Document
Mathematical modeling of the heartbeat
Publisher
Sultan Qaboos University
Gregorian
2009
Language
English
Subject
English abstract
This project is devoted to a study of two proposed models of the heartbeat. One model is provided by the Van der Pol equation * +B(x2 - 1)x +x = 0) where x is the length of the muscle fibre of the heart, and the 'dot' signifies differentiation with time, t. The other model is the Zeeman model defined by the dynamical system x =-&1(x3 + ax +b), b=x -x,, in which b is a measure of the electrochemical wave controlling the contraction of the muscle fibre, ε is a small parameter, a is a parameter representing the tension in the muscle fibre and x, is the length of the muscle fibre at the equilibrium state of diastole.
The two systems are studied and solved numerically by the use of singular perturbation techniques. The Van der Pol equation possesses only one parameter while the Zeeman model has three parameters. This makes the Zeeman model more general than the Van der Pol equation.
The Van der Pol equation has a simple harmonic motion for B=0. Its solution as represented in the phase plane initially starts as a spiral but eventually reaches a limit cycle of a closed orbit representing an oscillatory solution of the type known as relaxation oscillations which are similar to the heartbeat. This behaviour of the solution is independent of the initial conditions. This indicates that the Van der Pol equation gives a reasonable general representation of the dynamics of the heartbeat.
The Zeeman model solution is discussed in the full parameter space €,a,x,. It provides a rich variety of solutions of different types. Restricting ourselves to the case e«xm(a). Here the Zeeman model does not possess a closed orbit in the phase plane and the solution for x (t) tends to x, as time increases while b(t) approaches a constant value dependent on a. Thus the solution approaches the diastole state whatever the initial condition used. This result, that the heart will not beat if the muscle fibre exceeds a certain value dependent on the muscle fibre tension, is new and cannot be obtained from the Van der Pol equation.
Member of
Resource URL
Arabic abstract
يهدف المشروع إلى دراسة نموذجين رياضيين مقترحين لنبضات القلب، إحداهما بمعادلة فان دير بل (x 2 - 1 ) + x = o ( Van der Pol) + ، بينما هي طول ليفة العضلة القلبية و النقطة تعبر عن المشتقة بالنسبة للزمن، والآخر هو نموذج زيمان (Zeeman) المعرف بالنظام الديناميكي - x3 + a + b ) , b = ) -- = 1، بينما هي مقياس للموجة الإلكتروكيميائية التي تتحكم في انكماش ليفة العضلة القلبية، ج معامل صغير، و معامل يعبر عن قوة الشد في الليفة القلبية و * طول ليفة العضلة القلبية في حالة الإتزان الإسترخائي تمت دراسة النموذجين عددية و باستخدام طرق النقاط الحرجة ( singular perturbation ) . معادلة فان دير بل لها معامل واحد فقط بينما نموذج زيمان له ثلاثة معاملات مما يجعل نموذج زيمان أكثر عمومية من معادلة فان دير بل. معادلة فان دير بل لها سلوك الحركة التوافقية البسيطة عندما م تساوي صفرا وحلها كما يظهر في المخطط البياني يبدأ لولبیا و لكن في النهاية، كلما ازدادت قيمة م، يقترب من منحنی مغلق يعبر عن حل متأرجح يعرف بتأرجح الإسترخاء مشابه النبضات القلب، هذا السلوك لا يعتمد على الأوضاع الأولية، وهذا يدل على أن معادلة فان دير بل تعطى عرضا عاما مقنعا يعبر عن الحركة الديناميكية لنبضات القلب. تمت مناقشة الحل النموذج زيمان للمعاملات ,a, . نموذج زيمان يعطي تنوعا واسعا للحلول بأنواع مختلفة. حصرت الدراسة الحالة 1» ، و لوحظ أن الحل النموذج زيمان ينقسم إلى صنفين مختلفين: إحداهما له خصائص مشابه لخصائص معادلة فان دير بل الذي يقترب من نهاية دورية تعطي الحل الذي يعرف بتأرجح الإسترخاء، مهما كانت الأوضاع الأولية، هذا الصنف موجود بشرط أن طول ليفة العضلة القلبية في حالة الإسترخاء ، x، لا تتجاوز قيمة معينة، (a) و ، تعتمد على .. هذه النتيجة لم تكن معروفة رياضية من قبل الصنف الثاني عندما (a) < رد، في هذه الحالة نموذج زيمان لا يمثل منحنا مغلقا والحل (1) x يقترب من رد بمرور الزمن، بينما (4) b تقترب من قيمة ثابتة تعتمد على a، بمعنى أن الحل يقترب من وضع الإسترخاء مهما كانت الأوضاع الأولية. هذه النتيجة، وهي أن القلب لن ينبض إذا كان طول ليفة العضلة القلبية أكبر من قيمة معينة تعتمد على قوة الشد في ليفة العضلة القلبية، نتيجة جديدة رياضيا و ليس بالإمكان استنتاجها من معادلة فان دير بل.
Category
Theses and Dissertations