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.

Основные термины (генерируются автоматически): имитационного моделирования, средств имитационного моделирования, параметров вектора, имитационного моделирования процессов, человеческого организма, моделирования процессов перевозок, применения имитационного моделирования, выходных параметров, закона расчета, вектора входных данных, основе применения имитационного, значения параметров, моделирование человеческого организма, внешних воздействий, моделирования авиационных ГТД, значения параметров вектора, термогазодинамического моделирования авиационных, входных параметров, имитационного моделирования динамических, параметрического анализа.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос