Моделирование процессов пищеварения с учетом функциональных нарушений в организме человека: концептуальная и математическая постановки, структура модели
Автор: Трусов П.В., Зайцева Н.В., Камалтдинов М.Р.
Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech
Статья в выпуске: 4 (62) т.17, 2013 года.
Бесплатный доступ
Посвящено разработке математической модели пищеварительной системы с учетом функциональных нарушений органов и систем человеческого организма. Выполнена концептуальная постановка задачи, учитывающая современные знания о пищеварительных процессах в различных отделах тракта. Приведены основные соотношения для описания процессов в различных отделах пищеварительного тракта, краткое изложение структуры предлагаемой математической модели. На настоящий момент детально не рассматриваются физиология и подходы к моделированию нервных и гуморальных механизмов, частично учитывается функциональное состояние системы управления и ее элементов: центральной нервной системы, энтерической нервной системы и структур, секретирующих гормоны. Представлены результаты по распределению частиц пищи в процессе дробления в ротовой полости, полученные на основе модификации уравнения Розин–Раммлера с учетом функциональных нарушений зубочелюстной системы. По результатам проведенных ультразвуковых исследований выполнена оценка размеров желудка и реконструирована двумерная форма антрального отдела. Проведен расчет течения пищеварительной смеси в желудке с учетом распространения волн сокращения в антральном отделе и функциональных нарушений моторики желудка. Дальнейшее развитие модели включает в себя усложнение в сторону создания реальной трехмерной геометрии желудочно-кишечного тракта, добавление в модель процессов кишечного пищеварения.
Математическое моделирование, система пищеварения, волны антрального сокращения, функциональные нарушения, течение в желудке
Короткий адрес: https://sciup.org/146216117
IDR: 146216117
Список литературы Моделирование процессов пищеварения с учетом функциональных нарушений в организме человека: концептуальная и математическая постановки, структура модели
- Зайцева Н.В., Трусов П.В., Шур П.З., Кирьянов Д.А., Чигвинцев В.М., Цинкер М.Ю. Методические подходы к оценке риска воздействия разнородных факторов среды обитания на здоровье населения на основе эволюционных моделей//Анализ риска здоровью. -2013. -№ 1. -С. 3-11.
- Коротько Г.Ф. Конвейерный принцип организации пищеварения//Вестник интенсивной терапии. -2004. -№ 5. -С. 6-9.
- Лазебник Л.Б. Возрастные изменения пищеварительной системы//Клиническая геронтология. -2006. -№ 1. -С. 3-8.
- Поленов С.А., Троицкая В.Б., Вершинина Е.А. Регуляция процесса пищеварения: основные механизмы и их компьютерное моделирование//Российский журнал гастроэнтерологии. Прил. № 20. -2003. -№ 4. -С. 25-39.
- Трусов П.В., Зайцева Н.В., Кирьянов Д.А., Камалтдинов М.Р., Цинкер М.Ю., Чигвинцев В.М., Ланин Д.В. Математическая модель эволюции функциональных нарушений в организме человека с учетом внешнесредовых факторов [Электронный ресурс]//Математическая биология и биоинформатика. -2012. -№ 2. -С. 589-610. -URL: http://www.matbio.org/2012/Trusov_7_589.pdf (дата обращения: 05.12.2012).
- Физиология человека/под ред. В.М. Покровского, Г.Ф. Коротько. -М.: Медицина, 1997. -Т. 1. -448 с., Т. 2. -368 с.
- Agrawal K.R., Lucas P.W., Bruce I.C., Prinz J.E. Food properties that influence neuromuscular activity during human mastication//J. Dent. Res. -1998. -Vol. 77. -P. 1931-1938.
- Brasseur J.G., Nicosia M.A., Pal A., Miller S. Function of longitudional vs. circular muscle fibers in esophageal peristalsis, deduced with mathematical modeling//World Journal of Gastroenterology. -2007. -Vol. 13. -P. 1335-1346.
- Chen S. & Doolen G.D. Lattice-Boltzmann method for fluid flows//A. Rev. Fluid. Mech. -1998. -Vol. 30. -P. 329-364.
- De Beus A. M., Fabry T.L., Lacker H.M. A gastric acid secretion model//Biophysical Journal. -1993. -Vol. 65. -P. 362-378.
