша, энсргстапсского к водно-солевого обмена, температурной динамики, расхода 02 ссрдечио-сосуднстой, дыхательной системами, системой кровообразования и ночками, е также блок саморегуляции.

Большинство моделей системы представляют собой конепно-разиосгиыс уравнения, построенные на балансовых соотношениях. ТІрії построении моделей использовались как физігіескио законы, так и эмпирические зависимости.

Среди параметров системи можно выделить 12 независимых керемешклх- "манипуляторов". Саморегуляция системы происходит посредством выбора вектора маиипулятороа. Любой параметр системы является функцией от манипуляторов, значешій параметров из предыдущем шаге и внешних переменных. Выбор вектора маиипулятороа осуществляется п блоке саморегуляции, куда поступают сишалы об отклонении показателей от их границ допустимых значений. Согласно теории функциональных систем, основной целью регуляции является адекватное поддержание обмешюго обеспечения и поддержание всех гомеостатических показателей организма в пределах, обеспечивающих нормальный метаболизм. Таким образом, саморегуляция должка обеспечивать компромисс между потребностей различных физиологических систем но поддержанию в допустимых пределах основных гомеостатических показателей.

♦

u

Очевидно, ЧТО ССДЄДСШІЄ большой ВЗЗИМОЗаЛЇСІІЯйМОСТИ систем ДЛЯ ДОСПШЄИНЯ ОДІЮГО и того же полезного приспособительного результата таких компромиссов существует множества. При построении модели регуляции выдвинута гипотеза, что организм ищет лучший среди г.озмо:юп>тх йариантоп п смысле минимальности ущерба для функционального состояния организма и его энергетических рссурсоз.

Принятая гипотеза позволила построить следующую модель для определения адаптивной реакции организма иа ттсішпою нагрузку: .

Z Fi ( xi {t, х (t-1), v(t), u(t)>) + ZX F2 ( t, gij (t) ) -> min ;(1)

I i J u(t)r~G

где Fr (xi(t,x(t-l),v(t),u(t))) - функция штрафа за отклснешіе показателя зсі от интервала (s(,bi) допустимых значении;

Fî(t, gij(t))) - функция ппрафа за отклонение показателя ог интервала (cÿ.dy) , Roiopoe приводит к накоплению «полсмо:о> в соогасіетнуїсщси физиологической системе или органе;

v(t) - сектор в::силш.ч воздействий;

u(t) - вектор манипуляторов;

х( t) - вектор ; омсостатнчсскнх показателей;

g(t) - вектор показателей, для которых определен ¡шугренний шлериал (c,j(t),cLiCt)) "щадящего режима".

Функции штрафоа определены следующим образом:

f ki*(xi-bi)2, Хі>Ьі;

Fi(si) = jo , s.etei.bO; (2)

I xi<ai;

Коэффтгнслго k¡ отражают распрс&гяакие приоритетсз меа;цу го.'.'.сосггатичсг^.шн ксистаптглш яри шлСэрс

компеиафукнцсй отклскения стратегии, то есть значимость onciSücí'üfí каждой ко!:ста:гпл от тгкргятл ео допустимы.':

3iïa4Çü;i“!. ' . , •

. ( Ъу/ FSf (Í-1) *fe j, (t) - с у (t))2 gu (1)>с o(t)

Pc"aü(t)î - ’ 0, . ;; ¡j(í) с [ c¡j (i),(în (О] (3)

I Ьц/ FS I (t-1) *{g и (t) - du (t))* g y (t)«Jy(t)

где Ьд - кеэффициаггм;

FS.{t) - согтсэтшс i-т ой системы (Vi, FSit f L.100]}.

Границ«! иигервадаз {«^(ОДдО) метятся с изменением г;;дчгüiiíí FS¡ (lj. Зиачеш.с FS¡ (t) укеиышвгея %фц выходе g¡¡ (t) га граишпл * су (t),dÿ {t}] и постепенно гх^стапапянипэтел при работе в блиинфщтном режиме.

