Download - Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale
1
Ministerul Educatiei al Republicii Moldova
Universitatea Tehnica a Moldovei
Facultatea Calculatoare, Informatica si Microelectronica
Catedra Microelectronica si Inginerie Biomedicala
Disciplina: Modelarea sistemelor biomedicale
Raport Tema: Pachete de modelare a sistemelor biomedicale
A efectuat : studentul grupei ISBM-111
Ciumac Fiodor
A verificat: Conf. univ., dr.
Pocaznoi Ion
Chisinau 2013
2
Cuprins:
Lucrare nr.1
1. Mediul de modelare AnyLogic
1.1. Istoria de dezvoltare a pachetului AnyLogic
1.2. AnyLogic si Java
1.3. AnyLogic ca limbaj de simulare
1.4. Librarii AnyLogic
1.5. Simularea batailor inimii
1.6. Modelul matematic al deplasarii sângelui într-un vas sangvin izotropic elastic
1.7. Modele de simulare in AnyLogic
1.7.1. Agent bazat pe model epidemic
1.7.2. Boli cardiovasculare
Lucrare nr.2
2. Mediul de modelare BioUML
2.1. Introducere
2.2. Conceptele principale si posibilitatile BioUML
2.2.1. Modelare vizuala
2.2.2. Modelare Meta
2.2.3. Diagrama de tip
2.2.4. Motor de simulare
2.2.5. Baze de date
2.2.5.1. Interfata cu utilizatorul
2.2.5.2. Baze de date de import
2.2.5.3. Cautare text
Lucrare nr.3
3. Sisteme de modelare a circulatiei sangvine (Samara-dialog)
3.1. Introducere
3.2. Obiectul supus modelarii
3.3. Scopul si destinatia programului
3.4. Modelul mathematic
3.5. Submodele descries
3.5.1. Modelul schimbului de oxigen
3.5.2. Modelul sistemului circulator
3.5.2.1. Modelul arterelor in circuitul mare
3.5.2.2. Modelul arterelor in circuitul mic
3.5.2.3. Modelul venelor in circuitul mare
3.5.2.4. Modelul venelor in circuitul mic
3.5.2.5. Modelul capilarelor in circuitul mare
3.5.2.6. Modelul capilarelor in circuitul mic
3.5.3. Parametrii sistemului circulator si sensul lor
Concluzie
3
Lucrarea nr. 1
1. Mediul de modelare AnyLogic
1.1. Istoria de dezvoltare a pachetului AnyLogic
AnyLogic
AnyLogic este o aplicație de modelare a simulărilor de tip multi-metodă dezvoltată de XJ
Technologies.
La începutul anilor ’90 s-a manifestat un interes semnificativ pentru abordarea
matematică în cazul modelării și simulării proceselor paralele. Această abordare poate fi
aplicată la analiza acurateței programelor paralele și distribuite. Grupul de cercetare
Distributed Computer Network (DCN) din cadrul Universității Tehnice din Sankt
Petersburg a dezvoltat un astfel de sistem de software în vederea analizei acurateței
programelor; noua aplicație fost denumită COVERS (Concurrent Verification and
Simulation). Acest sistem permitea notația grafică a modelării structurii și
comportamentului sistemului. Această aplicație a fost dezvoltată în cadrul cercetarea
pentru Hewlett Packard (?).
În 1998, succesul acestei cercetări a inspirat laboratorul DCN să înființeze o companie
având ca scop dezvoltarea unui software de simulare de nouă generație. În cursul
dezvoltării s-a pus accent pe metodele folosite: simulare, analiza performanței,
comportamentul sistemelor stohastice, optimizare și vizualizare. Noul software lansat în
2000 se baza pe cele mai noi realizări ale tehnologiei informației: o abordare orientată
spre obiect, elemente din limbajul standard UML, folosirea limbajului Java, un GUI
modern, etc.
Fig.1 Trei abordări ale simulării unei întreprinderi
Aplicația a fost numită AnyLogic, deoarece era compatibilă cu toate cele trei
binecunoscute abordări de modelare:
Dinamica sistemelor,
Simulare bazată pe evenimente discrete,
Modelare bazată pe agenți .
4
Orice combinație a acestor trei abordări în cadrul unui singur model.. Prima versiune
AnyLogic a fost AnyLogic 4, deoarece numerotarea a fost continuată de la COVERS
3.0.
Apariția AnyLogic 5 în 2003 a reprezentat un mare pas înainte. Se axa pe simularea
întreprinderilor din următoarele domenii:
Marketing și concurență,
Sănătate publică ,
Industrie,
Rețele de aprovizionare ,
Logistică,
Piața de retail,
Procese de producție,
Dinamică socială și de ecosistem,
Apărare,
Managementul proiectelor și al achizițiilor,
Infrastructră IT,
Dinamica fluxului de persoane și simularea traficului [14]
,
Industria aeronautică.
Industria fotovoltaică
Cea mai recentă versiune, AnyLogic 6, a fost lansată în 2007. Platforma pentru mediul de
dezvoltare al modelelor AnyLogic 6 este Eclipse. AnyLogic 6 este un software de
simulare de tipmultiplatformă deoarece rulează pe Windows, Mac OS and Linux.
AnyLogic - singurul instrument de modelare imitationala (MI) care sprijina
toatedemersurile pentru crearea de modele de simulare: un proces orientat (eveniment
discret), sistem dinamic și agent, precum și orice combinație a acestora. Unicitatea,
flexibilitatea și puterea unui limbaj de modelare AnyLogic permite sa ia în considerare
orice aspect al sistemului simulat, la orice nivel de detaliere. Interfața grafica AnyLogic,
instrumentele și bibliotecile permit de a crea rapid modele pentru o gama larga de
aplicatii de simulare de producție, logistica, modele de proces de afaceri pentru
dezvoltarea strategica a companiei și a piețelor. Posibilitatile instrumentului AnyLogic:
-permite posibilitatea de utilizare a modelelor deja existente precum si crearea
modelelor proprii.
-dezvoltare modelelor bazate pe agenți, dinamica sistemului, evenimente discrete si
continue precum si modele dinamice de sistemîn orice combinație.
-AnyLogic sprijina integrarea perfecta asimularilor discreteși continue.
-mediul Java suporta extensibilitate nelimitata, incluzînd codul personalizat,
bibliotecile, precum și alte surse de date externe.
-include abilitatea de a crea animații interactive pentru a îmbunatați vizibilitatea
unor modele.
AnyLogic permite simplificarea esentiala a procesului de elaborare a modelelor si
analiza acestora. Instrumentul de programare reprezinta conceptul deobiect – orientat.
5
Mediul grafic de modelare AnyLogic sustine etapele de:
-proiectare,
-elaborare,
-documentare a modelului,
-efectuarea experientelor de calcul computerizat si,
-diferite forme de analiza – de la analiza sensibilitatii pîina la optimizarea
parametrilor modelului în conformitate cu oarecare criterii.
1.2. AnyLogic și Java
AnyLogic cuprinde un limbaj de modelare grafică și de asemenea permite utilizatorului
extinderea modelelor de simulare folosind cod Java. Caraterul Java al aplicației
AnyLogic avantajează atât specificarea extensiilor modelelor prin codare Java, cât și
crearea de applet-uri Java, care pot fi deschise în orice browser obișnuit. Aceste applet-
uri facilitează împărtășirea și plasarea modelelor AnyLogic pe pagini web. Versiunea
Professional permite pe lângă applet-uri Java și crearea de aplicații Java de sine
stătătoare, care pot fi distribuite utilizatorilor. Aceste aplicații Java pot constitui baza
pentru aplicații de suport al deciziilor.
Fig.2 Modelarea simulărilor de tip multi - metodă
În ce măsură corespund abordările de simulare nivelului de abstractizare
Modelele AnyLogic pot fi bazate pe oricare din principalele paradigme de modelare a
simulării: cu evenimente discrete sau orientată pe proces (DE), bazată pe dinamica
sistemelor (SD) și bazată pe agenți (AB).
Simularea bazată pe dinamică de sistem și cea cu evenimente discrete sunt abordări
tradiționale de simulare, cea bazată pe agenți este nouă. Practic, abordarea bazată pe
dinamica de sistem este orientată în special spre procese continue, în timp ce modelele
sistemelor “cu evenimente discrete” (prin care se înțeleg toți descendenții GPSS,
cunoscută și sub denumirea de abordare orientată pe procesul de simulare) și bazate pe
agenți, operează îndeosebi în timp discret, ca de ex. sar de la un eveniment la celălalt.
