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CORSO DI MODELLI DI SISTEMI BIOLOGICI LAUREA IN INGEGNERIA CLINICA E BIOMEDICA.

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Presentazione sul tema: "CORSO DI MODELLI DI SISTEMI BIOLOGICI LAUREA IN INGEGNERIA CLINICA E BIOMEDICA."— Transcript della presentazione:

1 CORSO DI MODELLI DI SISTEMI BIOLOGICI LAUREA IN INGEGNERIA CLINICA E BIOMEDICA

2 MODELLO DI REGOLAZIONE DELLA TEMPERATURA CORPOREA Il corpo umano è sede di processi metabolici e come tale sviluppa calore che deve essere smaltito nellambiente esterno. Animali a sangue freddo. Si ha un controllo passivo. La temperatura degli organi interni segue quella dellambiente secondo il seguente processo: La temperatura dellambiente aumenta gli scambi diminuiscono aumenta la temperatura degli organi interni aumenta il metabolismo si produce più calore la temperatura interna aumenta fino al raggiungimento di uno stato di equilibrio. Animali a sangue caldo. La temperatura degli organi interni rimane pressochè costante. Si ha un controllo attivo della temperatura. Ciò corrisponde ad uno stadio più avanzato dellevoluzione. Questi animali possono muoversi nellambiente e procurarsi il cibo indipendentemente dalle condizioni climatiche.

3 Perchè è importante il mantenimento della temperatura corporea? La velocità delle reazioni enzimatiche dipende dalla Temperatura Temperatura 37°C 55°C Attività 43°C Reversibile Non-reversibile Oltre i 43°C si possono avere danni irreversibili al SNC

4 Come si controlla la perdita di calore? B. Termoregolazione ambientale Radiazione Convezione Conduzione Evaporazione A. Termoregolazione Fisiologica Radiazione Convezione Conduzione Evaporazione Verso lambiente

5 Termoregolazione Ambientale. 1. ABITI Si riduce la convezione e conduzione Si può ridurre lirraggiamento 2. MOVIMENTO (ad es. Verso zone più calde) Riduce T Aumenta la radiazione solare

6 Termoregolazione Fisiologica Il mantenimento della Temperatura corporea viene effettuato attraverso i seguenti meccanismi: 1. RISPOSTA VASOMOTORIA (23°-30° Temperatura Ambiente ) 2. EVAPORAZIONE ( sopra i 30° Temperatura Ambiente ) 3. METABOLISMO ( sotto i 23° Temperatura Ambiente ) 4.CONTRAZIONE MUSCOLARE

7 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 21°C10°C20°C30°C RespirazioneIrraggiamento Convezione& conduzione Evaporazione Riposo Jogging, 2.8L/min, 140W radiazione solare, 60% umidità relativa Ripartizione degli scambi termici con lambiente per differenti attività

8 MODELLO Di REGOLAZIONE DELLA TEMPERATURA CORPOREA Il sistema di regolazione della temperatura corporea può essere visto come un classico sistema di regolazione in cui si possono distinguere: Il processo controllato: Tutto il corpo con linsieme degli organi interni o NUCLEO Gli attuatori: Organi che, attivati dal controllore, permettono di produrre o smaltire calore. In questo modello verranno considerati essenzialmente due tipi di attuatori. I MUSCOLI SCHELETRICI la cui contrazione scoordinata produce calore. LA PELLE le cui proprietà di isolante termico possono essere variate attraverso un certo numero di meccanismi attivi quali vasodilatazione, vasocostrizione e sudorazione. Si considererà in modo semplificato il trasferimento del calore attraverso la circolazione del sangue. I Sensori: SENSORI SUPERFICIALI DEL CALDO E DEL FREDDO che si trovano nella pelle e SENSORI PROFONDI situati nellipotalamo Il controllore. Si trova nellipotalamo ed è costituito da un CENTRO PER IL MANTENIMENTO DEL CALORE e da un CENTRO PER LA DISSIPAZIONE DEL CALORE (usa linformazione dei sensori ipotalamici)