Решгшек задачи оига.чшац'-ш кажется вектор •;^;И!:у;:-,тгрО!; u(t), досгал;шои>и:! минимум функции {: ).

Зх'-Л'гл сдагиятции решаете» методом aossí¿--:;;i:í.fx ш,яраи;н:ннн.

TJ четвертей rjisnc описаны <byür:;{iiü:-¡a-!b!ii..e зависимости KíCT/ii'iy параметрами Biiyipcjmeii ¡i :¡íic¡hííc;Í средиopí^íum;;;.

IipaCTH'iscKí! пса модели i:a входе имеют, кроме значений со&яшагиых ырампров. иа предыдущем шаге, '¡pis uitas показа¡c.':¿ií: манппулягср!.!, ' !»аиюС! пнсншеЛ среды и

псюшисзд рассгишаасм»« & других иаделзх

.Мзд-'ль дызатсльноГ: епсте::ы с.тлтагг для рл.чгга йонцегпраций кислорода н углекислого газа в артсриадлгоП пр-изи, а тзгскс pH крсап.

Входами кзрамстракм ?.:одсяи язджтгся:

1 .Манипуляторы: частота дьэсшпя, г,туб:;на лизпшгг.

2.|5песп1не переменные: атмосферное даллеккс, копуелтргше:

Од и С02 з атмосфере. . •

3.Псрсмсшше, значения хоторых опрслслемь: « других моделях минуты»! обмм кроя стока, кти!ця'гграт;ия 02 СО> I*. ¡¡свозкой кровн, -температура тал:».

Моде:.'!. С?р.“.£’П!0-СОСуЛ'.!СТ!Ш СИСГСМ!.: СЛ}"ЯЗГГ ДЛЯ рЦСЧСТ?-

систолического в глинушого сб?«смз сердца, одяровгймис? 0с:!0!!!гъ:мн 1;сказагслями . работы сердца, гомсостатичггтего пск-штсяя - артериального дяшяатя, а таска для расиста, венозного давления.

Пходнкмк кзрачетрлмн ?.е;;о.;а ггялгкотся:

1. Мзпк11уитер1г: частота сердечных сокращст'й, цолпчина нпотропного коз-ффи;;нс;ггз. сГ.ч;са гсрифгрячгсхое сопрггпге.дагис. ,

2. Переменные. ог:р 'дглясм!.;с а яругач моделям кожчеэтт ниркулирулппсп ;гроаи, ".::^;хчл ь

Результатом рзССГГМ. . МНДелН. ДНЧаМН!П1 КШЧГи'СТ!« эритроцитов и к-рож: аиллс1ся количество зргггрсцягоа я креки, гхл:*-;;:!:ь: п:магс:;р::гз к вязкости кропи. ко:к!С! гг рацнл гсисглоС’.нм г. кропи ¡: векк'ппи егчслсролюти с*.-К«лп крокн. .

ПхйЯ1;ы'Л« плрлмсграми . !. ‘''зп^пу/п'ср: 'скорость продунировт»« Ърнгрокитоп.

2. Величины, рассчитываемые в друпк моделях; осмотическое дааляшс крови, температура тела, .общее количество кровк.

; Модель энергетического обмена служит для определсшнз количества поглощаемого организмом кислорода при различных режимах «го. функционировашиг, .определения копцентрацш! кислорода и углекислого газа в венозной кровк и интенсивности метаболизма. .

Входными параметрам модели яшяютси:

1; Внешние переменные: количество потребляемых углеаодов, количество погрсблясмых жиров, количество потребляемым белкой, иятсиеиаиость внешней нагрузки.

2. Величины, рассчитываемые в других моделях; величина осшяного обмела, потребление кислорода сердечно-сосудистой, дыхательной системаш, системой кровообразования н почшк, концентрация 02 в артериальной крови, минугныи ойьем крокотока .