Simularea bazată pe dinamica sistemelor și cea cu evenimente discrete au fost predate în
cadrul universităților unor grupuri foarte diferite de studenți, și anume ingineri
6
de management și economie, industrial și de cercetare operațională. Astfel, s-au conturat
două comunități distincte de specialiști care nu comunică niciodată între ele.
Modelarea bazată pe agenți era până de curând considerată un subiect pur academic. Cu
toate acestea, cererea tot mai mare pentru optimizarea globală a întreprinderilor a
determinat modelatori importanți să se orienteze spre abordări combinate, pentru o mai
bună înțelegere a proceselor interdependente complexe, care pot avea caracteristici foarte
diferite.
În ce măsură corespund abordările de modelare nivelului de abstractizare. Modelarea
bazată pe dinamica sistemelor, ocupându-se cu agregate, se folosește în mod evident la
cel mai înalt nivel de abstractizare. Modelarea cu evenimente discrete se folosește la
nivel scăzut până la mediu de abstractizare. În ceea ce privește modelarea bazată pe
agenți, această tehnologie este folosită la toate nivelurile de abstractizare, iar agentul
poate modela obiecte de naturi și mărimi diverse : la nivel “fizic“ agenții pot fi de ex.
trecători, autovehicule sau roboți, la nivel mediu – clienți, la cel mai înalt nivel –
companii concurente.
AnyLogic permite modelatorului să combine aceste abordări de simulare în cadrul
aceluiași model. Nu există o ierarhie prestabilită. Astfel, de exemplu, se poate crea
modelul unei industrii de transport de marfa, unde transportatorii sunt modelati ca agenți,
care acționează și reacționeză independent. În același timp funcționarea internă a
transportului și infrastructura retelelor lor poate fi modelată cu o simulare folosind
evenimente discrete. Asemănător, se pot modela consumatorii ca agenți, al căror
comportament agregat alimentează un model de dinamică de sistem, captând fluxuri
precum încasări sau cheltuieli, care nu trebuie legate individual de agenți. Abordarea
limbajului combinat este aplicabilă direct în cazul unei arii largi de probleme complexe
de modelare, care pot fi modelate cu una din oricare dintre abordări, deși cu
compromisuri.
1.3. AnyLogic ca limbaj de simulare
7
Fig.3 Constructii de simulare bazate pe limbajul de modelare AnyLogic
Limbajul de simulare AnyLogic este alcătuit din următoarele elemente:
Diagramele de stoc și de flux sunt folosite pentru modelarea dinamicii sistemelor.
Diagramele de stare sunt folosite mai ales la modelarea bazată pe agenți pentru a
defini comportamentul agenților. Se folosesc de asemenea la modelarea cu
evenimente discrete, de ex. pentru a simula avaria mașinilor.
Diagramele de activitate se folosesc pentru definirea algoritmilor. Pot fi folosite la
modelarea cu evenimente discrete, de ex. pentru direcționarea apelurilor, sau în
modelarea bazată pe agent, de ex. pentru logica de decizie a agenților.
Diagramele de flux de proces sunt construcția de bază folosită pentru definirea
proceselor în cazul modelării cu evenimente discrete. Privind această diagramă de
flux putem observa de ce abordarea cu evenimente discrete este adesea numită
orientată pe proces.
Limbajul include de asemenea: construcții de modelare de nivel scăzut (variabile, ecuații,
parametri, evenimente, etc.), figuri pentru animație (linii, elipse, etc.) modalități de
analiză (seturi de date, histograme, diagrame), aplicații de conectivitate, imagini standard
și structuri de experiment.
1.4. Librării AnyLogic
AnyLogic cuprinde următoarele librării standard:
Enterprise Library a fost proiectată pentru a sprijini simularea DE în domenii
precum industrie, rețele de aprovizionare, logistică și sănătate publică. Folosind
obiectele Enterprise Library se pot modela sisteme reale sub formă de entități
(tranzacții, clienți, produse, componente, vehicule, etc.), procese (secvențe de
operațiuni care în mod caracteristic implică șiruri de așteptare, întârzieri, utizare de
resurse) și resurse. Procesele sunt specificate sub formă de diagrame de flux.
Pedestrian Library este dedicată simulării fluxului de trecători într-un mediu “fizic”.
Permite crearea unor modele de clădiri intens circulate (precum stații de metrou,
puncte de control etc.) sau străzi (număr mare de trecători). Modelele permit
colectarea de statistici despre densitatea trecătorilor în diferite zone. Acest lucru
asigură o perfomanță satisfăcătoare a punctelor de lucru cu încărcătură ipotetică,
estimează durata de staționare în anumite zone și detectează eventuale probleme
legate de geometria internă - cum ar fi efectele adăugării prea multor obstacole – și
alte aplicații. În modelele create cu Pedestrian Library, trecătorii se mișcă în spațiu
continuu, reacționând atât la diferite tipuri de obstacole (pereți, zone diferite) cât și la
alți trecători. Trecătorii sunt simulați sub forma unor agenți care interacționează,
caracterizați prin comportament complex, însă AnyLogic Pedestrian Library oferă o
interfață de nivel mai ridicat pentru crearea rapidă a modelelor de trecători sub formă
de diagrame de flux.
8
Rail Yard Library permite modelarea, simularea și vizualizarea operațiunilor unei
căi ferate de orice complexitate și dimensiune. Acest model de cale ferată poate fi
combinat cu modele cu evenimente discrete sau bazate pe agent în funcție de:
încărcare și descărcare, alocarea resurselor, mentenanță, procese de producție și alte
activități de transport.
1.5. Simularea batailor inimii:
Este nevoie de simulat bataile inimii dupa formula dx/dt=(x-x3-b)/p si db/dt=x-x0 unde x
raza inimii, b variabila de timp, p parametru
1. Se deschide mediul de simulare AnyLogic si se formeaza un nou model
2. Interfata de lucru se imparte in mai multe zone
a. Zona ierarhica unde se prezinta ierarhia modelului nostrum
b. Zona grafica unde se construieste modelul
c. Paleta zona unde sunt atasate toate utilitele necesare
d. Zona de modificare a proprietatilor unde putem introduce denumiri a variabilelor
sau alte utilite introduce formule de lucru sa oforma o legatura intre grafice si
aceste variabile etc.
e. Zona de indicare a erorilor.
9
3. Din paleta in subdiviziunea dinamica sistemului tragem pe zona de lucru
entitatea in care vom introduce variabila x
In zona parametrilor denumim entitatea ca x introducem valoarea initiala x0
si introducemformula de lucru (x-x3-b)/p
4. In caz de necesitate putem introduce un comentariu, pentru asta intram in paleta in
subdiviziunea prezentare si alegem text. Daca dorim parametrii textului pot fi
modificati in zona parametrilor
Introducem variabila b careia ii atribuim valoarea initiala 0 si formula de lucru x –x0
si dupa aceia unim intre sine entitatile cu sageti
Introducem si valoarea initiala x0 careia ii atribuim valoarea normala 0.5 si
parametrul p cu valoarea normala 0.01
10
5. Pentru o vizualizare mai avansata introducem grafice pentru aceasta intram in paleta
in subdiviziunea statistica si alegem grafice de timp
Le tragem pe zona de lucru dupa care in zona parametrilor introducem valoarea pe
care o va prezenta
6. Pentru a vedea o evolutie in timp a sistemului putem introduce o imagine in zona de
lucru in zona parametrilor reprezentind dimensiunea figurii ca o functie de x
11
7. Pentru a vedea mai multe variatii posibile putem modifica parametrii in timpul
simularii de aceea alegem un slider careia ii atribuim parametrul p si intervalul lui de
variatie 0.01 la 0.5
8. Pentru a porni simularea apasam pe tasta Pornire si apare interfata de simulare pe
care apasam iarasi pornire
12
9. Acum putem vizualiza simularea batailor inimii si in caz ca dorim putem mari si
micsora viteza sistemului:
10. In caz ca nu sau introdus grafice putem vizualiza evolutia variabilelor in timp
facind clic pe entitati
13
1.6. Modelul matematic al deplasarii sângelui într-un vas sangvin izotropic elastic
Asupra procesului de raspindire a singelui in vasele de dimensiuni mari influenteaza 2
factori:
-elasticitatea peretilor vasculari
-rezistenta hidrodinamica a vaselor fata de fluxul sangvin care e determinat de viscozitate
si dimensiunile geometrice.
