Вопрос 63. Эффективность сердца. Рабочая характеристика сердца. Роль предсердий.

К.П.Д. сердца вычисляется по формуле:

 = А_вн / А_затр , где А_вн - внешняя работа сердца; А_затр - затраченная работа.

При сердечных пороках А_затр резко возрастает, при этом резко уменьшается эффективность сердца.

Рабочая характеристика сердца - это зависимость внешней работы сердца от давления в левом желудочке в конце диа­столы. Эта зависимость имеет вид:

Из графика видно, что если диастолическое давление больше или равно б мм Нg, то внешняя работа сердца является максимальной и неизменной. Следовательно, при этом сердце работает с наиболь­шим КПД.

Если бы кровь к левому желудочку поступала прямо из полых вен, где давление ниже атмосферного, то КПД был бы мал. Отсюда можно

сделать вывод о назначении предсердий. Их роль заключается в под­нятии давления в желудочке перед его систолой до 6 мм Нg , т.е. вы­вести желудочек на эффективный участок рабочей характеристики сердца. Но сами предсердия неэффективно работают при таком низ­ком давлении, поэтому вначале сокращаются ушки предсердия и по­вышают давление в предсердии до 2 мм Нg, заставляя предсердия ра­ботать эффективно. Затем сокращаются предсердия и повышают дав­ление в желудочке до 6 мм Нg. В настоящее время сердце в функциональном отношении считают шести камерным насосом (два ушка предсердий, два предсердия и два желудочка).

Литература: Лекции.

Вопрос 64. Моделирование. Основные виды моделирования.

Моделирование - выявление подобия между объектом и квазиобьектом или моделью. Приставка "квази" в переводе с латинского означает "ложный". Сходство между объектом и моделью называется изоморфизмом.

Например, глобус - модель земли. В данном случае изоморфизм проявляется в чисто внешнем сходстве.

Всякая модель является упрощением действительности для целей удобства изучения. Искусство моделирования состоит в знании того, что? где? когда? и как? можно и нужно упростить. Когда следует применять моделирова­ние? По крайней мере, в двух ситуациях:

- когда объект не доступен для прямого исследования, а можно изу­чать лишь внешние проявления его деятельности, например, структура Галактики;

- когда объект слишком сложен и, хотя его можно изучать по частям, невозможно представить функционирование его как единого целого, например, человеческий мозг.

Основные виды моделирования:

1. Внешнее моделирование - такой вид моделирования, при кото­ром сходство между моделью и объектом чисто внешнее.

Пример: кукла - модель человека.

2. Физическое моделирование - такой вид моделирования, при котором есть и внешнее и внутреннее сходство между объектом и мо­делью, когда изучаемый процесс или явление воспроизводится с со­хранением его физической природы.

П ример: уменьшенная в размерах модель плотины,

где m - масса воды, про­текающей по трубе в единицу времени;

R - сопротивление, оказываемое трубой протекающей жидкостью;

h - высота падения воды (перепад уровней до и после плотины).

3. Параметрическое моделирование - такой вид моделирования, при котором сходство только внутреннее, по одному или нескольким параметрам. Физическая природа оригинала на модели не сохраняет, и важна лишь аналогичность изменения параметров объекта и модели.

П ример: электрическая модель плотины,

где I - сила тока в электрической цепи (аналог массе воды);

R - сопротивление электрической цепи (аналог сопротивления движению воды)

U - разность потенциа­лов источника тока (аналог высоте падения воды).

4. Математическое моделирование - это такое абстрагирование, при котором интересующие исследователя отношения между реальными элементами изучаемого объекта или явления соответствуют отношениям между математическими объектами.

Пример: закон Ома I = U / R, является математической моделью плотины! Можно не строить физическую или электрическую модель плотины, а можно создать ее математическую модель, т.е. набор формул, отражающих реальные законы функционирования входящих в нее частей и произвести необходимые расчеты. Это ведь гораздо быстрее и экономичнее! И если Ваши формулы и входные данные верны, то Вы получите правильные ответы на все интересующие Вас вопросы.

Математическое моделирование, как метод исследования, обладает рядом достоинств:

- сам метод изложения количественных закономерностей языком графиков и формул точен и экономичен;

- проверка гипотез, сформулированных на основе опытных дан­ных, может быть осуществлена путем испытания

математиче­ской модели, созданной на основе этой гипотезы; результат та­кого исследования либо дает

дополнительное подтверждение гипотезы, либо приводит к необходимости ее уточнения или пе­ресмотра;

- математическая модель позволяет судить о поведении таких систем и в таких условиях, которые трудно или

невозможно соз­дать в эксперименте или в клинике, например, математическая модель физической защиты от

ионизи­рующего излучения, в которой ана­лизируются ситуации со 100-процентным летальным исходом.

- правильно созданная математическая модель позволяет уменьшить время исследования биологического

объекта, сократить количество необходимых экспериментальных животных для такого исследова­ния и число

необходимых экспериментов;

- математическая модель облегчает решение задач прогнозирования хода и результатов научных экспериментов

и течения тех или иных заболеваний у конкретного больного, оценить эффективность про­веденного лечения.

5. Стохастическое моделирование (вероятностное), вид матема­тического моделирования, в котором для описания модели использу­ются случайные величины.

Пример: статистическая модель заболеваемости населения регио­на гриппом или инфекционным гепатитом.

6. Кибернетическое моделирование - вид математического моде­лирования систем управления в обществе или каких-то системах жи­вого организма. Нередко в данном виде моделирования используется метод так называемого "черного ящика". Под "черным ящиком" по­нимается система, в которой исследователю доступны только входные и выходные величины, а внутреннее устройство не известно. При этом оказывается, что ряд важных выводов о поведении данной сис­темы можно сделать, наблюдая лишь реакцию выходных параметров системы на изменение входных величин.

Пример: модель управления обществом.

Метод использования "черного ящика" применим при решении за­дач исследования систем управления в тех случаях, когда представля­ет интерес поведения системы, а не ее строение. Изучение системы данным методом принципиально не может привести к однозначному выводу о ее внутренней структуре, но может привести к выводу о том, что такая структура не может быть (т.е. отвергнуть гипотезу).

Следует отметить, что в биологии и медицине кибернетическое моделирование следует использовать с большой осторожностью, чем менее детерминирована изучаемая биологическая система и чем больше в такой модели "черного ящика", тем хуже модель!

7. Биофизическое моделирование - такой вид моделирования, когда модель создается на основе знаний о структуре и функции мо­делируемого объекта. В свое время академик АН СССР Г.М. Франк дал следующее определение биофизики: "Биофизика - область изуче­ния физических основ жизненных явлений, приложение к биологии физических идей и инструментальных физических методов, а также методов математической физики и построения физических и матема­тических моделей явлений".

Таким образом, конечной целью биофизики является построение математических моделей биологических явлений, т.е. открытие биоло­гических законов! В настоящее время биофизическое моделирование следует признать наиболее ценным видом моделирования в биологии и медицине.

Примеры: биофизическая модель молекулы ДНК; биофизическая модель систем гомеостаза человеческого организма; искусственная почка и т.п.