- Dillard S., Krishnan S., Udaykumar H.S. Mechanics of flow and mixing at antroduodenal junction//World J. Gastroenterol. -2007. -Vol. 13. -P. 1365-1371.
- Dudchenko О.A., Guria G.T. Self-sustained peristaltic waves: explicit asymptotic solutions//Physical Review E. -2012. -Vol. 85.
- Ferrua M.J., Singh R.P. Modeling the fluid dynamics in a human stomach to gain insight of food digestion//Journal of Food Science. -2010. -Vol. 75. -P. 151-162.
- Garcia R.I., Perlmuter L.C., Chauncey H.H. Effects of dentition status and personality on masticatory performance and food acceptability//Dysphagia. -1989. -Vol. 4. -P. 121-126.
- Hunter P., Robbins P., Noble D. The IUPS human Physiome Project//Pflugers Arch. -Eur. J. Physiol. -2002. -Vol. 445. -P. 1-9.
- Hutchings S.C., Foster K.D., Bronlund J.E., Lentle R.G., Jones J.R. Mastication of heterogeneous foods: peanuts inside two different food matrices//Food quality and preference. -2011. -Vol. 22. -P. 332-339.
- IUPS Physiome Project. -URL: http://www.physiome.org.nz (дата обращения: 21.08.2012).
- Joseph I.M., Kirsher D. A model for the study of Helicobacter Pylori interaction with human gastric acid secretion//Journal of Theoretical Biology. -2004. -Vol. 228. -P. 55-80.
- Joseph I.M., Zavros Y., Merchant J.L., Kirsher D. A model for integrative study of human gastric acid secretion//J. Appl. Physiol. -2003. -Vol. 94. -P. 1602-1618.
- Kawashima K., Miura H., Kato H., Yoshida K., Tanaka Y. The study of comminution behavior of food on buccal and lingual side during mastication//J. Med. Dent. Sci. -2009. -Vol. 56. -P. 131-138.
- Kim E., Morgenstern M., Bronlund J., Foster K., Le Got A. Food breakdown during human mastication -quantitative characterization//Proceedings of the 11th International Congress on Engineering and Food (ICEF11)/еd. P.S. Taoukis, N.G. Stoforos, V.T. Karakthanos, G.D. Saravacos. -2011. -P. 633-639.
- Kirschner M.J., Blaser J. The dynamics of Helicobacter pylori infection of the human stomach//J. Theor. Biol. -1995. -Vol. 176. -P. 281-290.
- Kong F., Singh R.P. Disintegration of solid foods in human stomach//Journal of Food Science. -2008. -Vol. 73. -P. 67-80.
- Kozu H., Kobayashi I., Nakajima M., Uemura K., Sato S., Ichikawa S. Analysis of flow phenomena in gastric contents induced by human gastric peristalsis using CFD//Food Biophysics. -2010. -Vol. 5. -P. 330-336.
- Lassauzay C., Peyron M.A., Albuisson E., Dransfield E., Woda A. Variability of the masticatory process during chewing of elastic model foods//Eur. J. Oral Sci. -2000. -Vol. 108. -P. 484-492.
- Li M., Brasseur J.G. Non-steady peristaltic transport in finite-length tubes//J. Fluid Mech. -1993. -Vol. 248. -P. 129-151.
- Li M., Brasseur J.G., Dodds W.J. Analysis of normal and abnormal esophageal transport using computer simulation//Amer. J. Phys. -1994. -Vol. 266. -P. 525-543.
- Liao D., Lelic D., Gao F., Drewes A.M., Gregersen H. Biomechanical functional and sensory modelling of the gastrointestinal tract//Phil. Trans. R. Soc. A. -2008. -Vol. 366. -P. 3281-3299.
- Lozano J.J. Peristaltic flow with application to ureteral bomechanics: Ph.D. Thesis. -Notre Dam: University of Notre Dam, 2009. -195 p.
- Lucas P.W., Prinz J.F., Agrawal K.R., Bruce I.C. Food physics and oral physiology//Food quality and preference. -2002. -Vol. 13. -P. 203-213.