При расчете потреблении кислорода системами учитыиас'гся влия.чие следующих показателей.-

Дл? сердечнососудистой системы: показатель

функционально»-« состояний сердца, частот сердечных сокращений, артериальное давление, длительность сердечного цикла, длительность диастолы, {¡»зальный тонус сердца.

Для дыхательной системы: частота дыхания, глубина дыхания, пОвдзатель функционального состояния легких.

І М А Н Л П У Л Я Т О Р сі

Частота 1 Глубина

дыхания дыхания

(Концентрация 02 и С02 1 в венозной крови

Іонце'нтрацга 02 и С02 ■ в альвеолярной.смеси.

і Шнутнш і ¡объем- сердца

Парциальное давление 02 н| С02 в. альвеолярной смеси

і Темпеоатура [ тела

X

Концентрация 02 и С02 в артериальной крози

и" Кислородная■і емкость крови

- . і і -

У • 1 ? —

pH 1 Атмосферное давление ' Концентрация 02 1 и С02 в атмосфере [

{ВНЕ 0 Н И £ воздействия)

Рас. 1 Схема взаимосвязей мегду параметрами дыхательной сгсте«

МАНИПУЛЯТОРЕ

Скорость производства

ЭрйТрОЦГХТ'ОЗ- .

ВзкилящЫдиурэз

Л$ГК£Е ‘

I Артериальное ! даздекш

У *5 Т ■ . .?

-Н Расход 02 1. ^ Расход 02 КО —^ . Расход 02| ДС 1 £ Расход 02 почками -Т-

Основной-Обмен !

к

1

’ Интенсивность внешней нагрузки

-Н К

;:слородны2рз' запрос . ■ [ .■

¡Интенсивность I *.:етабол513!^а :

X

;

¿аЫШП : кислорода;

Т

;

Потребление кислорода ___

[Кислородный;

ДОЛГ - :

1

йкзтельный коэффициент

А

Реет

Вес

Концентюший 02 к С02-В венозн. крови

!КОНЦ€шр£ШЙ 021

,1 з ар?, ¡хов:: :

¡Котребзейуй -¡лнрсв,белков УГЛ53СГ.03

-1&глнуткй С<лем! сзрдца■[

Рис.2 Схемл взаимосвязей кшу параметрами гнергет>;чесгого

сосана

Для системы крсгссЯразозалил : .cixpccn. продуцирсг-атк :pinpoi"-frrs, покиатеп» функционального сосгояши системы хрсгесоразоваияя.

Для по'-таг колчтастао рсабссрСнроБшпгого Ка,' показатель фуг!:зшо'лал5,пого ссстсяшгя попск.

В кзчссгве примера г.рзгасдем построст?« модем* тср'.'-^-зм.чгл;!!^-;;! opramnvrc.

Мс;и.:^ тсмпсраяуриеП дяпаьики предназначена дкя расчага гаменсп’и? тс^перзтуры ?дра и температури кожм под ьо«:з!»сп!.*;сгл 1шсщ1Н!х»{ внутренних факторе«.'

В>:од:п.:чп параметрами "ялкштеп:

Ma:r«n:yjLtropu: до.т? з-омеюго .ярсг.отс1П5(ккх|:ф!цис1гг, oGpsmw;! стспсш! су^-яния кохлплх сосудоз), потоотделение {к; к?н.);

2. Dhceuwc переменные: в.’дшсюсть воздуха {%), старость негра (н/сХ 'темперзгура аозлуха (t'C), масса тела, реет:

X Перемеякис, рзссчтггьтасмыс и лозунге моделях: мннупялй сСт.см хрояк (л/мин), нотрсПлет« тиелорода (д;м;»я), величина res п («л {л 'f.rni it

Дт'амлка температуры эдр«, ио:одя . на балзпегаап» урагпкпст. м^кгтО'.т. оинсзпз еззджизим образом:

T-ir’pf') - Тот р( t-1) Ki *{Ti я f У S ’ f 1)); (■■)

где а - кда:]ф?ц;!ап<гр.'*мк!и.^Дйс); .

