LTSI Modèle de Guyton

Objectifs Modèle de Guyton Description des mécanismes de régulation de la circulation 18 modules : Diversité des Systèmes physiologiques Diversité des Dynamiques des systèmes Objectifs Faciliter l’intégration des systèmes, dynamiques résolutions et formalismes. Intégration d’un nouveau modèle de ventricule gauche « Re-Implémenter » le modèle dans la librairie M2SL Validation des résultats à partir des 4 expériences de Guyton

Validation du modèle de Guyton C++ Codes. C Codes. f2c FORTRAN Codes. 4 expériences originales de Guyton Rapidité d’ exécution du code. (différents pas de simulation) commentaires Librairie multiformalisme M2SL (LTSI) relations E/S entre les modules Complexité (goto, relations E/S) structure linéaire difficulté d’introduire modèle (différentes résolutions)

Validation du modèle de Guyton kidney dynamics and excretion gel protein dynamics kidney salt output and salt intake plasma and tissue fluid protein electrolytes and cell water tissue effect on thirst and salt intake gel fluid dynamics heart hypertrophy or deterioration Hemodynamic pulmonary dynamics and fluids Autonomic control Guyton capillary membrane dynamics Aldostérone control heart rate, stroke volume and total peripheral resistance Angiotensine control Blood viscosity mean circulatory pressures Red Blood Cells Heart vicious cycle Muscle blood flow control and po2 Adaptation of baroreceptors Thirst and drinking Non-muscle oxygen delivery and local blood flow control Vascular stress relaxation Antidiuretic hormone

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 qlo au pa hr vts mmo Equations du modèle complet Erreurs dans le code d’origine (équations différentes) Réunion Ron White

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 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 : Identification du modèle original de ventricule gauche Analyse E/S 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 modèle Résistance systémique Résistance veineuse Résistance entre veine et OD Variation volume sanguin Résistance pulmonaire

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 Interaction VG/VD VG VD

Exemple : Ventricule Gauche contractilité basale régulation autonomique, détérioration du VG, hypertrophie du VG, PA Entrée : Pression artérielle Sortie : Débit cardiaque Entrée : Pression oreillette gauche Débit cardiaque « normal »

Modèle ventriculaire Cp TF 1 Ca Caractéristiques Pression/Débit Phénomènes Electro-chimiques Phénomènes mécaniques Phénomènes hydrauliques Caractéristiques Pression/Débit du ventricule Caractéristiques Force/Déformation du myocarde Concentration en Calcium intracellulaire Modèles électrophysiologiques Beeler-Reuter Sinus tronqué Relation Volume Rayon Force passive , Force active Nous proposons un modèle ventriculaire à l’échelle macroscopique sans considérations géométriques. Celui-ci doit intégrer la description des phénomènes électro-chimiques, des phénomènes mécaniques et des phénomènes hydrauliques. Concernant les phénomènes électro-chimiques, l’objectif est d’obtenir la concentration en calcium intracellulaire. Des modèle électrophysiologiques seront utilisés ici. Ceux-ci sont souvent basé sur un système d’EDO à cause de la forte dépendance qu’il existe entre les variables. Concernant les phénomènes mécaniques, l’objectif est d’obtenir les caractéristiques de force-déformation du myocarde alors que pour les phénomènes hydraulique, l’objectif est d’obtenir les caractéristiques de pression-débit du myocarde. Ces considérations énergétiques laissent penser que les Bond Graph sont un outil de modélisation particulièrement bien adapté. Cp 1 Ca TF

Modèle ventriculaire PLA QLO (l/min) PA AUo SNA regulation Valve Valve Mechano-hydraulic coupling Mechanical Model Electrical Model SNA regulation

Modèle ventriculaire Guyton kidney salt output and salt intake kidney dynamics and excretion electrolytes and cell water gel protein dynamics gel fluid dynamics plasma and tissue fluid protein Left ventricle tissue effect on thirst and salt intake heart hypertrophy or deterioration Hemodynamic pulmonary dynamics and fluids Autonomic control Guyton capillary membrane dynamics Aldostérone control heart rate, stroke volume and total peripheral resistance Angiotensine control Blood viscosity mean circulatory pressures Red Blood Cells Heart vicious cycle Muscle blood flow control and po2 Adaptation of baroreceptors Thirst and drinking Non-muscle oxygen delivery and local blood flow control Vascular stress relaxation Antidiuretic hormone

Modèle ventriculaire : Mise en œuvre QLO Ventricule Gauche PLA PA AUo 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 QLO Ventricule Gauche PLA PA AUo AUo : régulation autonomique Inotropisme : Régulation de l’activité mécanique Régulation SNA Chronotropisme : Régulation de la fréquence cardiaque Méthode utilisée pour ajuster la sensibilité des paramètres de régulation (proposée par Guyton) AUo x S + 1 S : paramètre de sensibilité Inotropisme : S = 1 (Guyton 72) Chronotropisme : S = 0.5

Modèle ventriculaire : Mise en œuvre Modèle de Guyton minute Problèmes de simulation Modèle Ventriculaire seconde . . . Pas de Simulation x 60 Classe Ventricule Gauche Facilement réalisable dans la librairie M2SL

Accès à des variables pulsées Pression ventriculaire Modèle ventriculaire Accès à des variables pulsées Pression ventriculaire Débit cardiaque Accès à des variables moyennes Pression artérielle Expériences de Guyton

Modèle ventriculaire : Expérience 3 VUD PVO PMO PA AUP QLO BFM MMO

Perspectives Intégration de la librairie M2SL : Structure modulable Validation OK Intégration de la librairie M2SL : Structure modulable Intégration d’un nouveau modèle ventriculaire : Plusieurs niveaux de résolution Simulation de signaux pulsés Modèle Guyton 1972 Réunion Ron White 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) Modèle Guyton 1992

Perspectives Possibilité de trouver des données dans la littérature Bruce N. Van Vliet and Jean-Pierre Montani Circulation and Fluid Volume Control In the Age of Genomics and Proteomics March 2005

Perspectives Applications « commande » en anesthésie 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 system In IFAC MCBMS 2006 sept Applications « commande » en anesthésie Applications de G-72

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 Moyenne Circulation