In acest model fluxul este privit ca o miscare pulsatila a singelui care este un lichid viscos
si se misca prin tuburi cu un diam de aprox 1 mm. Lichidul este incomprimabil. In
calitate de model matematic se propune model nestationar,cuazi-unidemensional prin
vase cu peretii elastici subtiri. In model trebuie respectata legea pastrarii masei si
impulsul lichidului in cazul dat avind singe.
Legea pastrarii masei: dSk/dt + d*(UK*Sk)/dx = fk(t,x,Sk, Uk, ri)
Legea pastrarii impulsui dUk/dt + d* (U2/2 + ρi/ρk)/dx = ψ(t,x,Sk, Uk, ri)
t- timpul
x- coordonata ( se ia din momentul inceperii vasului) ρ – densitatea g/cm2
k – nr. Vasului
Sk (x,t) – sectiunea transversala a vasului K intru-un moment de timp t intr-un punct x
UK(x,t) – viteza liniara medie a singelui pe o oarecare sectiune.
P (x,t) – presiunea singelui fata de cea atmosferica
fk – fluxul si refluxul de singe pentru a descrie situatii reale: pierderi de singe, transfuzii
de singe ψ – schimbarea impulsului sub actiunea factorilor exteriori, gravitatia, undele
acustice s.a.
ri – parametru ce descrie actiunea factorului i asupra vasului K.
Elasticitatea se descrie prin ecuatia de stare care determina sectiunea transversala fata de
presiune in vas. 3.Pk-Pk*= ρck2fk(Sk)
Ck – viteza raspindirii perturbatillor in vasul K
14
Pk* - presiunea exercitata de tesutul care inconjoara vasul
fk (Sk) = exp Sk/Sk0 -1) -1, Sk>SK0ln (Sk/Sk0), Sk<=Sk0
Sk0 – sectiunea transversala a vasului pe durata ciclului cardiac
Dezavatanjele acestui model:
Utilizarea a multor factori care determina proprietatile fizico-mecanice si de structura a
vaselor: dimensiunile geometrice, coef. de elasticitate, coef. hidrodinamicii, topologia
retelei de vas si variabilitatea mai multor parametri care depinde de genul persoanei,
virsta, mediul inconjurator, activitatea fizica s.a.
Pentri modelul propus au fost obtinute rezultate experimentale si rezultate numerice,
comparativ admisibile pt a fi utilizate in practica.
Schema generala a patului vascular
Gruparea capilarelor în serie
Rserie - echivalent = R1 + R2 + R3 = 0,3
iar în cazul gruparii paralel: 1/Rserie - echivalent =1/ R1 + 1/ R2 +1/ R3 =3/0,1=>
Rparalel - echivalent =0,033
Se observa ca rezistenta echivalenta la curgerea în paralel este mult mai mica decât
în cazul serie.
15
Gruparea capilarelor în paralel
Prin urmare, desi are loc o ramificare din ce în ce mai complexa a vaselor de
sânge, cu cresterea sectiunii transversale a patului vascular (sectiunea totala a capilarelor
fiind de cca. 750 de ori mai mare decât aria sectiunii transversale a aortei), rezistenta la
înaintare a sângelui scade, viteza de curgere fiind invers proportionala cu suprafata
sectiunii vasului.
Legea lui Laplace stabileste ce calibru va avea vasul de sânge, care se comporta ca
o membrana elastica de forma cilindrica, atunci când sângele are o anumita presiune.
Tensiunea T depinde de structura peretelui vasului sanguin.
Legea lui Laplace se scrie matematic astfel : Dp=T/R, unde p este presiunea
arteriala, T este tensiunea exercitata de sânge asupra peretilor arteriali iar R este raza
arterei. Se observa ca pentru o diferenta de presiune data Dp, tensiunea în vas T depinde
de raza. Pentru aceeasi presiune de distensie rezistenta peretilor vasculari este invers
proportionala cu raza vasului de sânge.
1.7. Modele de simulare in AnyLogic
Pentru a crește eficiența instituțiilor medicale putem utiliza tehnici de rezolvare a
problemelor. De exemplu , cum trebuie să fie plasate camerele într -un spital , pentru a
minimiza timpul de deplasare între ele. Sau pentru a analiza eficiența resurselor- cheie :
medici si asistente medicale. Luind în considerare procesul de efectuare a procedurilor în
vederea identificării blocajelor , de a optimiza echipamentele de încărcare . Pentru a face
față acestor provocări necesită o analiză detaliată și experimente care spitalele descărcate
nu își pot permite . Modelarea, simularea oferă o gamă largă de opțiuni pentru rezolvarea
unor astfel de probleme în domeniul medical și farmaceutic fără a fi nevoie de
experimente costisitoare și obositoare în viața reală . Folosind simularea, poate fi rapid și
ușor de redat o varietate de situații pe un ecran de computer . Cel mai important, în
timpul experimentului de simulare niciunul dintr pacienți suferă .
1.6.1 Agent bazat pe model epidemic
Acesta este un model bazat pe un agent de răspândire de boli contagioase .
16
* Avem în vedere o populație de 10000 de oameni . Ei trăiesc în zona de 10 pe10 km și
sunt uniform răspânditi în jurul zonei respective .
* O persoană știe toată lumea care trăiește in raza de 1 km de el .
* Inițial 10 persoane aleatorii sunt bolnave și infecțioase , și toată lumea este sensibil ( nu
sunt imuni ) .
* Dacă o persoană infecțioasă intra in contact cu o persoana susceptibila , acesta din urmă
devine infectata cu probabilitatea de 0,1 .
* După ce a fost infectata , o persoana nu devine imediat infectioasa. Există o perioada de
latenta , care dureaza 3-6 zile.
Oamenii din perioada de latenta sunt numiti expusi .
*Durata bolii după perioada de latenta ( adică durata fazei infecțioase ) este distribuită
uniform între 7 și 15 zile.
* În faza infecțioasă o persoană în medie contacteaza cu 5 persoane pe zi .
* În cazul în care persoana își revine , el devine imun la boala , dar nu pentru totdeauna .
Imunitatea durează 2-3 luni.
Rezultatul modelului este numărul de persoane infecțioase a lungul timpului.
Structura terminologica și de ansamblu a acestei probleme este luata de la modelele
compartimentale în epidemiologie , și anume de la SEIR- Susceptible Exposed Infectious
Recovered. Problema SEIR este inițial rezolvată cu ajutorul ecuațiilor diferențiale ;
abordarea este aceeași ca și în dinamica sistemului. Cu toate acestea , sunt adăugate
detalii care nu sunt bine captate de modelul compartimental: spațiu și comunicarea
depinde de spațiu și durata de faza, distribuite uniform . Motivul din spatele utilizarea
agentului. Abordarea pe baza este naturalețea ei : să nu știm cum să obțină ecuații globale
pentru o anumită boală , dar știm cursul a bolii și poate modela cu ușurință la nivel
individual .
Putem varia parametrii modelului in timpul rularii și se poate urmări dinamica bolii.
Parametrii cei putem varia:
1. Durata latentei minima si maxima
2. Numarul de persoate infectate initial minim si maxim
3. Numarul de personae imune minim si maxim
4. Probabilitatea de infectare la contact
5. Numarul de contacte pe zi
17
Si ca rezultat putem analiza dinamica raspindirii bolii infectioase:
Ca rezultat efectuind analiza a situatiei epidimiologice a 10000 de persoane intr-o
localitate putem observa ca numarul de infectati este intr-o permanenta fluctuatie ca
rezultat al pierderii imunitatii persoanei.
1.6.2. Boli cardiovasculare
Acest model se concentreaza asupra bolilor cardiovasculare și relațiile sale de speranța
de viață. Costa dintr-un grup de 1000 de pacienti, este simulat pentru o 100 de ani. Toti
pacientii încep de la varsta de 0 ani. În fiecare an, fiecare pacient poate muri, avea un IM,
un accident vascular cerebral, sau nu au nici un eveniment. Probabilitatea de a muri
depinde IM a individului de existent unui accident vascular cerebral. Probabilitățile de
IM și accident vascular depend de individ, care este distribuit aleatoriu in grup. Fiecare
eveniment (deces, IM, accident vascular cerebral), are un cost eveniment asociat. În plus,
IM si accidentul vascular cerebral, de asemenea, costul de fundal se adaugă în fiecare an
dupa ce un pacient are evenimentul corespunzător. Statisticile speranței de viață, IM și
distribuțiile de vârstă, accidentele vasculare cerebrale si costul total acumulat este afișat
în timp ce modelul este în funcțiune.
18
Dupa cum se observa putem analiza si istoria evolutiei bolilor cardiovasculare la fiecare
pacient in parte
Ca parametru nu putem modifica nimic in acest sistem insa putem analiza rezultatele
speranta de viata, primul infarct miocardic, primul accident vascular cerebral, evolutia
bolilor in societate.
