Библиографическое описание:

Кишалов А. Е., Зайнуллин Ф. Д. Создание методов и средств имитационного моделирования динамических процессов, происходящих в органах пищеварения человека, с учётом влияния на них различных заболеваний и внешних воздействий (лечения) // Молодой ученый. — 2011. — №10. Т.1. — С. 31-33.

Человеческий организм – сложнейший «технический» объект, созданный в результате длительной эволюции, со сложными многообразными и многофакторными процессами, протекающими в нём. На сегодняшний день большая часть человечества живёт в искусственно созданной среде обитания и вне этой среды человечество жить не может. При создании искусственной среды человечество решило основные проблемы своего выживания: обезопасило себя от опасных животных, инфекций, от непогоды и природных явлений, обеспечило себя пропитанием и т.п. Одновременно с этим, в искусственной среде обитания появилось множество факторов, негативно влияющих на человеческий организм. Это загрязнение окружающей среды (выхлопные газы от автомобилей, различные вредные выбросы промышленного производства, продукты сгорания, различные виды излучений, шум и т.д.), плохое качество продуктов питания (в том числе и питание генно-модифицированными продуктами, продуктами с превышенным содержанием вредных химических веществ) и т.п. Защитные механизмы человеческого организма, ослабленные плохой экологией, неправильным образом жизни не успевают адаптироваться к новым угрозам, нейтрализовать их вредное воздействие.

Человеческий организм подвержен множеству болезней, влияющих на сам организм и на процессы, протекающие в нём. От изучения этих процессов, понимания влияющих на них факторов и последствий к которым приводят эти процессы, зависит назначаемое лечение и его эффективность. На сегодняшнем этапе развития медицины в общем случае лечение для пациента назначается высококлассным специалистом – врачом на основании обобщённых медико-экономических стандартов (МЭС), собственного опыта и интуиции. При этом специалисту не всегда удаётся комплексно оценить индивидуальные характеристики больного и факторы, влияющие на развитие болезни.

Все процессы в человеческом организме подчиняются базовым законам физики и химии. Следовательно, к ним применим такой подход, как математическое моделирование. Согласно этому подходу, для исследования у объекта выделяются основные характеристики и закономерности, они математически описываются, создаётся математическая модель. Далее учёный заменяет реальный объект его математической моделью, и изучает её, впоследствии распространяя результаты исследования на сам объект моделирования.

Математическое имитационное моделирование человеческого организма и его отдельных органов, систем не ново, этими исследованиями занимаются специализированные институты, отдельные медицинские центры (в основном зарубежные). На основании исследования математических моделей сердца, легких и т.д. созданы искусственные органы, успешно применяющиеся медициной при исследовании различных заболеваний, при протезировании, в фармакологии при исследовании воздействия новых лекарств.

Математическое моделирование успешно применяется компанией “Physiome Sciences” которая позже стала называться EPIX Pharmaceuticals (основатель Денис Нобл, Оксфордский университет, США). Данная компания специализируется в моделировании человеческих органов для фармацевтической индустрии. На сегодня ими создано уже несколько десятков «грубых», но работающих моделей, причем моделируются не только крупные части тела, но и отдельные рецепторы и комплексы органов. Например, «виртуальное сердце» – это набор из соответствующего числа клеток, каждая из которых перерабатывает сахар и кислород, продукт работы сердца – определенное давление в кровеносной системе. С 1999 года многие лекарственные компании успешно тестируют на этом сердце свои лекарства [1].

На сегодняшний день существует целая отрасль индустрии, работающая на тестирование лекарств. Например, американская компания “Entelos” моделирует «виртуальных пациентов», чтобы отследить состояние болезни, оценить влияние различных лекарственных препаратов на протекание болезни и на ряд жизненно важных систем организма [2]. Координируемый французами международный проект Renal Physiome Project в настоящее время занимается разработкой виртуальной почки. Проект Giome, возглавляемый Дейнсом Ноблом, пытается воспроизвести пищеварительную систему. А проект Living Human Project, руководимый доктором Вицеконти, должен создать виртуальную копию мускулов и скелета, которые придадут форму виртуальному телу. Испанская ассоциация Aneurist моделирует систему кровообращения мозга, чтобы выяснить, какие аневризмы его артерий операбельны [1].

На кафедре АД УГАТУ математическое моделирование используется для исследования процессов протекающих в таких сложных технических системах, как авиационный газотурбинный двигатель (ГТД). На базе разработанной на кафедре АД УГАТУ FrameWork САМСТО [3] создано множество специализированных систем имитационного моделирования (СИМ). Это такие СИМ, как: DVIGw (предназначена для термогазодинамического моделирования авиационных ГТД); DVIGwp (предназначена для термогазодинамического моделирования авиационных ГТД и переходных процессов протекающих в них); DVIG_OTLADKA (позволяющая моделировать установившиеся и переходные процессы, происходящие в авиационных газотурбинных двигателях с учётом влияния настроек автоматики двигателя на процессы, позволяющая производить автоматизированную отладку двигателя при приёмо-сдаточных испытаниях двигателя в серийном производстве) [4]; Stupeny (обеспечивающая параметрический и структурный синтез и анализ работы компрессора на этапах, предшествующих непосредственному процессу детального функционального и конструкторско-технологического проектирования и позволяющая на основе геометрических параметров компрессора получить его характеристику) [5] и т.п.

