数学模型

张滦云

目录

  • 1 建立数学模型
    • 1.1 从现实对象到数学模型
    • 1.2 数学建模的重要意义
    • 1.3 建模示例之一  包饺子中的数学
    • 1.4 建模示例之二  路障间距的设计
    • 1.5 建模示例之三  椅子能在不平的地面上放稳吗
    • 1.6 数学建模的基本方法和步骤
    • 1.7 数学模型的特点和分类
    • 1.8 怎样学习数学建模——学习课程和参加竞赛
    • 1.9 更多案例
      • 1.9.1 商人们怎样安全过河
  • 2 初等模型
    • 2.1 光盘的数据容量
    • 2.2 双层玻璃的功效
    • 2.3 实物交换
    • 2.4 汽车刹车距离与道路通行能力
    • 2.5 更多案例
      • 2.5.1 信号灯控制的十字路口的通行能力
      • 2.5.2 估计出租车的总数
      • 2.5.3 污水均流池的设计
      • 2.5.4 天气预报的评价
  • 3 简单的优化模型
    • 3.1 存贮模型
    • 3.2 森林救火
    • 3.3 不买贵的只买对的
    • 3.4 易拉罐形状和尺寸的最优设计
    • 3.5 更多案例
      • 3.5.1 啤酒杯的重心
      • 3.5.2 生猪的出售时机
      • 3.5.3 生产者的决策
  • 4 数学规划模型
    • 4.1 奶制品的生产与销售
    • 4.2 更多案例
      • 4.2.1 选课策略
  • 5 微分方程模型
    • 5.1 人口模型
    • 5.2 药物中毒急救
    • 5.3 资金、劳动力与经济增长
    • 5.4 捕鱼业的持续收获
    • 5.5 食饵-捕食者模型
    • 5.6 传染病模型和SARS的传播
    • 5.7 更多案例
      • 5.7.1 药物在体内的分布与排除
      • 5.7.2 种群的相互竞争
      • 5.7.3 种群的相互依存
  • 6 差分方程与代数方程模型
    • 6.1 贷款购房
    • 6.2 管住嘴迈开腿
    • 6.3 市场经济中的物价波动
    • 6.4 动物的繁殖与收获
    • 6.5 更多案例
      • 6.5.1 投入产出模型
      • 6.5.2 中国人口增长预测
  • 7 离散模型
    • 7.1 职员晋升
    • 7.2 公平的席位分配
    • 7.3 循环比赛的名次
    • 7.4 更多案例
      • 7.4.1 层次分析法
  • 8 概率模型
    • 8.1 报童的诀窍
    • 8.2 钢琴销售的存贮策略
    • 8.3 更多案例
      • 8.3.1 健康与疾病
      • 8.3.2 航空公司的预订票策略
      • 8.3.3 作弊行为的调查和估计
        • 8.3.3.1 随机基因表达的建模
  • 9 统计模型
    • 9.1 牙膏的销售量
    • 9.2 软件开发人员的薪金
    • 9.3 更多案例
      • 9.3.1 酶促反应
  • 10 课内实验
    • 10.1 数学规划模型及LINGO实验
    • 10.2 统计回归模型及MATLAB实验
    • 10.3 优化模型建模
    • 10.4 微分方程模型建模
药物中毒急救

5.2  药物中毒急救

背景和问题:

  • 一天夜晚,你作为见习医生正在医院内科急诊室值班,两位家长带着一个孩子急匆匆进来,诉说两小时前孩子一口气误吞下11片治疗哮喘病的、剂量为每片100mg的氨茶碱片,已经出现呕吐、头晕等不良症状。

  • 按照药品使用说明书,氨茶碱的每次用量成人是100~200mg,儿童是3~5mg/kg.

  • 如果过量服用,可使血药浓度(单位血液容积中的药量)过高,当血药浓度达到100μg/ml时,会出现严重中毒,达到200μg/ml则可致命。

  • 作为一名医生你清楚地知道,由于孩子服药是在两小时前,现在药物已经从胃进入肠道,无法再用刺激呕吐的办法排除。当前需要作出判断的是,孩子的血药浓度会不会达到100μg/ml甚至200μg/ml,如果会达到,则临床上应采取怎样的紧急施救方案?

调查与分析:

        

  • 认为血液系统内药物的分布,即血药浓度是均匀的,可以将血液系统看作一个房室,建立“一室模型”.

  • 血液系统对药物的吸收率(胃肠道到血液系统的转移率和排除率可以由半衰期确定.

  • 半衰期可以从药品说明书上查到

  • 血药浓度=药量/血液总量 

  • 通常,血液总量约为人体体重的7~8%,体重50~60 kg的成年人有4000ml左右的血液

  • 目测这个孩子的体重约为成年人的一半,可认为其血液总量约为2000ml. 

临床施救的办法:

  • 口服活性炭来吸附药物,可使药物的排除率增加到原来(人体自身)的2

  • 体外血液透析,药物排除率可增加到原来的6倍,但是安全性不能得到充分保证.

模型假设: 

记胃肠道中药量x(t),血液系统中药量y(t),时间t以孩子误服药的时刻为起点(t=0

1. 胃肠道中药物向血液的转移率与x(t)成正比,比例系数λ(>0),总剂量1100mg药物在t=0瞬间进入胃肠道.

2. 血液系统中药物的排除率与y(t)成正比,比例系数μ(>0)t=0时血液中无药物.

3. 氨茶碱被吸收的半衰期为5小时,排除的半衰期为6小时

4. 孩子的血液总量为2000ml. 

模型建立:

  • x(t)下降速度与x(t)成正比(比例系数λ总剂量1100mg药物在t=0瞬间进入胃肠道.

                               

  • y(t)由吸收而增长的速度是λx,由排除而减少的速度与y(t)成正比比例系数μt=0时血液中无药物.

                               

模型求解: 

         

  • 药物吸收的半衰期为5小时

          

  • 药物排除的半衰期为6小时,只考虑血液对药物的排除

         

         

结果及分析: 

  • 胃肠道药量

  • 血液系统药量

  • 血液总量2000ml

  血药浓度100μg/ml Û y(t) =200mg Þ 严重中毒

  血药浓度200μg/ml Û y(t) =400mg Þ 致命

                        

  • y(2)=236.5 ,孩子到达医院前已严重中毒,如不及时施救,约3小时后将致命!

施救方案: 

  • 口服活性炭使药物排除率μ增至原来的2.

  • 孩子到达医院(t=2)就开始施救,血液中药量记作z(t

       

       λ=0.1386 (不变)μ=0.1155*2=0.2310 

       

   

  • 施救后血液中药量z(t)显著低于y(t). 

  • z(t)最大值低于致命水平.

  • 要使z(t)在施救后立即下降,可算出μ至少应为0.4885. 

     

  • 若采用体外血液透析,μ可增至0.1155*6=0.693,血液中药量下降更快;临床上是否需要采取这种办法,当由医生综合考虑并征求病人家属意见后确定

小结与评注:

  • 以药物中毒急救为背景,研究药物通过胃肠道向血液系统的转移,以及从血液系统的排除.

  • “ 转移率和排除率与血药浓度成正比”是药物动力学建立房室模型的基本假设.

  • 假定整个血液系统的血药浓度均匀(用一个时间函数表示),建立最简单的一室模型,用一阶微分方程即可求解.