Concluzie: Mediul de simulare Any Logic ne permite sa simulam diferite procese atit
biologice cit si din alte domenii tinind cont de procesele ce au loc in modelul dat,
interdependenta intre aceste procese si principalul este descrierea matematica a lor
Lucrarea nr. 2
2. Mediul de modelare BioUML
2.1. Introducere
BioUML este o platforma software open-source pentru analiza datelor științifice despre
om, cercetare și ale biologiei computationale avansate dezvoltate de oamenii de stiinta de
la Institutul de Sisteme de Biologie din Novosibirsk, Rusia. Platforma este disponibila
gratuit on-line și utilizate în laboratoare de cercetare - mai ales în instituțiile academice -
pentru descoperirea originilor si Prevenirea Bolilor. Există o versiune comerciala
disponibila de la firma germană bioinformatica geneXplain, care are unele caracteristici
adăugate.
Din punct de vedere al utilizatorului BioUML este un banc de lucru al utilizatorului
mediu , care se întinde intr-o gama completă de capabilități , inclusiv acces la baze de
date cu date experimentale , instrumente pentru descrierea formală a structurii și
funcționării sistemelor biologice , precum și instrumente pentru vizualizarea lor, este
integrat simulare , parametrii de montaj și analize ( Figura 1.1 ) .
19
Fig. 4 BioUML banc de lucru - modelul ciclului celular vizualizare și simulare
2.2. Conceptele principale și posibilitățile BioUML
2.2.1 Modelare visuala
Reconstrucție a sistemelor biologice complexe, de la o cantitate foarte mare de date
experimentale necesită un limbaj formal care poate fi ușor înțeleasă atât de către om și
calculator .
Este cunoscut faptul ca reprezentare grafică a sistemului complex este cel mai potrivit
mod de înțelegere a structurii de catre om .
Această abordare este utilizat pe scară largă în inginerie și informatică . Câteva exemple
sunt :
• MATLAB / Simulink ( http://www.mathworks.com )
• AnyLogic ( http://www.xjtek.com ) - muli - metoda de software-ul de simulare
• UML ( http://www.omg.org/uml/ ) - cel mai cunoscut limba grafică pentru informatică .
O altă trăsătură distinctivă a BioUML este integrarea strânsă cu baze de date de pe cai
biologice , motoare de interogare, ce permite utilizatorului de a găsi interacțiunea
componentelor sistemului și de a arata rezultatele ca un grafic editabil .
20
Fig. 5 Flux de date în BioUML
2.2.2. Modelare Meta
Nucleul de BioUML este un meta - model. Acesta oferă un strat abstract ( grafic
compartimental de atribuite ) pentru descrierea formală completă de gama larga de
sisteme complexe biologice și alte . Conținutul de baze de date pe cai biologice , SBML (
Hucka M. și colab . , 2003 ) și CellML ( Lloyd CM et al., 2004) modele , precum si cai
biologice în format BioPAX pot fi exprimată în termeni de modelul meta și utilizate de
BioUML .
Această descriere formală poate fi folosit atat pentru reprezentare vizuală și de editare a
structurii sistemului biologic cit și pentru generarea de cod automatizat pentru a simula
un comportament model.
Meta - model de domeniu neutru ce împarte descrierea sistemului în trei niveluri
interconectate:
1 . Structura grafic - structura de sistem este descris ca grafic compartimentat ;
2 . nivelul bazei de date - fiecare element grafic poate conține trimitere la un obiect bază
de date ;
3 . Modelul matematic - orice element grafic poate fi element de model matematic .
21
Fig. 6 Sistem de două reacții chimice consecutive ( a) , descrierea oficială a acestuia ,
folosind trei niveluri de modelul meta ( b ) , și care corespunde modelului matematic ( c )
, care pot fi generate automat pentru simulari de sistem .
2.2.3 Diagrama de tip
Tipul de diagramă definește :
tipuri de componente biologice și interacțiunile lor, care pot fi afișate pe diagrama ;
vedere diagrama constructor - se generează o vizualizare ( imagine ) pentru fiecare
element grafic, luând în considerare particularitățile domeniului problemei .
controler semantic - asigură integritatea semantică a diagramei în timpul editării
sale .
Diagrama de tip poate fi definit ( creat) pe două căi :
1 . programatic - ca de clasa Java punerea în aplicare interfață specială . Exista 5 tipuri
predefinite de diagrame care permite pentru a descrie sistemele biologice complexe la
nivel celular cu un nivel diferit de detalii și formalitate ;
2 . declarativ - ca document XML . BioUML oferă Graphic Notation Editor care permite
utilizatorului avansat de a crea și edita tipuri de diagrame
22
Fig. 7 Exemplu de diagramă generate de BioUML banc de lucru , utilizând notația
grafică KEGG .
2.2.4 Motor de simulare
BioUML oferă două motoare de simulare alternative :
1 ) motor de simulare Java - pe care le generează în mod automat și compilează codul
Java pe baza modelului vizual ( diagrama ) de un sistem biologic . Pentru simulare am
adoptat bibliotecă odeToJava, care oferă metode de soluții numerice ambele sisteme
rigide și non- rigide de ode . Pentru rezolvarea ecuațiilor algebrice este folosit Newton
Solver .
2 ) motor de simulare MATLAB - genereaza automat cod pentru MATLAB și invocă
MATLABengine pentru a simula un comportament model de folosind JMatlink
bibliotecă
Principalele componente ale motorului de simulare sunt : generator de cod , procesor
formule , ecuatii algebrice Solver și rezultatele scriitor . BioUML oferă procesor puternic
formulă care analizează textul și expresii MathML , rezultatul este prezentat ca arbore de
23
sintaxă și utilizate de formatare pentru a genera corespunzătoar codul Java pentru Matlab
( Figura 1.5 ) .
Fig. 8 Analiză și conversii de expresii matematice de motor de simulare .
2.2.5 Baza de date
Modelarea sistemelor biologice necesită o integrare strânsă cu datele experimentale .
Caracteristica distinctivă a BioUML este integrarea strânsă cu bazele de date biologice .
În acest scop, vom introduce conceptul de tip de bază de date .
Tipul de date definește:
• tipuri de date ( gena , proteine , ARN , substanță , reacție , etc ), care sunt stocate în
baza de date ;
• cartografiere a conținutului bazei de date în elemente diagrama și tipuri de diagrame
care pot fi folosite cu baza de date ;
• Tipuri de diagrame care pot fi utilizate pentru a prezenta conținutul bazei de date ca un
set de diagrame .
• motor interogare pentru a găsi interacțiunea componentelor sistemului . Rezultatele
căutării pot fi afișate ca grafic și editat de către utilizator .
1.6 motorului de căutare
BioUML oferă 3 tipuri de motoare de căutare pentru lucrul cu baze de date :
• căutare de date ( filtru ) - acest motor de căutare hărți conținutul bazei de date în obiecte
Java și filtrează aceste obiecte Java conform condiție de filtrare pentru fiecare proprietate
, de exemplu name = " TP53 ".
24
• Căutare text integral - motorul de căutare folosește Lucene totală a motorului de căutare
de text . În acest scop, conținutul bazei de date este , de asemenea, mapate în obiecte Java
și apoi aceste obiecte Java sunt indexate de Lucene . Datorită utilizării index acest motor
de căutare este mult mai rapid decât de căutare de date , folosind filtre .
• căutare grafic - acest motor de căutare găsește interacțiunea componentelor și afișează
rezultatul ca un grafic editabil .
Fig. 9 Dialog de căutare de date pentru KEGG / compus , panoul din stânga - rezultate
cautare , panoul de top dreapta - condiții de filtrare , panoul din dreapta jos - descriere
detaliată a substanței selectate în tabel.
de actualizare specificată .
Modelarea sistemelor biologice necesită o integrare strânsă cu datele experimentale .
Caracteristica distinctivă a BioUML este integrarea strânsă cu bazele de date biologice .
Baza de date poate fi instalata local sau pot fi accesate prin internet de pe server BioUML
. Serverul BioUML suporta acces securizat la bazele de date . Administratorul serverului
poate configura setările de securitate pentru accesul la fiecare bază de date instalata pe
server . Informații în cazul în care baza de date este instalat ( local sau pe partea de server
), precum și cu privire la disponibilitatea sa este afișat folosind pictograme diferite (
Figura 9) .
