تحلیل سیستم های تنفسی و گردش خون با مدل های فیزیکی و ریاضی

سیستم های گردش خون و تنفس، دو مجموعه فیزیولوژیک حیاتی و کاملا درهم تنیده هستند که عملکرد هماهنگ آن ها برای حفظ هموستاز و بقای ارگانیسم ضروری است. پیچیدگی های ساختاری و عملکردی این سیستم ها، از جمله دینامیک غیرخطی جریان خون، مکانیک تغییرشکل پذیر دیواره عروق و ریه ها، و مکانیسم های کنترلی چندسطحی، مطالعه آن ها را به روش های صرفا تجربی با چالش مواجه می کند. این مقاله به بررسی و تحلیل جامع رویکردهای مدل سازی فیزیکی و ریاضی برای درک عمیق تر این دو سیستم می پردازد. در این پژوهش، مدل های مختلف از نظر مقیاس و پیچیدگی، شامل مدل های پارامتر فشرده (۰D)، مدل های یک-بعدی (۱D) مبتنی بر انتشار موج، و مدل های سه-بعدی (۳D) مبتنی بر دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) مورد ارزیابی قرار می گیرند. همچنین، نحوه به کارگیری این مدل ها برای شبیه سازی پدیده هایی نظیر همودینامیک شریانی، مکانیک تنفس، تبادل گاز، و به ویژه، تعاملات حیاتی قلبی-تنفسی (Cardio-Respiratory Interactions) تشریح می شود. این مقاله با بررسی دیدگاه های مختلف (بالینی، مهندسی و فیزیولوژیک)، محدودیت ها، چالش ها و چشم اندازهای آینده این حوزه، از جمله توسعه «دوقلوهای دیجیتال» (Digital Twins) بیمار-محور را به بحث می گذارد. نتایج نشان می دهد که مدل سازی چندمقیاسی، ابزاری قدرتمند برای پیش بینی رفتار سیستم در شرایط سلامت و بیماری، بهینه سازی روش های درمانی و طراحی تجهیزات پزشکی پیشرفته است.

کلیدواژه ها:

سیستم قلبی-عروقی ، سیستم تنفسی ، مدل سازی ریاضی ، دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) ، مدل های پارامتر فشرده ، تعامل قلبی-تنفسی ، همودینامیک