То{?) -'■'сплообрззон.'шнс (кД:«'мш|);

I!(t) - ипутремпич поток тепла (кДж/м-ип).

Т«у5а:-рг.»ду-л:ия р-чссчишпастея по формуле:

Toff! = 20.616*Pcir 02{t); (5)

іде РоІг_О2(0 - количество поглощаемого 02 (л/мші). Внутренний поток тепла определяется следующим образом:

Н(0 =-• К_0(0 * Иг* 0(1) * (ТсшрОИ'ВД)« РЇ_роу_£ {6)

где кЬ _ * коэффициент,

’ К_<? Ф - ДО-"» кожного кровотока;

0(0 -минутный объем кровотока (л/млн);

Тк(0 - температура кожи (°С);

Р1_роу_1 - площпль поверхности тела (см );

Тсгпр (0 г температура ядра(°С).

Площадь поверхности тела вычисляется по формуле:

РІ _роу_1 = 71.84*М^! »Ь0-723 ; (7)

да М - масса тела в кг.;

І. - рост в см.

Изменение температуры кожи определяется внутренним . к ьнсаіним потоком тепла: .

Тк(Ц=Тк(1-1>а*(К(1>Тр(*}}; (8)

где о - коэффицисн Г, .

. Н(1) - внутренний ногокченла (кДж/мин);

Тр(1) - внешний поток тсшіа(тс.'і лоотдачаХ к Дж/м к и). Теплоотдача имеет три составляющих: излучение, конвекция и испарсниз.

Теплоизлучение строго - описывается уравнением Стефапа-Больцмапа. Но для небольшого диапазона температур, представляющего интерес для биологии, перенос тепла излучением может быть с достаточной точностью описан с помощью линейного уравнения: •

Н_Ш0> -Ь*( Тф) - Т_п) * Г1_роч„1

(5)

где Ь - коэффициент излучения;

Тк(0 - температура кожи;

Т_п - температура воздуха;

Р1^роу_1 - площадь поперйгости тела.

Вид записнмостен позволяет объеднгпт. перенос тепла путем конвекции и излучения в одну формулу, тогда:

да Трг,(1) - "сухся" теплоотдача путем юнгёекцин и излучения;

ррО) - теплоотдача путем испарения.

Величину "суэдй теплоотдачи", определяем следующим образом:

где W_s - скорость ветра;

Т_Ь - температура воздуха; а1 - коэффицнетгг.

Теплоотдача путем нспараггш происходит за счет испарения и» легких <рр1) н с поверхности кожи (рр2). Когда окружакяцая температура превышает температуру тела, теплоотдача ыожст осуществляться только путем испарения.

Потери тепла с испарением т легких определяются следующим образом:

Тр(0 Трк(0 + рр(0;

(10)

’Грз(г) = а1 * ^_з * (Гк(М)-Т_Ь) * Р1_роу_1;

(И)

ррМ)^ а2 * та(1) * аЗ;

где уз(1) - вентиляция пличеол (л'мин);

а2 - коэффициент аппроксимации; аЗ =2428.4 - потери тспла(кДж) с испарением 1 мл »каш, а. штерн тепла с иепарсинсм с поверхности тела формулой:

рр2(») = V/_р(1) * КЭИ * аЗ; (13)

гд& \V_p- количсстг.о яаэдкоегш, выделяемо-!! с потом (л);

КЭИ - коэффициент эффективною испарения, который определяется следующим образом:

КЭИ - 1- схр((У1-100у2-и* .#Пв4т*Т_Ь); (14)

где V! - влажность воздуха;

\’/_5 - скорость истра •;

Т_Ь - т емпература поздуха;

]е,1г - коэффициенты.