25
Fig. 9
• culoare albastru - bază de date instalata local , accesibil pentru citire și scriere ;
• galben - bază de date la distanță, publice , de accesibilitate pentru citire și scriere este
specificat de cercetare și scrisorile W ;
• culoare roșie - protejat la distanță de baze de date , utilizatorul trebuie să se logheze
pentru a avea acces la baza de date , accesibilitatea pentru citire și scriere este specificata
de cercetare și scrisorile W ;
• Culoarea verde - bază de date protejată la distanță , utilizatorul conectat cu succes,
accesibilitate pentru citire și scriere este specificat de cercetare și scrisorile W ;
de baze de date la distanță publică , necesită log - in pentru scris la distanță protejate
citit doar de baze de date , necesită conectați pentru a citi baza de date protejate de la
26
distanță , necesită conectați pentru citirea și scrierea Figura 3.1 . Pictograme pentru baze
de date locale și de la distanță .
2.2.5.1 Interfața cu utilizatorul
Interfața cu utilizatorul de acces la bazele de date este format din :
• panou de depozit care arată conținutul bazei de date ( Figura 3.1 , de sus ) ;
• inspector de proprietate care afișează informații despre nodul selectat în panoul de
depozit. Inspector file are 2 proprietati:
vedere - afișează informații despre nodul selectat în panoul de depozit ca HTML de
text o editare - permite unui utilizator pentru a edita informațiile despre nodul selectat
• motoare de căutare - 3 tipuri de motoare de căutare pot fi utilizate de lucru cu baze de
date : căutare de date de stare de filtrare , căutare în text complet și de căutare grafic
pentru
• dialog baza de date de încărcare - ajuta un utilizator pentru a configura conexiunea de
BioUML banc de lucru cu serverul BioUML pentru acces la baze de date de la distanță .
Dialoguri de baze de date de sarcină ( Figura 3.1 ) ajută un utilizator pentru a configura
conexiunea de la BioUML cu serverul BioUML pentru acces la baze de date de la
distanță . Expertul de configurare , baze de date de încărcare oferă aceeași interfață de
utilizator .
Din punct de vedere a utilizatorului baza de date de la distanță instalata pe partea de
server arata similar cu bazele de date instalate la nivel local , astfel încât am putea numi
acest proces în calitate de instalare sau de încărcare a bazelor de date de la distanță .
Pentru a instala baze de date la distanță folosind dialog de baze de date de încărcare
1 . Selectați din meniul de date > Load element de date . Dialog de baze de date de
sarcină va fi deschis ( Figura 3.2 ) .
2 . Specifica URL-ul Server pentru conexiunea cu serverul BioUML sau puteți utiliza
serverul implicit BioUML .
3 . Introduceți numele de utilizator și parola pentru autorizare de server ( folositi valori
goale pentru conectare oaspete)
4 . Faceți clic pe butonul Find baze de date . Toate bazele de date instalate pe serverul
BioUML specificat vor fi afișate în masă bazele de date disponibile . Coloanele tabelului
sunt :
Numele bazei de date de server - numele bazei de date de pe server BioUML
Numele bazei de date client - numele bazei de date modul în care va fi afișat în copac
depozit . De nume bază de date implicit pe partea de client este la fel ca pe partea de
server , cu toate acestea un utilizator se poate schimba . De exemplu, utilizatorul poate
adăuga versiunea de bază de date sau server denume ca sufixul .
27
Disponibilitate - descrie disponibilitatea bazei de date :
o publice - baze de date este la dispoziția publicului pentru citire și scriere ; o publice ,
doar pentru citire - baza de date este la dispoziția publicului pentru a citi doar , o citire
publică , protejat la scriere - baza de date este la dispoziția publicului pentru citire , de
scriere utilizatorul trebuie să acceseze în doar , o protejată - utilizatorul trebuie să
conectați pentru a citi / scrie informații din baza de date , o protejată , doar pentru citire -
utilizatorul trebuie să autentifici pentru a avea acces la baza de date , doar pentru citire
Tipul de acces - fie " link " ( baze de date vor fi legate și accesate de la distanță ), sau
"copie" ( baze de date vor fi copiate de pe server și accesate la nivel local )
5 . Pentru a obține informații cu privire la o bază de date : o selectați baza de date în tabel
făcând clic pe corespunzătoare brut ; o presă Ia baza de date butonul Info , o informare cu
privire la baza de date va fi afișat în panoul de mesaje ( Figura 3.3 ) .
6 . Selectați în Instalați bazele de date coloană pentru a fi instalate făcând clic pe caseta
de selectare corespunzătoare .
7 . Apăsați butonul Install . Informații despre procesul de instalare va fi afișat în panoul
de mesaje .
8 . Apăsați butonul Închidere pentru a închide caseta de dialog după instalarea cu succes
a bazelor de date de la distanță .
Note :
1 . Baza de date poate fi instalat doar o dată . Dacă veți alege aceeași bază de date care
urmează să fie instalat din nou, va fi omisă și mesaj corespunzător va fi afișat în panoul
de mesaje , de exemplu :
AVERTIZA : Baza de date cu același nume există deja ( " Chebi " )
2 . Unele baze de date (baze de date complexe ) include informații de la alte baze de date
. În timpul instalării BioUML banc de lucru verifică automat astfel de dependențe și
sugerează pentru a instala baze de date necesare ( Figura 3.4 ) . Apăsați butonul OK
pentru a instala baze de date necesare prea .
3 . Unele baze de date poate solicita de plug -in-uri suplimentare, care nu sunt incluse în
mod implicit împărțire a BioUML banc de lucru .
Versiunea publică a BioUML banc de lucru nu include plug- in-uri pentru următoarele
baze de date :
TransPath ;
GeneNet .
28
Fig. 10 Dialog de baze de date de sarcină .
INFO :
Baza de date : Biopath
Versiune: 0.8.5
Upadate : 05.02.2009
Disponibilitate : citire publica , scriere protejata
Descriere : Descrierea testului pentru baze de date Biopath Statistici :
date :
celulă : 84
compartiment : 220
conceptului : 2388
gene : 442
literatură : 1533
proteine : 3561
reacție : 4838
29
raport : 25008
ARN : 38
substanță : 4894
Diagrame : 555
dicționare :
informații de baze de date : 30
de tip legătură : 2 specii : 9 unități : 2
Simulare : 2
Figura 3.3 . Exemplu de informații despre baza de date , care este prezentată în panoul de
mesaje .
Fig. 11 Dialog care arată dependență de baze de date instalate de la alții .
2.2.5.2 Baza de date de import
Extensii BioUML ofera import de baze de date din surse externe , cum ar fi BioPAX ,
fișiere OBO sau DASserver extern .
Fig. 12 Importa meniu bază de date externă .
Tipurile acceptate de surse :
• Import DAS ( furnizate de DAS plugin )
3.3.1 Import DAS
Acțiune import DAS permite crearea de noi baze de date în baza de date DAS - server
extern .
NOTĂ : Înainte de DAS importatoare verificați setările de server proxy în dialog
Preferințe BioUML
30
În dialog Import DAS introduceți numele de server DAS și baze de date de presă Gaseste
... buton . Lista disponibile sorces DAS vor fi afișate în tabelul de mai jos ( Figura 3.8 )
Fig. 13 Import de dialog DAS .
Puteți selecta surse DAS pe care doriți să instalați prin verificarea casetele de selectare
din coloana Install . Opțional, puteți specifica nume arbitrar de noi baze de date în baza
de date coloană nume Client . Puteți citi descrierea suplimentară de baze de date prin
apăsarea butonului informații de baze de date Ia în timp ce este selectat sursă . În cele din
urmă apăsați butonul Install pentru a instala surse selectate ca bazele de date BioUML .
Baze de date noi vor fi create și este disponibil de la copac depozit ( Figura 3.9 )
Fig. 14 Baza de date DAS deposit arbore .
2.2.5.3 Căutare Text
31
Căutare text oferă elemente de bază de date de căutare de domenii de elemente indexate .
În cele mai multe cazuri element poate fi găsit de nume , titlu , descriere și în alte
domenii specifice .
Panou de căutare în partea de jos a arborelui de baze de date este cel mai simplu mod de
a utiliza funcția de căutare . Selectați baza de date sau subcolecției în copac baze de date ,
introduceți șir de căutare în câmpul de text panoul de căutare și faceți clic pe butonul de
căutare pe panoul de căutare ( Figura 3.5 ) .
Fig. 15 Folosind panoul de căutare .
Concluzie: BioUML ne permite sa simulam diferite procese biologice tinind cont de
parametrii reali ai procesului, aceasta realizinduse prin conexiunea la baza de date sau
prin realizarea unei baze de date proprii.
Lucrare nr.3
3. Sisteme de modelare a circulatiei sangvine (Samara-dialog)
3.1. Introducere:
În biologie și medicină exista o tendință pronunțată spre utilizarea metodelor
matematice precise și tehnici de calcul pentru studiul proceselor care au loc în corpul
uman și , în special , unul dintre sistemele fiziologice majore -sistemul circulator . În
acest sens , de interes special este simularea numerica a proceselor de reglementare și
control în sistemul circulator , crearea de probleme matematice și software bazate pe
rezolvarea și sprijinul circulator artificial. Scopul său principal este de a găsi abordări în
construirea sistemelor reale și elementele de comandă de sprijin pentru sistemul
circulator artificial
3.2. Obiectul supus modelarii:
32
Obiectul model este simplificat ca sisteme de rezervoare circulare: ventriculului
stang al inimii ( HL ) , vas arterial din circulația sistemică ( AL ), rezervor capilar venos
a cercuitului mare ( VL ), ventriculul drept al inimii ( HR ), rezervor arterial pulmonar (
AR ), rezervor capilar-venos a circuitului mic ( VR ). Sistem de valva aortica,
tricupsidiană, mitral si artera pulmonara a oferi un flux unidirecțional de curent de sânge
prin vasele circuitului .
3.3. Scopul si destinatia programului:
Implementarea software a modelului matematic este destul de simplu de înțeles.
Prezența de descriere a parametrilor modelului, metodologia de modelare a diferitelor
patologii vă permite să utilizați implementarea software a modelului în scopuri de
instruire și demonstrații. În același scop, este utilizarea de grafică pe calculator la afișarea
procesului de modelare și identificare.
Prezentarea obiectului simulat ca un sistem de control permite setarea și realizarea
cu ajutorul unor modele matematice de diferite sarcini cu caracter de cercetare. În primul
rând, aceasta este problema clasica a sistemelor dinamice controlate: controlabilitate,
observabilitate, identificabil. Pe baza unui model matematic poate fi construit sisteme de
control reale și elemente de sprijin pentru sistemul circulator artificial.
Formularea și soluționarea problemei de identificare ne permite să definim un set
de parametri ai modelului a sistemului circulator de măsurători ale diferitelor curbe
fiziologice ale corpului uman real. Implementarea software a modelului ne permite să
monitorizam devierea parametrilor identificati la valorile lor normale. Acest lucru
permite utilizarea modelului și a procesului de implementare software pentru probleme
de diagnostic.
Dezvoltarea de o varietate de senzori non-invazivi, cu o interfață Bluetooth
wireless permite un model matematic al sistemului circulator pentru identificarea
parametrilor care reflectă starea atletului în timpul procesului de formare.
Dezvoltarea rapidă de mijloace non-invazive de măsurare a parametrilor de
activitate cardiovasculare, prin rețele locale wireless bazate pe Bluetooth, Wi-Fi și
dispozitive de comunicații mobile poate fi folosit un model matematic al sistemului
circulator ca nucleu al elementului "inteligente" pentru dezvoltarea de dispozitive de
management al sistemelor care sunt dezvoltate în cadrul programului "casa inteligentă ".
Aceste sunt stimulatoare cardiace intelectuale, pompe de insulina și alte dispozitive
similare cu feedback.
3.4. Modelul matematic:
33
Un model al sistemului circulator , baza pentru dezvoltarea a ceea ce este clasa de
modele propuse de profesorul V. Solodyannikovym. Caracteristica principală a acestei
clase este că aceste modele permit studiu ( modelul ) de oscilație ( în special periodice)
procese a obiectului simulat . Modelul este de auto - reglare , care reflectă proprietățile
homeostatice principale a sistemului circulator. Un model matematic al sistemului
circulator , o caracteristică de care este pe ciclul cardiac non - medie și posibilitatea de
simulare în timp real a proceselor oscilatorii neliniare .
Schema modelului:
Fig. 1 Reprezentarea schematica a modelului
Unde:
AV- supapa aortica
MV-supapa mitrala
PV-supapa arterei pulmonare
TV-supapa tricupsida
Rezervoare HL , AL , VL sunt în circulația sistemică , și HR , AR , VR - in circulatia
mica .
Parametrii numerici ce descriu rezervoarele nu sunt constante, dar sunt schimbate
sub influența semnalelor de control , care sunt la rândul lor formate din funcțiile de
măsurare ale vectorului de stare a sistemului . Astfel , se reușeste de obtinut un obiect pe
baza de bucle de feedback .
34
Conturul controlat de ejacularea spontana a continutul cavitatilor, pune în aplicare
principiul reglementării a debitului cardiac , în conformitate cu cunoscuta lege Frank -
Starling .
Conturul controlului neuro-umoral implementează interdependența multipla de
stări ale sistemului circulator , mediat de subsisteme nervoase si hormonale ale
organismului . Controlul în buclă sunt magnitudinea factorului neuro - umoral , care este
o expresie numerică din totalul de control a acțiunilor mecanismelor neuronale si
hormonale .
3.5. Submodele descrise:
3.5.1. Modelul schimbului de oxigen
Modelul este schimbul de oxigen în organism, nu este menit să descrie detaliat
acest proces biochimic complex , limitânduse la maximile valorilor numerice integrate .
La baza modelului schimbului de oxigen este conceptul de insuficienta de oxigen . Cu o
cantitate relativa a gradului datoriilor de oxigen DO2 poate fi descrisă ca o măsură a
concentrației de acid lactic și alte produse oxidate ale metabolismului în țesuturile
corpului . Putem apela chiar și la această cantitate factorul oboseală .
Parametrii de intrare ai modelului sunt valorii schimbul de oxigen de SpO2
saturație de sânge arterial , care caracterizează eficiența plămânilor , magnitudinea a
concentrației de hemoglobină din sânge și cantitatea de RO2 consumului de oxigen din
tesuturi ale corpului ( factorul de sarcină ) . Valoarea AO2 concentrația de oxigen din
saturația arteriala de oxigen din sângele arterial este proporțională cu concentrația de
hemoglobină și
(1)
în cazul în care coeficientul de proporționalitate CH are in vedere capacitatea
hemoglobinei de a ingloba oxigen.
Valoarea gO2 de livrare a oxigenului în țesuturi este proporționala cu fluxul
sanguin prin țesut și diferența în concentrațiile de oxigen al sângelui arterial și venos
(diferența de oxigen arterial - venos )
(2)
unde fluxul de sange prin tesuturi Q = Fij , i = AL, j = VL;
VO2 - concentrația de oxigen din sângele venos .
(3)
35
Rata de schimbare a datoriei de oxigen este proporțională cu diferența dintre consumul si
de livrare de oxigen :
(4)
unde A1 , A2 - parametrii numerici, determinati în mod empiric , DO2 - datoria de oxigen ,
care caracterizează nevoia nesatisfacuta acumulata de oxigen .
Modelarea se va efectua pentru o persoana cu urmatorii parametri:
Fig. 16 Parametrii individului supus modelarii
In urma modelarii parametrilor schimbului de oxigen ca insuficienta de oxigen si
cerinta de oxigen am primit urmatoarele grafice:
Fig. 17 Simularea parametrilor schimbului de oxigen (insuficienta de oxigen in ml
si consumul de oxigen in ml/s )
Trebuie de avut in vedere ca parametrii dati pot fi modificati:
36
Fig. 18 Modificarea parametrului de necesitate de oxygen
Dupa modificarea acestui parametru am obtinut deja noi grafice:
Fig. 19 Evolutia parametrilor dupa modificare
Parametrii metabolismului de oxigen si sensul lor:
He Continutul de hemoglobina in singe
SpO2 Saturatia singelui arterial
CH Capacitatea de oxigen a hemoglobinei
RO2 Intensitatea metabolismului oxigenului in tesuturile organismului
AO2 Cantitatea de oxigen in single arterial
VO2 Cantitatea de oxigen in single venos
AO2-VO2 Diferenta de oxigen intre single arterial si venos
DO2 Insuficienta de oxigen
gO2 Transportul de oxigen in tesuturile organismului
A1 Intensitatea totala a schimbului de substante
A2 Statutul functional al organismului
3.5.2. Modelul sistemului circulator:
Obiectul model este simplificat ca sisteme de rezervoare circulare: ventriculului
stang al inimii ( HL ) , vas arterial din circulația sistemică ( AL ), rezervor capilar venos
a cercuitului mare ( VL ), ventriculul drept al inimii ( HR ), rezervor arterial pulmonar (
AR ), rezervor capilar-venos a circuitului mic ( VR ). Sistem de valva aortica,
37
tricupsidiană, mitral si artera pulmonara a oferi un flux unidirecțional de curent de sânge
prin vasele circuitului .
