Mathematical modeling of human brain physiological data

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	10 May 2013
Referee:	Prof. Dr. Elmar Lang and Prof. Dr. Alexander Brawanski and Prof. Dr. Ingo Morgenstern
Date of exam:	9 May 2012
Institutions:	Biology, Preclinical Medicine > Institut für Biophysik und physikalische Biochemie > Prof. Dr. Elmar Lang
Keywords:	mathematical modeling, human brain
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	25028

Abstract (English)

In this work two extensions of a model, that simulates the haemodynamical processes and oxygen transport of the human brain, where proposed. The general behavior of the original model and its two modifications were examined in great detail, as well as the differences between the diverse realizations. The quality of the different models was judged by their ability to reproduce particular ...

Abstract (English)

In this work two extensions of a model, that simulates the haemodynamical processes and oxygen transport of the human brain, where proposed. The general behavior of the original model and its two modifications were examined in great detail, as well as the differences between the diverse realizations.
The quality of the different models was judged by their ability to reproduce particular measurements gained from patients with severe head trauma. Inside these time segments, the ABP and TiPO2 are correlated, whereas the ABP and ICP are anti-correlated. This type of behavior was not fully understood up to now, but does occur in a significant amount of time intervals, as correlation analyses demonstrate.
It could be shown, that the original model, on which all proposed extensions were based on, was not able to reproduce this behavior. For a quantitative reproduction of this effect both extensions are necessary. As a result a meaningful physiological explanation for this kind of data can be given.

Translation of the abstract (German)

In dieser Arbeit wurden zwei Erweiterungen zu einem Modell, welches die haemodynamischen Prozesse und den Sauerstofftransport im menschlichen Gehirn simuliert, vorgestellt. Das allgemeine Verhalten des urspruenglichen Modells und der beiden modifizierten Varianten wurde ausfuehrlich untersucht und die auftretenden Unterschiede ausfuehrlich diskutiert. Die Guete der Modelle wurde dann anhand ihrer ...

Translation of the abstract (German)

In dieser Arbeit wurden zwei Erweiterungen zu einem Modell, welches die haemodynamischen Prozesse und den Sauerstofftransport im menschlichen Gehirn simuliert, vorgestellt. Das allgemeine Verhalten des urspruenglichen Modells und der beiden modifizierten Varianten wurde ausfuehrlich untersucht und die auftretenden Unterschiede ausfuehrlich diskutiert.
Die Guete der Modelle wurde dann anhand ihrer Faehigkeit beurteilt, besonders auffaellige Zeitabschnitte realer Messwerte von Patienten mit schweren Kopfverletzungen zu reproduzieren. Innerhalb dieser Zeitsegmente sind ABP und TiPO2 miteinander korrelliert, waehrend ABP und ICP antikorreliert sind. Dieses spezielle Verhalten konnte bisher noch nicht vollstaendig erklaert werden, tritt aber in einer signifikanten Anzahl von gemessenen Zeitreihen auf.
Die Analyse zeigt, dass das urspruengliche Modell, auf welchen alle Erweiterungen basieren, dieses Verhalten nicht reproduzieren kann. Fuer eine quantitative Reproduktion diesen Effekts sind beide Erweiterungen notwendig. In dieser Konstellation liefert das benutzte Modell eine aussagekraeftige physiologische Interpretation des untersuchten Verhaltens.

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