- Marino S., Ganguli S., Joseph I.M., Kirsher D. The importance of an inter-compartmental delay in a model for human gastric acid secretion//Bulletin of Mathematical Biology. -2003. -Vol. 65. -P. 963-990.
- Mishellany A., Renaud J., Peyron M.A., Rimek F., Woda A. Is the goal of mastication reached in young dentates, aged dentates and aged denture wearers?//British Journal of Nutrition. -2008. -Vol. 99. -P. 121-128.
- Olthoff L.W., van der Bilt A., Bosman F., Kleizen H.H. Distribution of particle sizes in food comminuted by human mastication//Archs. Oral. Biol. -1984. -Vol. 29. -P. 899-903.
- Pal A., Brasseur J.G., Abrahamsson B. A stomach road or “Magenstrasse” for gastric emptying//Journal of Biomechanics. -2007. -Vol. 40. -P. 1202-1210.
- Pal A., Brasseur J.G. The mechanical advantage of local longitudinal shortening on peristaltic transport//Journal of Biomechanical Engineering. -2002. -Vol. 124. -P. 94-100.
- Pal A., Indireshkumar K., Schwizer W., Abrahamsson B., Fried M., Brasseur J.G. Gastric flow and mixing studied using computer simulation//Proc. R. Soc. Lond. B. -2004. -Vol. 271. -P. 2587-2594.
- Peyron M.A., Blanc O., Lund J.P., Woda A. Influence of age adaptability of human mastication//J. Neurophysiol. -2004. -Vol. 92. -P. 773-779.
- Peyron M.A., Mishellany A., Woda A. Particle size distribution of food boluses after mastication of six natural foods//J. Dent. Res. -2004. -Vol. 83. -P. 578-582.
- Prinz J.F., Lucas P.W. An optimization model for mastication and swallowing in mammals//Proc. R. Soc. Lond. -1997. -Vol. 164. -P. 1715-1721.
- Riahi D.N., Roy R. Mathematical modeling of peristaltic flow of chyme in small intestine//Appl. Math. -2011. -Vol. 6. -P. 428-444.
- Schulze K. Imaging and modeling of digestion in the stomach and the duodenum//Neurogastroenterol. Motil. -2006. -Vol. 18. -P. 172-183.
- Singh S., Singh R.P. Gastric Digestion of Foods: Mathematical Modeling of Flow Field in a Human Stomach//Food Engineering Interfaces. -2011. -P. 99-117.
- Taghipoor M., Lescoat P., Licois J.R., Georgelin C., Barles G. Mathemathical modeling of transport and degradation of feddstuffs in the small intestine//Journal of Theoretical Biology. -2011. -Vol. 294. -P. 114-121.
- Toklu E. A new mathematical model of peristaltic flow on esophageal bolus transport//Scientific Research and Essays. -2011. -Vol. 6. -P. 6606-6614.
- Van der Braber W., van der Glas H.W., van der Bilt A., Bosman F. Chewing efficiency of pre-orthognathic surgery patients: selection and breakage of food particles//European Journal of Oral Sciences. -2001. -Vol. 109. -P. 306-311.
- Van der Braber W., van der Glas H.W., van der Bilt A., Bosman F. The influence of orthodontics on selection and breakage underlying food comminution in pre-orthognatic surgery patients//International Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. -2002. -Vol. 31. -P. 592-597.
- Wang Y., Brasseur J.G., Banco G.G., Webb G.A., Ailiani A.C., Neuberger T. A multiscale lattice Boltzmann model of macro-to micro-scale transport, with applications to gut function//Phil. Trans. R. Soc. A. -2010. -Vol. 368. -P. 2863-2880.
- Williams S.H., Wright B.W., van den Truong, Daubert C.R., Vinyard C.J. Mechanical properties of foods used in experimental studies of primate masticatory function//American Journal of Primatology. -2005. -Vol. 67. -P. 329-346.
- Woda A., Mishellany A., Peyron M.A. The regulation of masticatory function and food bolus formation//Journal of Oral Rehabilitation. -2006. -Vol. 33. -P. 840-849.
- Xue Z., Ferrua M.J., Singh R.P. Computational fluid dynamics modeling of granular flow in human stomach//Alimentos Hoy. -2012. -Vol. 21. -P. 3-14.