Результатом работы, модели подно-солсиого обмена яиляюгея величины обьсмси ллэдкы, анугри- и мсасклеточпой Х31ДК0СТИ, циркулирующей кропи, ОСМОТНЧССКО!» давления,

КОЛИ'ЮСТПО реибсорбиронашого Ма. - .

Входные параметры модели:

1. Манипуляторы: скорость потоотделения, величина диуреза, кодпчеешо дсноинроааииой кропи, доля осмотически ахтшшм.ч одцссти в поту относительно шодмы, концентрация осмотически активных цсщести и моче.

2. Внешние переменные: количество потребленной жидкости, ШШЧЖТВО. потребленных жиррл, белкоп, углеиодои,

110Трс6ЛС1Луе СОЛС!!.

3. Величини, рассчитываемые в других моделях: гематокрит, минутный объем кровотока, общее количество крови, величина вентиляции.

її ¡штоіі глянс описана іпхлсдоіиїтельскхч система-"Гармоній", являющаяся программной реализацией списанной вілшо имитационной модели. Система позволяет проводит» матншіьіе эксперименты с моделью в нптерагепгоиом режиме, снаб;ксиа удобным для неквалифицированного пользователя интерфейсом.

Система может работать с щелоченным и выключишь!« блоком саморегуляции. Режим работа с вмключешіьгм блоком саморегуляции позволяет проследить кзмснс.ше-показателей системы. н зависимости от* разшчнкх внешних воздействий, т.с. тс отклонения, кото|іі,ю вызывают мобилизацию регуляторных механизмов. Ре:яш работы с включенным блоком саморегуляции позволяет проследить формирование одаппшнрЙ реакции модельного организма.

Система позволгет выбрать однозрсмеїпю тесть параметров для наблюдения из предлагаемых тридцати двух, по п ходе эксперимента можно сколько угодно менять этот набор и, таким образом, наблюдать за изменением всех параметров.

ГЇ любой момент времени работа модели может быть приостановлена нажатием любой клапингк. Во время прерывания можно воспользоваться любым пунктом главного меню (например, выбрать новые параметры для наблюдения, изменить внешние воздействия).

Изменения внешних факторов можно задавать графиком его изменения во времени, или прервав работу системы в любой момент времени и .изменив значение соответствующего фактора.

8 шестой главе описана компьютерная обучающая система нр основе имнтациошюй модели. Система включает в себя два режима работы, одни из которых позволяет исследовать адаптивную реакцию, формируемую в блоке саморегуляции. Он предоставляет возможность наблюдать ка [рафиках за изменениями показателей внутренней среды организма'. Во втором режиме обучающей системы адаптивная реакция формируется «вручную». Состояние внутренней среды организма изображено в ввде круга, поделенного на сектора. Каждый сектор имеет свой цвет и соответствует одному из гомеостатических показателей. Отклонение показателя от своего "нормального" значения о результата внешних воздействий деформирует круг, образуя пыпуклость( и случае превышения) или вогнутости и случае, уменьшения показателя) в еоатосгствующем секторе. Изменяя значения манипуляторов, можно исправить деформацию, т.с. попытаться отроулнроиагь состояние внутренней среды модельного организма.

В седьмом главе приведены и обсуждаются результаты исследований модельной адаптивной реакции на различные комплексы и режимы внешних воздействий. Исследования показали, ■по предложенная мо;;ель саморегуляции формирует адагггианую . реакцию с учетом не только отклонений регулируемых показателей, по и текущего состояния системы, а также отражает многообразие форм регуляции.

ПЫПОДЫ:

Основные результаты работы, яредетаяленныс іс защита

1. В няетоіпцен работе применен иопьііі подход к построению' математических моделей взаимодсйствукшргх систем . орпншзма, участвующих з гомеостазе. Рассматриваются дг,а пнда тізаималспст;:л меясду пграмеггрзмп Енутреіплен срсды орппппма -прямое, когда изменение одного параметра непосредственно :и,пілааст изменение другого, и косвенное, когда изменение параметра осуществляется воздействием регуляторных сил для. компенсации отіаіснеіінн другие, параметров.