FrameWork САМСТО (рис. 2), предназначена для создания автономных приложений, ориентированных на моделирование различных технических объектов и систем, что дает возможность пользователю вносить добавления, изменения для решения конкретных задач, создавать новые СЭ и информационные потоки.

Рис. 2. Внешний вид FrameWork САМСТО


Синтез модели осуществляется в соответствии со схемой объекта моделирования. Математическая модель включает в себя описание:

– набор структурных элементов (СЭ) и их характеристик, описывающих отдельную часть или систему моделируемого объекта;

– связи между СЭ моделируемого объекта, по которым информация от одного элемента передаётся другому;

– законов изменения управляющих воздействий, изменения внешних условий;

– значимых динамических факторов, номенклатура которых определяется особенностью рассматриваемого переходного процесса, особенностью решаемой проектно-доводочной или эксплуатационной задачи, особенностью схемы и параметрами моделируемого объекта.

В СИМ созданной в среде FrameWork САМСТО возможно решать задачи параметрического анализа и параметрического синтеза [6].

Параметрический анализ (Табулируются/Выводятся). Алгоритмические модели СЭ характеризуются наличием вектора входных данных , вектора выходных данных и алгоритма, вычисляющего значения по заданным значениям . Может быть одновариантный или многовариантный. В случае многовариантного анализа производится последовательное изменение (табулирование) значений нескольких входных параметров и запись выходных параметров в файл результатов (манипулирование значениями и анализа значений ). Самый простой закон расчета – однократное задание значений , затем однократный расчет по алгоритму значений . Такой вид закона расчета называется параметрическим анализом (анализируется поведение выходных параметров при задании различных значений входных параметров ). Кроме одновариантного параметрического анализа можно представить закон расчета в виде многовариантного параметрического анализа – в этом случае для некоторых параметров в векторе последовательно задаются различные значения (значения параметров табулируются), после каждого изменения значений производится расчет по алгоритму новых значений выходных параметров . Суть закона расчета при этом не меняется [7 – 9].

Параметрический синтез (Варьируются/Поддерживаются). При переходе от проектировочных задач к поверочным многие параметры перемещаются из вектора входных данных в вектор выходных данных и наоборот. Решение такой задачи требует либо изменения алгоритма (что нежелательно, поскольку различных расчетных задач может существовать множество), либо введения нового вида закона расчета, при котором значения некоторых параметров вектора заранее заданы, а значения некоторых параметров вектора должны варьироваться в процессе многократных расчетов алгоритма, в результате чего должны быть подобраны такие значения варьируемых параметров вектора , при которых по заданному алгоритму вычисляются заданные значения параметров вектора . Такой вид закона расчета называется параметрическим синтезом [7] (синтезируются значения некоторых параметров вектора за счет варьирования некоторых параметров вектора ). Для отыскания решения использован метод Ньютона.

Авторами предлагается применить данный подход, технологию и методики к исследованию человеческого организма. Предлагаемый подход заключается в создании при помощи FrameWork САМСТО математической имитационной модели человеческого организма и его отдельных систем, модели развития различных заболеваний и внешних воздействий (в том числе и проведение лечения), их влияния на процессы, протекающие в человеческом организме. Комплексное имитационное моделирование человеческого организма или отдельных его частей и систем, сделает возможным изучение биологических систем как единого целого, обеспечив полное понимание процессов роста, обмена и функционирования организма, процессов развития заболеваний, поиск путей их лечения.

В результате подобных разработок современные специалисты в области медицины будут работать в виртуальном пространстве: не на живом человеке, а на его математической компьютерной модели, будут ставить диагнозы, прогнозировать протекание болезни, исследовать новые лекарства и открывать новые направления в медицине.


Литература:

1. Интернет-ресурс http://www.telegraph.co.uk/science/science-news/3348696/The-virtual-medical-man.html. Статья: The virtual medical man. Автор: Roger Highfield. 2006г.

2. Официальный сайт фирмы “Entelos” http:// www.entelos.com.

3. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2011611712 САМСТО. Москва, Роспатент, 2011.

4. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2009610324 DVIG_OTLADKA. Москва, Роспатент, 2009.

5. Система имитационного моделирования лопаточных машин в составе газотурбинных двигателей. Свидетельство об официальной регистрации №2006610257 / Кривошеев И.А.,Ахмедзянов Д.А., Кишалов А.Е., Москва, Роспатент, 2006 г.

6. Кишалов А.Е. Методы и средства структурного и параметрического синтеза и анализа газотурбинных двигателей и энергоустановок. / А.Е. Кишалов, Д.А. Ахмедзянов, А.Б. Козловская. – Журнал “Молодой ученый”, Чита, – 2010. – №4. – С. 53-56.

7. Ахмедзянов, А.М. Анализ методов оpганизации вычислительных пpоцессов пpи фоpмиpовании моделей сложных систем / А.М. Ахмедзянов, Д. Г. Кожинов // Изв. вузов, сер. “Авиационная техника”. - 1993 - № 4. – С. 58-62.

8. Ахмедзянов, А.М. Системы конструирования среды для математического моделирования сложных технических систем / А. М. Ахмедзянов, Д. Г. Кожинов // Изв. вузов, сер. «Авиационная техника». - Казань, 1994. - №1. – С. 54-55.

9. Ахмедзянов, А.М. Система конструирования САПР сложных технических объектов САМСТО / А. М. Ахмедзянов, Д. Г. Кожинов. – Уфа: УАИ, 1991. – 34 с.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle