Введение к работе
Актуальность рабош Болезни сердца и сосудов занимают в настоящее время ведущее место в структуре заболеваемости и смертности населения всех индустриально развитых стран, включая России*. При этом, несмотря на предпринимаемые усилия, сохраняется тенденция к росту этих заболеваний, в том числе в молодых возрастннх группах.
Остаются нерешенными яо конца вопросы, связанные с разработкой диагностических и прогностических критериев контроля за состоянием сердечно-сосудистой системы операторов (летчиков, космонавтов и лр. ), имеюших большой риск расстройств кровообращения во время операторской деятельности.
Решение этих важнейших социальных проблем невозможно без глубокого познания основных закономерностей структуры. Функции и регуляции сердечно-сосулястой системы человека.
Известно, что медицина не является, обособленной областью человеческой деятельности. Развитие ее зависит от достижений в области естествознания и техники, давших толчок созданию многих методов исследования систем, органов и тканей организма. Однако большинство таких методов лают существенно большую информацию о структуре виолргических систем» чем об их Функции. Поэтому проблема получения объективной информации об особенностях Функционирования встает яри изучении всех систем организма* в том числе и системы кровообращения.
На сегодняшние, лень недостаточно изученной остается транспортная Функция сердечно-сосудистой системы, составной частью которой являются насосная Функция сердца и его взаимодействие с крупными кровеносными сосудами. Одной из причин такого положения является то. что примитивные эмпирические математические модели сердца и сосудов, положенные в основу методов оценки их Функционального состояния, не отражают глубоких внутренних взаимозависимых закономерностей их совместного Функционирования.
Кроме того, до сих пор еше не изжита ошибочное представление о движении крови по сосудам in vivo в режиме Пуазейля. Однако эти вопросы выходят*за рамки Физиологии. Они имеют отношение к решению центральных проблем гидродинамики.
Два с половиной десятилетия тому назад был теоретически обна-ружрн режим движения жидкости ("третий" режим), отличающийся от
ламинарного и турбулентного существенно меньшими потерями энергии на трение и волнообразным профилем скорости, обеспечивающим специфическую структуру потока. Было показано, что движение крови по сосудам осуществляется в этом, наиболее экономичном, режиме, что и предопределило Функциональные и морфологические особенности системы кровообращения. Такой подход оказался наиболее перспективным и послужил теоретической основой для дальнейших исследований в области механики кровообращения.
В связи с вышесказанным, актуальность проблемы заключается в создании адекватных математических моделей совместного Функционирования сердца и сосудов на основе концепции о движении крови в оптимальном "третьем" режиме. Это способствовало бы более глубокому познанию механизмов рєгуляшш системы кровообращения и повышению уровня диагностики ее Функционального состояния.
Работа выполнена в соответствии с постановлением правительства по медицинскому обеспечению космических полетов, программами х/д НИР П 85/31 и г/б НИР НИЧ-58. научными направлениями "Разработка научных основ оптимизации взаимоотношений человека к других миологических систем с окружающей средой" Воронежского государственного университета и "Биомедкибернетика. компьютеризация в медицине" Воронежского государственного технического университета.
Пели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является создание на основе теории движения жидкости в "третьем" Режиме адекватной математической модели совместного Функционирования сердца и сопряженных с ним крупных кровеносных сосудов, разработка на этой основе алгоритмов определения по длительностям Фаз сердечного цикла параметров центральной гемодинамики, характеризующих транспортную фуккшш сердечно-сосудистой системы.
для достижения поставленной цели необходимо решить следующие научно-технические задачи:
проанализировать современные подходы к построению математических моделей транспортной функции сердечно-сосудистой системы и существующие методы оиеяки центральной гемодинамики:
разработать математическую модель функционирования оптималь , ной гидросистемы для транспортирования многофазных жидкостей в "третьем" режим?, и установить приннип. управления <»той системой;
доказать, что математическая модель Функционирования опти-„мальной гидросистемы для транспортирования многофазных жидкостей применима для адекватного описания, совместного.Функционирования
з сердца и сопряжении!? с ним крупных кровеносных сосудов;
создать алгоритмы для автоматизированного определения величин параметров центральной гемодинамики по длительностям Фаз сердечного цикла;
применить разработанные алгоритмы для определения величин .параметров, центральной, гемодинамики человека в норме, при патологии и Различных воздействиях.