2. Построена схема прямых взаимосвязей между параметрами внутренней среды организма, определены функциональные заинсимости мсязду связанными параметрами.

3. Предложена модель саморегуляции, позволяющая удержигсят і> осноічшб гомеостатические показателя в допустимых пределах с учетом их знз'пшостк для оркшшма наиболее зшіоміши п энергетическом смысле и щздянг.гм способом. Предложенная 'модель саморегуляции отражает мулътитрхчсгркческий характер регудашіи, многообразно ее ферм.

4. Осуществлена программная реализация. разработанной

системі.! моделей, нропедены сс компьютерные исследования.

Маншпные з;:спсримсігп.; с системо!! показані, «по поведение

. • < предлагаемой нмкгациошгой системи с;ютп еістаусг изпеепплм

физиологическим данным и предлагаемая модель саморегуляция

обеспечивает жизнеспособность снсісмьі. Компьютерная система

24 .

снабжена удобным интерфейсом пользователя, обеспечивающим удобство & постановке условий и наблюдении за ходом эксперимента.

5. На база исследовательской системы создана обучающая система по курсу ;" Взаимодействие физиологических систем организма при реакции на внешнюю нагрузку", позволяющая, проследить тесные взаимосвязи между показателями внутренней среды организма, компенсаторные возможности организма, взаамосодейстднс различных систем организма при досишенни общей цели - поддержании постоянства внутренней среды;

Предлагаемый подход к построению системы моделей взаимосвязанного функционирования основных физиологических подсистем организма и разработашшя модель регуляции оставляет систему открытой для включения в нее новых показателей И процессов.

Теме диссертации посвящены следующие работы:

1. Лебединская Е.П. Имитационная система моделей для прогнозирования адаптивной реакции человеческого организма ка комплекс внешних воздействий, Тезисы докладов конференции молодых ученых Северного Кавказа по физиологии, Ростов-на-Дону, (995г.,стр. И б-И 9.

2. Фельдман ГЛ., Лебединская Е.Н., Воронова Н.В. РазраБогка алгоритмов оценки взаимодействия физиологических систем при эмоциональной нагрузке, Тезисы докладов XI. международной конференции по нейрокибернетико, Ростов на-Доиу 1995г„ стр2б1.

З! Лебединская ЕЛІ. Имитаїїішшиїя модель адаптации человека т: 'условиям высокогорья. Тезисы докладов участников II мккдуняродлей Конференции « БсЗОПаСНОСІЬ и экология горных территорий», Владикавказ, 1995, егр. 447

4. Горстко А.Б., Лебединская Е.Н. Разработка имитационном модели для пропіозлропашія потенциальной опасности создаваемых полей различной физической прнроды.-1995г. ДСП. № 0195000120.Я,-Москва, ВИНИТИ - 58с.

5. Горстко А.Б., .Яебрдкггозя El.Il ЗЗгфпжкшїияя моделей Е?йняодейстау70щик сїгтїуі opmsmrm дші щкішо-:?нро:?:;нкя удат0-а;шЕрош.щк.-- І59бг. ДЕЛ. №2597-ВУб,-Маааза,ЕКНИГЯ,- 23 с.

Псдесаяо к печати 3.09.1295 г. їермзт 60x84/16. Буш га офсетная.

Печать офсетная» Усл.печ.л. 1,4. Уч.-изд-л. 1,33. Тираж ІОО. Закігз № 637.

Ростовский государстиеніоаі университет путей сосбвдния.

Лицензия ІВД ü1 65-10 от 8 августа 1994 года. ТУлогра^п РГУПС.

'Асрес университета и типографии: 344030, Ростов н/Д,

пл. tat. Ростовского стрелкового псяка каропного оіюлчеіаія, 2.