 |
Упрощенная схема системы
кровообращения человека
|
Использование достижений компьютерного моделирования в интересах медицины — сфера для науки довольно привлекательная, однако, до сих пор вызывающая много споров: человеческий организм — механизм невероятно сложный и непредсказуемый, как все живое, он плохо поддается математике. В связи с чем возникает следующий вопрос: а возможно ли вообще сделать модель, адекватно описывающую его биологические процессы?
Сейчас в Японии, США и Европе
проводятся исследования, направленные на создание полной модели физиологии
человека.
На данный момент в проекте задействованы три известных модели
- сердечных сокращений
- долговременной почечной регуляции
- системы артериальных сосудов,
рассматривающие ССС человека с
различных сторон.
В первой из них она представлена
в виде замкнутой системы резервуаров, включающих в себя (в порядке следования
крови) сердце, вены, капилляры и артерии. Модель учитывает влияние кислородного
обмена в организме, а сердце в ней спроектировано как насос, переключающийся
между двумя состояниями — систолой (во время нее происходит выброс крови из
желудочка ) и диастолой (заполнение желудочка кровью).
Во второй показано, как на
процесс кровообращения влияет почка. Немногие знают, что этот орган имеет
большое значение для ССС — он регулирует объем и состав жидкости в организме, а
значит, воздействует на артериальное давление. Помимо этого, с помощью
проектирования долговременной почечной регуляции можно проследить концентрацию
различных гормонов и содержание соли в организме.
Ну а третья из задействованных в
системе моделей включает в себя 55 основных артерий, составляющих бинарное
дерево, и описывает течение крови в них.
Для того, чтобы обеспечить
совместное функционирование этих трех систем, необходимо привести в
соответствие их численные коды и интерфейсы. Здесь ученым помогло агентное
моделирование — метод, который применяется, когда поведение всего объекта
трудно или невозможно формализовать. Они представили ССС человека как
совокупность отдельных частей, каждая из которых способна как функционировать
самостоятельно, так и взаимодействовать с другими (агентами могут выступать
математические модели отдельных органов и целых систем организма). В результате
— поведение всей системы складывается из работы каждой ее части так же, как
поведение толпы зависит от действий каждого находящегося в ней человека. В то
же время, автономность агентов дает возможность работать с ними индивидуально —
улучшать или заменять их, увеличивать их количество, не затрагивая при этом
остальные модули.
Объединение трех разных моделей в
одной стало возможным благодаря специально созданному для этого программному
модулю на языке Javaдля BioUML, который, с одной стороны, позволяет
представить биологические системы в виде блочных диаграмм, а с другой —
способен автоматически генерировать и запускать симуляцию агентов.
Основой для комплексной системы
послужила модель сердечных сокращений. Сначала модуль артериального резервуара
в ней был заменен на блок, созданный из модели артериального дерева, которую
ученые доработали, чтобы она соответствовать входным и выходных параметрам
«принимающей стороны» — например, изменили заданный в ней механизм симуляции и
добавили расчет усредненных характеристик: среднего давления, средней
сопротивляемости и общего объема артериального русла. Теперь модель сердечных
сокращений вдобавок к своим преимуществам получила способность рассчитывать
поток крови в каждом из 55 сосудов по отдельности.
Следующий этап — объединение ее с
моделью почечной регуляции. Обе они имеют пересекающиеся функциональные блоки —
сердце и артерии, но у первой (комплексной) работа этих систем представлена
детализировано, в то время как вторая содержит усредненные по времени
показатели. Исходя из этого, соответствующие модули в модели почечной регуляции
ученые решили заменить на блоки из модели сердца и артериального дерева. Для
обеспечения корректности объединения в систему был вставлен буфер из модулей,
динамически рассчитывающих скользящее среднее быстро колеблющихся величин и
передающих усредненные значения. В качестве обратной связи модель почки стала
регулировать общий объем крови и кровоток через почечные артерии.
В итоге, получившаяся система не
только вобрала в себя возможности трех в нее входящих (конечно, в процессе
объединения некоторая часть их функций была потеряна), но и приобрела новые, им
не свойственные. Например, теперь на ней можно провести следующий эксперимент:
задать параметры сужения отдельной артерии и посмотреть, как они повлияют на
остальные модули и показатели — среднее артериальное давление, общий объем
крови, почечный кровоток. Модель позволяет отслеживать как глобальные процессы
(изменение объема крови, содержания соли в крови, концентрацию определенных
гормонов в организме), так и локальные (циркуляцию крови по определенным
сосудам). Также она подходит для моделирования различных патологий — например,
артериальной гипертонии, аритмии и др.
По словам ученых, на этом
исследование не законченно — модель можно расширять практически бесконечно:
добавлять в нее новые блоки, дорабатывать и более тесно переплетать друг с
другом уже имеющиеся, заменять их на более совершенные математические модели
соответствующих органов. Основное преимущество этой разработки — удобный
интерфейс.