Научная новизна полученных результатов, создана математическая модель оптимальной гидросистемы для транспортирования много-Фазной жидкости в пульсирующем "третьем" Режиме со стоячим осесим-метричным волновым профилем скорости» учитывающая особенности совместного Функционирования системы подачи и активного эластичного трубопровода, .выполняющего роль перистальтического насоса в процессе транспортирования жидкости. Предложена принципиальная схема управления транспортной Функцией оптимальной гидросистемы, позволяющая корректировать величины выходных объемных и энергетических переменных дискретно, от импульса к импульсу, задавая одновременно величины входных временных переменных, являющихся длительностями трех периодов гидродинамического импульса. Получено решение задачи идентификации, позволявшее рассматривать оптимальную гидросистему яля транспортирования многофазной жидкости как образ системы кровообращения И;использовать математическую модель гидросистемы для адекватного описания совместного Функционирования сердца и сосудов, подучены закономерности изгнания крови желудочком- сердца в Фазы быстрого и медленного изгнания, отображающие Функциональную зависимость объема крови от времени изгнания и учитывающие совместное Функционирование сердца и сопряженных с ним крупных крове-ноенкх сосудов. Разработаны алгоритмы, позволяющие определять по длительностям Фаз сердечного никла объемные и энергетические параметры гемодинамики и предназначенные для автоматизированной оценки транспортной Функции центральных отделов системы кровообращения.
Вр&кяяческая значимость и реализация результатов работы. Разработанные математические модели м алгоритмы стали основой для создания математического метода оценки транспортной функции системы кровообращения, представлявшего собой совокупность способов оп-. ределения параметров центральной гемодинамики по длительностям Фаз сердечного цикла. Все способы прошли государственную научно-техни-чеекяо экспертизу по заказу Государственного комитета СМ СССР по лелач изобретений и 'открытий в процессе рассмотрения заявок на
4 изобретения. Получено восемь авторских свидетельств, на изобретения. Полана заявка на выдачу патента N 94031904.
Метод прошел клиническую апробацию, внедрен в практику больницы N 3 г.Улан-Удэ и больницы Н 20 г. Воронежа, был использован в совместных Работах со специалистами Центра подготовки космонавтов им. Ю.А.Гагарина и Института медико-биологических ..проблем МЗ СССР для изучения особенностей адаптации и регуляции системы кровообращения космонавтов при воздействии различных Факторов космического полета и возвращении на Землю.
Представленные в диссертации алгоритмы были использованы в автоматизированной диагностической системе, созданной ОКБ "Ритм", г.Таганрог, и в автоматизированном диагностическом комплексе .раз^ работанном Международным институтом тибетеко-монгольской медицины, г. Улан-Удэ. Они послужили основой для разработанных и утвержденных Воронежским городским отделом здравоохранения методических рекомендаций "Математический способ определений ударного, минутного и Фазовых объемов сердца по длительностям Фаз сердечного цикла".
Алробапиа работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
региональном научно-техническом семинаре "Медицинские информационные системы" (Таганрог, і963. 1985. 1987);
семинаре 15. 6 "Нейробионика" Научного совета АН УССР по проблеме "Кибернетика" (Киев. 1983);
семинарах 15,3 "Медицинская кибернетика" и.15.4 "Процессы в Физиологических системах при действии экстремальных Факторов" Научного совета АН УССР по проблеме "Кибернетика" (Киев. 1984);
III Всероссийском съезде кардиологов (Свердловск. 1985)1
Всесоюзной научно-технической конференции "Человеко-машинные . системы и комплексы принятия решения" (Таганрог, 1939)/.
Всесоюзной научно-технической конференции "Медицинские ИНФОР- маиионные системы" (Таганрог. 1991);
Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы Фундаментальных на»к" (Москва. 1991).
Публикации. По результатам исследования опубликовано Ю пе- ,, чатных работ и получено 7 авторских евидетельетв на изобретения.
Структура и{объек Работы. Диссеї анионная раьита сострит из введения.' четырех глав, закаючения. изложенных на 13 страницах машинописного текста, содержит 2? рисунков. 2 таблицы, библиографию из 121 наименования, приложений.