Mathematical modelling of the cardiovascular system and skeletal muscle interaction during exercise

¹ , EPFL/SB/IACS/CMCS, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (Switzerland).
² , Hôpital Antoine-Béclère, Clamart (France) and INRIA Rocquencourt, Le Chesnay (France).

Abstract

In this work we present a mathematical model for the coupling of cardiovascular system and metabolism under sport efforts. Effects such as oxygenation, heart rates, flow rates, blood pressure and mass transfer to tissues will be considered. A special attention will be payed to the modelling of the regulatory mechanisms (baroreflex and chemoreflex effectors) affecting the heart and the peripheral circulation. We aim at extending the existing models to describe metabolism, hemodynamics and mass transport during exercise, providing a framework to understand their mutual interactions. Numerical issues are presented for different workloads, and a quantitative analysis of dynamic aerobic exercise is discussed.

Résumé

Dans ce travail nous présentons un modèle mathématique de couplage du système cardiovasculaire au métabolisme lors d'efforts intenses de type sportif. Les conséquences au plan cardiaque, au plan des pressions et débits sanguins, de l'oxygénation, et des transferts de matière au sein des tissus sont prises en compte. Une attention spéciale est apportée à la modélisation des mécanismes cardiovasculaires de régulation mis en jeu (baroréflexe et chémoréflexe), d'un point de vue cardiaque ou vasculaire périphérique. Nous nous proposons d'élargir les modèles existants de métabolisme, de l'hémodynamique et des transferts de matière lors de l'exercice, apportant ainsi une architecture utile à la compréhension de leurs interactions mutuelles. Les résultats de simulations numériques sont présentés pour différents niveaux de charge d'exercice, et l'analyse quantitative de l'exercice dynamique aérobie est discutée.