Modèle de Guyton

LTSI

Modèle de Guyton

Description des mécanismes de régulation de la circulation 18 modules :

• Diversité des Systèmes physiologiques

• Diversité des Dynamiques des systèmes

Objectifs

« Re-Implémenter » le modèle dans la librairie M2SL

Validation des résultats à partir des 4 expériences de Guyton

Faciliter l’intégration des systèmes, dynamiques résolutions et formalismes.

Intégration d’un nouveau modèle de ventricule gauche

Validation du modèle de Guyton

FORTRAN Codes. C++ Codes.C Codes.

f2c

4 expériences originales de Guyton

• Rapidité d’ exécution du code.

(différents pas de simulation)

• commentaires

• Complexité

(goto, relations E/S)

• structure linéaire

• difficulté d’introduire modèle (différentes résolutions)

• Librairie multiformalisme

M2SL (LTSI)

• relations E/S entre les modules

Validation du modèle de Guyton

Guyton

Hemodynamic

Autonomic control

Aldostérone control

Angiotensine control

Blood viscosity

Red Blood Cells

Muscle blood flow

control and po2 Non-muscle oxygen delivery and

local blood flow control Antidiuretic hormone

Vascular stress relaxation

Thirst and drinking

Adaptation of baroreceptors

Heart vicious cycle

mean circulatory pressures

heart rate, stroke volume and total peripheral resistance

capillary membrane dynamics

pulmonary dynamics and fluids

heart hypertrophy or deterioration

tissue effect on thirst and salt intake

plasma and tissue fluid protein

gel protein dynamicskidney dynamics and excretion

kidney salt output and salt intake

electrolytes and cell water

gel fluid dynamics

Validation du modèle de Guyton

4 expériences de Guyton, comparaison des Résultats Sorties du Modèle (Référence) Modèle implémenté dans la librairie

Différences significatives avec les sorties du Modèle de Guyton (Références)

Expérience 1 Expérience 2 Expérience 3 Expérience 4

Pas de résultats

Pas de résultats

au

hr vts

qlopa

mmo

Réunion Ron WhiteEquations du

modèle completErreurs dans le code d’origine (équations différentes)

Validation du modèle de Guyton : Expérience 1

Après 2 heures : Masse rénale réduite (x 0.3) Après 4 jours : Augmentation de l’apport en sel (x 5) Simulation totale : 8 jours

VEC extracellular fluid volume (liters) VB blood volume (liters)

AU sympathetic stimulation (ratio to normal) QLO cardiac output (liters/min)

RTP total peripheral resistance (mm Hg/liters/min) PA mean arterial pressure (mm Hg)

HR heart rate (beats/min) ANC angiotensin concentration (ratio to normal)

VUD urinary output (ml/min)

Validation du modèle de Guyton : Expérience 1

AU RTP VB

PA VEC VU

ANC QLO HR

Validation du modèle de Guyton : Expérience 2

Après 1 heures : Réduction de protéine plasmatique (/ 7) Après 108 heures : Réduction de protéine plasmatique (/ 3) Simulation totale : 5.5 jours

VUD urinary output (ml/min) VG interstitial gel volume (liters)

VTS interstitial fluid volume (liters) VP plasma volume (liters)

PRP total plasma protein (grams) PIF interstitial fluid pressure (mm Hg)

PA mean arterial pressure (mm Hg) QLO cardiac output (liters/min)

Validation du modèle de Guyton : Expérience 2

PIF PRP QLO

VP VTS VUD

PA VG

Validation du modèle de Guyton : Expérience 3

Après 30 secondes : Augmentation du paramètre lié à l’exercice (x60)

Après 2 minutes : Retour aux conditions normales Simulation totale : 9 minutes

VUD urinary output (ml/min) PVO muscle venous oxygen pressure (mm Hg)

PMO muscle cell oxygen pressure (mm Hg) PA mean arterial pressure (mm Hg)

AUP sympathetic stimulation (ratio to normal) QLO cardiac output (liters/min)

BFM muscle blood flow (liters/min) MMO rate of oxygen usage by muscle cells (ml O2/min)

Validation du modèle de Guyton : Expérience 3

VUD PVO PMO

PA AUP QLO

BFM MMO « Décalage » de la virgule

Validation du modèle de Guyton : Experiment 4

Experiment 4: Atrioventricular fistula 1. After 2 hours, a fistula which would double cardiac output was created by setting

FIS - 0.05.

2. After 4 days, the fistula was closed (FIS = 0).

3. Total experimental time was 9 days (216 hours).

VEC extracellular fluid volume (liters) VB blood volume (liters)

AU sympathetic stimulation (ratio to normal) QLO cardiac output (liters/min)

RTP total peripheral resistance (mm Hg/liters/min) PA mean arterial pressure (mm Hg)

HR heart rate (beats/min) ANC angiotensin concentration (ratio to normal)

VUD urinary output (ml/min)

Validation du modèle de Guyton : Expérience 4

AU RTP VB

PA VEC VUD

ANC QLO HR

Implementation d’un nouveau modèle ventriculaire

Implementation d’un nouveau modèle ventriculaire

Structure de l’implémentation du modèle global : – Chaque classe correspond a un système physiologique.– Définition des entrées-sorties de chaque classe.