9 MODELLO DI REGOLAZIONE DELLA TEMPERATURA S.N.C. (Ipotalamo) Att. Muscolare Sudorazione Att. Vasomotoria Metabolismo Corpo: -Organi interni -Muscoli -Pelle -Sangue Recettori ipotalamo Recettori pelle Velocità del vento Umidità Trasduttori di controreazione Attuatori Controllore Temperatura ambiente [Ta] Processo Temperaturadi uscita Tc Tm Ts Modello matematico del sistema di regolazione della temperatura corporea negli animali a sangue caldo Tc = temperatura del nucleo centrale; Tm = temperatura dei muscoli; Ts = temperatura superficiale (della pelle)

10 MODELLO DI REGOLAZIONE DELLA TEMPERATURA SCRITTURA DELLE EQUAZIONI DEL MODELLO EQUAZIONI DEL NUCLEO Si usa un modello schematico a tre cilindri: organi interni, muscoli, pelle. Le equazioni vengono ricavate dalla: Q= E+W Q = Bilancio netto fra energia entrante e uscente, E = Calore immagazzinato, W = = Lavoro esterno = 0 nucleo muscoli pelle M b calore prodotto per metabolismo F r calore di respirazione M m calore dovuto alla contrazione muscolare M x calore dovuto allesercizio fisico F c calore scambiato per convezione F e calore scambiato per evaporazione F rad calore scambiato per irraggiamento q ij calore scambiato per conduzione Ingressi non controllati dal SNC

11 MODELLO DI REGOLAZIONE DELLA TEMPERATURA CORPOREA SCRITTURA DELLE EQUAZIONI DEL MODELLO q cm q cs T c < T c * T c T c * T c * ~ 37.1 °C, T s0 ~ 27 °C e M bo ~ 70 cal/h P a pressione di vapore dellambiente, T a Temperatura ambiente, p r pressione di vapore del respiro (44 mmHg), T r Temperatura del respiro (35°C) F r = k r f [(p r -p a ) ; (T r -T a )]

12 MODELLO DI REGOLAZIONE DELLA TEMPERATURA SCRITTURA DELLE EQUAZIONI DEL MODELLO q cm q ms T c < T c * T c T c * In assenza di esercizio fisico

13 MODELLO DI REGOLAZIONE DELLA TEMPERATURA SCRITTURA DELLE EQUAZIONI DEL MODELLO T c > T c * T c < T c * F e0 ~ 700 Kcal/h°C. T a temperatura dell'aria = Kcal/m 2 h o K (costante di Stefan Boltzmann), A' area effettiva irraggiante ~ 2m 2 nell'uomo Nel caso in cui si habbia una piccola differenza fra T s e T a si ottiene q cs q ms h rad coefficiente di radiazione 4 W m -2 °C -1

14 m c c c dx 1 /dt = M b0 + K b1 (T c *- x 1 ) + K b2 (T s0 - x 3 ) – F r - K cm A cm /L cm. (x 1 -x 2 ) – K cs A cs /L cs (x 1 -x 3 ) m m c m dx 2 /dt = K m1 (T c *- x 1 ) + K m2 (T s0 - x 3 ) + K cm A cm /L cm. (x 1 -x 2 ) – K ms A ms /L ms (x 2 -x 3 ) m s c s dx 3 /dt = K cs A cs /L cs (x 1 -x 3 ) + K ms A ms /L ms (x 2 -x 3 ) - h s A s (x 3 – T a ) – K e0 – A (x 3 4 -T a 4 ) m c c c dx 1 /dt = M b0 – F r - K cm A cm /L cm. (x 1 -x 2 ) – K cs A cs /L cs (x 1 -x 3 ) m m c m dx 2 /dt = K m1 (x 1 - T c *) + K m2 (x 3 -T s0 ) + K cm A cm /L cm. (x 1 -x 2 ) – K ms A ms /L ms (x 2 -x 3 ) m s c s dx 3 /dt = K cs A cs /L cs (x 1 -x 3 ) + K ms A ms /L ms (x 2 -x 3 ) - h s A s (x 3 – T a ) – K e (x 1 -T c *) – A (x 3 4 -T a 4 ) T c T a T c T c * M x = 0 T s > T a


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