Presiunea sangvina Pi în secțiunea i descrie următoarea relație Vi volumul de sange in
acest domeniu vascular :
(5)
În formula precedenta, cea mai mare parte modulul Gi descrie proprietățile de
rigiditatea a peretelui vascular , ωi - volumul neincordat a peretelui vascular . Valorile
flexibilitatii in volum și volumul netensionat caracterizează tonusul vaselor înșiși liniar
dependente de parametrii sistemului dinamic starea vectorul x și vectorului A :
(6)
Rata de variație a volumului de sânge Vi i - zona m apatului vascular este determinată de
diferența dintre fluxul de sânge de intrare și de ieșire , adică , nu există o ecuație
diferențială :
(7)
unde Fki -valoarea debitului de intrare , Fij -valoareadebitului de ieșire , k -indicele de
rezervoar " in amonte " , j - index al rezervorului " in aval "
Cantitatea de fluxul de sange in zona dintre Fij pe sectorul intre i si j este
determinatăde presiunea diferențială între aceste bazine:
(8)
Valorile de conductivitate Yij ale porțiunilor corespunzătoare ale patului vascular sunt
descrise în dependența neliniara generala privind starea vectorul x și vectorului A a
parametrilor de forma :
(9)
3.5.2.1. Modelul arterelor in circuitul mare:
Sistemul concretizat in relațiile ( 5 ) - ( 9 ), se poate implementa si la arterele din
circulatia mare ( rezervor AL ) .
Tensiunea arteriala PAL este descrisă de dependența de volumul de singe VAL in acest
sector :
(10)
În formula 10 flexibilitatea de volum GAL descrie proprietățile de rigiditate ale arterelor ,
ωAL - volumul netensionată a sectorului vascular. Valorile flexibilitatioi de volum și
volumul neincordat caracterizează tonusul vaselor de sange . În modelul nostru , aceste
valori sunt liniar dependente de factorul neuro - umoral γ :
38
(11)
(12)
Ecuația ( 11 ) exprimă faptul că o creștere a elasticitii a peretelui arterial prin creșterea
efectelor neuro - umorale , formula ( 12 ) exprimă faptul că are loc îngustarea arterelor
prin creșterea influențelor neuro - umorale .
Viteza de schimbare a volumului de sânge în artere VAL e determinată de diferența
de fluxul de sange de intrare și de ieșire , de exemplu , există o ecuație diferențială :
(13)
unde FHLAL - cantitatea de flux de sange prin valva aortica , FALVL = Q - cantitatea de
fluxul de sânge prin capilarele din circuitul mare .
Valorile fluxului sanguin și FALVL FHLAL sunt definite prin formulele ( 8)
Marimea conductivitatii YHLAL a sectorului valvei aortice este un parametru al
modelului , și anume , una din componentele parametrului vectorului A.
Fig. 20 Analiza parametrilor arteriali in circuitul mare (fluxul de singe prin supapa aortei
si presiunea in ventricolul sting)
3.5.2.2. Modelul arterelor in circuitul mic:
39
Sistemul concretizat in relațiile ( 5 ) - ( 9 ), se implementeaza si la arterele din circulatia
pulmonara ( rezervor AR ) .
Tensiunea arteriala PAR este descrisă de următorul - dependente de volumul de sânge VAR
pe acest sector :
(14)
În formula ( 10) flexibilitatea de volum GAR descrie proprietățile de rigiditate ale arterelor
, ωAR - volumul neincordat a sectorului vascular . Valorile flexibilitatii de volum și
volumul neincordat caracterizează tonusul vaselor de sange . În modelul nostru , aceste
valori sunt liniar dependent de factorul neuro - umoral γ :
(15)
(16)
Ecuația ( 15 ) exprimă faptul că are loc cresterea elasticitatii peretelui arterial cu
creșterea efectelor neuro-umorale , formula ( 16 ) exprimă faptul că are loc îngustarea
arterelor prin creșterea efectelor neuro-umorale .
Viteza de schimbare a volumului de sânge în artere VAR e determinată de diferența
de intrare și de ieșire a fluxului de sange , de exemplu , există o ecuație diferențială :
(17)
unde FHRAR - cantitatea de fluxul de sange prin valva pulmonara , FARVR - cantitatea de
fluxul de sânge prin capilarele din plamani .
Valorile fluxului sanguin și FARVR, FHRAR sunt definite prin formulele ( 8 ) .
Marimea conductivitatii YHRAR a sectorului valvei pulmonare este parametru al modelului
, și anume , una din componentele parametrului vectorului A.
40
Fig. 21 Analiza parametrilor arteriali in circuitul mic (fluxul de singe in artera pulmonara
si presiunea in artera pulmonara)
3.5.2.3. Modelul venelor in circuitul mare:
Sistemul concretizat in relațiile ( 5) - ( 9), poate fi implementat si la venele de la
circulația sistemică ( rezervor VL ) .
Sub presiunea venoasa PVL se referă la presiunea de intrare în atriul drept , care în
modelul nostru face parte din circuitul mare venos rezervorul VL . Această presiune este
suma dintre componenta vasculare , definită prin ( 5 ) , iar componenta PVL0 , definite
deactivitatea atrială :
(18)
În formula ( 18 ) descrie flexibilitatea in volum GVL descrie proprietățile de rigiditate ale
peretilor venosi , ωVL - volumul neincordat a sectorului a patului vascular . Valorile
flexibilitatii de volum și volumul neincordat caracterizează tonusul a venelor . În modelul
nostru , valoare GVL este linear dependent de factorul γ neuro - umoral , iar valoarea
ωVL e un parametru
(19)
Ecuația ( 19 ) exprimă faptul că are loc creșterea elasticității peretelui venos cu o creștere
a influențelor neuro - umorale .
Pentru volumul de sânge VVL în modelul nostru este scris ecuația algebrică a balanței de
volume :
(20)
41
unde W -volumul total al sângelui în sistemul circulator , iar sumele rămase sunt
determinate de ecuații diferențiale ( 7 ) .
(21)
Conductivitatea zonei considerate a apatului vascular în modelul nostru este exprimată
prinecuația :
(22)
Membrul A6PVL în ecuația ( 22 ) exprimă dependența de conductivitate a tensiunii
arteriale venoase care : creștere de presiune provoacă expansiunea lumenului venelor ,
crescând astfel conductivitatea . Membrul A7RO2 exprimă un fapt cunoscut venos funcția
de pompare muschilor scheletici in lucru . Muschii in lucru sunt un factor suplimentar de
accelerare a fluxului de sange venos .
Fig. 22 Analiza parametrilor venosi a circuitului mare (Presiunea minimala si maximala
in circuitul sistemic venos )
3.5.2.4. Modelul venelor in circuitul mic
Sistemul concretizat de relațiile ( 5 ) - ( 9 ), se poate implementa si la venele din
circulatia pulmonara ( rezervor VR ) . Sub
presiunea venoasa PVR se referă la presiunea de intrare în atriul stâng , care in modelul
nostru face parte din rezervorul venos al circuitului mic VR. Această presiune este suma
dintre componenta vasculare , definită prin ( 5 ) , precum și componentele PVR0 ,
determinată de activitatea atriului :
(23)
În formula ( 23 ), flexibilitatea de volum GVR descrie proprietățile de rigiditate ale
peretilor venosi , ωVR - volumul neincordat a sectorului a patului vascular . Valorile
42
flexibilitatii de volum și volumul neincordat caracterizează tonusul venelor . În modelul
nostru ,valoarea GVR este liniar dependenta de factorul γ neuro - umoral, iar valoarea
parametrului ωVR este
(24)
Ecuația ( 24 ) exprimă faptul că are loc o creștere a elasticității peretelui venos cu o
creștere a influențelor neuro - umorale .
Pentru VVR volumul de sânge înregistrat în modelul ecuației diferențiale stocate ( variantă
a formulei ( 7 ) )
(25)
Debitul din atriul stâng în ventriculul stâng prin valva mitrală :
(26)
Conductivitatea zonei considerata a apatului vascular în modelul nostru este exprimată
prin ecuația :
(27)
Membru A16PVR în ecuația ( 27 ) exprimă dependența de conductivitate a tensiunii
arteriale venoase care : la creșterea presiunii provoacă expansiunea lumenului venelor ,
crescând astfel conductivitatea . În ecuația ( 27 ) nu există nici un termen analog cu "
mușchi " A7RO2 membru în ecuația ( 22) pentru conductivitate a venelor din circuitul
mare .