Intégration du nouveau modèle ventriculaire :

1. Identification du modèle original de ventricule gauche

2. Analyse E/S

3. Implémentation du nouveau modèle

Structure du modèle

Circulatory Dynamic

Structure du modèle

Circulation

Exemple : veines systémiques

Pression Veineuse

Gradient de pression Pression veineuse - Pression oreillette droite

Division par une résistance

Débit oreillette droite

Différence de Débit

Débit entrant - Débit sortant

Volume oreillette droite

Volume liée à l’élasticité de l’oreillette droite

Division par une compliance Pression oreillette droite

Structure du modèleRésistance systémique

Résistance veineuse

Résistance entre veine

et OD

Résistance pulmonaire

Variation volume sanguin

Exemple : calcul des résistances

Exemple Résistance systémique– Etirement des parois– Régulation autonomique– Valeur de base– Viscosité du sang– Autorégulation– Vasoconstriction liée à l’angiotensine

Structure du modèle

VG

VD

Interaction VG/VD

Exemple : Ventricule Gauche

Entrée :

Pression oreillette gauche

Débit cardiaque « normal »

Entrée :

Pression artérielle

contractilité basale régulation autonomique, détérioration du VG, hypertrophie du VG, PA

Sortie :

Débit cardiaque

Modèle ventriculaire

Phénomènes Electro-chimiques

Phénomènes mécaniques

Phénomènes hydrauliques

Concentration en Calcium

intracellulaire

Modèles électrophysiologiq

ues

Beeler-Reuter

Caractéristiques

Force/Déformation

du myocarde

Caractéristiques

Pression/Débit

du ventricule

Force passive , Force activeRelation Volume Rayon

€

[Ca2+]

Cp

1

Ca

TFSinus tronqué

Modèle ventriculaire

Valve

Mechano-hydraulic

coupling

Valve

Mechanical

Model

Electrical

Model

SNA regulation

PLAQLO (l/min)

PA

AUo

AUo

Modèle ventriculaire

Guyton

Hemodynamic

Autonomic control

Aldostérone control

Angiotensine control

Blood viscosity

Red Blood Cells

Muscle blood flow

control and po2 Non-muscle oxygen delivery and

local blood flow control Antidiuretic hormone

Vascular stress relaxation

Thirst and drinking

Adaptation of baroreceptors

Heart vicious cycle

mean circulatory pressures

heart rate, stroke volume and total peripheral resistance

capillary membrane dynamics

pulmonary dynamics and fluids

heart hypertrophy or deterioration

tissue effect on thirst and salt intake

plasma and tissue fluid protein

gel protein dynamicskidney dynamics and excretion kidney salt output and salt intake

electrolytes and cell water

gel fluid dynamics Left ventricle

Modèle ventriculaire : Mise en œuvre

PLA

QLO

PAAUo

Ventricule Gauche

PLA : left atrial pressure PA : arterial pressure

QLO : Left ventricular output

Dans le modèle VG :

débit instantané

Dans le modèle Guyton : l/min valeur moyenne

Calcul de QLO moyen (fenêtre glissante : 1s)

«  lissage » de QLO

Modèle ventriculaire : Mise en œuvre

PLA

QLO

PAAUo

Ventricule Gauche

Régulation SNA

AUo : régulation autonomique

Inotropisme :

• Régulation de l’activité mécanique

Chronotropisme :

• Régulation de la fréquence cardiaque

Inotropisme : S = 1 (Guyton 72) Chronotropisme : S = 0.5

Méthode utilisée pour ajuster la sensibilité des paramètres de régulation (proposée par Guyton)

AUo x S + 1 S : paramètre de sensibilité

Modèle ventriculaire : Mise en œuvre

.

.

.

Modèle de Guyton minute

Modèle Ventriculaire seconde

Problèmes de simulation

Pas de Simulation x 60

Classe Ventricule Gauche

Facilement réalisable dans la librairie M2SL

Modèle ventriculaire

Accès à des variables pulsées

Débit cardiaquePression ventriculaire

Accès à des variables

moyennes

Pression artérielle

Expériences de Guyton

Modèle ventriculaire : Expérience 3

VUD PVO PMO

PA AUP QLO

BFM MMO

Perspectives

Modèle Guyton 1972

Validation OK

Intégration de la librairie M2SL : Structure modulable

Intégration d’un nouveau modèle ventriculaire :

• Plusieurs niveaux de résolution

• Simulation de signaux pulsés

Réunion Ron White

Modèle Guyton 1992

Etude des différences entre G-72 et G-92

Peptide auriculaire natriurétique

Validation de G-92 ? Pas de données de références

Evaluation de l’intérêt d’intégrer G-92 dans la librairie. (programme en C : OK)

Perspectives

Possibilité de trouver des données dans la littérature

Bruce N. Van Vliet and Jean-Pierre MontaniCirculation and Fluid Volume ControlIn the Age of Genomics and ProteomicsMarch 2005

Perspectives

Applications de G-72

Nguyen CN, Simanski O, Kahler R, Schubert A, Janda M, Bajorat J, Lampe B.The benefits of using Guyton's model in a hypotensive control system.In Comput Methods Programs Biomed. 2007 Apr 17

C-N. Nguyen, O. Simanski, R. Kahler, A. Schubert, B. Lampe. The benefits of using Guyton's model in hypotensive control systemIn IFAC MCBMS2006 sept

Applications « commande » en anesthésie

Conclusion

Deux voies à privilégier :

Guyton 1972 :• Intégration de modèle à différentes résolutions• Application Clinique

Guyton 1992 :• Implémentation dans la librairie• Validation

Intégration d’un modèle pulsé

Structure du modèle

Circulation

Moyenne

Moyenne