Fig. 23 Analiza parametrilor venosi ai circuitului mic (presiunea in venele pulmonare si
presiunea medie in venele ciruitului mic)
3.5.2.5. Modelul capilarelor in circuitul mare:
43
În modelul capilarelor in circuitul mare nu sunt alocate la un rezervor separat . Volumul
de sânge în capilare este inclus in rezervorul venos VL. Capilarul de sânge are un debit
Q = FALVL conform ( 8) este descris de o dependență liniară de diferența dintre presiunea
în artere și PAL presiunea PVL în venă de :
(28)
Conductivitatea zonei considerate apatului vascular în modelul nostru este exprimată
prin ecuația :
(29)
Membrul A4DO2 în ecuația ( 29 ) exprimă mathematic ipoteza unei dependențe pozitive
de conductivitate a capilarelor a nivelului de nevoia nesatisfăcută de oxigen Membrul A3γ
exprimă fenomenul de vasoconstricție , cu o creștere a efectelor simpatice , ceea ce duce
la creșterea rezistenței periferice .
Fig. 24 Parametrul capilarilor circuitului mare ( Rezistenta capilarelor in circuitul
sistemic periferic )
3.5.2.6. Modelul capilarelor in circuitul mic:
În modelul nostru de capilare pulmonare nu sunt alocate la un rezervor separat . Volumul
de sânge în capilare este inclus in rezervorul venos VR . Capilarele de sânge cu debitul q
= FARVR conform ( 8 ) este descris de o dependență liniară de diferența dintre presiunea în
artere PAR si presiune PVR în vene de :
(30)
Conductivitatea zonei considerate a apatului vascular în modelul nostru este exprimată
prin ecuația :
(31)
Membru al A14DO2 în ecuația ( 31 ) exprimă mathematic ipoteza unei dependențe
pozitive de conductivitate la nivelul pulmonar a capilarelor de nevoia nesatisfăcută de
oxigen . Membrul A13γ exprimă vasoconstricția pulmonara fenomen prin creșterea
efectelor simpatice , ceea ce duce la o creștere a rezistenței vasculare periferice . Fapt
44
cunoscut vasele mici ale plamanilor în funcție de influențele simpatic - adrenalina și-a
exprimat o valoare semnificativ mai mică față de aceeași parametru A13 la A3 capilarelor
in circuitul mare în ( 29 ) .
Fig. 25 Analiza parametrilor capilarelor in circuitul mic
3.5.3. Parametri sistemului circulator si sensul lor:
Artere:
PAL Presiunea in artere in circuitul mare
PAR Presiunea in artere in circuitul mic
VAL Volumul de singe in arterele circuitului mare
VAR Volumul de singe in arterele circuitului mic
GAL0 Flexibilitatea de baza a arterelor circuitului mare
A9 Tonusul arterelor circuitului mare
ωAL0 Volumul neincordat al arterelor circuitului mare
A8 Sensibilitatea simpatica a arterelor circuitului mare
YHLAL Conductivitatea arterelor circuitului mare
GAR0 Flexibilitatea de baza a arterelor circuitului mic
A19 Tonusul arterelor circuitului mic
ωAR0 Volumul neincordat al arterelor circuitului mic
A18 Sensibilitatea simpatica a arterelor circuitului mic
YHRAR Conductivitatea arterelor circuitului mic
Vene:
PVL Presiunea in venele circuitului mare
PVR Presiunea in venele circuitului mic
VVL Volumul de singe in vene a circuitului mare
45
VVR Volumul de singe in vene a circuitului mic
YVLHR0 Conductivitatea de baza a venelor circuitului mare
GVL0 Flexibilitatea de baza a venelor circuitului mare
ωVL Volumul neincordat al venelor in circuitul mare
A11 Tonusul venelor in circuitul mare
GVR0 Flexibilitatea de baza a venelor circuitului mic
A12 Tonusul venelor in circuitul mic
ωVR Volumul neincordat al venelor in circuitul mic
YVRHL0 Conductivitatea de baza a venelor circuitului mic
Capilare:
Q Fluxul de singe prin capilarele circuitului mare
q Fluxul de singe prin capilarele circuitului mic
YALVL0 Conductivitatea de baza a capilarelor circuitului mare
A3 Sensibilitatea simpatica a capilarelor circuitului mare
A4 Sensibilitatea de deficit de oxigen a capilarelor a circuitului mare
YARVR0 Conductivitatea de baza a capilarelor circuitului mic
A13 Sensibilitatea simpatica a capilarelor circuitului mic
Medicina la calculator:
Începând cu anul 1973 , împreună cu Institutul de Transplant și organe artificiale AMS
(director - academician V. I. Shumakov ) de la Universitatea de Stat din Samara , sub
conducerea profesorului I. V. Solodyannikov saa efectuat dezvoltarea de metode
matematice și software pentru modelare și identificare de hemodinamica în condiții
artificiale și auxiliare de circulație .
În special , au fost dezvoltate modelele și programele cu parametri de identificare a
diferitelor valve cardiace artificiale si au fost testate pe standuri hidrodinamice , un
număr de modele și programe de simulare și identificarea parametrilor organismului în
considerare , cum ar fi bucle de control neurohumorale si alte metabolismului țesutului .
Au efectuat numeroase teste medicale și tehnice de programe dezvoltate in moduri , cum
ar fi contrapulsație intraaortica , schimbări de sarcină , insuficiență cardiacă , hipoxie , etc
( Mai mult de 20 moduri ).
Conform măsurătorilor din corpul real sunt estimate ( identificate ) parametrii de
modelul său matematic . Cu parametrii modelului identificate pot studia comportarea
46
organismului în diferite moduri ( încărcătură fizică , insuficiența cardiacă , ateroscleroza ,
hipoxie , etc) . Modelul este utilizat în bucla de control și suportul circulator artificial , în
special pentru counterpulsatie intra- aortica . Set adecvat de programe implementate
pentru Windows. Folosind rezultate posibile în procesul de învățare , operatie pe cord , în
studiile fiziologice , studii de stres pe piloți , astronauți, sportivi , marinari , alpiniști , etc
Software dezvoltat și de măsurare complex de monitorizare și identificare a parametrilor
sistemului circulator al organismului uman presiune invazive în termeni reali de
resuscitare sau departament cardiosurgical .
Fig. 26 Măsurarea sistem complex bazat pe intrări analogice firmei E140 date " L - card
".
HUB - multicanal tensiune amplificator
S # 1 - S # 16 - senzori de presiune invazive .
Figura prezintă o diagramă de măsurare complexa, multi- tensiune și amplificator de
presiune invaziva senzori . Ca sursa de semnal analogic poate fi folosit nu numai senzori
de presiune arterială invazivă , dar și semnalele analogice de la alte dispozitive medicale .
47
Fig. 27 Senzor de presiune invaziva .
Este indicat de către S # 1 - S # 16 .
Pentru a se potrivi cu semnalele de ieșire ale dispozitivelor de măsurare și ADC Tensiune
de intrare E140 ar trebui să fie utilizat un dispozitiv special multi- canal ( eventual până
la 16 canale ), amplificator de tensiune cu o gamă de tensiuni de ieșire pe canale de ± 10
V.
Fig. 28 Amplificator de tensiune multicanal LA UN16 destinat să armonizeze
amplitudine variază de dispozitiv E140 și senzori .
Realizare - Programul tehnic al echipamentului de măsurare se bazează pe convertor
tensiune firma E140 L -Card analog -digital , care este proiectat pentru a masura curent
continuu și curent alternativ , precum și pentru intrare , ieșire și de prelucrare a
informațiilor analogice .
48
Fig. 29 Aspect modul E – 140
Modulul E140 este un software universal modern și un dispozitiv hardware pentru a fi
utilizat cu un USB standard și magistrală serială proiectat pentru introducerea sistemului
de măsurare multicanal , producția și procesarea de informații analogice și digitale , ca
parte din calculatoarele personale IBM compatibile . Acest modul poate fi considerat ca
dispozitiv suficient de compact și ieftin de colectare de date multi - canal .
Concluzie: In urma efectuarii lucrarii date de laborator am observat ca procesele
biologice pot fi simulate si prezise prin intermediul pachetelor de simulare si modelare,
acestea avind un mare plus ca nu necesita efectuarea experimentelor pe organisme, celule
si sisteme de organe in plus aceste simulari pot fi comprimate in timp returnind un
rezultat mult mai rapid ca in situatie reala.